模型认知解读及教学思考以化学学科为例|对化学的学科认知

模型认知解读及教学思考以化学学科为例

模型认知是指利用模型认识事物或通过建构模型解决 问题的方法。当人们需要处理的问题在空间或时间上与人的 官能不匹配时（如原型太小、太大、太快、太久、太遥远或 太复杂等），结构和演进过程难以外显，因果关系趋向于理 论化，就需要借助模型认知。

化学是在原子、分子水平上研究物质的性质和变化的学 科，经常要运用多种模型来描述和解释化学现象，预测物质 及其变化的可能结果，或者依据物质及其变化的信息来建构 模型，建立解决复杂化学问题的思维框架。因此，模型认知 是化学学习和化学研究必不可少的方法。

一、模型概念及其分类 在现代科技文献和日常语言中，“模型”一词通常有两 种用法。一是指某一对象（原型）的复制品或样本，最常见 的是人们根据原型的外形、结构特征，按比例放大或缩小而得到的一类比例模型，如合成塔模型、炼铁高炉模型等。二 是指与某一对象（原型）具有一定相似性的系统，包括：（1） 以物质的形态体现或模拟对象的结构、功能或运行规律的实 物相似模型，如晶体结构模型、DNA双螺旋结构模型等；
（2） 以观念的形态摹写或描述对象的某些特征、性质和规律的抽 象相似模型，如理想气体模型等。概而言之，模型是人们为 了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的描述。这种 描述可以是定性的，也可以是定量的；
有的借助于具体的实 物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达。

化学学科中的模型种类很多，为了研究它们各自的性质、 特点和适用范围，需要选择适当的标准加以区别和分类。按 照代表和反映原型的方式，模型可以分为物质模型和思想模 型（如表1）。物质模型是以某种程度、形式相似的模拟实 体再现原型。它不仅可以显示原型的外形或某些特点，而且 可以用来进行模拟实验（如化学教学中的演示实验）。思想 模型是客观事物在人的头脑中的抽象反映形式，是人在头脑 中创造出来的。按照模拟原型的性质和特点，思想模型可以 分为想象模型、符号模型和数学模型。想象模型是以理想或 想象的形态去近似地反映客体的一种形式，是运用思维的力 量对客体进行简化、纯化或猜想、幻想的产物；
符号模型是 指借助于专门的符号并按一定的形式组合来描述客体；
数学 模型是指把客观事物的某些联系或性质通过数学表达式表 示。理想气体状态方程，薛定谔方程等 需要指出的是，模型的分类并不是总有那么清晰的边界， 有些模型兼具多类模型的特点。例如原子结构模型，它既保 留了物质模型的特点，又保留了思维模型的特点。因此，分 类也只是为了研究方便而已。

二、模型的认知功能 从认识论的观点看，模型是认识过程的重要环节，它把 认识过程的各个因素都汇集在一起。在认识过程中所运用的 模型履行着各种功能，不仅是对已有认识的总结，而且加入 了新的猜测和假设，含有新的思想和概念。因此，模型的认 知功能是多样的，其中最突出的包括下列四个方面。

（一）描述功能 模型的建立主要依据类比原则，从观测到的事实出发， 经过推理，得出一些抽象的、有组织的观念，即把各种事实、 现象及其相互关系纳入到一个抽象的、有组织的系统中。借 助模型，可以有效地描述原型的特点以及各种成分或要素的 相互关系，更能突破语言要素必须直线连续排列的限制，避 免抽象语言无法使人一下子获得整体印象的问题。例如，理 想溶液模型描述了浓度变化对溶液性质的影响。

（二）解释功能 模型，尤其是实体模型，在人们的认识过程中起着重要 的解释作用。以形形色色的模型为中介，人们可以很好地认 识和研究客观事物。通过模型可以形成一个关于事物内部如何作用的假想机制，来模拟、类比和推测事物的结构和过程， 从而达到对现象的解释。模型应该符合它赖以建立的实验基 础，能够对有关现实原型的各种观察、实验事实作出科学解 释。例如，化学反应的碰撞模型能够解释各种因素对化学反 应速率的影响。

（三）预见功能 在模型的抽象过程中，人们舍去了大量次要的细节材料， 突出了事物或过程的主要特征，因而便于发挥逻辑思维的力 量，使得模型的研究结果能够超越现有条件，指示研究的方 向，形成科学的预见。例如，门捷列夫发现了元素周期率， 将当时已经发现的各种元素按原子量大小排列在一张周期 表中，并预言了当时还没有发现的一些元素。后来，这些元 素被相继找到，验证了门捷列夫的预言。从现代科学的观点 来看，元素周期表（律）就是一种化学模型，它成功地处理 了各种元素的关系，并具有很好的预测力，能指导以后的研 究。

（四）判断功能 原型与模型之间遵从相似理论，因此借助模型可以检验 原型的可靠性。这种检验的最终标准是科学实践，但是当模 型建立在科学实践的基础上并为科学实践所证实时，它就可 以间接地起到关于原型知识真实性的判据作用。由于科学规 律能在相应的模型中以纯粹的、准确的形态体现，所以这种 判据作用往往比实践的检验更有力量。例如，由理想气体模型可以判断混合气体中各组分气体的性质，推导出道尔顿分 压定律，因为它们之间均遵从理想气体状态方程。

当然，在充分认识模型在人类认知活动中的重要地位和 作用的同时，还必须清醒地认识到模型方法的局限性。首先， 模型毕竟不是现实原型，它与原型之间存在着差异。其次， 任何模型的应用都不能代替严格的逻辑推理，更不能代替科 学实验的检验和判定。

三、关于模型认知的教学思考 （一）模型展示与模型建构相结合，提升学生的思维能 力 化学教学中，充分利用直观的物质模型手段，排除学生 学习化学的畏难心理，尽量让他们在感性认识的基础上得出 结论，不失为一种好方法。但是，认为给学生看一下实物模 型便是运用模型的教学，则极大地削弱了模型的教育价值。

模型方法体现了人类思维的科学抽象和理论概括能力。作为 教学工具，模型不仅可以帮助学生认识，而且可以帮助学生 思考。模型方法需要充分的想象，需要抽象思维和形象思维 的灵活转换和高度统一。模型方法的运用可以使学生的认知 水平逐步从具体向抽象过渡，思维能力逐步从感性上升到理 性，从而理解和掌握一些来自于具体事物、现象的抽象科学 概念、理论。学生一旦将模型方法内化为自己的认知图式， 就能获得认知水平的跃进。

例如，教学有关苯的知识时，如果只是简单地展示苯的比例模型，虽然也能把苯分子的价键特点说清楚，但是会失 去训练学生思维、提升其思维品质的大好机会。教师不妨先 给出苯的分子式C6H6，要求学生根据有机物的结构特点，写 出或画出符合分子式的各种可能的结构。学生可能会写出或 画出许多同分异构体。这时，教师不妨再给出苯的性质的实 验事实：（1）(演示得出)苯不能使紫色KMnO4酸性溶液褪色；

（2）苯分子的一氯代物、邻位二氯代物只有一种。由此， 鼓励学生对自己写出的结构进行评价。最后，教师再来介绍 凯库勒提出苯的结构模型的过程。

这样的教学过程不但有利于教师了解学生的内部知识 结构，还能提高学生对模型的理解力，促进学生概念的发展， 在模型建构中实现概念的形成和理解。

（二）模型观察与模型制作相结合，提升学生的实践能 力 有计划地组织学生动手制作模型，既能发挥模型的教育 作用，又能提升学生的实践能力，还可以调动学生的学习积 极性，扩大学生的学习视野。

例如，教师可以鼓励学生制作各种晶体的结构模型、各 种有机物分子的球棍模型；
可以与通用技术教师合作，让学 生通过查阅资料，制作炼铁高炉、沸腾炉、吸收塔模型；
也 可以鼓励学生利用计算机软件制作各种金属的密堆积模型、 各种分子的立体模型……从而帮助学生在理解知识的同时， 提升实践能力。（三）模型建构与模型演变相结合，培养学生的科学精 神 科学模型虽然与原型具有本质上的相似性，但毕竟只是 一种相似物，相似的程度有高有低，有时可能差距很大。所 以，依靠模型方法绝不可能穷尽对原型的认识，所取得的结 果也需要接受实践的检验。同时，人的认知过程是极为复杂 曲折的，实践检验的过程也是复杂多变的，这导致检验标准 本身就具有相对性。所以，有些模型可能在相当长的时期内 被认为是反映了原型本质属性的科学模型，但最终被证明与 原型的相似是非本质的，甚至是大大偏离或歪曲的。也就是 说，模型始终处在不断地“建构—解构—建构”的动态发展 过程中，再好的模型也只是一种阶段性的认识成果。所以， 模型认知的教学也应该是一个不断发展、修正与完善的过程， 要使学生从中认识到“模型是一个开放的动态体系”。

例如，道尔顿根据朴素的想象提出了原子实模型；
J.J. 汤姆逊在发现电子的基础上提出了原子的西瓜模型；
卢瑟福 在α粒子散射实验的基础上提出了原子的行星模型；
波尔从 原子的稳定性和原子光谱的不连续性出发，建立了半量子化 半经典的原子模型…… 讲解这样的模型发展过程就是最好的科学方法教育，不 但能让学生明白任何创造都要基于实践，而且能让学生树立 起敢于大胆假设、不迷信权威的科学精神。

（四）模型建构与问题解决相结合，培养学生的解题能力 科学研究是以问题解决为源头和归宿的，科学学习也是 如此。模型的建构可以使对象直观化和简化，便于研究；
又 可以简略描述研究成果，使之便于理解和传播；
还可以用于 计算、推导、延伸观察和实验的结论等。而这一切都可以服 务于问题的解决。教师要引导学生在解决问题的过程中，学 会确定对象，然后运用已有的知识进行假设、 模拟、归纳和演绎，将复杂的事物进行简化，抽象出其 本质属性，建立模型，从而确实提升学生的解题能力。

例如,对于下面的题目：
铜和镁的合金4.6 g完全溶于浓硝酸，若反应中硝酸被 还原只产生4 480 mL的NO2气体和336 mL的N2O4气体（都已 折算到标准状况），则在反应后的溶液中，加入足量的氢氧 化钠溶液，生成沉淀的质量为（） A.9.02 gB.8.51 g C.8.26 gD.7.04 g 可以鼓励学生建立反应过程的模型（如图1），从而发 现求生成沉淀的质量，就是求Cu2+、Mg2+结合的OH-的质量， 进而明了要通过电子守恒来求OH-的物质的量，即Cu2+和 Mg2+所带正电荷的物质的量，就是Cu、Mg在反应过程中失去 电子的物质的量，也就是生成NO2和N2O4时得到电子的物质 的量。

这样的教学使得题目的难度大大降低，学生的理解也变得简单，对启发学生的思维方法、提升学生的解题能力也有 较大的意义。

参考文献：
［1］ 张琼等.科学理论模型的建构［M］.杭州：浙江 科学技术出版社，1990. ［2］ 高达声.略论模型法［J］.哲学研究，1981（2）.