随着教育改革的不断深入，社会对教育的期待日益提高，这一变化也促使高中化学教师在教学方法和教育理念上进行了重大调整。使用模型学习法进行直观教学已被广泛采纳。研究表明，基于模型构建的教学方式可以有效提高高中生的学习效率和能力。本文将探讨模型教学的核心内容和价值，并讨论物理模型、概念模型和数学模型在高中化学教育中的具体应用。
一、模型建构的定义与属性
模型建构活动的核心是“问题解决”，其过程遵循“问题—模型—解答”的路径，贯穿始终的是思考和推理的过程。这种方法强调从实际问题出发来构建模型，而非仅从理论知识抽象模型。这种问题导向的学习方式帮助学生更好地掌握和应用抽象概念，并提高解决实际问题的能力。模型建构是跨学科的综合活动，常涉及数学、物理等多学科知识。学生在此过程中需综合运用多学科知识，形成解决问题的全面方案。此外，模型建构过程还强调实践和操作，通过调研、实验和数据分析等活动收集信息，运用这些信息构建科学模型，从而将理论知识实际应用，培养解决问题的实际能力。
二、高中化学“模型建构”教学现状分析
研究显示，尽管教师接触过新课程标准中提到的模型认知，但在深入理解模型的种类、功能等核心概念时仍显不足。这反映出教师在日常教学中对模型建构的重视程度不够，对相关理论和实际教学案例的了解有限，这限制了他们对模型建构的全面理解，也影响了模型教学在课堂上的有效实施。关键问题是，教师普遍缺乏系统的模型构建规划，未能有效指导学生逐步发展模型思维，这成为模型教学难以普及的主要障碍。
同时，学生的学习现状也显示出对模型认知培养的不足。多数学生倾向于对知识进行碎片化学习，缺少系统化的知识整合能力。尽管学生认识到模型方法在化学学习中的重要性，并有尝试使用模型的意愿，但由于教师较少涉及模型内容，学生在实际学习中难以独立正确使用模型方法。特别是在理解水溶液中的离子反应时，学生往往只从溶质角度进行分析，忽略了溶质与溶剂之间的相互作用，显示出学生在模型认知上仍处于初级阶段，未能形成多维度、系统的思考模式。
三、基于“模型建构”的高中化学教学策略探索
（一）激发学生参与，构建概念模型
概念模型通过使用文字、符号及图形等元素构成可视化的流程图，以描述和展示特定事物的内在规律。这类模型以其直观性和简洁性为特点，在高中化学教学中广泛应用，如化学方程式便是一种典型的概念模型。通过概念图的应用，教师可以引导学生理解化学知识的形成过程及其应用方法，掌握研究化学的基本原理。此外，鉴于化学知识点的分散性，未能明确各知识点间的联系和逻辑关系将使学习变得困难。因此，教师在每个学习阶段结束时应通过概念模型对知识点进行归纳总结，帮助学生将学习内容串联起来，构建完整的知识结构图，这将极大地促进学生的记忆和理解。
以溴乙烷制备乙二酸乙二酯的实验教学为例：学生在开始实验之前，需先查阅相关文献，了解各反应步骤的可行性，选定最优的合成路径。随后，他们需要绘制一份详尽的流程图，明确标注每个反应步骤所需的试剂、催化剂和反应条件（如温度、压力），以及副产物处理和纯化过程。在实验进行过程中，学生将实际检验他们的概念模型，通过观察实验结果与预期目标之间的差异来反思可能的误差来源，例如反应条件的调整、试剂纯度的影响或实验操作的正确性。通过这种方法，学生在不断调整和完善实验方案的同时，也在培养自己的批判性思维和科学探究能力，深化对化学反应本质的理解。
（二）突出物理要素，应用物理模型
物理模型是构建化学基础知识中不可或缺的核心元素，它对学生的化学模型认知和构建起着决定性的作用。因此，教师需要深入解析教材中的物理模型要素，熟练运用实物模型和思维模型，使抽象的化学概念更加立体化，并将微观的粒子行为宏观化，提供给学生更直观的学习体验，从而帮助他们构建化学模型。
以“共价键与分子的空间结构”这一单元为例，考虑到本单元内容的抽象性，有多种实物模型可供选择。教师可以利用可组装的小球、塑料板、积木等教具，辅助学生理解手性碳、分子对称性及空间结构等关键概念。通过使用这些实体模型，学生可以直观地理解共价键的性质及分子的空间结构，将抽象知识具体化。这种模型建构的教学方式不仅促使学生掌握分子结构的核心特征，如非极性键的判定和极性分子的结构特性，还为他们后续在化学认知模型构建中奠定坚实的基础，确保他们能够顺利完成课程中的化学模型建构任务。
(三)运用数学模型，优化化学教学
化学教师可以利用数学模型来帮助学生构建化学模型，通过数学工具实现化学问题的定量分析。数学模型主要用于化学知识的学习与应用中，例如使用数轴、函数等工具来进行化学量的定量描述和转换，从而增强学生对化学量感知的准确性。教师可以灵活应用各种数学手段，引导学生将这些工具应用于化学模型的认知和构建，处理实际遇到的化学问题，促进学生对化学数量关系的理解，实现数学模型与化学模型的有效结合。
以“化学反应速率”这一主题为例，教师可以采用坐标轴、函数等数学表达方式来展示化学反应速率的变化。例如，让学生运用函数关系式来表示在催化剂、底物浓度和反应时间等变量影响下，过氧化氢分解产生氧气的速率变化。学生通过记录实验数据，并对这些数据进行基本分析，可以绘制出具体的坐标图表，如直角坐标系图，以此直观表达数据。通过这种方式，学生可以进行化学知识的定量分析，将化学现象转化为数学表达，进而构建起化学认知模型。这样的教学策略不仅帮助学生更好地理解化学定量关系，也促进了学生在化学建模过程中的数学应用能力，从而实现了数学模型对化学教学的有效支持。
(四)实施问题论述，推进题论述模型
问题论述与表达是化学问题模型的关键部分，它允许学生通过科学的论述方式展示化学知识学习的成果，并在此过程中获取关于模型修正与完善的灵感，从而达到化学模型的二次巩固与提升。因此，化学教师应重视化学问题论述模型的认知与建构，教授学生一些规范化、高效的问题论述方法，帮助学生培养科学、有序的问题论述习惯。这样的训练可以帮助学生按照发现问题、思考问题以及处理问题的顺序，进行科学的论述，规范学生在化学模型论证与完善过程中的表达，并通过问题论述模型的构建提升学生的化学模型认知与建构能力。
以“铁及其化合物”的学习为例：在探索铁的性质和化合物时，教师可指导学生开展一系列相关实验，如探究铁的磁性、与酸的反应等，并合成如氧化铁、硫酸亚铁等铁的常见化合物。学生各小组根据实验数据和理论知识构建初步模型，涵盖铁的物理化学性质和反应特性。实验后，教师引导学生进行小组间交流，分享和讨论各组构建的模型，通过教师的引导讨论和模型的互相完善，以确保学生能全面深入理解铁及其化合物的性质。此外，通过比较不同铁化合物的特性和潜在应用，学生可以探讨其在例如铁路建设中的应用价值。这种基于小组合作的教学模式不仅促进学生之间的协作与交流，而且培养学生的实际问题解决能力，并加深了他们对铁及其化合物在实际应用中的理解。通过这种方式，学生在规范化的论述过程中不断完善自己的化学模型。
四、高中化学教学案例分析——探讨“原电池”的教学模式
（一）构建真实场景，形成原电池思维框架
在高中化学课上，利用化学历史发展作为教学引导，通过展示电池技术的演变视频和图片，从单液电池到双液电池，再结合诺贝尔奖获得者关于锂电池的创新故事，有效提升学生对化学科学的兴趣。通过真实的例子，例如使用橙子为手机充电的实验，引导学生自发地探讨和讨论原电池的材料选择和其在社会中的重要性。通过展示干电池与锂电池的实物，对比不同电池的结构和电极反应，帮助学生构建铜锌原电池的理论模型。此外，通过复习既有知识，确定化学反应，并设计实验装置，进一步加深学生对原电池构造的认识。这种教学方法通过将日常生活应用融入课堂，使学生在实际操作中体会到化学的真正魅力，达到了理论知识与实践应用的完美结合。
（二）逐步深化活动，拆解原电池的思维模型
通过组织学生进行Cu-Zn原电池的实验活动，观察电流的变化和锌片上黑色沉积的现象，激发学生对单液原电池设计缺陷的反思。通过一系列逐步深入的问题，探讨单液电池的局限、如何防止铜离子在锌片上的还原反应、选择合适的溶液环境以及如何提高电池的工作效率，引导学生进行深入的科学探索。借助水桥和盐桥的对比实验以及利用数字传感技术的辅助，明确了双液原电池的关键组成难点。这个过程不仅验证了理论知识，还培养了学生的问题解决、实验设计和批判性思维能力，显著提高了他们的学科素质。通过应用这些思维模型，学生逐步解开疑惑，实现了知识的深化和个人能力的增强。
（三）精选教材，重塑原电池的理解模式
化学课的核心目标是揭示科学的本质，需要学生不仅掌握科学的方法论，还要能对实验结果进行科学的解释。因此，精心选择教材对于打破学生的认知壁垒至关重要。在课程中，让学生通过辩证思维来审视各种科学实验，体会科学探索的乐趣，激发他们的创造性思维。例如，利用动画解释电流是如何产生的，帮助学生从微观角度理解宏观现象；连接干电池和灵敏电流计，通过观察电流计指针的移动方向深入理解电流的性质；使用离子传感器测量电极周围的离子浓度变化，使学生的想象和理解得以具象化；通过橘子膜的导电实验启发学生思考，利用干电池的实物和动画，引导学生了解离子交换膜的作用，并基于此进行科学推理。最终，通过实验探究获取数据和结论，实现从理论到实用的跨越，使学生对电池技术未来的发展抱有期望，激发他们学习的动力。这样的教学不仅完善了学生对原电池的认知模型，还提升了化学课的教学质量——通过实践发现真理。
（四）整体单元设计，提升原电池认识模型
在本教学案例中，我们精心设计了教学目标、任务和活动，注重整体性和层次性的教学设计，逐步构建并完善原电池的认识模型。在教学的初期，通过对单液原电池的深入分析，加强学生的观察、记忆及概括能力，并构建四要素的基本模型。随后引入双液原电池概念，纠正学生的认知误区，建立正确的分析视角，进一步培养学生的推理预测及简单设计能力。对于学生在电极材料和反应物方面的常见误解，通过实践活动帮助他们进行知识的迁移和应用。通过对单液和双液原电池的对比分析，促使学生主动运用并形成系统性的理解。
教学活动专注于双液原电池的设计任务，锻炼学生的多角度思考和综合探究能力。进一步拓展到非典型电池类型，如锂电池和干电池，加深学生对于电池模型功能和价值的理解，激发其创新思维和广泛迁移的能力。教学过程涵盖了诊断、纠错和模型构建环节，通过与多种电池原型的接触，不断优化学生的认识视角。在后续教学中，通过调整任务的难度和开放性，促进学生在解决实际问题时深化知识迁移，固化关键模型要素和分析路径，达到深度学习的目标。此外，我们也会剖析原电池误区的根源，揭示学生的认知盲点，帮助他们建立全面准确的原电池认知框架，丰富和完善学科能力导向的多维认识模型。
五、基于“模型建构”的高中化学教学效果研究
引入模型建构方法到高中化学教学中带来了若干积极影响。首先，这种方法充分发挥了教师的作用，他们在教学设计中的把握非常到位，能创设与实际生活密切相关的学习环境，同时在授课过程中注意到语言的使用，通过明确的语言指导帮助学生建立和拓展他们的模型理解，这种有目的的引导显著提高了学生的模型认知能力。其次，课程设计时重视学生的主动参与，设置了多样化的教学活动，并强调学生在构建模型过程中的主动参与，这极大地提升了学生的学习主动性和效率。
在教学目标的实现方面，各种教学活动帮助学生在模型认知素养上有了明显提高。基于“教评一体”的评估方法设计，能有效地检测学生达到学习目标的程度，并且为教师全面评估教学效果提供了依据，使得教师能够及时调整教学策略。在情感体验上，无论是与生活紧密相关的问题情境还是化学历史的介绍，都极大地丰富了学生的情感体验，这对学生的科学态度和社会责任感的培养以及对科学本质的理解产生了深远的影响。
在学科特性方面，教学设计充分展现了化学学科的独特思维方式，注重于学生认知模型的建构和引导学生使用模型来解释化学现象、处理化学问题，有效地促进了模型认知素养的提升。然而，评估数据分析显示，教学设计仍有改进空间。例如，相对于模型的建构和应用，如何利用模型评估来加强学生模型认知的发展尚需加强。此外，确保教学活动设计能够覆盖每位学生也是当前教学中的弱点，需要未来继续改进和优化。
六、结语
在高中化学课程中，构建模型是一项核心活动。将复杂的化学概念具象化为物理模型、概念模型和数学模型，不仅帮助学生更深入地理解化学法则，也增强了他们解决问题的技能。教师作为引导者的角色变得至关重要，他们通过打造贴近现实的学习场景、分步骤的教学活动以及精心选择的教材，有效促进了学生的自主学习和知识的深化吸收。在模型的建立与分解过程中，学生培养了批判性思维和创新能力。尽管如此，教学实践中还面临诸多挑战，包括如何有效评估模型建设的过程与结果，以及确保所有学生都能从教学中受益。未来的研究需要聚焦于细化教学方法、提升教师的专业技能，以便在高中化学教育中更全面、深入地推广模型建构的实践，培育出具备坚实的化学知识和创新能力的新一代学生。
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本论文是保定市教育科学研究“十四五”规划课题，编号2401066的主要成果。
