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发展学生建模能力的教学案例研究

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刘雅丽濮江周青

摘要：模型和建模是国际科学教育的主要内容，发展学生建模能力是我国新一轮课程标准中化学学科核心素养“证据推理与模型认知”的重要组成部分。通过分析优质复习课“再探金属的活动性顺序”探究如何提高学生的建模能力。在教学中，以真实情境为背景、以科学探究为方法，以模型建构为过程，将真实情境、科学探究和模型建构有机结合，提高学生建模能力，发展学生化学学科核心素养。

关键词：建模能力; 模型建构; 科学探究; 真实情境; 教学研究

文章编号： 10056629（2019）9003905? ? ? ? ? ? 中图分类号： G633.8? ? ? ? ? ? 文献标识码： B

模型与建模是科学发展和科学教育的重要元素，也是学习科学必不可少的认知与能力，模型认知和建模能力体现了科学本质的要求，是科学教育的重要目标[1， 2]。我国《普通高中化学课程标准（2017年版）》也首次提出“证据推理与模型认知”作为化学学科核心素养之一，在模型建构能力方面要求学生能对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析并建构相应的模型，能选择不同模型综合解释或解决化学问题[3]。可见建模能力是学习自然科学的核心能力，是发展学生核心素养的关键能力之一[4]。然而，目前高中化学教学中对于发展学生模型认知和建模能力的意识相对薄弱[5]。在中学的教科书中，关于模型建构、模型运用的比重相对较低，学习过程中学生难以发展以模型为主的认知习惯，仅仅是解释相关概念，缺乏真正建构模型和运用模型的技能[6， 7]。那么，如何培养学生的模型认知和建模能力呢？

本文通过分析全国第二次初中化学优质课大赛中“再探金属的活动性顺序（复习课）”，该课例通过科学探究解决实际问题来培养学生的建模能力，将模型建构和模型应用落到实处，可为学科核心素养在课堂上的落地提供教学参考。

1? 模型和建模能力

模型是对物体、事件、想法或现象的认知和表征，不同的表征方式达到不同的功能和目的，是联系学习经验与科学思维的中介产物。模型可以简化所表征的事物或使事物抽象化，实现对事物的描述、解释和预测[8]。在自然科学研究中，客观对象不能直接研究时，在一定的观察、实验和对所获得的科学事实初步概括之后，利用想象、抽象、类比等方法建构一个简化且集中反映客体本质关系的模型，并通过模型揭示原型客体的形态、本质和特征。化学学科核心素养中的“模型认知”思维方法是由化学研究对象的特殊性所决定的。化学模型是以一种以观念形态描述原型的特征、性质、规律的抽象概念或理论模型，例如分子、原子模型，理想气体模型，以及本文中提及的金属活动性顺序模型，是描述对化学规律的认知过程的模型。建模能力是指把握客观事物特征、运用已有概念域中的相关概念建构心智模型并通过操作性活动解决问题的能力，其可分为内隐的心智行为能力和外显的科学探究能力，体现在模型建构的历程中[9]。内隐的认知和心理过程无法直接表现，可以用外显的、可操作的科学探究过程发展建模能力。

2? 建模历程

建模即模型的建构，张志康等[10]认为建模是模型产生的一个历程，将建模历程分为六个部分（见表1），可推进对科学本质的理解。学生在建模的历程中逐渐提高建模能力。

3? 优秀教学案例分析

利用对金属的活动性顺序的复习将学生已经形成的心智模型通过科学模型的建构历程转换成科学模型。通过科学探究活动解决钯在金属活动性顺序中的位置、分辨未知金属、合理处理实验废液等实际问题，在此过程中完成学生对金属活动性顺序模型（即对金属活动性顺序规律和系列金属反应的认知和表征）的建构和应用，将真实情境、科学探究和模型建构有机结合，为培养和提高学生建模能力提供抓手。整个教学过程分为四个学习任务，分别是（1）模型选择：金属活动性顺序重排;（2）模型建立和效化：确定钯在金属活动性顺序中的位置;（3）模型应用：利用金属活动性顺序模型确定未知金属;（4）模型调适和重建：运用金属活动性顺序模型合理处理氯化钯废液。

3.1? 学习任务一模型选择：金属活动性顺序重排

模型选择是指从熟悉的模型中选择一个合适的模型解决问题。本节课为复习课，学生对金属活动性顺序已经具有一定的理解，形成了心智模型。课程的第一部分复习金属活动性顺序相关知识，以自制工艺品情境导入（实质为铁和硫酸铜的反应）。通过将顺序错乱的金属按照正确的金属活动性顺序重新排列来巩固已学知识，学生从自己已有的认知中选择正确的金属活动性顺序模型，掌握正确的金属活动性顺序，并可以借助金属活动性顺序模型解释金属反应的相关规律。教师引导学生指出还未解决的疑惑，提出证据推理和模型建构的思想，用金属活动性顺序模型解决实际问题，见图1。

3.2? 学习任务二模型建立和效化：确定钯在金属活动性顺序中的位置

模型建立是确定所选模型的相关成分与结构，从而建立个人解决问题的初步模型;模型效化是对模型的不断修正。“学习任务二”利用科学探究的方法建立关于金属活动性顺序的科学模型，分析模型的具体内容和模型的结构，用已有对模型的理解做出解释和预测，基于实验现象分析有效证据并得出结论。教师引导学生讨论模型表示的具体含义，确认模型中各相关部分的关系和结构，对模型的相关部分进行评估、检验和效化，确定模型的内部一致性和外部适用性，通过完整的科学探究活动深化学生对模型建构历程的认识，见图2。

3.3? 学习任务三模型应用：利用金属活动性顺序模型确定未知金属

模型应用是利用已效化的模型解決相似情境的问题，证实模型的适切性。在学生完成模型建构之后，教师给出具有相似情境的问题：利用金属活动性顺序模型确定教师给出的未知金属，引导学生运用“学习任务二”中建构的解决问题的科学模型解决相似情境的问题，通过实验探究收集数据并推理出科学的结论，以此判断学生构建的模型的稳定性和学生对模型的应用能力，合理利用金属活动性顺序模型解释相似情境的问题，证实模型解决实际问题的效果。同时，进一步确定模型的适用性，见图3。

3.4? 学习任务四模型调适和重建：运用金属活动性顺序模型合理处理氯化钯废液

模型调适是使用此模型解决新情境下的问题，评估模型的适用度。课程的最后一项任务是对前面所学内容的综合应用。通过学习建模的历程解决新情境问题需要学生自主设计实验解决之前实验探究中遗留的实际问题，以此培养学生证据推理和模型认知能力。学生依据实际问题中各类物质的不同特征，寻找方法和证据分析建构相应的模型，在解决新情境问题的过程中对已经认识的模型进行调适和迁移。同时，在教师创设的科学探究问题的解决过程中，培养学生可持续发展和绿色发展的观念。在进一步的学习中，学生将该模型进行修正、强化、延伸结构和功能，使建模变成持续循环的过程（见图4）。

4? 教学策略与建议

4.1? 以真实情境为背景，注重学生建构科学模型解决实际问题

科学模型的建构需要以事实为依据。教师在教学设计中以真实情境“‘银树变‘红树”导入课程，并且在教学过程中，学生在真实情境下利用建构关于金属活动性顺序的科学模型解决了“确定金属钯在金属活动性顺序的位置”“利用金属活动性顺序确定未知金属”“回收氯化钯废液”三个实际问题。整个学习过程注重从学生已有的知识和经验出发，在熟悉的生活情境和社会实践情境中构建相应的科学模型，发展学生解决实际问题的能力。真实、具体的问题情境是学生形成和发展化学学科核心素养的重要平台，为培养学生化学学科核心素养提供真实的表现机会。用真实情境导入实际问题、用化學知识和方法构建科学模型解决实际问题，从而提升学生学科核心素养，增强学生的社会责任感。

4.2? 以模型建构为过程，培养学生模型认知能力

模型认知能力的高低是学习科学知识的关键因素。教学设计中教师通过探究钯在金属活动性顺序中的位置的过程引导学生建构解决问题的认知模型。知识是由学生主动认知并建构的，教师提供了恰当的情境和不同层次、不同阶段的实际问题帮助学生组织、整合知识，利用已有的认知构建新的模型。知识的学习过程和模型的建构过程是相辅相成的，建构模型的过程可以帮助学生整合知识，合理组织学生的认知结构，从化学思维方式的视角学习化学知识，培养学生的模型认知能力。

4.3? 以科学探究为方法，促进学生对构建模型和应用模型的理解

外显的、可操作的科学探究可以促进学生对模型和模型建构的理解。在教学设计中，共有两次有意义的科学探究活动，分别是“确定钯在金属活动性顺序中的位置”和“利用金属活动性顺序确定未知金属”。提升学生对科学探究的理解可以促进学生更好地认识构建模型和应用模型的意义。科学探究过程中要注重学生对科学探究活动的亲身体验，注重提出问题、做出猜想和假设的重要性，注重依据事实进行判断并检验猜想和假设的正确性。科学探究是通过实验、观察等多种手段对证据进行收集、推理和判断，最终得出结论的完整的具有严谨逻辑性的过程，在过程中需要学生体验、设疑、思考、总结、判断和反思，并完整地完成模型建构和模型应用的过程，进一步促进对构建模型和应用模型的理解。

4.4? 将真实情境、科学探究和模型建构有机结合，发展学生建模能力

发展具有内隐和外显两种特征的建模能力已成为培养学生学科核心素养的重要任务，通过真实情境的设置发展外显的科学探究能力解决生活生产中的实际问题成为准确把握建模能力的关键环节。将真实情境、科学探究和模型建构有机结合解决实际问题，真正实现了教学情境的真实性、研究体系的条理性、实验过程的探究性、教学内容的综合性、学生思考过程的创新性等目标。在真实情境问题的解决过程中，利用科学探究的手段引导学生运用已有知识建构模型并应用模型的教学设计思路贯穿整个教学过程，使学生在学习过程中将日常心智模型通过科学模型的建构历程转换成科学模型，发展自身的建模能力（见图5）。

由此可见，在整个学习（复习）过程中，以真实情境为背景，以科学探究为方法，以模型建构为过程，将真实情境、科学探究和模型建构有机结合，真实反映了学生的科学建模过程，发展了学生的建模能力，提高了学生的核心素养。

参考文献：

[1][10]张志康，邱美虹. 建模能力分析指标的发展与应用——以电化学为例[J]. 科学教育， 2009， 17（4）： 319～342.

[2][9]翟小铭，郭玉英. 科学建模能力评述：内涵、模型及测评[J]. 教育学报， 2015，（6）： 75～82.

[3]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018.

[4]李凤. 高中生化学建模能力的测评工具开发及应用研究[D]. 武汉：华中师范大学硕士学位论文， 2017.

[5]杨玉琴. 化学核心素养之“模型认知”能力的测评研究[J]. 化学教学， 2017，（7）： 9～14.

[6]吴文龙. 以概念演化探讨物质三态变化之教科书内容与教学对学童心智模式发展历程之影响[D]. 台北：台湾师范大学硕士学位论文， 2011.

[7]邱美虹，钟建坪. 模型观点在化学教科书中的角色与对化学教学之启示[J]. 化学教学， 2014，（1）： 3～6.

[8]赵萍萍，刘恩山. 科学教育中模型定义及其分类研究述评[J]. 教育学报， 2015，（1）： 46～53.

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