基于系統(tǒng)性思維發(fā)展的化學(xué)概念圖研究*

宋秀麗 耿晶晶 侯保林

（1.太原師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，山西晉中，030619；2.江蘇省宜興市和橋高級中學(xué)，江蘇宜興，214200）

從微觀尺度研究化學(xué)變化的科學(xué)技術(shù)日漸成熟。但即使是描述一個最簡單的水分解反應(yīng)，從動力學(xué)、熱力學(xué)、聚集態(tài)、單分子行為、多分子團(tuán)聚與分散等不勝枚舉的角度，均不能概括其反應(yīng)的復(fù)雜程度。教學(xué)論認(rèn)為，構(gòu)建模型圖是解析客體復(fù)雜性可行的方法之一，通過模型展示概念的演化，實(shí)現(xiàn)概念的形式邏輯運(yùn)算[1]。在大概念教學(xué)中，巧妙地結(jié)構(gòu)化、功能化各個要素，使形成的模型無限逼近真實(shí)，解構(gòu)真實(shí)發(fā)生的過程，是發(fā)展圖形工具的前提之一。

一、系統(tǒng)性思維的意義

比較經(jīng)典的范式是，基于系統(tǒng)內(nèi)各要素之間的相互作用，系統(tǒng)內(nèi)部自我組織，并在暴露和被認(rèn)知自身平衡的整體性時，系統(tǒng)各要素以反解構(gòu)形態(tài)隱藏，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抽象性和復(fù)雜性建構(gòu)。譬如，在分子層面討論水結(jié)冰的現(xiàn)象，若無模型假說和顯微電鏡的輔助，其結(jié)晶要素—?dú)滏I（H-bonding）就仍然停留在不可量化認(rèn)知的“迷思”階段[2]。

從概念掌握的角度看，不論是方法的獲得、思維途徑的優(yōu)化、能力表現(xiàn)的加強(qiáng)，還是核心素養(yǎng)的升華，化學(xué)教學(xué)過程因化學(xué)反應(yīng)歷程的復(fù)雜性而變得異常艱辛。還原論認(rèn)為，將復(fù)雜的化學(xué)主題拆解為若干學(xué)習(xí)板塊，乃至學(xué)習(xí)基元，通過內(nèi)容排序和教學(xué)二元行為（教的行為和學(xué)的行為）的相關(guān)響應(yīng)形成教學(xué)行為對[3]，波浪式推進(jìn)，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科本源性知識的把握，如圖1 所示（T 代表教授行為Teaching，L 代表學(xué)習(xí)行為Learning，K 代表學(xué)習(xí)內(nèi)容節(jié)點(diǎn)Knot）。遵照范例教學(xué)法的基本特性，將抽象的概念簡單化、生活化、具體化、形象化、經(jīng)驗(yàn)化，通過其他更簡單概念的演繹支撐，進(jìn)而達(dá)到學(xué)習(xí)思維的進(jìn)階[4]。

圖1 師生互動的教學(xué)二元行為響應(yīng)機(jī)制圖

研究表明，簡化學(xué)習(xí)內(nèi)容，吸引學(xué)習(xí)注意力聚焦于化學(xué)核心概念，有助于高效地理解和掌握化學(xué)概念，增進(jìn)化學(xué)學(xué)科的本體性認(rèn)識，處理化學(xué)變化全局的復(fù)雜性[5]。考慮到整體性、復(fù)雜性和動態(tài)變化的過程性，化學(xué)教學(xué)更加關(guān)注不同化學(xué)概念之間的關(guān)聯(lián)以及化學(xué)變化的動態(tài)性質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展出一套自身能夠?qū)瘜W(xué)實(shí)際問題的理解和化學(xué)變化復(fù)雜性認(rèn)識的形而上學(xué)的方法論，是化學(xué)教師在課堂教學(xué)中義不容辭的責(zé)任，也是化學(xué)教師教學(xué)水平的自我展現(xiàn)。正因?yàn)橄到y(tǒng)性思維與教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)階、科學(xué)概念的認(rèn)識緊密相連，發(fā)展系統(tǒng)性思維就是發(fā)展學(xué)科文本解析能力、挖掘?qū)W科認(rèn)識角度、掌握學(xué)科知識結(jié)構(gòu)、提升解決實(shí)際問題能力，所以系統(tǒng)性思維的養(yǎng)成具有非常重要的意義。

二、圖形工具的價值

教學(xué)的目的之一，是為學(xué)習(xí)配備能夠理解復(fù)雜性的工具，從而幫助學(xué)生在面臨復(fù)雜系統(tǒng)時利用系統(tǒng)性思維的工具著手解決問題，實(shí)現(xiàn)有意義學(xué)習(xí)。Hoffman 認(rèn)為，對復(fù)雜系統(tǒng)而言，當(dāng)不能通過內(nèi)部認(rèn)知手段實(shí)現(xiàn)解構(gòu)時，可視化模型對促進(jìn)個人乃至社會整體的思維都十分具有潛力[6]。換言之，發(fā)展可視化圖形工具，不僅能促進(jìn)有意義學(xué)習(xí)，而且有助于相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人士應(yīng)對系統(tǒng)的復(fù)雜性，即幫助概念化系統(tǒng)性思維的完善。

圖、表、曲線等通常是用于支持系統(tǒng)性思維建立的重要可視化手段。在生命科學(xué)領(lǐng)域，系統(tǒng)研究比化學(xué)學(xué)科中更為普遍。如圖2 所示，Hmelo-Silver等人用圖示法來幫助中學(xué)生對CO2排放的生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)的理解[7，8]。調(diào)查顯示，受試組的班級使用了不同生態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型繪制圖片，對照班級僅完成了典型的學(xué)校課程活動和有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的閱讀。對比發(fā)現(xiàn)，使用圖示法了解復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)的學(xué)生具有明顯的學(xué)習(xí)收獲。繪畫的創(chuàng)作使學(xué)生更能夠表達(dá)和完善他們對生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)的理解。

圖2 CO2 排放教學(xué)專題的SOCME 圖

自門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期表以來，人們對元素化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識有了質(zhì)的飛躍。周期表不僅作為一種基于原子結(jié)構(gòu)周期性變化得到的一種可視化工具，用來揭示元素原子的遞變性和相似性，還利用該工具預(yù)測未知元素的位置。學(xué)習(xí)過程中使用包含基本圖形在內(nèi)的可視化工具來組織和思考化學(xué)概念，譬如用化學(xué)式表示元素原子、離子或化合物，用球棍模型表示結(jié)構(gòu)式和立體化學(xué)的分子構(gòu)型，用反應(yīng)速率描述反應(yīng)快慢，用其他熱力學(xué)函數(shù)方程表示化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)上的許多定量關(guān)系，是如今發(fā)展化學(xué)思想，認(rèn)識化學(xué)世界的常用方法。和學(xué)習(xí)其他自然科學(xué)一樣，圖形或其他可視化工具為化學(xué)的學(xué)習(xí)提供了一種強(qiáng)大的描述分子水平世界的方法。

三、化學(xué)概念圖的特點(diǎn)

選擇圖形工具的原則是圖形在教學(xué)情境中能自發(fā)地關(guān)聯(lián)更多的小概念，考慮受眾對小概念的熟悉度。越是熟悉的概念，實(shí)際使用越發(fā)頻繁，從而在知識遷移上能夠做到在獲得概念的融合上達(dá)到最小功耗。對于陌生概念，用已建立的概念圖來增強(qiáng)對學(xué)科背景的理解和學(xué)習(xí)情境的沉浸，從而達(dá)到學(xué)科本質(zhì)的同化[9]。

發(fā)展關(guān)聯(lián)豐富的課程資源的化學(xué)概念圖，為系統(tǒng)性思維的培養(yǎng)提供足夠的資源，使學(xué)習(xí)從課內(nèi)走向課外，從課堂走向生活，從現(xiàn)在走向未來。與傳統(tǒng)概念圖只關(guān)注學(xué)科知識本身的復(fù)雜性的解構(gòu)不同，新型概念圖更加強(qiáng)調(diào)概念的延展，促進(jìn)學(xué)科知識傳遞的形態(tài)向書本與社會的即時互動轉(zhuǎn)移，尋找生活中的系統(tǒng)模型作為應(yīng)用的可能，倡導(dǎo)可互動、可描述、可再生、可延展的增強(qiáng)版概念圖的建構(gòu)。

延展性是指當(dāng)語言無法準(zhǔn)確指明其所要表達(dá)的意義時，語言只能指涉與之相關(guān)的概念，不斷由它與其他意義的差異而得到標(biāo)志，從而使意義得到延伸和拓展。由于意義永遠(yuǎn)是相互關(guān)聯(lián)的，卻不是可以自我完成的，所以延展性可被認(rèn)為是概念圖的基本屬性之一。

概念圖利用其意義的延展性來理解概念。發(fā)展系統(tǒng)性思維，通行的做法是通過繪制系統(tǒng)概念拓展圖（Systems-Oriented Concept Map of Extension，簡稱為SOCME 圖），關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)內(nèi)要素之間的映射和子系統(tǒng)之間的指涉，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)概念的升級和延伸。與一般的概念圖不同，SOCME 圖包含若干子系統(tǒng)，仰仗子系統(tǒng)的各個要素配合，子系統(tǒng)間彼此存在定界但又相互聯(lián)系（如圖3）。

圖3 STSE 理念子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

闡明子系統(tǒng)邊界的延展性直接影響系統(tǒng)模型的呈現(xiàn)。概念圖用于規(guī)模較大、復(fù)雜程度較高的系統(tǒng)時，定界子系統(tǒng)延伸的范圍代表著系統(tǒng)概念可視化表達(dá)的完整性。SOCME 圖在子系統(tǒng)內(nèi)部與子系統(tǒng)之間的映射方面展示出強(qiáng)大的拓展功能，因而使得自身更具優(yōu)勢。SOCME 圖又因自身的開放性，有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)端與系統(tǒng)使用端通過更多標(biāo)準(zhǔn)概念映射的功能實(shí)現(xiàn)拓展機(jī)制，尤其有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)使用端根據(jù)興趣背景對系統(tǒng)邊界展開擴(kuò)張。

如圖2 CO2排放教學(xué)專題的SOCME 所示，對許多概念映射，圖中的橢圓作為構(gòu)成子系統(tǒng)的要素，這些要素作為節(jié)點(diǎn)彼此連接。雖然該圖大多數(shù)節(jié)點(diǎn)在用帶箭頭的線條表現(xiàn)映射關(guān)系時，都只有一個或者兩個連接，但仍能清楚地表明子系統(tǒng)的構(gòu)成要素和子系統(tǒng)對母系統(tǒng)的支撐。為了發(fā)展學(xué)生的系統(tǒng)性思維，教師在化學(xué)課堂上的教學(xué)方法的選擇應(yīng)貼近學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)。比如，日常生活的運(yùn)轉(zhuǎn)離不開能源支撐，傳統(tǒng)能源中CO2作為化石燃料燃燒供能的產(chǎn)物，有效幫助學(xué)生對CO2知識系統(tǒng)的建設(shè)。從SOCME 圖看出，CO2是人類工業(yè)生產(chǎn)的結(jié)果（子系統(tǒng)A）；其大氣層濃度的增加引發(fā)全球變暖（子系統(tǒng)C）；熱量無法反射導(dǎo)致全球生態(tài)失衡，誘發(fā)災(zāi)難，人類行動起來實(shí)現(xiàn)CO2減排（子系統(tǒng)B）；地球超70%的球面覆蓋的海洋廣泛與大氣形成界面，吸收CO2，實(shí)現(xiàn)海洋固碳（子系統(tǒng)D）。

SOCME 圖對于抽象概念的解構(gòu)在同等條件下優(yōu)先使用，能保證產(chǎn)生概念認(rèn)知的次序優(yōu)先，并獲得更為豐富的概念延伸。隨著作為小概念的要素?cái)?shù)目與要素關(guān)系的雙重疊加，SOCME 圖的使用將子系統(tǒng)本身與子系統(tǒng)之間的復(fù)雜概念簡化，突出化學(xué)結(jié)構(gòu)性特征，對作為大概念的系統(tǒng)帶來更多確定性。

四、化學(xué)概念圖的應(yīng)用

為了增強(qiáng)清晰的概念傳遞，繪制概念圖的規(guī)則會要求構(gòu)圖的規(guī)范性與開放性。盡管概念圖因人構(gòu)建，依人而變，圖形的建構(gòu)與解構(gòu)充滿權(quán)變性，但在某個共謀約定的時空形成相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。由于子系統(tǒng)各個要素更加豐富的信息表達(dá)，發(fā)展系統(tǒng)性思維關(guān)鍵在于開發(fā)子系統(tǒng)的概念模型。一般情況下，小概念離散分布，彼此的關(guān)聯(lián)可能在沒有意識的情況下相隔較遠(yuǎn)。經(jīng)過概念模型的制作與識別訓(xùn)練，學(xué)生對處理各個子系統(tǒng)內(nèi)部動態(tài)的關(guān)系，對布置各個要素的秩序以改善系統(tǒng)性思維的統(tǒng)攝能力相對熟練[10]。

1.CPM 組織框架圖的應(yīng)用

概念過程化處理法（Conception -Process Methodology，簡稱CPM）代表一種要素連接過程概念化、可視化的工具，因要素與要素的連接具有確定的方向、意義和目的，保障了概念傳遞的效度與信度。借助概念圖和文本相結(jié)合的形式，CPM 通過調(diào)動視聽感官，極大地降低了認(rèn)知門檻。如圖4 所示，CPM 法由概念過程化流程圖（Conception-Process Diagram，簡稱CPD）和概念過程化語言圖（Conception-Process Language，簡稱CPL）兩部分組成。在使用CPM 描繪事物A 與事物B 概念演化與推導(dǎo)過程時，顯示或隱藏系統(tǒng)中不同層級的信息細(xì)節(jié)均可通過調(diào)整CPM 模型實(shí)現(xiàn)。通常，概念以靜態(tài)的三種樣式呈現(xiàn)：存在，不存在，在特殊條件下的存在。而過程具有時間的持續(xù)性和變化的可行性，可分為兩種方式：發(fā)生，不發(fā)生。在CPM 模型中，表達(dá)概念化的要素與要素之間，聯(lián)結(jié)被認(rèn)為是變化過程前后成立的關(guān)鍵[11]。

圖4 CPM 組織框架圖

2.時間行為工具圖的應(yīng)用

憑借系統(tǒng)性思維有效地將教學(xué)的基元內(nèi)容與更為復(fù)雜宏觀的單元內(nèi)容、板塊內(nèi)容、主題內(nèi)容等連接起來，但內(nèi)容的系統(tǒng)性隨著時間推移會發(fā)生更新。考慮到系統(tǒng)中要素關(guān)系的流動性和因果律，概念模型的創(chuàng)建重在設(shè)計(jì)時間推移帶來系統(tǒng)輪替的反饋機(jī)制。其模型的表示形式，可以用因果關(guān)系圖或者流程圖呈現(xiàn)。時間行為圖（Behavior Over Time Graph，簡稱BOTG）通常在xy 組成的二維平面上，x 軸為時間，y 軸為系統(tǒng)行為的變化量，如圖5 所示。此類圖強(qiáng)調(diào)動態(tài)變化的過程，而不是要素表現(xiàn)的狀態(tài)。

圖5 CO2 濃度BOTG 圖

3.因果反饋圖的應(yīng)用

因果反饋圖（Causal Feedback Diagram，簡稱CFD）能清楚地表明連接的方向性和要素作用的反饋性，一般用于要素驅(qū)動型系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)和行為。在CFD 中，前后要素之間的聯(lián)結(jié)通過標(biāo)記符號指示反饋的因果。符號可以用（+）或（-）表示，（+）記為原因要素對結(jié)果要素帶來正反饋，而（-）表示原因要素對結(jié)果要素帶來負(fù)反饋。與BOTG 相比，CFD的優(yōu)勢在于各個要素的反饋性。例如，從圖6 清楚地看出海水對CO2揮發(fā)或固定的反饋回路，而BOTG 則沒有此優(yōu)勢。

圖6 海洋CO2 濃度因果反饋圖

既可以是基于化學(xué)現(xiàn)象本身的描述，也可以是透過化學(xué)現(xiàn)象揭示化學(xué)反應(yīng)中分子行為的作用本質(zhì)，繪制豐富的圖形工具加強(qiáng)復(fù)雜化學(xué)變化的系統(tǒng)性思維的習(xí)得。可視化圖形在描述不同對象而選擇不同的圖形能夠有效地展示圖形功能，幫助包括概念單體、概念群蔟和概念云團(tuán)的系統(tǒng)性理解。受系統(tǒng)性思維發(fā)展的環(huán)境限制，對教師來說，選擇何種工具尤其考究。當(dāng)教材篇幅受限，給定的圖形工具并不能對化學(xué)學(xué)習(xí)的社會意義和科學(xué)命題產(chǎn)生刺激，使用自制圖形工具更有利于整合教學(xué)內(nèi)容以發(fā)展系統(tǒng)性思維。