認(rèn)知模型的構(gòu)建
——以《化學(xué)反應(yīng)原理》為例

王春陽

（郟縣第一高級中學(xué)河南郟縣467100）

認(rèn)知模型的構(gòu)建
——以《化學(xué)反應(yīng)原理》為例

王春陽

（郟縣第一高級中學(xué)河南郟縣467100）

文章以《化學(xué)反應(yīng)原理》為例，在原型范疇理論和模型理論的基礎(chǔ)上，分析了認(rèn)知模型的構(gòu)建過程，并闡述了利用認(rèn)知模型解決化學(xué)問題的過程，借此來培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

認(rèn)知模型；構(gòu)建；化學(xué)問題解決

一、認(rèn)知模型構(gòu)建的理論依據(jù)

1.原型范疇理論［1］

原型范疇理論（prototype theory，亦稱類典型理論）是認(rèn)知語言學(xué)中的重要觀點(diǎn)，是認(rèn)知語言學(xué)的理論基礎(chǔ)和核心。20世紀(jì)50年代，維特根斯坦在哲學(xué)研究中通過“語言游戲”說論證了范疇邊界的模糊性，提出了著名的“家族相似性”（Family Resemblances）理論，此后逐漸發(fā)展成原型范疇理論。對于原型范疇理論貢獻(xiàn)很大的是心理學(xué)家羅施（Rosch，1975）。羅施認(rèn)為，概念主要是以原型（proptotype）—即它的最佳實(shí)例表征出來的，我們主要是從能最好地說明一個(gè)概念的實(shí)例來理解概念的。因此，她認(rèn)為一個(gè)概念總會有它的原型，原型就是在一個(gè)范疇中最好的、最典型的、最能用來代表這一范疇的最稱職的個(gè)體。同時(shí)她還指出，人們不是通過正式的一組標(biāo)準(zhǔn)特征來指派一個(gè)客體給一個(gè)范疇，而是把那個(gè)客體與范疇的原型相比較，原型是最好的標(biāo)本，是一把尺度，人們一般把原型和有關(guān)的范疇聯(lián)系起來。而安德森（J.R.Anderson）則定義為“原型是關(guān)于范疇的最典型的樣例的設(shè)想”。

原型范疇理論在解釋認(rèn)知心理時(shí)，認(rèn)為人們首先是通過原型認(rèn)識事物，然后將一些與原型具有差異的事物歸類認(rèn)識，這就是所謂的“家族相似性”，在一個(gè)家族中的成員不一定完全相似，但在一些本質(zhì)上是相似的。原型范疇理論的實(shí)質(zhì)就是人們在解釋某種現(xiàn)象時(shí)，將屬于這類現(xiàn)象的某個(gè)個(gè)體視為原型，并在對這個(gè)原型總體特征認(rèn)識不變的情況下，把握這類現(xiàn)象的其他個(gè)體。

認(rèn)知心理學(xué)中使用的“原型”概念，一般具有兩個(gè)方面的含義：其一是側(cè)重于文化心理和集體無意識范疇的“原型”（Prototype），其二是側(cè)重于認(rèn)知過程和創(chuàng)造心理方面的“原型”（Prototype）。學(xué)習(xí)是認(rèn)知過程，因此prororype才是教學(xué)中最重要的，也是最有意義的。

化學(xué)科學(xué)教育的最基本模式與原型范疇理論十分吻合，利用原型范疇理論能揭示化學(xué)教學(xué)原理，是建立化學(xué)認(rèn)知模型的前提。

2.模型理論［2］

模型一詞起源于拉丁文的“modulus”，其初始含義是樣本、標(biāo)準(zhǔn)和尺度，中文原意即規(guī)范。模型是科學(xué)認(rèn)識的一種獨(dú)特形式，也可以把它看做一種重要的科學(xué)操作與科學(xué)思維方法。

認(rèn)知科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，結(jié)構(gòu)化的知識便于學(xué)生記憶、概括和理解，有助于解決問題?；瘜W(xué)模型這一認(rèn)知工具恰好把化學(xué)問題或知識高度濃縮，使知識或問題以結(jié)構(gòu)或形象表達(dá)的形式存在于人腦中。奧蘇貝爾的學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，采用建模思想，將化學(xué)問題中次要的、非本質(zhì)的信息舍去，可使本質(zhì)的知識變得清晰，更容易納入學(xué)習(xí)者已有的知識框架中，使學(xué)生在解決化學(xué)問題時(shí)，遷移更容易。

3.化學(xué)問題解決理論［3］

化學(xué)問題解決是從已有的條件出發(fā)，達(dá)成目標(biāo)任務(wù)的高級智力活動。問題解決一般由四個(gè)環(huán)節(jié)組成：認(rèn)知問題、問題表征、聯(lián)想與匹配、反思與評價(jià)。影響問題解決的因素主要有：知識總量、知識的儲存方式、認(rèn)知策略、動機(jī)、情緒等一系列非智力因素、問題情境。

研究表明，專家之所以能夠快速地解決一些常見的問題，主要是因?yàn)樗麄冊拓S富，匹配迅速，已達(dá)到自動化的程度，而新手則相反。

教學(xué)實(shí)踐表明，高中生在解決化學(xué)問題時(shí)，使用頻率最高的解決策略是模型匹配策略。利用這種策略解決化學(xué)問題時(shí)，其過程大致經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：問題表征、模型構(gòu)建、模型檢驗(yàn)、模型應(yīng)用。解決問題過程可用圖1表示。

圖1 利用認(rèn)知模型解決問題的過程

分析問題是化學(xué)問題解決活動中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是根據(jù)問題的特點(diǎn)和要求把發(fā)現(xiàn)的問題明確化，這是解決問題的前提。在這個(gè)前提下，運(yùn)用科學(xué)的方法并結(jié)合所學(xué)的知識進(jìn)行模型搜索。如果學(xué)生有這樣的模型，接著就會進(jìn)行模型匹配，從而解決問題；但如果學(xué)生自身沒有已知的模型適合此題，那就要進(jìn)入模型構(gòu)建環(huán)節(jié)，并在進(jìn)一步檢驗(yàn)之后解決問題。［2］

二、認(rèn)知模型的構(gòu)建過程

1.構(gòu)建原型

根據(jù)原型范疇理論，原型的選擇應(yīng)遵循以下一些原則：①要選擇最能體現(xiàn)概念、原理內(nèi)涵的“原型”。認(rèn)知心理學(xué)中“原型理論”認(rèn)為在范疇的圖式結(jié)構(gòu)中，原型成員和非原型成員的地位并不相等。就某一個(gè)具體的范疇而言，其原型成員具備范疇的理想值，處于范疇中心，有明顯的類屬特征和較高的清晰度。因此，范疇內(nèi)的其他成員是不宜用于構(gòu)建概念、原理的。②“原型”應(yīng)該是學(xué)生所熟悉的。學(xué)生不熟悉的原型很難讓學(xué)生從某一教學(xué)需要的認(rèn)知角度去認(rèn)識。

根據(jù)這樣的原則，在教《原電池》一節(jié)時(shí)，我們可選擇Zn∣H2SO4（稀）∣Cu為原型，學(xué)生幾乎都非常熟悉這個(gè)反應(yīng)原理而且基本上具備了原電池的所有特征。①正、負(fù)極的判斷：負(fù)極Zn（0價(jià)）→Zn2+（+2價(jià)）；正極2H+（+1價(jià)）→H2↑（0價(jià)）。②電極反應(yīng)的書寫：負(fù)極Zn-2e-=Zn2+；正極2H++2e-=H2↑。③電子流向：負(fù)極→正極；離子流向：H+→正極，SO42-→負(fù)極。

2.構(gòu)建模型

以某種程度的類似再現(xiàn)另一個(gè)系統(tǒng)（原型）的系統(tǒng)，并且在認(rèn)識過程中以它代替原物，以至對模型的研究能夠得到關(guān)于原物的信息，依據(jù)其表現(xiàn)出來的某些本質(zhì)特征，進(jìn)行歸納，抽取其實(shí)質(zhì)特征，建立相應(yīng)該原理的模型，并在認(rèn)知系統(tǒng)中進(jìn)行歸類，其抽象程度越高，該模型的適應(yīng)性就越廣。例如我們在上述原型的基礎(chǔ)上，原電池的原理模型可以歸納為以下三點(diǎn)：①找出發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，不管這個(gè)反應(yīng)是否熟悉，只要學(xué)生能標(biāo)出化合價(jià)的變化，找出氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)就行。負(fù)極一定發(fā)生氧化反應(yīng)，正極一定發(fā)生還原反應(yīng)，只要將自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)一分為二，對號入座即可。不管裝置如何，只要能找出兩極，有電解質(zhì)溶液、能形成閉合回路的，都可以恢復(fù)成如圖2所示這種經(jīng)典原電池模型。

圖2 原電池模型

②書寫電解反應(yīng)時(shí)，不但要知道兩極發(fā)生氧化還原反應(yīng)后生成了什么粒子，還要考慮到兩極生成的粒子和電解質(zhì)溶液有無后續(xù)反應(yīng)，若有則要合并在一起書寫。③原電池電解質(zhì)溶液中離子的移動只有兩種作用，一是為了反應(yīng)，而是為了中和電性。學(xué)生根據(jù)兩極的電極反應(yīng)，自然會知道兩溶液中離子的變化情況。

學(xué)生有了這樣的模型，不管遇到怎樣陌生的情景，只要將復(fù)雜的反應(yīng)、陌生的裝置與模型中的要素一一對應(yīng)，就能很好的解決這類問題。

3.解決化學(xué)問題的過程

化學(xué)問題的設(shè)計(jì)總是依托一定的化學(xué)原理，很多學(xué)生在解答化學(xué)問題時(shí)思路不清、無從下手，究其原因還是不懂化學(xué)本源知識，不理解化學(xué)原理所致。在教學(xué)中，教師可以有意引導(dǎo)學(xué)生，在認(rèn)識原型知識的時(shí)候，分析涉及的核心知識，指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建相應(yīng)的原理模型，再應(yīng)用到其他具體問題中。經(jīng)過這樣的反復(fù)訓(xùn)練，讓學(xué)生體驗(yàn)到構(gòu)建原理模型能達(dá)到舉一反三、觸類旁通的作用。例如我們在建立原電池原理模型基礎(chǔ)上，以高鐵電池為例，進(jìn)行化學(xué)問題解決。［4］其總反應(yīng)為：

①標(biāo)注電極。按反應(yīng)前后元素的化合價(jià)變化的趨勢，標(biāo)示在相應(yīng)元素的上方，電子轉(zhuǎn)移的方向即為外電路電子流向，流出電子的一極為負(fù)極，流入電子的一極為正極。②寫出相關(guān)的電極方程式。依據(jù)上面的原電池模型，可逐漸完善電極方程式：負(fù)極的基本關(guān)系為3Zn—6e-→3Zn（OH）2，反應(yīng)中Zn失去電子以后的產(chǎn)物是Zn（OH）2，因而反應(yīng)物需要補(bǔ)充OH-，3Zn+ 6OH-—6e-→3Zn（OH）2；正極的基本關(guān)系為2FeO4+6e-→2Fe（OH）3，因產(chǎn)物中多出H元素，反應(yīng)物中需補(bǔ)充H2O（當(dāng)然也可來源于O2-+H2O=2OH-反應(yīng)的啟示），這樣完整的正極反應(yīng)為2FeO4+8H2O+6e-→2Fe（OH）3+10OH-。③電解質(zhì)溶液中的離子遷移。由電極反應(yīng)方程式可知，正極持續(xù)產(chǎn)生2OH-，而負(fù)極則不停消耗2OH-，可以判斷溶液中將因OH-的溶度梯度以及反應(yīng)的需求，而導(dǎo)致OH-從正極向負(fù)極遷移。

這樣，我們在解決高鐵電池相關(guān)問題時(shí)，就可以原電池模型為樣板，進(jìn)行快速有效的匹配，順利地進(jìn)行問題解決。

總之，利用原型范疇理論指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知模型的構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)問題的快速有效地解決，對于化學(xué)教學(xué)是很有意義的。合理的化學(xué)建模能積極地啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維，開啟學(xué)生的心智，提升學(xué)生的正遷移能力。

［1］謝祥林等.原型范疇理論在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2012，（12）：3-4

［2］陳群董軍.高三化學(xué)復(fù)習(xí)中建模思想滲透的實(shí)踐與研究［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013，（4）：37-39

［3］王后雄主編.新理念化學(xué)課程教學(xué)論［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2009：120-129

［4］姜敏.從系統(tǒng)的角度對化學(xué)反應(yīng)的知識進(jìn)行建構(gòu)3—系統(tǒng)化知識對教學(xué)行為的影響［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2012，（9）：3-5

1008-0546（2014）01-0055-02

G632.41

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10.3969/j.issn.1008-0546.2014.01.021