中學化學教學領域心智模型研究述評

胡先錦+呂琳+周琴

摘要：通過文獻資料研究，介紹了心智模型的起源、基本內涵、形成機制和影響因素，從中學化學教學視角概括分析了心智模型的研究內容、研究方法與工具等，總結歸納了中學化學教學領域心智模型的研究成果和存在的不足，并在此基礎上提出了下階段研究的方向與建議。

關鍵詞：心智模型；中學化學；化學教學；文獻研究；述評

文章編號：1005–6629（2016）8–0003–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

心智模型（Mental Model）概念最早由蘇格蘭心理學家肯尼斯·克雷克（Kenneth Craik）在1943年提出，用以表示一個系統的內部表征，指那些在人們心中根深蒂固存在的，影響人們認識世界、解釋世界、面對世界，以及如何采取行動的許多假設、陳見和印象[1]。隨后，雖有部分研究者對其展開討論，但直到上世紀八十年代才逐漸被重視。目前，越來越多的學者開始關注心智模型，從不同視角對心智模型的基本內涵、功能特征、形成機制、影響因素等方面做出了不同詮釋。

1 心智模型的基本理論概述

1.1 心智模型的基本內涵

關于心智模型的概念，不同的研究者往往有著不同的解釋，但大致可以分為表征型、功能型和功能表征結合型三種定義。如，道爾和福特（Doyle and Ford，1998）認為心智模型是比較持久和可測量的，是對外部系統的內在概念化表征[2]。佳克博和肖（Jacob and Shaw，1998）認為心智模型是個人建構的內在的認知結構，是個人基于經驗和知識而獲得并形成的概念框架，以此使人們不僅能夠預測行動的結果，而且能夠借此來理解和說明人們自身所處的環境[3]。張丙香、畢華林（2013）認為，從靜態角度分析，心智模型是內隱地存在于長時記憶中的概念框架，個體對外在事物的理解都與此密切相關，既是已有學習的結果，也是學習新知識的基礎。從動態角度分析，心智模型是一種內在運作機制，影響著個體對知識的提取和使用，決定了個體以何種方式對外在進行描述、解釋和預測，會產生什么樣的認知行為[4]。

1.2 心智模型的形成機制

心智模型的形成是動態的、變化的，是個體在自身和外界影響下不斷建構的。自上世紀八十年代以來，多位研究者從不同視角提出多種心智模型理論框架。諾爾曼（Norman，1983）提出的個體心智模型是人與自然世界互動時，對互動的現象所形成的一種個人化的內在經驗模式[5]。約翰遜-萊爾德（Johnson-Laird，1994）認為心智模型是通過知覺、想象等形成概念，不同概念間再進行相互作用而形成一種復雜的概念架構[6]。從中學化學教學視角，我們傾向于認同嚴延、呂琳（2014）提出的心智模型形成機制，認為呈現模型、教學模型、生活經驗和科學探究等，通常作用于個體的視覺、聽覺和觸覺，經行相應的刪減選擇（與認知風格有關）和想象建構（符號、表象），從而形成了初始模型，初始模型通過語言、文字和動作去解決問題，并不斷地進行修正，從而生成了推論（綜合）心智模型，推論心智模型通過一定的群體交往，形成了群體的共識，從而又形成了一個新的概念模型[7]。

1.3 心智模型的影響因素

當前關于心智模型影響因素的研究相對較少，但是研究者們普遍認為，心智模型是個體經由自身認知和外在因素的共同作用下不斷建構起來的，個體的已有知識經驗、認知能力、認知風格、學習方式、學習環境、生活背景和家庭環境等都會影響其建構和發展[8]。

可見，心智模型的影響因素既包括個體的內在認知，也包括外部條件。誠然，學習者個體的內在特征因素對心智模型的建構和發展有著至關重要的關鍵作用，如性格潛在的自我效能感、年齡增長的心理變化、特定經歷的認知突變等。但是，外部條件往往會影響和作用于個體的內在認知，并改變內在認知。學生在學校的學習經歷是影響心智模型的非常重要的外在因素，如教育資源、教學范式、學習方式、人際交往、學校文化等。

2 中學化學教學領域心智模型的研究現狀

對國內、國外在化學教學領域關于心智模型的研究文獻進行檢索，從不同維度對當前的心智模型的研究成果進行分析、整理和概括，以了解其研究的進展、成果和方向等。

2.1 探查了某些抽象化學概念的心智模型及影響因素

至目前為止，中學化學教學領域的心智模型研究主要集中在原子和分子結構、化學平衡、氧化還原反應等少數抽象的化學概念。

關于金屬鍵、原子和分子結構等概念，先后有瑞查德和楚格斯特（Richard K. Coll&David F. Treagust，2000），魏冰、賈衛江等人（2001），楊茜、李廣洲（2012）等人進行了相關研究。結果均表明，不管是金屬鍵還是原子結構模型，學生更偏愛相對簡單的、具體的模型，都存在大量的迷思概念，如原子核外電子的運動形式、對共價化合物性質的解釋等。并指出，除了教師和教材以外，學生的生活經驗和其他學科知識也會影響對科學概念的認識，而且更為強烈和持久[9]，性別對學生建構原子心智模型沒有影響，而教育環境和教師也是影響因素之一[10]。

對于化學平衡、可逆反應等概念的心智模型研究，主要有臺灣地區的鄧雅文、邱美虹（2003），陳婉茹、邱美虹（2003），許添丁、劉嘉茹（2005），鄭瑋婷、林煥祥和徐永源（2006）等，他們主要分析了在化學平衡中易產生模糊觀念的知識與原因，找出了直觀模型、記憶錯誤連結模型、臆測模型等六種心智模型類型[11]，探查了具有不同初始心智模型類型的學生學習可逆反應過程中的心智模型概念化歷程的情形[12]。近年來，大陸地區麥裕華等人（2012）提出了完整的高中生學習可逆反應的四種心智模型分析框架，即靜止（完全反應或反應終止）模式、單向（某單一方向）模式、雙向交替模式和雙向（雙向同時）模式[13]。

嚴延、呂琳（2014）從認知角度、認知模型、三重表征、知識經驗的豐富程度和結構化以及存在的模糊觀念等方面進行探究，得出了學生有關化學平衡的心智模型特點，如，對化學反應速率和化學反應方向等存在模糊概念，將反應速率和化學平衡混為一談，錯誤建構化學反應速率和化學平衡之間的關系，對化學平衡相關概念以宏觀和符號表征為主，缺乏微觀表征；并得出教材和教師對學生心智模型的構建所產生的影響，學生希望教師改變教學方式，豐富教學資源，促進其心智模型的轉變[14]。劉麗、孫影（2014）將化學平衡概念心智模型歸類為直觀模型、語言模型、臆想模型、推理錯誤模型、數學邏輯思維模型等[15]。截至目前，研究化學平衡及相關概念的相對較多，而且研究者們均結合學生心智模型的探查提出了一定的教學建議和意見。endprint

對于氧化還原反應的概念，江文瑋、邱美虹（2007）研究發現高中學生對氧化還原反應概念持有氧模型、電子模型、氧化數模型等八種心智模型，還發現學生對氧化還原反應所產生的自發性解釋和科學史上已經被廢棄不用的舊典范相類似[16]。張丙香、畢華林（2013）發現，高中不同年級學生對氧化還原反應的心智模型是多元的、漸進的、情境相依的和不穩定的，且影響因素不同；學優生和學困生心智模型的一致性程度不同，并揭示了高中三個年級學生氧化還原反應三重表征心智模型的分布及發展特點，分析了學優生和學困生存在差異的根本原因[17]。

此外，還有姚錦棟、邱美虹（2001）以初高中基礎理化教材為主，統整其中有關酸堿鹽的概念，找出了學生的模糊觀念及其背后所隱含的心智模型類型[18]。

2.2 試圖了解中學生學習特定化學概念心智模型的動態變化

魏冰、賈衛江等人（2001），楊茜、李廣洲（2012）發現不同年齡段學生對于原子和分子的心智模型有著不同的見解，且生活經驗的增長和其他學科知識的豐富也會完善或影響對概念的認識[19]。

鄧雅文、邱美虹（2003）探查出學生對化學平衡中的化學反應方程式、催化劑對反應速率的影響等模糊概念隨著年級的增加而逐漸減少[20]。劉麗、孫影（2014）研究發現，不同年級學生的化學平衡心智模型類型和特點有一定差異，高中生對化學平衡的心智模型是不穩定的、是逐漸完善的，學生對化學平衡概念的認識與科學概念的歷史發展相類似[21]。

張丙香、畢華林（2013）研究指出，高中生的氧化還原反應三重表征的心智模型是多元的、不穩定的，其發展是漸進的，不同年級學生心智模型的影響因素也是不同的，隨著學生微觀表征能力的提高而逐漸修正和完善[22]。

2.3 初步研究了化學教師及教學方式對心智模型的影響

許添丁、劉嘉茹（2005）認為，要特別留意學生微觀和宏觀在生活上的聯結，主動了解學生的初始心智模型，通過探究具有不同初始心智模型的學生在學習過程中的概念化歷程而采取針對性的教學措施，促使學生心智模型的修正和完善，進而導向完備精致的心智模型[23]。

鄭瑋婷、林煥祥和徐永源（2006）研究了不同教學法下初中八年級學生對于化學平衡單元所持有的心智模型。研究發現建構式教學對于學生持有的心智模型品質比講述式教學較佳，尤其對低學習成就學生的幫助比高學習成就學生更為明顯[24]。

劉秀娟、邱美虹（2006）利用“教-學序列法”探查對學生電解質概念及心智模型的影響[25]。邱柏融、邱美虹（2008）研究借由建模教學活動使小學生接受微觀模型的教學，甚至透過視覺與動作表征的建模方式，修改學生原有的心智模型[26]。

2.4 嘗試采用不同研究方法和研究工具探查學生化學心智模型

麗卡莎和塔蘭科爾（LaKeisha McClary and Vicente Talanquer，2011）通過設計讓學生參與預測、解釋和判斷不同化合物的酸性強弱的任務，來誘導學生表達出有關酸及酸強度等概念的心智模型[27]。

姚錦棟、邱美虹（2001），江文瑋、邱美虹（2007），邱柏融、邱美虹（2008）先后以訪談和二段式診斷測驗探查了學生有關酸堿鹽、氧化還原反應等概念及其背后所隱含的心智模型類型。陳婉茹、邱美虹（2003）采用動態類比的方法對學生學習化學平衡相關概念的心智模型進行研究。許添丁、劉嘉茹（2005），劉秀娟、邱美虹（2006）采用分段施測及訪談探究了臺灣地區初中二年級學生學習可逆反應、電解質概念的心智模型。

杜艷霞（2001）提出建立化學觀察活動的心智模型[28]。麥裕華（2012）通過紙筆測驗診斷研究了學生在高一化學必修模塊建立的可逆反應心智模型。張丙香、畢華林（2013）通過開放式問卷和半結構式訪談相結合的方式，研究了高中生對氧化還原反應三重表征的心智模型。劉麗、孫影（2014）以二段式診斷測驗了解了不同年齡段學生的化學平衡心智模型。嚴延、呂琳（2014）以“解釋-聯想-建構-應用-訪談”組合的方式，探查了高中生化學平衡及相關概念學習過程中的心智模型。

綜上，我國在中學化學領域的心智模型研究已經展開，也取得了一定的成果：（1）對于“化學平衡”相關概念的心智模型研究已經取得了較為豐富的成果；（2）已經涉及氧化還原反應、原子結構、電解質等其他少數抽象化學概念；（3）已經試圖探尋高中生對特定化學概念的心智模型動態變化和發展狀況；（4）嘗試運用不同研究方法和研究工具開展心智模型的研究。但是，文獻分析的結果同樣也顯示了我國在中學化學領域心智模型研究存在的不足和問題：（1）大陸地區關于心智模型在化學教學領域的研究較為稀少，而且還主要是在國外或臺灣地區提出的理論指導下進行的模仿性、驗證性研究；（2）研究成果主要集中于少數特定化學概念，如氧化還原反應、化學平衡等，未能對中學化學的其他模塊或內容展開廣泛而深入的探究；（3）對于化學心智模型的研究主要集中于師范院校的研究生，缺少中學化學教學實踐與心智模型理論的有機對接，實踐指導意義不夠。

3 中學化學教學領域心智模型的研究展望與建議

從當前的研究現狀來看，中學化學教學領域心智模型的研究不論是在研究內容、理論體系，還是研究方法、實踐指導等方面，都有著很大的、需要深入的空間。

3.1 需要繼續擴大中學化學心智模型的研究范疇，豐富心智模型的理論體系

當前，心智模型研究在心理學、人工智能、語言學等領域的研究成果已經取得較為明顯的成效，而基于中學學科教學領域，尤其是中學化學領域心智模型的理論研究還不夠豐富。因此，我們需要深入研究具有化學學科屬性的心智模型，不斷豐富心智模型的理論體系；進一步展開關于電化學，水溶液中微粒濃度相對大小的比較，化學（離子）方程式，有機化學基礎等不同化學內容或模塊的心智模型研究；探尋不同化學概念或學科不同模塊心智模型的共性、差異性；探尋基于心智模型轉變的初高中化學的科學銜接；繼續探索更加豐富的研究方法和測量工具，以更加全面地了解中學生的化學心智模型。endprint

3.2 需要更加注重與中學化學教與學的有機對接，提高教學實踐的指導價值

由于研究資源和研究能力等因素的影響和限制，當前主要是高等師范院校化學專業的研究生在開展化學心智模型的研究，而身處一線的、與學生接觸最為頻繁和直接的、有著更為豐富的教學實踐經驗的中學教師未能更好地參與其中，這就缺少了中學化學教學實踐與心智模型理論的有機對接。因此，吸納和帶動中學一線化學教師參與心智模型的研究將成為一種必然；需要更加深入開展基于心智模型轉變的課程編制、教學資源開發、教學方式轉變、學習方式改變等方面的研究；亟需結合中學化學教學和學習的特點和需要，深入開展切合中學生認知水平和中學化學課程體系的實踐性研究；在充分探查中學生化學心智模型的基礎上，逐漸豐富基于心智模型轉變的中學化學教學策略，促進中學生化學心智模型的修正和完善，引導學生化學心智模型走向精致和完備。

4 結語

我們需要全面探查高中生化學學習現狀和已有心智模型，通過理論研究和課堂教學實踐探索，進而提煉和建構基于心智模型轉變的高中化學教學策略體系，實現中學生化學心智模型的修正和完善，為高中化學教學提供富有實踐意義的指導策略，并豐富基于心智模型的教學理論。

參考文獻：

[1] Craik K W. The Nature of Explanation [M]. Cambridge UK： Cambridge University Press， 1943.

[2] Doyle， J. K. and Ford， D. N. （1998）. Mental Models Concepts for System Dynamics Research.System Dynamics Review. 14.

[3] Jacob， E.K.， & Shaw， D. （1998）. Sociocognitive Perspectives on Representation. In M.E. Williams （Ed.）， Annual Review of Information Science and Technology， vol. 33. Medford， NJ： Information Today for the American Society for Information Science.

[4][17][22]張丙香.高中生化學反應三重表征心智模型的研究[D].濟南：山東師范大學博士學位論文，2013.

[5] Norman， D. A. （1983）. Some Observations on Mental Models. In D. Gentner and A. Stevens （Eds.）， Mental Models.（pp.7-14）. Hillasdale， NJ： Erlbaum.

[6] Johnson-Laird， P. N. （1994）. Mental Models， Deductive Reasoning， and the Brain. In M. S. Gazzaniga （Ed.）， The CognitiveNeural Science （pp. 999-1008）. Cambridge： The MIT Press.

[7][14]嚴延.高中生“化學平衡”心智模型的研究[D].揚州：揚州大學碩士學位論文，2014.

[8]蘇東水.開放中的東方管理教育[J].江西財經大學學報，2003，（6）：9～11.

[9]魏冰，賈衛江，潘海鴻，錢玲.關于中學生的原子、分子心智模型的研究[J].化學教育，2001，（4）：6～13.

[10][19]楊茜，李廣洲.中學生關于原子、分子心智模型的建構[D].南京：南京師范大學碩士學位論文，2012.

[11][20]鄧雅文，邱美虹.我國中學生平衡迷思概念和心智模式之研究[D].臺灣：臺灣師范大學碩士學位論文，2003.

[12]陳婉茹，邱美虹.探討動態類比對于化學平衡概念學習之研究[D].臺灣：臺灣師范大學碩士學位論文，2003.

[13]麥裕華，楊健萍，何慶輝.高中生化學可逆反應心智模式的診斷和分析[J].化學教育，2012，（5）：19～24.

[15][21]劉麗，孫影.高中生“化學平衡”概念的心智模型究[D].蕪湖：安徽師范大學碩士學位論文，2014.

[16]江文瑋，邱美虹.探討高中生氧化還原心智模式及概念改變之研究[D].臺灣：臺灣師范大學碩士學位論文，2007.

[18]姚錦棟，邱美虹.我國中學生酸堿鹽迷思概念和心智模式之研究[D].臺灣：臺灣師范大學碩士學位論文，2001.

[23]許添丁，劉嘉茹.探討八年級學生對“可逆反應”心智模式概念化歷程之研究[D].臺灣：高雄師范大學碩士學位論文，2005.

[24]鄭瑋婷，林煥祥，徐永源.國中學生經由不同教學法在化學平衡之心智模式探討[D].臺灣：高雄師范大學碩士論文，2006.

[25]劉秀娟，邱美虹.探討教-學序列對八年級學生建立電解質概念及心智模式的影響[D].臺灣：臺灣師范大學碩士學位論文，2006.

[26]邱柏融，邱美虹.建模教學對國小五年級學生酸堿心智模式改變之探究[D].臺灣：臺灣師范大學碩士學位論文，2008.

[27] LaKeishaMcClary & VicenteTalanquer（2011）. College Chemistry Students Mental Models of Acids and Acid Strength， Journal of Research in Science Teaching， 48（4）.

[28]杜艷霞.創立化學觀察活動心智模式培養學生的觀察活動[J].教學與管理，2001，（20）：71～72.

[29] Chi， M. T. H. & Roscoe， R. D. The Processes and Challenges of Conceptual Change. In M.Limon and L. Mason（Eds）， Reframing the Process of Conceptual Change： Integrating Theory and Practice. The Netherlands： Kluwer.

[30]張志康，林靜雯，邱美虹.跨年級中學生串并聯電路心智模式的研究[J].科學教育月刊，2009，（1）.

[32] Coll， R. K. & Treagust， D. F. （2001）. Learners Mental Models of Ionic Bonding： A Cross-age Study. Paper Presented at the Annual Meeting of the National Association for Research in Science Teaching， St. Louis. Missouri.endprint