認知模型的構建
——以《化學反應原理》為例

王春陽

（郟縣第一高級中學河南郟縣467100）

認知模型的構建
——以《化學反應原理》為例

王春陽

（郟縣第一高級中學河南郟縣467100）

文章以《化學反應原理》為例，在原型范疇理論和模型理論的基礎上，分析了認知模型的構建過程，并闡述了利用認知模型解決化學問題的過程，借此來培養學生分析問題、解決問題的能力。

認知模型；構建；化學問題解決

一、認知模型構建的理論依據

1.原型范疇理論［1］

原型范疇理論（prototype theory，亦稱類典型理論）是認知語言學中的重要觀點，是認知語言學的理論基礎和核心。20世紀50年代，維特根斯坦在哲學研究中通過“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，此后逐漸發展成原型范疇理論。對于原型范疇理論貢獻很大的是心理學家羅施（Rosch，1975）。羅施認為，概念主要是以原型（proptotype）—即它的最佳實例表征出來的，我們主要是從能最好地說明一個概念的實例來理解概念的。因此，她認為一個概念總會有它的原型，原型就是在一個范疇中最好的、最典型的、最能用來代表這一范疇的最稱職的個體。同時她還指出，人們不是通過正式的一組標準特征來指派一個客體給一個范疇，而是把那個客體與范疇的原型相比較，原型是最好的標本，是一把尺度，人們一般把原型和有關的范疇聯系起來。而安德森（J.R.Anderson）則定義為“原型是關于范疇的最典型的樣例的設想”。

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

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

化學科學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教學原理，是建立化學認知模型的前提。

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、標準和尺度，中文原意即規范。模型是科學認識的一種獨特形式，也可以把它看做一種重要的科學操作與科學思維方法。

認知科學實驗證明，結構化的知識便于學生記憶、概括和理解，有助于解決問題。化學模型這一認知工具恰好把化學問題或知識高度濃縮，使知識或問題以結構或形象表達的形式存在于人腦中。奧蘇貝爾的學習理論認為，采用建模思想，將化學問題中次要的、非本質的信息舍去，可使本質的知識變得清晰，更容易納入學習者已有的知識框架中，使學生在解決化學問題時，遷移更容易。

3.化學問題解決理論［3］

化學問題解決是從已有的條件出發，達成目標任務的高級智力活動。問題解決一般由四個環節組成：認知問題、問題表征、聯想與匹配、反思與評價。影響問題解決的因素主要有：知識總量、知識的儲存方式、認知策略、動機、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，主要是因為他們原型豐富，匹配迅速，已達到自動化的程度，而新手則相反。

教學實踐表明，高中生在解決化學問題時，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問題時，其過程大致經歷以下幾個階段：問題表征、模型構建、模型檢驗、模型應用。解決問題過程可用圖1表示。

圖1 利用認知模型解決問題的過程

分析問題是化學問題解決活動中至關重要的環節，是根據問題的特點和要求把發現的問題明確化，這是解決問題的前提。在這個前提下，運用科學的方法并結合所學的知識進行模型搜索。如果學生有這樣的模型，接著就會進行模型匹配，從而解決問題；但如果學生自身沒有已知的模型適合此題，那就要進入模型構建環節，并在進一步檢驗之后解決問題。［2］

二、認知模型的構建過程

1.構建原型

根據原型范疇理論，原型的選擇應遵循以下一些原則：①要選擇最能體現概念、原理內涵的“原型”。認知心理學中“原型理論”認為在范疇的圖式結構中，原型成員和非原型成員的地位并不相等。就某一個具體的范疇而言，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，范疇內的其他成員是不宜用于構建概念、原理的。②“原型”應該是學生所熟悉的。學生不熟悉的原型很難讓學生從某一教學需要的認知角度去認識。

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

2.構建模型

以某種程度的類似再現另一個系統（原型）的系統，并且在認識過程中以它代替原物，以至對模型的研究能夠得到關于原物的信息，依據其表現出來的某些本質特征，進行歸納，抽取其實質特征，建立相應該原理的模型，并在認知系統中進行歸類，其抽象程度越高，該模型的適應性就越廣。例如我們在上述原型的基礎上，原電池的原理模型可以歸納為以下三點：①找出發生的氧化還原反應，不管這個反應是否熟悉，只要學生能標出化合價的變化，找出氧化反應和還原反應就行。負極一定發生氧化反應，正極一定發生還原反應，只要將自發進行的氧化還原反應一分為二，對號入座即可。不管裝置如何，只要能找出兩極，有電解質溶液、能形成閉合回路的，都可以恢復成如圖2所示這種經典原電池模型。

圖2 原電池模型

②書寫電解反應時，不但要知道兩極發生氧化還原反應后生成了什么粒子，還要考慮到兩極生成的粒子和電解質溶液有無后續反應，若有則要合并在一起書寫。③原電池電解質溶液中離子的移動只有兩種作用，一是為了反應，而是為了中和電性。學生根據兩極的電極反應，自然會知道兩溶液中離子的變化情況。

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

3.解決化學問題的過程

化學問題的設計總是依托一定的化學原理，很多學生在解答化學問題時思路不清、無從下手，究其原因還是不懂化學本源知識，不理解化學原理所致。在教學中，教師可以有意引導學生，在認識原型知識的時候，分析涉及的核心知識，指導學生構建相應的原理模型，再應用到其他具體問題中。經過這樣的反復訓練，讓學生體驗到構建原理模型能達到舉一反三、觸類旁通的作用。例如我們在建立原電池原理模型基礎上，以高鐵電池為例，進行化學問題解決。［4］其總反應為：

①標注電極。按反應前后元素的化合價變化的趨勢，標示在相應元素的上方，電子轉移的方向即為外電路電子流向，流出電子的一極為負極，流入電子的一極為正極。②寫出相關的電極方程式。依據上面的原電池模型，可逐漸完善電極方程式：負極的基本關系為3Zn—6e-→3Zn（OH）2，反應中Zn失去電子以后的產物是Zn（OH）2，因而反應物需要補充OH-，3Zn+ 6OH-—6e-→3Zn（OH）2；正極的基本關系為2FeO4+6e-→2Fe（OH）3，因產物中多出H元素，反應物中需補充H2O（當然也可來源于O2-+H2O=2OH-反應的啟示），這樣完整的正極反應為2FeO4+8H2O+6e-→2Fe（OH）3+10OH-。③電解質溶液中的離子遷移。由電極反應方程式可知，正極持續產生2OH-，而負極則不停消耗2OH-，可以判斷溶液中將因OH-的溶度梯度以及反應的需求，而導致OH-從正極向負極遷移。

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

總之，利用原型范疇理論指導學生進行認知模型的構建，在此基礎上進行化學問題的快速有效地解決，對于化學教學是很有意義的。合理的化學建模能積極地啟發學生的創造思維，開啟學生的心智，提升學生的正遷移能力。

［1］謝祥林等.原型范疇理論在化學教學中的應用［J］.中學化學教學參考，2012，（12）：3-4

［2］陳群董軍.高三化學復習中建模思想滲透的實踐與研究［J］.中學化學教學參考，2013，（4）：37-39

［3］王后雄主編.新理念化學課程教學論［M］.北京：北京大學出版社，2009：120-129

［4］姜敏.從系統的角度對化學反應的知識進行建構3—系統化知識對教學行為的影響［J］.中學化學教學參考，2012，（9）：3-5

1008-0546（2014）01-0055-02

G632.41

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2014.01.021