化學學科認知障礙及其診斷與消除

吳俊明

摘要： 學科認知障礙是學習障礙的一種類型，是學科教學論的重要研究領域。深入、廣泛地開展化學學科認知障礙的研究既是化學教學現實的需要、化學教學發展的需要，也是化學教師成長發展的重要途徑之一。要了解化學學科認知障礙，必須對學習困難作具體、細致、深入的分析。在學習的不同階段，學科認知障礙有所不同，其診斷工作的內容也有所不同。分析了化學學科認知障礙成因的主要類型。介紹了消除化學學科認知障礙的主要措施。

關鍵詞： 學習障礙； 學科認知障礙； 化學學科認知障礙； 認知障礙診斷； 認知障礙消除

文章編號： 1005-6629（2018）4-0003-05 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

學生在化學學習中可能會遇到各種各樣的疑難困惑，如果這些疑難困惑不能被及時解決、影響學習繼續前行，它們就成了學習障礙。“學習障礙”具有下列屬性： （1）阻礙性，會阻礙學習過程的進行和學習目標的實現；（2）可消除性，一旦消除即可使學習過程得以繼續進行；（3）非偶然性，是由一定因素引起的；（4）不等同于錯誤，錯誤不一定會阻礙學習過程進行，實際上有些錯誤還可以從特定方面豐富、深化學習成果（例如提供反面經驗、試錯經驗）。所以，主體在學習過程中發生的錯誤不一定是學習障礙。

學習障礙多種多樣，可謂不計其數。許多學習障礙的發生有一定的規律，但也有不少學習障礙的發生比較復雜、規律性不明顯，會因學習主體、學習內容、學習階段而異，需要通過仔細的診斷來確定，需要針對性地尋找有效的應對措施。了解學生具體的學習障礙是哪些，了解造成這些學習障礙的具體原因是什么，準確地診斷學習障礙并有效地消除學習障礙，不僅是幫助學生搞好學習的重要前提和保障，也是教師成長發展的重要途徑之一。不少優秀教師教學中的亮點、“絕招”往往正在于此。學習障礙的診斷與消除對于智能教學系統的研制也具有重要的意義： 如果一個教學系統不具有學習障礙診斷與消除功能，它怎能算是“智能”的呢？至于教學個別化就更加說不上了！

要提高教學的有效性，必須弄清學生具體的學習障礙是什么，及時地消除學習障礙。準確地診斷學習障礙有一定難度；有不少教師在教學實踐中積累了較多的經驗，但診斷、消除學習障礙的自覺性不高，且缺乏科學的概括、總結、提升，常常處于朦朧、混沌的自發狀態，發揮的作用有限。目前教師職前、職后教育都很少涉及這個課題，有鑒于此，廣泛、深入地開展化學學習障礙診斷與消除的學習和研究很有必要。學會并善于進行學習障礙診斷與消除，是教師應該掌握的重要教學技能，每一個化學教師都應該重視化學學習障礙的診斷與消除。

1 學習障礙的特殊類型——學科認知障礙

學生在化學學習中遇到的影響其學習的問題或者因素可能屬于情意、興趣、態度方面，可能屬于智力、技能、能力方面，也可能屬于自身人格、個性、心理健康方面或者家庭、社會環境方面。例如，在化學學習上付出很多努力，但考試卻屢屢失敗，感到困惑、焦慮甚至灰心；別的同學能夠一聽（看）就明白、敏捷解決的問題，自己卻老是想不到點子上；學習時難以較長時間保持注意、難以較長時間保持學習熱情；學的東西老是記不住；學得比較死，不會表征、不會應用、不會發散……這些問題或者因素的一個共同之處就是阻礙學習的順利進行，影響教的效率和學的效率，因而可以統稱為學習障礙。上面列舉的各種學習障礙屬于心理學、學習論范疇，或遲或早可以通過心理學和學習論方面的研究與實踐來加以解決，是一般的學習困難、活動障礙。目前的學習障礙研究的對象多屬于此類。

然而，另有一類學習障礙僅靠心理學、學習論還不足以解決。例如，“頑固”地認為空氣的主要成分是氧氣和二氧化碳；認為空氣中含有氫氣；認為“冒火”才是燃燒，帶火星的木柴不能算燃燒，而是快熄滅了，甚至還有學生振振有詞地反詰“電爐絲發紅能說是燃燒嗎？”；以及認為金屬不能燃燒、鐵是黑色的，認為通電后食鹽水發生電離……這些情況的發生會使思維活動滯留于相應問題的困惑中，使學習難于前行而形成學習障礙。這類障礙跟具體的學科認知有關，化學知能的參與在其解決中往往起著關鍵的作用，因而可以稱為化學學科認知障礙。

學習障礙、認知障礙、學科認知障礙……這些概念是有區別的。如前所述，學習障礙有情意、智能方面的，態度、行為方面的，家庭、社會方面的……認知不過只是其一個方面。什么是認知？按照百度百科的解釋，認知是機體認識和獲取知識的智能加工過程，涉及學習、記憶、語言、思維、精神、情感等一系列隨意、心理和社會行為。認知障礙是醫學領域內的重要概念，用于指稱與上述學習記憶以及思維判斷有關的大腦高級智能加工過程出現異常，從而引起感知、記憶、思維、智能等方面的障礙，同時伴有失語或失用或失認或失行等改變的病理過程。認知障礙是腦疾病診斷和治療中最困難的問題之一（也有人稱為學習障礙）。醫學中的認知障礙的發生主體存在腦功能和智力不正常，無法通過教學活動治療；而學科認知障礙的發生主體是智力正常的學生，只有通過教學活動來消除，屬于學科教學論應有的研究對象，不能劃歸于醫學概念。弄清有關概念及其相互關系是研究工作的首要步驟，我們需要正確地界定和區分有關概念。

筆者分別以上述名詞為檢索詞在網上搜索（見表1，表2），結果粗略地印證這些概念是不同的。

表1 概念檢索1

化學學科認知障礙和化學問題解決障礙都屬于化學學習障礙，所謂“化學問題解決障礙”是指化學問題解決中遇到的障礙，似不宜把它歸屬于化學學科認知障礙。

表2 概念檢索2

表中數據反映，目前人們對化學問題解決障礙的興趣高于化學學習認知障礙。實際上，許多“化學學習認知障礙”文獻涉及的是化學問題解決障礙、解題障礙，或者是情意、智能等方面的障礙，真正屬于化學學科認知障礙的并不多。不了解化學學科認知障礙，就不能有效地消除其消極影響，就不能提高化學教學的效率。對于化學教學人工智能的研究來說，具體的化學認知障礙的診斷及解決十分重要，迫切需要深入、廣泛地開展研究。這不僅是化學教學現實的需要，也是化學教學發展的需要。

2 不同階段的學科認知障礙診斷

是不是學科認知障礙，根據是不是具有阻礙性、可消除性，是不是主要跟學科知識及其認知有關這3個標準，很容易作出判斷。

學科認知障礙診斷的目的是確定學生學習具體內容時其自身認知結構的缺陷，以便采取有效的應對措施使學習得以繼續進行、不至于持續停頓。要了解化學學科認知障礙，必須對學習困難作具體、細致、深入的分析，找出現實的與可能的障礙因素。一般說來，在學習的不同階段，發生的認知障礙有所不同，學科認知障礙診斷工作的內容也有所不同。

學科認知障礙的診斷大體上可以分為學段前診斷與學段后診斷、單元（教學）前診斷與單元（教學）后診斷、課時前期診斷與課時后期診斷等不同層次、類型。前期的診斷有適當的超前性（例如了解學生是否具有必要的學習基礎），后期的診斷則是檢測障礙是否有效消除。課時前期診斷與課時后期診斷涉及的內容比較具體、細致；學段前診斷與學段后診斷涉及的內容比較上位、典型和重要，但不太細致；單元前診斷與單元后診斷則居中。它們的深淺繁簡程度跟教師的取向喜好及風格也有關。

不同階段學科認知障礙的診斷常常跟智能障礙、情意障礙、人格障礙以及其他學習障礙的診斷同時混雜進行，學段障礙診斷尤其如此。

通常采用的化學學科認知障礙診斷方法有： 問卷調查、學生自陳、訪談或談話、學習文檔分析、作業分析、心理測驗等。

3 化學學科認知障礙的成因分析

弄清化學學科認知障礙的成因，有助于提高化學學科認知診斷和消除的效率。化學學科認知屬于認識活動，其目標主要是形成、獲得有關的概念、原理、規律等知識并學會應用。因此，化學學科認知障礙主要表現為“不知”、“不懂”、“記不住”、“不會用”，其成因可以分為下列主要類型：

（1） 錯誤的前概念干擾。學生在學習一些化學概念之前，已經通過生活經驗形成了一些概念。這些日常概念沒有經受過科學界定，概括的基礎事實較少，或者概括的方法欠妥當，常常包含著錯誤或者具有較大的局限性，所以又被稱為相異構想或迷思概念。據筆者對上海、江蘇兩地17個班級822名學生的委托調查，學生在學習“物質的量”之前，把物質的量理解為“物質的多少”（29.8%）、“物質的數量”（23.1%）、“克分子或克原子”（11.8%）、“物質的質量”（10.5%），或者作出“其他回答”（11.4%）的占比之和高達86.6%（括號中為學生數占比），剩余的13.4%學生則明確表示“不理解”。參加調查的學校大多是辦學水平比較高、生源較好的學校。由此可見錯誤的前概念的干擾實在不容忽視。

（2） 基礎事實材料過少，尤其是典型的基礎事實材料不全，導致認識偏差。例如，認為“空氣的主要成分是氧氣和二氧化碳”、“金屬不能燃燒”、“蠟燭在其中熄滅之后，集氣瓶中沒有氧氣，只有二氧化碳”等等，就跟基礎事實材料過少有關。造成基礎事實材料過少的原因主要有3個方面： ①生活經驗貧乏狹隘；②沒有必要的實驗，或者實驗時不善于觀察，感知能力差，觀察無序，不全面、不深入且不能跟思考結合，造成直接經驗缺乏；③閱讀有關材料或者聽課時粗心、信息接收不完整或者受短時記憶容量的制約，理解較差，造成間接經驗也缺乏。

（3） 不會或不善于應用基礎事實材料進行思維加工獲得相應結果，包括： ①不會或不善于概括基礎事實材料正確地形成概念或結論；②不能或不善于邏輯地運用概念進行判斷和推理；③不會或者沒有用事實進行驗證或矯正；④沒有或者不善于進行論證（包括反證）；⑤只看現象，不看實質，受表面現象或虛假信息迷惑、干擾（例如認為“鐵是黑色的”）等等。

（4） 擁有的基礎知識存在缺陷，包括： ①陳述性知識/程序性知識/策略性知識缺陷或缺乏，又缺乏由基礎事實材料推定概念、由陳述性知識推得程序性知識甚至策略性知識等現場即時生成知識彌補知識缺陷的思維技能；②對知識的理解存在偏差；③缺乏上位知識或整體知識，沒有形成規律性認識，知識零散且孤立、沒有結構化或者結構化程度低；④只會死記知識，不能聯系實際進行理解、認識和應用活動；不善于跟其他知識進行聯系（包括比較、綜合、區分），導致記憶互相干擾等類型。

（5） “先行組織者”概念缺乏或者不恰當，不能合理、有效地同化新知識。例如，在物質的量教學中，常有教師先講曹沖稱象的故事，或者講述12只乒乓球是1打乒乓球，500張紙是1令紙……，以此作為物質的量概念的“先行組織者”，由于這些例子并不能恰當地反映和聯系“物質的量”的內涵特質，學生不能真正地用這些“先行組織者”來準確地同化物質的量概念（即使“同化”了也只能形成模糊/錯誤的物質的量概念），更不能理解引入物質的量的必要性，只能似懂非懂地點頭，在隨后的學習中，依舊會產生各種認知障礙。

（6） 關鍵知識的優勢興奮性缺乏。所謂“關鍵知識的優勢興奮性”，是指學生已有的關鍵性知識在被應用時，能夠保證優先被激活，關鍵知識能被順利地選擇和檢索，“想得到”、“想得起來”，而不是非關鍵知識被優先激活[1]。

（7） 知識表征方式不當或者不善于進行化學表征。知識表征方式是否得當還跟知識的組合、搭配和組織有關： 合理的表征能使知識便于記憶、理解、提取和應用；知識表征方式不當可能會影響知識的選擇與提取，導致把部分信息誤當作整體信息等錯誤。

例如，美國認知心理學家西蒙（Herbert A. Simon）曾經描述過這樣一個著名的實驗[2]： 向被試提出問題：“一個容器中有若干溶液，其中90%是酒精，10%是水，溶液總量是1升。需要加多少水才能使酒精變成全部溶液的80%，而水變成20%？”要求被試先畫出圖解，然后再列式計算。這個實驗的被試都是學過一年以上代數的學生。結果，一些被試能正確地圖解這個問題（見圖1），很快地寫出了解題的方程式；另一些被試畫出兩個容器（見圖2），表征不正確，就形成了障礙。

圖1 正確圖解

圖2 錯誤表征

一般說來，目前中學生在化學表征方面的困難主要是： ①抽象表征能力較差，抽象的概念（如焓、熵及焓變、熵變）、數學式（如速率表示式、焓變表達式）、圖像（如化學平衡曲線和其他化學平衡圖像）等往往不能順利地看懂；②不同表征方式之間的轉換能力較差（例如具體現象的抽象表征、圖像表征轉換為文字表征）；③空間-視覺（例如復雜的結構式、晶格、晶胞結構等）表征能力較差。這些困難很容易形成認知障礙，需要著力解決。

（8） 對分子原子層次的微觀現象缺乏真正的了解，用宏觀思維與宏觀現象來代替微觀思維與微觀想象，不能恰當地進行微觀想象和微觀思維。例如，我們曾經通過研究發現，對于不同領域的平衡概念，學生掌握化學平衡概念的困難遠遠大于物理學和生物學中的平衡概念，這跟化學平衡涉及微觀過程并且比較抽象有直接關聯[3][4]。

（9） 思維定勢產生消極影響。常常有學生覺得所學內容跟以前學習過的某內容相像、差不多而聯想/套用以前的經驗，一旦發現錯了就陷入困惑形成障礙。例如，常有高中學生對反應Na+KCl850℃NaCl+K

的發生感到困惑，其原因在于受到初中學習的金屬活動性順序的束縛，以至于形成學習障礙。再如，學生剛由無機化學學習轉入有機化學學習時，由于思維跨度大，常常表現出較強的不適應。

學生也可能覺得所學內容“似曾相識”，陷入對以前學習內容及過程的追思但又遍尋不著，使學習過程陷于停頓狀態。

（10） 不善于應用化學知識來解決化學問題，或者只憑簡單直覺，或者機械套用解題模式，或者核心知識選擇不當，或者過程、方法設計不當……

例如，常有學生認為，反應X（g）+Y（g）2Z（g）， ΔH<0

達到平衡時，增大反應物X的濃度，使得化學平衡正向移動，X的轉化率自然增大（直覺錯誤）。

再如，已知2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）， ΔH=-197kJ·mol-1

，向同溫、同體積的三個密閉容器中分別充入氣體： （甲）2mol SO2和1mol O2；（乙）1mol SO2和0.5mol O2；（丙）2mol SO3。要求確定恒溫、恒容下反應達平衡時，各容器內的壓強之間的關系。不少學生認為： P甲=P丙=2P乙，理由是三個容器內的反應是等效平衡。這里有簡單直覺的影響： 認為等效平衡就是相同平衡或相似平衡，從不同途徑建立的等效平衡會使物質的轉化率相同、各組分的物質的量相等，忽視了平衡移動的影響。

4 化學學科認知障礙的消除

探明學生在化學學習中的具體認知障礙后，通過分析準確地判斷成因，就可以采取針對性措施來消除學生的認知障礙。消除措施的選擇、確定必須從實際出發，根據具體情況來選擇、設計，下列舉措可供參考：

（1） 注意研究學生對具體教學內容的認知規律，注意了解并研究學生的前概念，特別是相異構想、迷思概念，關注錯誤所在，精心設計或尋找有效的應對措施；在選擇教學內容時注意內容的全面性、典型性和基礎材料數量的適當性。

（2） 注意提供背景知識/上位知識/整體知識，使學生了解知識的來龍去脈、發生發展過程的邏輯和有關的聯系。例如，扼要地介紹前人研究蔗糖水解、醋酸和乙醇的酯化、高錳酸鉀氧化草酸等反應，發現可逆反應、平衡移動以及質量作用定律的歷史過程，有助于學生順利地形成化學平衡概念[5]。

（3） 注意引導學生從化學角度觀察生活實際，積極開展化學實驗實踐活動，豐富學生的直接經驗，強化他們的體驗和印象。

（4） 引導學生準確地掌握概念、原理、定理、定義和典型科學事實；弄清概念的內涵，明確概念的外延和有關概念間的相互聯系。

（5） 注意通俗與嚴謹相結合，通俗引路，逐步嚴謹。認知方法要得當、嚴謹，符合科學性原則；另一方面，認知方法又要適合于學生，利于學生理解和接受，注意通俗性和可接受性，循序漸進、逐步發展。這兩方面存在著矛盾，但不是不可兼顧的，不是不能妥善解決的，關鍵在于創新，在于解決方法的巧妙性。例如，在九年級化學教學中，因為擔心把分子定義為“保持物質化學性質的一種微粒”學生難于理解，有的教師干脆只要求學生死記，不作解釋或者只是簡單地解釋一下，馬馬虎虎混過去；有人則主張把“保持物質化學性質”幾個字去掉，只講“分子是構成物質的一種微粒”。這兩種做法都是回避矛盾，實質上沒有解決問題。其實，這里有兩個邏輯要點： ①分子可以聚集成大小不同的微粒（包括宏觀微粒和微觀粒子，日常概念里的“微粒”跟“微觀粒子”是不同的，但是學生對這一點缺乏理解所以常常把這兩個概念混淆起來，造成認知困難），單個的分子當然是這些微粒中的一種了（不宜把分子說成是“保持物質化學性質的最小微粒”，因為在原子晶體中，原子可能是保持物質化學性質的最小微粒）；②對于由分子構成的物質來說，它的分子及其聚集體當然會保持這種物質的化學性質。采用適當的方式把這兩點交代清楚，學生理解、記憶分子定義的困難就可以消除，如果配以適當的插圖解說，效果會更好。

（6） 重視在適當時機引導學生進行知識的聯系、比較、綜合，注意弄清知識之間的聯系和區別；關注知識的最佳組合方式，使有關知識序列化、組塊化。例如，明確核心概念、衍生概念，引導學生畫出概念圖，或者畫出問題結構圖、思維導圖等，能促進知識結構化，避免和消除認知障礙。按照原理、反應物、裝置、條件提供與控制、操作、產物分離與檢測6個模塊來了解實驗；按照（必要的反應物預處理→）氣體發生→除雜→收集→余氣處理順序來認識氣體制備實驗操作，有利于避免和消除實驗認知障礙。

（7） 適時地總結、提升；引導學生認識規律、理解規則。

例如，在引導學生理解電解質概念內涵之后，再總結該概念的外延，從是不是電解質角度對物質進行劃分，有助于預防、減少認知障礙：

物質電解質溶于水，且水溶液能導電的化合物 （舉例略）

不溶于水，但熔融狀態能導電的化合物（舉例略）

非電解質 水溶液和熔融狀態都不導電的化合物 （舉例略）

既不是電解質

也不是非電解質單質 （舉例略）

混合物 （例如溶液）

溶于水后生成別的物質的化合物 （例如氨水）

說明： 鹽酸是例外情況： 雖然它是氯化氫的水溶液，仍把它歸屬于電解質，

并且很少把氯化氫說成是電解質，其原因是延續歷史習慣。

（8） 重視認知障礙的正面解決，不回避推諉。回避推諉、不正面解決問題的做法不能消除學生的認知障礙。例如，對于“冒火才是燃燒”，除了反問“點著了的香煙、蚊香是不是燃燒？”、“它們跟電爐絲發紅有沒有不同？有什么不同？”，引導學生注意“有沒有生成新的物質”這個關鍵問題外，正面介紹“冒火”即產生火焰，是氣體燃燒的現象，有助于徹底消除學生的疑惑。

（9） 注意適當地教給學生有關的認知邏輯和思想方法，但應堅持滲透為主，力戒灌輸。

（10） 增強生-生、師-生互動，等等[6～8]。

參考文獻：

[1]金洪源著.學科學習困難的診斷與輔導[M].上海： 上海教育出版社，2004： 10.

[2][美]司馬賀著.荊其誠，張厚粲譯.人類的認知——思維的信息加工理論[M].北京： 科學出版社，1986： 114.

[3]薛俊梅.3—12年級學生“物質”和“平衡”科學概念的認知發展研究[D].上海： 上海師范大學碩士學位論文，2008.

[4]任麗曼.高中生化學平衡學習困難的因素分析[D].上海： 上海師范大學碩士學位論文，2010.

[5]倪志剛.化學平衡教學中的學生核心素養培育[J].化學教學，2017，（12）： 3.

[6]張祖牟.學習障礙研究文獻綜述[J].教育科學研究，1997，（2）： 12～17.

[7]周永壘，張奇.關于學習障礙定義的發展概述[J].教育科學，1998，（2）： 34～37.

[8]李雪嬌.高中生化學認知障礙的探查及對策研究——以化學平衡為例[D].延吉： 延邊大學碩士學位論文，2016.