一、科学模型的涵义和特征 “科学模型”是研究者按照科学研究目的，在一定条件下，用物质或者思维假设的形式阐述原型客体的主要特征，再通过对形成模型的研究，来推知客体的性能和变化规律。[1]实际研究中人们往往很难真正接触到事物原型，“科学模型”为理解和解释科学研究对象提供了可能，是研究者对原型的间接接触。国外文献中对科学模型的阐释多集中于心智模型，旨在用于推理的精神实体；而在国内文献的研究中，对模型抽象概念提出较少，多集中于教学方面，建立能够帮助知识进行迁移的模型应用，为教学所用。[2]其中，与教学直接相关的当属实物模型、观念模型以及思维模型。[3]化学教学中的科学模型称为化学模型，是化学教师实施教学行为时，所借助的一种实物、符号或者思维模式的认识媒介，用来解释教学活动中涉及的一些不容易直接接触或难理解的实物客体的性质规律或变化，这些化学模型由于被赋予了学科意义，在应用过程中能够适时地反映与化学学科相关的问题，帮助学生更好地通过化学模型认识事物、解释现象以及解决问题。 科学模型主要有四个重要特征。第一是形象与直观性。基于模型的科学教学可以为学生提供可视化的图像，能够帮助学生深入理解科学内容，把抽象的科学概念还原为具体的可感知的科学形象，促进学生对科学本质的理解。[4]比如在原子结构的认知途径中，由于学生不能直接接触原子，并且对原子的形象难以想象，国内各版本的化学教材中都借助了不同时期提出的不同原子模型，通过展示直观的图像和视频资料对原子模型进行介绍，有效地促进了学生对实际原子结构的认识与理解。第二是解释与预测性。在模型的抽象过程中，为突出原客体的主要特征，需要对其他方面做部分修整和舍弃，这是对原型精致化的阐释，便于研究者发挥逻辑思维的力量，对原型客体进行相应推测和解释，以此来指示科学预见。[5]科学发展史上很多突破性的成果就得益于模型的解释预测性，如范霍夫提出了碳的正四面体假说模型，解释了分子的旋光异构现象，标志着立体化学的诞生。[6]门捷列夫将各元素按照原子量的大小依次排列，从而制成元素周期表，并在元素周期律的基础上，预测了当时还没有被发现的元素，这些元素在后期化学的发展中都一一被其他科学家发现并填入相应的空位中。教学中通过模型进行预测和解释，有助于学生对科学概念获得本质上的理解，发展科学思维。第三是理想与相似性。一方面，模型是对原型的理想化，科学家们通过建构理想化的模型简化研究问题。比如理想气体就是一种理想化的研究气体性质的物理模型，理想气体同时满足气体实验定律和阿伏伽德罗定律，理想气体分子是一个无体积有质量的质点，与其他分子既没有引力也没有斥力，在运动中只产生压强。科学家们通过理想气体状态方程揭示了温度的微观本质，刻画出平衡状态示意图、测量了大气压强等。另一方面，模型是对原型的近似模仿，即模型旨在把握概念的基本属性和特征。比如化学平衡常数K通常被用来计算化学平衡中的一些问题，但是当体系中有固体或纯液体存在时，其浓度可以近似看作“1”，体现出可逆反应在平衡状态时的一般特性，通过化学平衡常数模型将具体复杂的化学平衡状态转变为简单的数学计算形式。模型对原型的模仿和精致，体现的是将一个具体复杂的事物转变为简单形式的方法，体现的是复杂事物的多样性中具体的某一种，或者更多的是能够体现一个概念的最直接的关键描述。在科学教学中，学生学习不同的知识时，更主要的是在不同事物之间寻找相似性和总结规律，把新问题划归为已有答案的老问题，由此通过建立模型发展学生的科学思维能力。第四是具体与聚焦性。在科学模型的建构过程中，科学家们并不致力于通过该模型完全成功表征某一事物或现象，他们往往只需要证明在使用该模型进行探究时，他们的推理论证能力在不断的提高，这一过程称为“模型解释的聚焦”。[7]以原子结构模型为例，卢瑟福将原子结构比作太阳系，以此提出行星模型，但波尔却对行星模型的稳定性提出了质疑，因为电子绕核高速运转的同时会辐射能量，那么电子就不能稳定地在原子核外继续运行，卢瑟福本着严谨的科学精神承认了行星模型的不足，但他对此回应道，他所关注的是粒子的散射而不是原子的稳定性，稳定性将依赖于原子的细微结构，属于电动态稳定的问题范畴。某些模型被推翻是因为其有效推理被发现是错误的，而某些模型被发展是因为其错误的推理被证明是有效的，直至该模型达到完全成功表征。[7] 二、模型认知素养的内涵及水平层级表现 随着科学技术的发展，科学课程处于不断动态生成的过程，在这一过程中，知识的生成不断伴随着模型的调试和修订，模型也不再稳定不变，如何理解模型和利用模型指导科学探索变得尤为重要，在科学探索过程中，利用模型认识事物或者通过建构模型解决问题的方法即为模型认知。[8]新课标中对“模型认知”的定义是“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”。[9]4根据化学学科核心素养对高中学生发展的具体要求，提出学生在化学学习活动中，能够认识模型、应用模型以及建构模型，具体表现在“能认识化学现象与模型之间的联系，能运用多种认知模型来描述和解释物质的结构、性质和变化，预测物质及其变化的可能结果；能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架”。[9]4-6基于化学教学的本质和课标要求，专家学者对模型认知做了进一步的阐释。杨玉琴认为，模型认知能力是指“能够运用模型描述化学研究对象、解释化学现象和规律、预测可能的结果，并建构模型展示自己对化学事实的理解和解释的能力”。[10]冯品钰和何彩霞提出，模型认知包括“利用模型认识事物及其变化”和“通过建构认知模型建立解决问题的思考框架”两个方面。[11]由此可以得出，化学学习中的模型认知素养是指能够以化学思维方法认识化学模型，能够利用化学模型解释化学现象、揭示化学规律，并能在科学探究中建构化学模型，通过化学模型形成对问题的认识与解决问题的一般思路。 在科学学习的不同阶段，学生在面对不同的学习对象和学习任务时，思维、方法以及心智路径都在不断调整和发展，在分析和解决问题中将会表现出不同的模型认知水平。国内外科学课程标准对学生的模型认知素养均做了水平层级的划分。美国NGSS以K-12年级全体学生为对象，制定了贯穿全年级的模型认知水平标准，包括K-2年级的使用、制作和区分简单模型；3-5年级的建立、修改模型，使用模型预测现象或进行因果解释；6-8年级评估模型的局限性，使用模型分析系统和解决问题；9-12年级的制作复杂模型，对流程或系统进行操作和测试，综合解决问题，[12]对每个年级学生关于模型的使用、认知以及建模水平都有具体的要求。我国新课标中将模型认知素养划分为4个水平，模型认知水平1要求学生能认识一些常见模型，能将理论模型与化学事实联系起来，起点对比K-12认知水平较高，水平2、3、4的要求与美国NGSS的K12标准3-5、6-8、9-12年级关于模型认知水平的要求基本一致，包括识别、评价、改进、测验模型。[9]90-91可以看出，在实际教学中教师不仅要指导学生认识常用模型，更重要的是能够利用模型、建立模型，在应用过程中不断地调试模型、修订模型。教师不仅要关注到教学模型的使用，还要指导学生了解模型的使用范围和限制，鼓励学生测试模型。总体来说，国内外在模型认知素养水平的层次划分上基本保持一致。以下以高中化学电化学认识模型为例（如下页图1），根据新课标中关于“模型认知”的水平层次表述对该模型认知素养的层级表现进行分析。
