基于認知地圖效應的有機合成教學設計

吳翀云

摘要：有機合成是一個承載多重目標的教學內(nèi)容，不僅要加深理解常見有機物的轉(zhuǎn)化關系，還需要在此基礎上利用信息條件設計創(chuàng)造出合成路線，更需要對可能的多條合成路線進行分析和評價。這與托爾曼提出的認知地圖理論十分相似，他們都是基于同一目標的最佳路線的選擇。在對學生主動建構的認知地圖的討論中，學生原有的認知地圖得到了強化、擴展和加深，隨著新問題的涌現(xiàn)和解決，有機知識結構不斷得到內(nèi)化，知識體系不斷發(fā)展，思維不斷加深，對常見有機合成中關鍵物質(zhì)節(jié)點作用也更加明確和清晰。

關鍵詞：認知地圖；有機合成；教學設計

文章編號：1005–6629（2016）8–0040–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

1.1 認知地圖

認知地圖[1]由美國心理學家T·C·托爾曼通過動物在迷津中找到食物的實驗（如圖1）而提出的，他認為動物在迷津中能由最近的路去找到食物，如果最近的路（通路1）被堵塞，則被試的動物將依次由通路2到通路3，即由次近通路至最遠通路依次去嘗試，直到找到食物，就好像在頭腦中有一張現(xiàn)場地圖的模型一般。這樣的現(xiàn)場地圖是基于過去的經(jīng)驗，通過腦對環(huán)境加工，在獲得達到目的的手段和途徑中建立起一個完整的“符號·格式塔”模式，這就是認知地圖。

后續(xù)的心理學家如加涅、伯納德等人將認知地圖應用于教學。在教學中，認知地圖被認為是用圖形的方式將主體的邏輯和思想脈絡表現(xiàn)出來，是短時記憶到長時記憶的過程中必不可少的對信息組織編碼及與原有知識整合的過程。

1.2 認知地圖效應在有機合成中應用的意義

建構主義理論認為學習是學生自己建構知識的過程。學生不是被動的信息接收者，而是信息的主動建構者，這種建構不可能由其他人代替。有機合成的學習，是需要熟練掌握各類有機物的組成、結構、性質(zhì)、相互衍生關系以及重要官能團的引入和消去等基礎知識的基礎上，能根據(jù)需要自行設計出合成路線，需要一種創(chuàng)造性思維，這種思維是不可能由教師代替的，因此，教師應該作為學生的指導者，幫助學生建構有機物的轉(zhuǎn)化關系，建構自己的知識體系。

在教學過程中，我們發(fā)現(xiàn)，學生在攻克具體明確的困難時相對較為容易，即明確了物質(zhì)，要求填寫轉(zhuǎn)化條件的題型一般較為得心應手，而由目標產(chǎn)物反推合成路線則較為困難，即逆向思維時，往往會出現(xiàn)思維障礙。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是對有機物的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化路線不熟悉，轉(zhuǎn)化關系中的關鍵節(jié)點吃不透，造成拿到題目沒有思路和方向，只是亂碰運氣，誤打誤撞，運氣好就碰對了，運氣不好則只能放棄。

認知地圖是一種基于學生主動建構的知識圖示化工具，這樣的工具對學生的學習具有導向作用；同時，由于認知地圖是學生主動建構，反映出了學生主體的認知情況；此外，作為一個可視化的工具，在師生之間與生生之間交流時，起到一種點撥和學習的作用[2]。

2 基于認知地圖的教學設計

2.1 導出認知地圖

下列有機物之間通過四步以下的反應能否發(fā)生轉(zhuǎn)化，在可能發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)之間加上箭頭表示轉(zhuǎn)化方向并在箭頭上標明轉(zhuǎn)化條件。

設計意圖：列出常見的不同類別的物質(zhì)，復習常見物質(zhì)的轉(zhuǎn)化條件，同時，讓學生導出自己原有的認知地圖，既提取了學生本人的思想和智慧，同時也能通過與他人比較了解到自己思維的漏洞和不足，以明確自己的學習進程，同時對自己所學的內(nèi)容及效果產(chǎn)生一種預見性，這樣，學生的學習積極性會更高，學習會更有動力。

2.2 完善認知地圖

展現(xiàn)學生認知地圖中具有代表性的轉(zhuǎn)化關系圖，并討論：

Ⅰ.上述關系正確嗎？還有可實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化嗎？

Ⅱ.所有轉(zhuǎn)化關系都可用于有機合成嗎？

Ⅲ.該同學列出的由物質(zhì)④合成物質(zhì)⑤的幾種方案，哪一方案更為合理？為什么？

設計意圖：不同學生導出的認知地圖不盡相同，學生在課堂就某一幅或多幅出于認知地圖的轉(zhuǎn)化關系進行討論時，教與學的矛盾已經(jīng)發(fā)生了變化，學生原本的被動學習轉(zhuǎn)化為主動求教、主動探索和主動學習，學生的智慧主動得到了匯聚，思想的火花得到碰撞與升華。在反復的交流與評價過程中，化學知識不斷得到內(nèi)化，學生的認知地圖在不斷完善。

有機合成的一般原則，如選擇轉(zhuǎn)化率高副產(chǎn)物少，步驟盡可能少而簡單等都將在師生、生生的討論中逐一得到解決，這樣的問題在課堂直接生成并及時解決，效率高、針對性強。

Ⅳ.你認為在上述已有的轉(zhuǎn)化關系中，關鍵的物質(zhì)是什么？

設計意圖：有機合成中，鹵代烴和烯烴在官能團類別的轉(zhuǎn)變和數(shù)目的變化中起到了關鍵節(jié)點的作用，通過對認知地圖的討論，這樣的作用在認知地圖中一目了然。學生在明確它們作用的同時，也不難在合成時主動地應用它們?nèi)ソ鉀Q實際問題。

基于認知地圖的轉(zhuǎn)化關系是由節(jié)點和有向連線組成，它代表了思維方向，同時有向連線的疏密可以反映出各節(jié)點的重要程度，讓學生了解到每個知識點在教學過程中所處的位置，來幫助學生明確所學內(nèi)容的知識結構體系與學習過程，有利于提高學生學習的積極性，消除學習者在學習過程中產(chǎn)生的迷茫心理。

2.3 深化和發(fā)展認知地圖

Ⅴ.上述有機物，還可以轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)嗎？若有，請補充。

設計意圖：通過補充未列出的物質(zhì)及轉(zhuǎn)化關系，學生的頭腦中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化關系得到了一定的擴展，再結合課堂的討論，轉(zhuǎn)化關系進一步完善，學生沒有被動的接受，而是主動出擊，解決問題的同時又體驗了成功的喜悅。

考慮到學生認知的不確定性，教師僅提供部分的有機物，這樣學生在繪制認知地圖時將有一定的靈活性，由于這樣的認知地圖具有動態(tài)性和可擴充性，使得一些學有余力的學生在課堂上充分發(fā)揮他們的創(chuàng)造性，讓所有的學生都能為完善自己的認知地圖而不斷探索。

Ⅵ.你認為依據(jù)你所學的知識，哪些物質(zhì)尚無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，為什么？

設計意圖：在有機合成中，經(jīng)常需要用到外加信息和條件，而這些外加條件怎么用，什么時候用是學生在有機合成中遇到的實際問題。因此，在繪制認知地圖時，學生需要明確，高中階段，有機物的轉(zhuǎn)化無法實現(xiàn)碳原子的增減，羧酸、酯也無法被還原，認識到若合成過程中必須涉及這些內(nèi)容，則一定需要借助外加信息和條件，這樣就能找對問題、找準問題的突破口，集中精力解決問題。

Ⅶ.根據(jù)下列已知條件，以物質(zhì)④為原料，合成物質(zhì)⑦和⑩。

已知：

設計意圖：利用認知地圖，對照需要合成的目標產(chǎn)物，利用轉(zhuǎn)化關系中的關鍵節(jié)點，為利用信息進行合成創(chuàng)造條件，解決具體問題。既體驗了成就感又強化了認知地圖對解題的指導，進一步深化認識自己構建的認知地圖。

通過上述幾個問題的討論，學生原有的認知地圖得到了強化、擴展和加深，隨著新問題的涌現(xiàn)和解決，有機知識結構不斷得到內(nèi)化，知識體系不斷發(fā)展，思維不斷加深。對常見有機合成中關鍵物質(zhì)節(jié)點作用也更加明確和清晰。

3 反思與總結

有機合成是一個承載多重目標的教學內(nèi)容，不僅要加深理解掌握常見有機物的轉(zhuǎn)化關系，還需要在此基礎上利用信息條件設計創(chuàng)造出合成路線，更需要對可能的多條合成路線進行分析和評價。這與托爾曼為動物設計的幾條通道十分相似，都是基于同一目標的最佳路線選擇。

在利用認知地圖進行教學的過程中，利用給出的十種有機物，列出了有機合成需要用到的知識體系，實現(xiàn)了認知地圖的知識導航功能，消除學生在解決問題中的迷茫心理；同時在課堂討論中，學生將凝結自己智慧結晶的認知地圖分享出來，與老師和同學交流，讓學生在對不同轉(zhuǎn)化關系圖的對比過程中，找到不同點與閃光點；另外，教師也可借助認知地圖，更為簡要而有效地傳播知識和經(jīng)驗；由于認知地圖有概括性和引導性，在教學過程中也起到了先行組織者的功能；最后，在不斷討論與擴展認知地圖的過程中，學生提出的方案不斷得到反饋與評價，學生的知識認知得到加強，方法和策略進一步明確。

參考文獻：

[1]皮連生主編.教育心理學[M].上海：上海教育出版社，2011：66～67.

[2]段李敏.認知地圖在雙語教學中的應用研究[D].曲阜：曲阜師范大學碩士學位論文，2012.