科學(xué)概念教學(xué)中的原型分析*

亓英麗 李亭亭

摘? ?要? ?科學(xué)家以自然界中現(xiàn)實(shí)的原型為對象，對世界開展理性的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而形成科學(xué)概念。原型是科學(xué)概念的外延中最具有代表性的實(shí)例。在科學(xué)概念學(xué)習(xí)中，合適的原型不僅能合理表征自然現(xiàn)象和過程，還能促進(jìn)學(xué)生對概念的理解和遷移運(yùn)用?？茖W(xué)概念教學(xué)應(yīng)結(jié)合學(xué)生生活的經(jīng)驗(yàn)背景和概念發(fā)展的歷史背景，從中選取一個(gè)或多個(gè)原型，并通過問題和實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生圍繞原型開展探究學(xué)習(xí)，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)概念與現(xiàn)實(shí)世界的互融。

關(guān)鍵詞? ?原型? 科學(xué)概念? 科學(xué)教學(xué)

概念是人類通過概念化活動(dòng)認(rèn)識(shí)和理解客觀世界的產(chǎn)物，正因?yàn)橛辛烁拍?，人們才能用有限的詞語來描述無限的事物，而“如果不能形成概念，我們的世界就會(huì)混沌一片”[1]。自然界中的物質(zhì)、過程和現(xiàn)象為概念形成提供了現(xiàn)實(shí)的案例，其中最具代表性的典型實(shí)例即為原型。自然科學(xué)體系的形成是以自然界的客觀存在為基礎(chǔ)的，或者說自然界為自然科學(xué)體系提供了現(xiàn)實(shí)的原型[2]。人類圍繞原型并在辨別其本質(zhì)特征和非本質(zhì)特征的基礎(chǔ)上對世界開展理性的認(rèn)識(shí)。科學(xué)概念是科學(xué)家對世界范疇化的結(jié)果，學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)概念的時(shí)候，原型具有不可替代的作用，教師應(yīng)該重視原型教學(xué)。

一、科學(xué)概念教學(xué)中原型的作用

科學(xué)中的原型來源于科學(xué)所研究的物質(zhì)對象。原型不僅是自然科學(xué)研究的出發(fā)點(diǎn)和歸宿，也是學(xué)生理解科學(xué)概念和應(yīng)用概念解決問題的參照點(diǎn)。

1.合理表征自然現(xiàn)象和過程

原型是對一個(gè)類別或范疇中所有個(gè)體的準(zhǔn)確表征，反映了一類客體具有的基本特征[3]?？茖W(xué)知識(shí)中的概念、公式、定律等，歸根結(jié)底都是自然界中各種現(xiàn)象、物體、物質(zhì)的內(nèi)在本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律的表征?？茖W(xué)家是以自然界的物質(zhì)和過程為原型，從宏微結(jié)合、數(shù)形結(jié)合等視角出發(fā)，利用實(shí)驗(yàn)、分類、歸納、演繹等科學(xué)方法，對原型中的主要特征和主要矛盾進(jìn)行提取，進(jìn)一步形成高度概括的概念模型和理論模型。那些被賦予了語言涵義的事物特性是科學(xué)家對原型的一種概念化模型處理方式[4]。學(xué)生通過學(xué)習(xí)抽象的概念，達(dá)到認(rèn)識(shí)以原型為焦點(diǎn)的真實(shí)物質(zhì)世界的目的。科學(xué)概念是科學(xué)家依照原型的特征建構(gòu)的，原型反映了一類客體或現(xiàn)象所具有的基本特征，在概念學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生如果對相關(guān)原型有了比較合理的認(rèn)識(shí)，就能為準(zhǔn)確理解和表征自然現(xiàn)象和過程奠定良好的基礎(chǔ)。因此，在進(jìn)行科學(xué)概念教學(xué)時(shí)應(yīng)該為學(xué)生提供真實(shí)的背景，把具體概念的學(xué)習(xí)與其所聯(lián)系的真實(shí)世界“原型”融合在一起，從這一原型出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)和提出問題。

2.促進(jìn)學(xué)生理解概念

原型是表征事物特征及其發(fā)展規(guī)律的范例。在概念教學(xué)中，原型的引入將促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)自己對概念的理解。從概念學(xué)習(xí)的機(jī)制與過程來看，學(xué)生最初通過教材及教師為他們提供的原型或典型案例來學(xué)習(xí)真實(shí)世界中的概念[1]，如果學(xué)生借助這些原型實(shí)現(xiàn)了對概念的理解，則當(dāng)提及新概念時(shí)，他們就會(huì)以先前掌握的原型為參照點(diǎn)，根據(jù)其他實(shí)例與原型的相似性確定是否將其納入概念成員的范圍。所以為促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)概念的理解和表征，需要為學(xué)生指出或利用學(xué)生頭腦中已有的原型參照點(diǎn)。例如，對于鹽類的水解這一概念，可以以醋酸鈉的水解作為原型，引導(dǎo)學(xué)生走進(jìn)微觀世界，探究當(dāng)醋酸鈉加入到水中后，新加入的物質(zhì)與水中原有微粒之間發(fā)生的作用，以及這種作用所引起的微粒數(shù)目和種類的變化，通過對醋酸鈉水解過程的探究，學(xué)生就能理解鹽類的水解這一概念及其特征。

3.便于概念的遷移與應(yīng)用

概念只有遷移到真實(shí)情境中用于問題的解決，才得到了有效的應(yīng)用。一個(gè)精確定義的問題包含著解決方案應(yīng)滿足的需求，當(dāng)自然界中的原型在學(xué)生頭腦中得到理解后，原型中的特征便會(huì)作為關(guān)鍵啟發(fā)信息與當(dāng)前問題的需求形成內(nèi)在聯(lián)系，這種映射一旦形成，原型就被激活進(jìn)而指引目標(biāo)問題的解決，實(shí)現(xiàn)概念在真實(shí)情境中的應(yīng)用[5]。例如，怎樣去除銀飾品表面的黑色物質(zhì)（Ag2S）？此時(shí)向?qū)W生呈現(xiàn)鋅-銀-食鹽水原電池原型，原電池利用兩電極之間的電勢差發(fā)生可以控制的氧化還原反應(yīng)，保證銀飾本身不會(huì)損耗，學(xué)生可以通過原型的啟發(fā)，選擇生活中常見的鋁箔和食鹽水，與銀飾一起構(gòu)成原電池，從而獲得問題的解決方案。

二、科學(xué)概念教學(xué)中原型的選取

科學(xué)知識(shí)形成的前提和基礎(chǔ)是原型，人類根據(jù)客觀事物中最具代表性的典型實(shí)例實(shí)現(xiàn)范疇的概念化并據(jù)此進(jìn)行相關(guān)的推理、想象、問題表征等認(rèn)知活動(dòng)。對于學(xué)生而言，概念往往比較抽象難以理解，如果教師能夠?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)概念選取并提供與之相匹配的原型，就為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了基點(diǎn)。但自然概念的原型常因個(gè)人生活經(jīng)驗(yàn)的不同而顯現(xiàn)出差異，也往往伴隨著科學(xué)的發(fā)展而有所變化。原型的選取要結(jié)合學(xué)生實(shí)際生活的經(jīng)驗(yàn)背景和科學(xué)概念演變的歷史背景，從概念的諸多成員中選取合適的原型。

1.結(jié)合學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)選取原型

許多科學(xué)概念，看似抽象深?yuàn)W，但是它們在學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)里可以找到相應(yīng)的原型。在講解這些概念原理的時(shí)候，教師如果能夠結(jié)合學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)，找到現(xiàn)實(shí)中恰當(dāng)?shù)纳钤?，然后通過該原型分析得出科學(xué)概念知識(shí)，這樣就讓學(xué)生感覺更接近和貼切生活。不僅能夠增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，也能化抽象為具體，幫助學(xué)生更好地理解所學(xué)內(nèi)容。比如，分子作為一個(gè)微觀概念，它是化學(xué)學(xué)科中的一個(gè)基本概念，對于初中學(xué)生來說，分子概念具有較強(qiáng)的概括性，理解起來具有一定的難度。此時(shí)就可以用學(xué)生非常熟悉的自然界中水的三態(tài)變化做原型，進(jìn)行分子概念的教學(xué)。教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考為什么水有時(shí)能化作朵朵白云，有時(shí)能化為綿綿細(xì)雨，有時(shí)又能變成白雪？從而使學(xué)生認(rèn)識(shí)到水是由水分子聚集而成的，分子是構(gòu)成物質(zhì)的一種基本粒子，而水變作云、雨、雪則是水分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的結(jié)果。水是人們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ娢镔|(zhì)，依托水及水的三態(tài)變化這個(gè)原型，可以降低學(xué)習(xí)的難度，增進(jìn)學(xué)生對分子概念及其性質(zhì)的理解。

2.選取已經(jīng)形成的舊原型

身體參與客觀世界的實(shí)踐，學(xué)生走進(jìn)課堂以前就進(jìn)行著各種各樣的認(rèn)識(shí)活動(dòng)，并在頭腦中儲(chǔ)存了生活中的多種原型。學(xué)生頭腦中已有的原型揭示了學(xué)生與世界互動(dòng)的背景和方式，它既是先前認(rèn)識(shí)活動(dòng)的產(chǎn)物，也是新認(rèn)識(shí)的點(diǎn)。新的原型出現(xiàn)以后，學(xué)生抽取新原型的特征并確認(rèn)特征之間的關(guān)系，而后與原有原型進(jìn)行比較以決定是否將其納入原有概念范疇抑或改變原型。例如，從認(rèn)識(shí)生活世界中的“鹽”到認(rèn)識(shí)作為化學(xué)概念的“鹽”，學(xué)生不斷調(diào)整“鹽”的原型，遵循“從小到大”的規(guī)律，逐漸形成關(guān)于“鹽”這一概念的合理理解。

3.依據(jù)科學(xué)史選取原型

科學(xué)概念的范疇化演變是曲折的，隨著科學(xué)認(rèn)識(shí)和科學(xué)實(shí)踐的深入，人們將更具代表性的物質(zhì)或過程作為科學(xué)概念的原型，通過調(diào)整原型逐漸修正科學(xué)概念的內(nèi)涵和外延，以更真實(shí)地表征客觀世界。因此，選取原型可以根據(jù)科學(xué)概念發(fā)展的歷史背景，了解概念的原型是否發(fā)生了變化以及發(fā)生了哪些變化。盡管學(xué)生當(dāng)前身處的環(huán)境不同于概念發(fā)展的歷史時(shí)期，但很多科學(xué)概念依然保存著人們探索世界的歷史痕跡，根據(jù)概念演變的歷史進(jìn)程確認(rèn)原型有助于學(xué)生了解概念形成和發(fā)展的背景，理解原型背后的科學(xué)世界觀和方法論。例如，從“元素”概念演變的歷史中，不難看出元素的原型在科學(xué)世界觀和科學(xué)認(rèn)識(shí)手段的更新中逐漸更替。由于科學(xué)技術(shù)水平的限制，古代東西方哲學(xué)家采用形而上的世界觀和方法論思考物質(zhì)的本原，認(rèn)為物質(zhì)的本原是“五行”“四素”，此時(shí)元素的原型是超越具體自然而存在于意識(shí)之中的某種觀念;近代自然科學(xué)誕生以后，化學(xué)家利用實(shí)驗(yàn)方法分解了多種物質(zhì)，并據(jù)此推斷出物質(zhì)的本原是不能再分解的空氣、水、火、石灰等物質(zhì)，這時(shí)元素的原型是某一物質(zhì);隨著現(xiàn)代原子-分子學(xué)說的建立以及實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展，科學(xué)家認(rèn)為最能表征元素概念的是一類具有相同核電荷數(shù)的原子。

4.根據(jù)概念特征選取原型

概念是對事物本質(zhì)特征的概括，然而自然界中存在的并非抽象的特征而是具體的事物，特征的抽象性與客觀事物的具體性之間的矛盾借助原型實(shí)現(xiàn)了緩和：自然概念的原型既是事物本質(zhì)特征和非本質(zhì)特征的交織與反映，又是概念成員中最具代表性的典型實(shí)例，概念以原型為核心在一定的成員范圍內(nèi)發(fā)生變化。但由于原型僅具有所屬概念的某一個(gè)或幾個(gè)特征，而并非所有的特征，它只能最大程度上代表概念，卻不完全等同于概念。因此教學(xué)中還需要先通過分析概念的特征及其相互關(guān)系，辨別本質(zhì)特征和非本質(zhì)特征，然后選取具備這些特征的一個(gè)或多個(gè)原型。例如，對于電解質(zhì)概念而言，NaCl比其他電解質(zhì)成員具有更高的代表性，但NaCl并不具備電解質(zhì)成員的所有本質(zhì)特征，它在水溶液與熔融狀態(tài)下電離的特征并不能推廣到HCl。電解質(zhì)概念的學(xué)習(xí)可以圍繞NaCl這一原型，通過對NaCl中的陰陽離子進(jìn)行局部替換，并用HCl等作為補(bǔ)充原型，逐漸將電解質(zhì)概念所包含的實(shí)例范圍擴(kuò)大到其它的鹽、酸、堿等。

三、科學(xué)概念教學(xué)中原型的探究

在概念教學(xué)中，教師所精選的那些生動(dòng)或有趣的原型僅是具體的現(xiàn)象或?qū)嵗绾螌⑺夭氖降脑娃D(zhuǎn)化為概念性的認(rèn)識(shí)，仍需要教師在原型的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生深入探究，將感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)。

1.利用問題引導(dǎo)學(xué)生開展對原型的探究

雖然科學(xué)以客觀世界為研究對象，但它并不止步于對自然現(xiàn)象的直觀描述，而是要透過紛繁復(fù)雜的表面現(xiàn)象揭示其內(nèi)在本質(zhì)與規(guī)律。為此，要經(jīng)過由表及里、由宏觀到微觀、由現(xiàn)象到符號的抽象過程，并最終以概念、原理等形式表征出來。而在這個(gè)過程中，就必須借助于思維的抽象力，通過推理、分析、歸納、總結(jié)等思維活動(dòng)才能把握事物的本質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從原型到概念，從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)，其間的飛躍離不開個(gè)體的思維，而要讓學(xué)生思維活躍起來，又離不開問題的驅(qū)動(dòng)。

問題是思維的源泉，更是思維的動(dòng)力。沒有問題的引導(dǎo)與提升，原型也僅是停留在素材的層面上。因此在選取了合理的原型之后，教師還應(yīng)該圍繞原型，在分析原型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合概念的本質(zhì)，設(shè)計(jì)并提出與原型特點(diǎn)、概念關(guān)鍵特征相匹配的問題。例如，在學(xué)習(xí)溶液概念的時(shí)候，教師可以首先將一定量的食鹽放入水中，振蕩、靜置，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，進(jìn)而通過“食鹽去哪兒了？”“這杯食鹽水的上、中、下部，任一處，是否都一樣咸，為什么？”“如果把得到的食鹽水密封，保存一個(gè)月、一年、兩年……你猜測一下會(huì)不會(huì)從中析出食鹽顆粒來？”一系列的問題來引導(dǎo)學(xué)生思考溶解的微觀本質(zhì)，并進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)溶液的性質(zhì)。

2.利用實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生開展對原型的探究

自然科學(xué)的發(fā)展離不開實(shí)驗(yàn)，很多科學(xué)概念、理論的得出，假說的驗(yàn)證都需要借助實(shí)驗(yàn)。依據(jù)原型開展科學(xué)概念教學(xué)時(shí)，盡管原型已經(jīng)為學(xué)生提供了一定的認(rèn)識(shí)材料和基礎(chǔ)，但是有些原型可能無法給予學(xué)生比較完整的感性認(rèn)識(shí)。另外，學(xué)生需要與原型直接接觸，必須通過獨(dú)立的探索發(fā)現(xiàn)過程才能獲得更深入的認(rèn)識(shí)，直接的動(dòng)手探究可以為學(xué)生提供更多的機(jī)會(huì)去擴(kuò)展他們的理解。因此概念的獲得也需借助對原型開展實(shí)驗(yàn)探究。例如，在學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)的限度時(shí)，學(xué)生較難從反應(yīng)的限度角度思考化學(xué)反應(yīng)，對于大部分的化學(xué)反應(yīng)都是可逆反應(yīng)，都有反應(yīng)限度，以及化學(xué)平衡是動(dòng)態(tài)平衡，學(xué)生理解起來還有一定的困難。這個(gè)時(shí)候就可以利用NO2-N2O4平衡球?qū)嶒?yàn)這一原型，讓學(xué)生通過操作和觀察NO2—N2O4平衡球?qū)嶒?yàn)，獲得對可逆反應(yīng)現(xiàn)象及化學(xué)平衡現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)，再加以思考和分析，從而理解可逆反應(yīng)及化學(xué)平衡概念，初步形成化學(xué)平衡的認(rèn)識(shí)模型。

科學(xué)概念、原理等知識(shí)大都比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)起來往往會(huì)有一定的難度和障礙，基于原型的概念教學(xué)能夠?qū)⒃椭械膶?shí)際問題進(jìn)行分析、提煉，便于學(xué)生理解和應(yīng)用，使得概念學(xué)習(xí)不再是“紙上談兵”。基于原型的概念化活動(dòng)在認(rèn)知學(xué)習(xí)中占據(jù)很大比例，在科學(xué)概念教學(xué)中強(qiáng)調(diào)原型的作用具有積極的價(jià)值和意義。

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[作者：亓英麗（1977-），女，山東萊蕪人，山東師范大學(xué)化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院，副教授，博士;李亭亭（1995-），女，山東濱州人，山東師范大學(xué)化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院，碩士生。]

【責(zé)任編輯? 郭振玲】