李　玲　任紅艷　倪　娟

(1.南京師范大學　附屬揚子中學，江蘇　南京　210097；2.南京師范大學　教師教育學院，江蘇　南京　210097；3.江蘇省教育科學研究院　基礎教育研究所，江蘇　南京　210013)

論化學認識結構的構成要素*1

李玲1任紅艷2**倪娟3**

(1.南京師范大學附屬揚子中學，江蘇南京210097；2.南京師范大學教師教育學院，江蘇南京210097；3.江蘇省教育科學研究院基礎教育研究所，江蘇南京210013)

摘要文章通過梳理化學知識內部表征的已有研究，澄清了研究化學認識結構必須秉持的幾個重要觀點。在此基礎上，提出并界定了化學認識結構的情感—表象—認知三要素，并基于文獻研究的視角進一步闡述三要素模型的合理性。最后，論文基于實踐的視角，利用三要素模型細致地分析了化學學習如何發(fā)生、化學學習帶來學習者怎樣的發(fā)展等問題，體現(xiàn)了該模型對化學教學實踐的理論指導價值。

關鍵詞化學認識結構；情感—表象—認知三要素模型；化學知識內部表征

認識結構是一種心理上的、反映事物間穩(wěn)定關系的內部認識系統(tǒng)[1]?；瘜W認識結構是在腦海中形成的以化學知識為核心、從化學科學視角認識事物間穩(wěn)定關系的內部認識系統(tǒng)。認識結構是連接主體和客體的中介物；化學學習只有借助學習者內部的認識結構才能發(fā)生?；瘜W認識結構以化學知識為核心但超越單純的認知范疇，指向由化學學習引起的學習者內部的全息變化。系統(tǒng)論告訴我們，科學地認識化學認識結構必須首先揭示其構成要素。一直以來，學界對認識結構構成要素的劃分存在各種觀點，這直接影響了人們對化學認識結構之構成要素的認識。

一、內部表征：化學認識結構之核心

學習者腦海中的化學知識是如何表征的？將多重表征(multiple representations)視為化學知識內部表征的觀點相當流行。Johnstone[2-3]提出化學家至少在宏觀、微觀和符號三個水平思考化學知識，引發(fā)人們對這三個水平化學知識的研究。Yehudit等[4]提出過程水平(process level)以強調對化學反應過程的表征。任紅艷[5]建構了多重表征模型。Devetak等[6]提出學生在工作記憶中將各水平化學概念相互覆蓋形成心智模型。

化學概念內部表征研究發(fā)現(xiàn)，表征的本質是命題、表象、產生式和圖式[7]，可分成命題符號表征形式和知覺符號表征形式兩大類別[8]；學生建構的心智模型直接影響他們對分子極性等化學概念的理解[9]；有機化學知識內部表征研究揭示，學生使用圖像、言辭、方法學、原理定向、文獻、實驗室定向、經濟等七類表征形式[10]，并可劃分為符號、方法和機理三類表征[11]，學生對有機化學概念的表征多基于算法而非官能團[12]；化學問題解決中的表征形式有文字表征、符號表征、圖形表征、理論表征、方法表征、數(shù)學表征等[13]；化學實驗中學習者形成的知識表征有靜態(tài)表象、動態(tài)表象、情感體驗、命題表征和產生式[14]。

上述名目繁多的化學知識內部表征形式大多是從具體的研究情境中提出來的，多個內部表征形式往往是從不同側面刻畫知識表征中更為基本的某個方面。所以，研究亟須從更為基本的方面來認識化學學習，探討化學認識結構之構成要素并為此嘗試。在此之前我們必須厘清以下問題。

首先，化學知識內部表征是否僅僅囿于化學科學知識范疇？顯然不是。從化學語言體系來看，化學語言包括有聲語言、化學符號和文字[15]73-80。有聲語言無疑需要緊密依托于日常生活中使用的語音系統(tǒng)而展開。文字形式的化學語言主要由表示各類概念名稱的化學術語組成；這類化學語言和生活用語密切相關，譬如酸、堿、鹽、溶解、稀釋等化學概念?；瘜W符號作為科學符號的一部分既包含化學學科特有的圖式符號、圖形符號等，也融入大量化學學科以外的外來符號[15]73-80?？梢姡鳛榛瘜W科學知識載體的化學語言包含化學科學知識以外的大量信息。學習者基于化學語言進行化學學習，生成的化學知識內部表征必然不僅僅囿于化學科學知識范疇。由此來看，研究者立足化學知識的外顯特征來推測化學知識的內隱表征形式對于揭示化學知識內部表征而言是重要的，這些表征形式包括宏觀表征、微觀表征、符號表征、原理定性表征、實驗室定性表征、方法表征、機理表征、理論表征、過程水平、命題表征、產生式等。此外，研究者參照其他知識體系來揭示化學知識內部表征形式對于推測學習者腦海中的知識存儲樣態(tài)也有意義，這類表征如言辭表征、文字表征、算法表征、數(shù)學表征等。

其次，化學知識內部表征研究是否需要觀照學習者化學知識建構的身心歷程？無疑是需要的。心理學關于知識表征的觀點在第二代認知科學中發(fā)生重大轉變，不再將人類心智的內部狀態(tài)嚴格視為抽象表征水平的邏輯或計算過程[16]，而是明確提出思維、認知的發(fā)生不僅涉及對抽象符號信息的提取加工，還涉及身體的感受、體驗、經歷等經驗層面的嵌入[17]。在知識表征發(fā)展歷程的初級階段，面對物像、言語、音樂、圖像、數(shù)碼、動作、情態(tài)等知識的各種外部表征體，學習者借助于視、聽、體動、嗅味覺等感官形成相應表象，各色表象貫通化合生成經驗表象并激發(fā)相應情感表象[18]。對外部世界的經驗表象以及對自身感受體驗的情感表象構成主體的知覺表征，知覺表征是其他表征系統(tǒng)得以形成的基礎，同時也是知識表征的構成要素之一。照此來看，以上研究者提出的知覺符號表征形式類別、靜態(tài)表象、動態(tài)表象、情感體驗等，這些表征形式伴隨著化學學習過程成為學習者腦海中化學知識表征的必要形式。從精神世界的成長變化來看，化學學習帶來學科知識增長，同時也在學習體驗中形成他們對化學科學穩(wěn)定的情感傾向、醞釀知識技能與情感態(tài)度價值觀的協(xié)調發(fā)展。

第三，化學知識內部表征是否存在層級或復雜性不同的各水平？由于已有研究多基于具體情境而提出，所以上述表征形式彼此之間錯綜復雜。但是以下觀點已達成共識：命題網絡、產生式系統(tǒng)是較命題、產生式更為復雜的關于某具體知識的內部表征形式；三重表征、圖式、心智模型則指學習者腦海中超越具體知識更為上位的表征系統(tǒng)。包攝性較廣的表征系統(tǒng)在化學學習中扮演著重要角色。研究指出，化學學習中錯誤概念產生的路徑之一是，已經存儲于學習者長時記憶中的表征系統(tǒng)影響了學習者對新信息的感知過濾并造成工作記憶對輸入信息的不當加工[19]49-63。處于表征系統(tǒng)下位的表征形式分別描述學習者腦海中不同類別的表征，如命題、表象、產生式分別描述意義表征、形象表征以及關于條件和行動的程序表征。這些類別將學習者腦海中的化學認識孤立地劃分為幾個方面，無法審視不同表征形式在真實學習中的相互影響、彼此共生。因此，盡管內部表征是化學認識結構的核心組成部分，但其仍尚未能從本體論的角度明確闡述化學認識結構的內涵。

二、化學認識結構：情感—表象—認知三要素模型

明晰以上觀點，再來審視化學認識結構之構成要素。要素是構成系統(tǒng)必不可少的因素。從本體論的視角來看，化學認識結構之構成要素是化學認識結構必須具有的本質組成部分，是隱藏于上述各類化學知識內部表征形式之中直接構成學習者化學認識結構的基本單元?；谝陨蠈τ诨瘜W認知結構核心組成部分——內部表征的剖析，我們提出化學認識結構可由情感要素、表象要素和認知要素三部分構成。

(一) 情感要素

情感要素指化學學習中學習者各種情緒的體驗以及化學學習帶來學習者情感態(tài)度價值觀的發(fā)展。情感要素包括學習者在具體化學知識學習中的情緒體驗，包含某些情緒的反復、態(tài)度的形成、意志的培養(yǎng)乃至價值觀的初現(xiàn)端倪，外顯為學習者的興趣、愛好、態(tài)度、理念、理想、意志等，醞釀形成個體的道德感、理智感和美感等情操，最終性格化為個體人格的構成部分。當學習者的情感發(fā)展歷程是在化學學習中推進完成的時候，情感要素就成為其化學認識結構中的必然組成部分。情感要素記載了學習者對化學科學、化學學習獨特的情感傾向，并長遠持久地影響個體的化學學習。大量研究證實，興趣、態(tài)度和學習動機等非智力因素對學習產生長遠影響。只有將情感要素納入化學認識結構的研究體系，才能合理解釋愛好與興趣、好奇與困惑、意志力乃至價值觀等對化學學習過程與學習結果的重要影響，才能回答化學學習作為學科學習為何能夠承載起個性培養(yǎng)、情操熏陶、價值觀萌生的育人功能。

(二)表象要素

不論是心理學視角還是哲學視角的知識、智慧或能力都繞不開表象。表象是主體基于知覺在頭腦中形成的感性形象[20]。表象可以從不同的角度進行劃分，從感覺到來源分為視覺表象、聽覺表象、運動表象等，從其形式則分為靜態(tài)表象和動態(tài)表象。經驗表象是個體借助于感官形成的對外部客體的綜合性表象。本研究中的表象①要素是指學習者的生活經驗、化學實驗等以經驗表象的形式參與化學學習，同時化學學習促進學習者表象的發(fā)展，深化其對世界的認識。

對化學學習產生影響的表象部分來自學習者對生活現(xiàn)象的感知。譬如，對小學生科學概念根源的考察發(fā)現(xiàn)，小學生的化學概念更多是現(xiàn)象、直觀、經驗取向，他們是借助于生活經驗中建構起來的對這個世界的理解來認識化學概念、進行化學學習[21]。教學中教師借助化學實驗、可視化模型等教學輔助手段為學習者表象的生成提供素材。隨著化學知識的積累，學習者對身邊世界、大自然的形象表征也得以深化，化學知識讓個體具備超越感官的“感知”能力。所以熟悉膠體知識的學習者能夠從密林中的丁達爾現(xiàn)象“看到”空氣中微粒大小的分布范圍。

(三)認知要素

化學學習的核心在于幫助學習者建構起化學學科知識并豐富知識間的聯(lián)系。認知要素代表學習者腦海中化學學科知識總量以及知識間的聯(lián)系狀況。以概念轉變、問題解決、三重表征、學習進程等為熱點的大量研究集中于對學習者認知發(fā)展的考察；關于非智力因素的研究則一再強調興趣、動機等對認知發(fā)展的密切影響。無論從促進認知發(fā)展還是從關注真實化學學習來看，研究都需要超越單純的認知視角，整合已有發(fā)現(xiàn)，全面審視化學學習中學習者認知、情感和表象各個維度的協(xié)調發(fā)展與整體推進。

三、三要素模型的建構依據：基于研究的視角

情感—表象—認知三要素模型構成化學認識結構。三種要素是探討各水平化學知識內部表征都必須考慮的基本單元，也是化學學習帶來學習者精神世界發(fā)展的三個維度。從已有的大量化學學習相關文獻研究成果中，亦可為化學認識結構三要素模型的建構提供有力依據。

化學概念學習的大量研究揭示某些化學概念是世界范圍內化學學習的難點，這些概念包括酸堿鹽、化學計量、物質的量、氧化還原、離子反應、化學平衡等[19]49-63。自20世紀70年代以來的研究發(fā)現(xiàn)，對于40年前學生而言難學的化學內容，40年后依然是學生化學學習中的難點[22]?？缭綍r空的化學學習共性暗示學習者腦海中化學認識結構核心要素的必然存在。

大量的研究相互印證在對化學知識的理解中總擺脫不了來自物理世界中生活經驗的干擾，并且這種影響持久、深刻。典型研究如，Novick等人[23-24]跨年齡研究揭示，學生對粒子模型的內化并沒有隨著課程的學習而深入，而依然囿于學習者在物理世界中建立起來的感知覺。林靜雯等人[25]發(fā)現(xiàn)阻礙酸堿概念理解的主要障礙是學生通過來自生活經驗的感知覺確定溶液的酸堿度。這些研究結論表明，探討化學認識結構必須關注到表象要素才能合理解釋制約學習者認知發(fā)展的普存現(xiàn)象。

概念轉變模型是研究者整合具體研究提出的全面解釋概念轉變的理論假設。較有影響力的概念轉變模型如下：Posner等人[26]提出個體的信念、對科學的認識、原有知識、各種反例、隱喻等因素構成動態(tài)發(fā)展的概念生態(tài)圈(conceptual ecology)，對概念轉變產生影響。Pintrich等人[27]進一步劃分學習動機，認為這是概念轉變過程的潛在介質。Tyson等人[28]提出概念轉變的多維解釋框架(multidimensional interpretive framework)，綜合認識論、本體論和社會情感三個維度解釋概念轉變。這些理論的共性是關注到概念轉變過程中學習者情感、動機、價值觀等因素對概念學習的重要影響。這些模型對于概念轉變學習具有一定的解釋力，也告訴我們情感要素在促進以概念學習為核心的認知發(fā)展過程中的重要性。

大量研究不斷揭示出影響學習者化學知識建構的各種因素。通常研究者將其分為認知因素和非認知因素，這種劃分相對遮掩了物理世界中形成的經驗表象對化學學習的影響，無論是實踐還是研究都揭示這種影響是舉足輕重的。從認知、情感和表象這三個維度關注化學學習中學習者精神世界的發(fā)展，如此不但通融地整合了上述領域的研究發(fā)現(xiàn)，而且對現(xiàn)實中的化學學習具有更大的解釋力。

四、化學學習過程分析：三要素模型的教學價值

基于本體論的視角厘清了化學認識結構的構成要素(是什么的問題)，基于研究的理論視角更為深刻地認識到三要素模型存在的合理性(為什么的問題)，自然，我們還需要從教學實踐的視角來探討三要素模型對化學教與學的現(xiàn)實意義與價值(有什么用及如何用的問題)。

化學學習最初如何發(fā)生？化學是一門研究微觀世界的科學。在化學學習之初，學習者尚無化學知識存儲、化學認識極度貧乏的情況下，如何實現(xiàn)以系統(tǒng)化學符號為載體的抽象化學概念學習？從三要素的觀點來看，化學知識最初的生成更多依賴情感要素和經驗表象的幫助來實現(xiàn)認知領域的學科知識建構。學習者在生活世界中積累形成的感性認識在他們的腦海中以經驗表象的形式來還原轉化抽象的化學概念。所以課堂中的學習者不必也不可能觸摸到一個個原子，只要借助他們在生活中形成的“球”(或其他類似的宏觀物體)的形象表征就能內化對“原子”這一抽象化學概念的認識，生成他們獨特的關于“原子”的個性化知識。經驗表象在協(xié)助認知建構的同時，情感要素也參與這一過程并影響化學學習結果。實踐中，專注于抽象的認知，“撇棄”情感，忽視感知覺和表象的教學和學習不但不能促進抽象內容的學習反而會欲速而不達，導致學習者情感方面的厭學、認知內容的僵化孤立等一系列問題?？疾煨@中的化學學習發(fā)現(xiàn)，意志力頑強的學習者、對化學科學充滿興趣的學習者、成功欲望強烈的學習者總是能夠取得更好的化學成績，這在一定程度上表明他們的化學知識體系相對完善。在化學學習初期，表象和情感要素對認知領域知識建構的重要影響已經被世界范圍內的化學教材編寫者與化學教師意識到，并將其落實到化學教學之中，具體表現(xiàn)為：降低難度培養(yǎng)學生的化學學習興趣，借助模型、化學實驗等可感知的方式來幫助學生理解抽象概念。這些努力都是借助于個體在生活經驗、化學實驗中建構起來的經驗表象和情感要素的促進功能來幫助學習者實現(xiàn)認知領域的發(fā)展，實現(xiàn)化學知識最初“無中生有”的質變。

化學學習帶來學習者怎樣的發(fā)展？僅僅從化學知識的視角無法解讀學習者之間的廣泛差異。這種差異至少體現(xiàn)在化學學習中興趣、態(tài)度、動機等非認知因素的差異上，學習者在宏觀、微觀和符號之間轉換的化學思維能力差異，學習者心智模型②的差異以及建模背后個體之間想象力的差異。從三要素的視角來看，我們能對化學學習中的廣泛差異做出全新解釋。學習者各不相同的生活經驗造就他們態(tài)度傾向和經驗表象的大相徑庭。興趣態(tài)度的差異不但規(guī)約學習者對化學知識的感知過濾、表征加工和認知建構，而且?guī)韺W習者判若云泥的化學學習體驗，導致做出或者踏入或者規(guī)避化學及其相關領域的人生抉擇。對宏觀世界表征的不同進一步促進或制約學習者在宏觀、微觀和符號之間轉換的化學思維能力，成就他們各不相同的想象力以及基于想象力的建模能力；化學專業(yè)知識的豐盈延伸個體的感知范疇，反哺他們對微觀世界的細致想象，引導他們對宏觀世界做出科學的預測與精準的觀察。學習者之間的差異體現(xiàn)在認知、情感和表象三個維度。這三個維度的協(xié)調發(fā)展與整體推進是化學學習所賦予學習者精神世界的發(fā)展。從某種意義上來說，家庭教育和社會教育造就個體的千差萬別在化學學習中進一步得到重構，重構帶來學習者以認知、情感和表象為要素的新的個性精神出現(xiàn)，并反作用于他們的學習和生活，進一步分化為化學學習中的千差萬別。

五、結語

只有認識化學認識結構才能全面審視化學學習帶給學習者精神世界的發(fā)展。學習者生成的關于這個世界的經驗(豐富或貧乏)、學習者形成的對于化學科學的態(tài)度傾向(喜歡或厭惡)、學習者建構的化學學科知識——基于三要素模型我們才能理解校園中日復一日的化學學習為何能夠幫助學習者實現(xiàn)表象建構、經驗豐富、知識拓展、情操熏陶、價值觀初步形成等知情意的全面發(fā)展以及健全人格的初步形成?；瘜W學習絕不僅僅帶來化學知識的豐富，化學學習能夠幫助個體實現(xiàn)以知情意為主體的精神世界的全息發(fā)展。化學認識結構之三種要素是醞釀化學學習中萌生、促成化學認識系統(tǒng)建構和引領化學思維發(fā)展的動因。情感、表象和認知三個維度的協(xié)調發(fā)展帶來化學學習中學習者傾注情感、融入旨趣、激發(fā)想象、活化知識、銳化心智、提升智能等精神世界中認知發(fā)展、表象建構與情操熏陶的協(xié)調發(fā)展與深入推進，實現(xiàn)學科和教學育人的根本目標。

注釋：

①部分研究者(如丁峻)將表象劃分為經驗表象和情感表象；《心理學大辭典》強調表象的形象性，并不認為情感屬于表象的一種，這代表大多數(shù)研究者以及筆者的觀點。

②Glynn等人指出心智模型是學習者建構起來的自己的知識。

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(責任編輯李世萍)

*收稿日期2015-07-06

資助項目江蘇省“十二五”教育科學規(guī)劃重點資助2015年度項目“基于學科領域知識表征的中學理科數(shù)字化學習研究”(項目編號：B-a/2015/01/021).

作者簡介李玲(1980-)女，江蘇連云港人，一級教師，博士，主要從事化學課程與教學論研究.

中圖分類號G640

文獻標識碼A

A Study on Components of Epistemic Structure of Chemistry

LI Ling1，REN Hong-yan2，NI Juan3

( 1.Yangzi High School Affiliated to Nanjing Normal University，Nanjing ，210097，China；2.School of Teacher Education，Nanjing Normal University，Nanjing，210097，China；3.Jiangsu Institute of Educational Science，Basic Education Institute，Nanjing，210013，China)

Abstract：This paper reviews current studies on the representation of chemistry knowledge，and clarifies several views on how to study students' epistemic structure of chemistry.Students' epistemic structure of chemistry is a complex system which consists of the model of affective，image and cognition，and we prove the rationality of this model from the perspective of document research.Finally，we analyze how chemistry learning starts and what effect the chemistry learning has on students based on the idea of the above model from the practical perspective，which can embody the theoretical guiding value of this model in practical teaching.

Keywords：epistemic structure of chemistry；affective-image-cognition model；representation of chemistry knowledge

**通訊作者任紅艷倪娟