基于學生認知邏輯的學科單元知識的邏輯架構

楊德紅

摘要：針對“物質的量”單元教學，提出基于學生認知邏輯基礎上的學科知識邏輯結構的架構教學，詳實介紹了“物質的量”單元教學中邏輯結構分析、問題引導下的教學過程及知識與概念的架構并提出了教學建議，有助于提升學生對概念與知識的理解水平，構建“物質的量”知識與概念系統。

關鍵詞：學生認知邏輯；學科知識邏輯；物質的量；架構教學

文章編號：1005–6629（2017）1–0044–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題提出

在教學實踐中發現，有些概念或知識在新課教學時學生測評反饋比較理想，但一段時間后再檢測時學生卻淡忘得所剩無幾，教師無奈只好再復習一遍。為什么學生對教學內容（特別是概念抽象、知識難度較高的內容）容易遺忘？教學中如何進行改進？筆者研究認為，學習遺忘率高的根本原因是學生對所學概念與知識間的邏輯關系認識不清晰，進而無法組織構建有序的知識與概念系統，導致學習內容沒有被學生真正消化、吸收和內化。隨著新知識的學習和時間的推移，前面所學的內容很容易被覆蓋或遺忘。

心理學研究證明，建立知識的邏輯聯系能加深學生對知識的理解，更有利于知識的記憶與提取[1]；已有研究證實，基于教學系統生成的知識邏輯、教學邏輯、學習邏輯和認知邏輯可以促成教學雙方的共振、共享和共贏，從而實現教學的有序化和有效化[2]。因此，從教學改進與優化的角度出發，教學中要在分析學生認知邏輯的基礎上，構建符合學生認知特點和邏輯順序的學科知識邏輯體系，幫助學生實現對教學內容的理解、鞏固與內化，達到學生認知邏輯與學科知識邏輯的統一。下面就以學生普遍感到學習困難的“物質的量”單元教學為例進行說明。

2 教學分析

2.1 學生認知邏輯的分析

在學習“物質的量”單元之前，學生已有基礎物理學知識和日常的生活經驗，對宏觀物質的數量、質量、性質及變化等十分熟悉，也對描述宏觀物質的一些物理量，如物質的質量、體積、長度等有深刻的認識。而對于微觀粒子（簡稱“微粒”，如分子、原子、離子等）而言，由于無法直接體驗或感知，學生對微粒本身的大小、質量、個數及微粒反應等的認識相對模糊。如無法準確認識微粒質量的“小”，也無法感知一定質量物體中所含微粒個數的“多”，更難想象并建立宏觀物質質量與微觀微粒個數之間存在的某種定量關系。因此，教學中一方面要從學生的認知邏輯順序出發，做好“從宏觀到微觀、從定性到定量、從一般到特殊、從簡單到復雜”的認知過渡與遞進；另一方面，要從學生微觀思維模式的構建出發，采用類比、推理等方法引導學生把微粒與宏觀物質結合起來，實現從宏觀向微觀的認知轉化，構建具有微粒、微粒數、微粒質量、微粒集合體、微粒反應等概念的微觀認知體系，使微粒模型化、抽象概念顯性化、知識內容邏輯化，幫助學生深化理解、強化記憶。

2.2 教學內容邏輯分析

“物質的量”是聯系宏觀量和微觀量的橋梁與紐帶，也是中學化學中十分重要的核心物理量?！拔镔|的量”單元貫穿高中化學定量計算的始終，涉及物質的量、摩爾、物質質量、氣體體積、溶液體積、微粒個數、阿伏伽德羅常數、摩爾質量、摩爾體積、物質的量濃度等諸多概念。從概念的屬性看，“物質質量、氣體體積、溶液體積”是宏觀量，“微粒個數”是微觀量，“阿伏伽德羅常數、摩爾質量、摩爾體積”等是通過“單位物質的量”引入的定義量（“物質的量濃度”是以單位體積引入）。因此，通過“物質的量（單位摩爾）”就自然引出以上的定義量，從而達到聯系宏觀量與微觀量的目的。梳理以上概念的分類，進一步明晰各概念的內涵及相互的邏輯關系。從知識內容的發展看，教學的起點和核心是“物質的量”，講清“物質的量”的來龍去脈是教學取得成功和突破的關鍵；教學的主線也是“物質的量”，圍繞“物質的量”進而引入并定義單位物質的量物質所含的微粒個數、質量和氣體體積，溶液物質的量濃度等，建立相互的定量關系，從而最終解決有關“物質的量”的計算及應用。因此，單元內容邏輯關系清晰、重點突出，教學中可根據學生認知邏輯順序和知識發展邏輯順序設置系列問題，以問題引領教學，層層推進，具體歸納如表1所示。

2.3 問題與困難分析

在學習“物質的量”單元之前，學生已有的前概念“物質的質量、物質的數量”對學生學習理解“物質的量”概念帶來明顯干擾和負遷移?！拔镔|的量”是一個什么量？學生常常會把“物質的量”理解成物質的數量或物質的質量，進而把物質的量理解成一個數值；把物質的量的單位“摩爾”等同于阿伏伽德羅常數，進而很難理解“物質的量”與物質的數量與質量的具體關系；另一方面，從“物質的量”這一物理量的表述來看，也常常會給學生帶來困惑。從字面“量”的意思，學生很容易錯誤理解成數量或質量；學生不能理解有了質量和數量以后為什么還要引入“物質的量”？化學中為何要引入這樣一個物理量？沒有“物質的量”行不行？若不把這些物理量關系與問題梳理清楚，學生對“物質的量”的理解就不會長久，輕則概念之間時常相互干擾，重則概念不清、思維混亂。

3 學科知識的邏輯架構教學

在“物質的量”單元復習教學之前（新課教學三周以后），筆者做了一個課前問題測試。第一個問題為“物質的量”是什么？接近一半學生的回答是摩爾。緊接著再問第二個問題“摩爾是什么？”多數學生支支吾吾，很難說清楚，近1/4學生說摩爾就是阿伏伽德羅常數。由此可以看出，學生常常把“物質的量”這個物理量等同于“物質的量”的單位“摩爾”；在糾正后又把“物質的量”的單位與單位物質的量所含的具體微粒個數混為一談。說到底，學生對物質的量的作用、為什么引入物質的量、物質的量的含義、阿伏伽德羅常數等不清楚。因此，教學中對該內容的知識與概念的邏輯關系的構建和梳理顯得相當重要。

學科知識邏輯結構的本質屬性是“邏輯性”。在知識構建過程中，要指導學生先對單元知識進行整理歸納，按照自身認知邏輯順序和知識邏輯發展順序整理分類單元主干知識、知識的衍生（上下位）、平行或包含關系等，教學中始終圍繞“物質的量”這一核心線索，從“化學中為什么要引入物質的量？微粒集合體NA、物質的量是什么？單位物質的量的微粒個數和物質質量分別是多少？物質的量與如阿伏伽德羅常數、摩爾質量、氣體摩爾體積、物質的量濃度等其他相關物理量的關系是什么？如何用數學關系式進行表征？”等問題逐一展開。

3.1 為什么要引入物質的量

從生產實踐來看，物質的質量是宏觀的、可控的，但具體到微觀的化學反應而言，微粒間的反應實質是微粒之間按一定個數比進行的。如何把宏觀質量和微粒個數聯系起來？這里就需要一座橋梁——物質的量。因此，物質的量的引入就是要解決物質質量與微粒個數間的換算。這里自然產生兩個問題：一是就某一物質而言，質量與微粒個數成正比關系，但比例常數是什么？二是對不同物質而言，物質之間的質量關系與物質所含的微粒個數關系如何換算？由此“物質的量”這一物理量應運而生。

3.2 為什么要引入微粒數集合體（NA）

為了找到微粒個數與物質質量的關系，必須要考慮單個微粒的質量。但事實上，單個微粒很小，其質量無法直接稱量?？茖W上如何得到微粒的質量呢？這里就是需要先稱一定質量的宏觀物體，再進行微粒個數的測定。科學家選擇測定了12g 12C所含原子的微粒個數，結果約為6.02×1023，這樣的一個微粒數集合體作為單位物質的量所含微粒個數的計量單位——阿伏伽德羅常數（NA）。為什么要引入微粒集合體NA呢？教學中通過列舉這樣一個事例供學生思考和討論：某公交公司每天可收入幾大麻袋的一元硬幣，我們如何盡快求得硬幣的個數（多少錢）？開始，學生回答以1個硬幣為單位質量再稱量硬幣總質量得到。經討論，考慮誤差后，他們發現用10個硬幣作為單位質量將更準確。這時教師繼續追問，如果是一分的硬幣呢？學生們不約而同地回答用100個，1000個，……。此時，若以100個硬幣作為一個單位質量集合體，再把硬幣總質量除以單位質量集合體得到硬幣數量。對于肉眼看不見的微粒而言，要選擇的集合體所包含的微粒個數多還是少？學生不難得到“多”的概念，從而進一步感受到科學上引入阿伏伽德羅常數這個微粒數集合體的目的、意義和價值。

3.3 物質的量是什么？單位物質的量的微粒個數和物質質量分別是多少

物質的量是國際單位制中七大基本物理量之一，單位是摩爾。它是聯系物質的質量與微粒數量的橋梁，故名“物質的量”。從微觀上看，科學規定含阿伏伽德羅常數個（NA）微粒的物質為1mol，即單位物質的量。在理解的基礎上，學生對物質的量、摩爾和阿伏伽德羅常數三者用連線的方式進行辨析（如圖1）；從宏觀上看，單位物質的量的物質質量是否相同呢？科學進行測定發現，單位物質的量的不同物質其質量卻不一定相同，但數值上與該物質的式量相當，這就是不同物質的摩爾質量。通過對這些概念的分析與討論，并在教師的引導下構建了相關概念間的邏輯關系，結構如圖2所示。

3.4 不同物理量之間有何聯系，如何進行相互關系的數學表征

在以上的架構教學完成后，學生普遍感到“物質的量”單元中概念和公式雖多，但實際并不復雜，關鍵要厘清概念的來龍去脈及其相互關系。

4 教學效果

以2016級學生為例，筆者分別采用傳統的歸納教學（對照班）與邏輯架構教學（實驗班）對“物質的量”單元進行復習與檢測，并對測試結果進行了分類統計，具體如表2所示。

從表2數據不難看出，邏輯架構教學的效果明顯優于較傳統的復習歸納教學，特別在物質的量的基本概念與綜合計算方面表現尤為突出。這也充分說明，邏輯架構教學對幫助學生理解概念、保持記憶、建立知識聯系、提升知識轉換與應用能力等方面均具有促進作用。

又以剛畢業的2013級學生為例，筆者統計了區內學生生源質量十分相似的四所學校三次十分重要的區統考測試中有關“物質的量”內容的得分率情況，具體結果如表3所示。

從上表中的統計數據不難看出，我校學生在有關“物質的量”內容及化學計算能力上領先優勢明顯、教學效果具有很好的持續性和穩定性。

多年來，筆者始終堅持探索基于學生認知邏輯基礎上的學科知識邏輯的架構教學，取得了理想的教學效果。在歷次的市、區統考和高考中，所帶學生平均總成績一直遙遙領先于區同類（民辦、綜合高中）學校，甚至達到普通或重點高中水平。

5 結論與建議

“物質的量”單元屬初高中銜接內容，“物質的量”教學對整個高中化學的教學具有先導作用，對學生后續學習化學的興趣和能力培養等方面均起到重要影響和支撐作用，理應得到師生的高度重視。實踐證明，在學生認知邏輯結構基礎上的“物質的量”單元知識的架構教學對促進學生理解概念、梳理關系、建立知識間的有效邏輯順序、保持記憶等方面具有不可替代的作用。

教學過程中要重視問題的引導作用。在分析學生認知邏輯的基礎上設置系列遞進性問題，引導學生充分思考、討論，梳理出核心及相關的知識與概念，進而分析知識與概念的內涵及其邏輯發展順序，構建知識及概念間的結構關系圖示，提升教學效益。

教學過程中要遵從循序漸進的原則，充分發揮師生的共同作用。教學中要注意克服兩種傾向。一種是忽略教師的適時、適量指導作用，教學進展緩慢，導致課堂效率低下；另一種是不注意調動學生的積極性和主動性，教學中習慣于一講到底，學生的思維得不到充分的激活，邏輯構建教學流于形式，從而不能達到應有的教學效果。

參考文獻：

[1]王祖浩等著.化學教育心理學[M].南寧：廣西教育出版社，2007：84～85.

[2]朱德全，張家瓊.論教學邏輯[J].教育研究，2007，（11）：47～52.