劉忠英|浙江省龍游中學(xué)

自1980 年萊考夫和約翰遜《我們賴(lài)以生存的隱喻》一書(shū)的出版在學(xué)術(shù)界掀起了隱喻研究的高潮后，科學(xué)界也進(jìn)入了研究認(rèn)知隱喻的時(shí)代。在學(xué)習(xí)新概念時(shí)，使用隱喻往往具有更好的順應(yīng)作用。因?yàn)槿祟?lèi)認(rèn)識(shí)新事物的基本模式，就是把陌生、難以掌握的事物或明或暗地轉(zhuǎn)換成較為熟悉、易于掌控的事物，或者通過(guò)聯(lián)想熟知的對(duì)象來(lái)理解和認(rèn)識(shí)新對(duì)象，從而讓理解更加具體、形象和生動(dòng)。認(rèn)知隱喻作為人類(lèi)認(rèn)識(shí)客觀事物的基本方式之一，是在同類(lèi)事物的暗示之下感知和理解這類(lèi)事物的心理和行為［1］。

雜化軌道理論本身的抽象性以及探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)和思維方式的獨(dú)特性，成為高中化學(xué)教與學(xué)的難點(diǎn)。盡管有專(zhuān)家指出，教學(xué)該內(nèi)容時(shí)可利用實(shí)物模型，即將微觀、抽象、不可視的空間構(gòu)型轉(zhuǎn)變成宏觀、具體、可視化的實(shí)物模型，打破抽象問(wèn)題的學(xué)習(xí)障礙［2］。但在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生對(duì)該理論仍處于被動(dòng)接受狀態(tài)，無(wú)法建立微粒之間相互作用的認(rèn)識(shí)模型，對(duì)原子軌道雜化后能量相同、形狀改變等仍心中存疑，更不能理解雜化軌道理論是道法自然的一種偉大理論創(chuàng)舉。學(xué)生難以提升探究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的興趣，就不能順利形成科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的核心素養(yǎng)。實(shí)際上，雜化軌道理論的前提是波函數(shù)的疊加性，依據(jù)是量子力學(xué)中波函數(shù)的態(tài)疊加原理。鑒于高中生的認(rèn)知水平，筆者嘗試?yán)秒[喻的方式幫助他們建構(gòu)對(duì)雜化軌道理論的認(rèn)知模型。

一、抽象理論的教學(xué)程序

對(duì)抽象理論進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生從具體的事物或現(xiàn)象中提取出一般的概念、原理或規(guī)律，從而提升學(xué)生的認(rèn)知水平。其一般程序?yàn)椋哼x定較廣范圍內(nèi)的事物—抽取眾多事物的共性和本性特征—作橫向、縱向、斜向?qū)Ρ取偨Y(jié)普遍規(guī)律—規(guī)整個(gè)別特殊現(xiàn)象—激發(fā)認(rèn)知聯(lián)想和認(rèn)知加工—衍射新知特征、理解抽象特征。實(shí)踐抽象理論教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在“微粒間的相互作用與物質(zhì)的性質(zhì)”主題的“教學(xué)提示”中指出，要“借助實(shí)物模型、計(jì)算機(jī)軟件模擬、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學(xué)生搭建分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型等活動(dòng)的作用，降低教學(xué)內(nèi)容的抽象性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)”，同時(shí)“選用學(xué)生熟悉的生活現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)事實(shí)，以及科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)案例作為素材，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的聯(lián)系，發(fā)展‘宏觀辨識(shí)與微觀探析’‘證據(jù)推理與模型認(rèn)知’等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”。因此，“如何降低物質(zhì)結(jié)構(gòu)的抽象性”，是一線高中化學(xué)教師需要持續(xù)探索的重點(diǎn)問(wèn)題。

二、隱喻的作用機(jī)制和認(rèn)知隱喻的思維建構(gòu)方式

隱喻是人類(lèi)利用某一領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)來(lái)理解或說(shuō)明另一領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)的一種認(rèn)知活動(dòng)，也是表達(dá)和形成新概念的認(rèn)知過(guò)程，沒(méi)有它就不能獲得新知識(shí)［3］。隱喻分為認(rèn)知隱喻和概念隱喻，其中，認(rèn)知隱喻聚焦于隱喻生成機(jī)制和隱喻意義的推導(dǎo)機(jī)制，并解釋二者之間的取向性，而概念隱喻強(qiáng)調(diào)兩個(gè)客觀存在的概念之間的互通性。認(rèn)知隱喻是人類(lèi)認(rèn)知客觀世界的工具和手段，同時(shí)也是人類(lèi)思維能力的發(fā)展和體現(xiàn)。思維由觀念構(gòu)成，觀念由概念構(gòu)成，概念由認(rèn)知隱喻來(lái)建構(gòu)［4］。認(rèn)知隱喻是一種蘊(yùn)含豐富想象力的思維形式，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)客觀事物的基本方式之一。

（一）隱喻的作用機(jī)制

隱喻的作用機(jī)制是從認(rèn)知角度出發(fā)，在加工事物特征時(shí)所遵循的系統(tǒng)化規(guī)則。皮爾斯認(rèn)為，所有的知識(shí)與思想都是通過(guò)符號(hào)獲取的，隱喻的表達(dá)和理解的過(guò)程也就是符號(hào)的生成與解釋的過(guò)程［5］。人們對(duì)符號(hào)的解釋不是一步完成的，外界信息輸入后，符形與符號(hào)在心理層面不斷交換，由符形到符釋的意指過(guò)程是一個(gè)認(rèn)識(shí)加工的心理過(guò)程，它依賴(lài)于人的主體知識(shí)和外界提供的信息。隱喻是提供信息的重要方式，是將認(rèn)識(shí)對(duì)象“符形化”的重要路徑，是用一個(gè)概念理解另一個(gè)概念的途徑，對(duì)頭腦中的認(rèn)識(shí)對(duì)象作出何種類(lèi)型的隱喻影響著新概念的建構(gòu)。概念建構(gòu)過(guò)程如圖1所示。

圖1 概念建構(gòu)過(guò)程

因此，我們可以認(rèn)為沒(méi)有隱喻就難以有新概念的建構(gòu)。隱喻為我們提供了感知和體驗(yàn)認(rèn)識(shí)對(duì)象的途徑，建構(gòu)了概念系統(tǒng)。我們思想和行為所依據(jù)的概念系統(tǒng)本身以隱喻為基礎(chǔ)［6］。隱喻不僅僅是修辭手法，它還能幫助我們解構(gòu)并傳遞經(jīng)驗(yàn)，使我們能夠通過(guò)可感知的、感性的經(jīng)驗(yàn)世界來(lái)認(rèn)知抽象的觀念世界。隱喻是我們大腦中概念系統(tǒng)的組成部分，在兩個(gè)完全不同的概念之間建立聯(lián)系，隱喻大都來(lái)自我們的直觀經(jīng)驗(yàn)。正如康德所說(shuō)：人類(lèi)的知識(shí)開(kāi)始于經(jīng)驗(yàn)，形成于理性［7］。

（二）認(rèn)知隱喻的思維建構(gòu)方式

認(rèn)知隱喻是主體化的概念，傾向于認(rèn)知主體的感受性，更偏向本體與喻體及認(rèn)知主體共通的聯(lián)系。比如“化學(xué)鍵是膠水”，對(duì)學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)，化學(xué)鍵是“黏連兩個(gè)原子核”的物質(zhì)，膠水也是如此，所以構(gòu)成了認(rèn)知隱喻。認(rèn)知隱喻具有主觀能動(dòng)性，是借助現(xiàn)有事物特征的概念圖示來(lái)認(rèn)識(shí)和描述新事物特征的認(rèn)知方式。而實(shí)現(xiàn)抽象思維具象化的認(rèn)知能力來(lái)源于兩個(gè)概念的相似性，因此在認(rèn)知隱喻結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)概念的相似性是實(shí)現(xiàn)思維自我建構(gòu)的關(guān)鍵，由此才能把看似毫無(wú)關(guān)聯(lián)的事物相提并論，利用對(duì)它們感知的交融來(lái)解釋、評(píng)價(jià)、表達(dá)自己對(duì)客觀事實(shí)的真實(shí)感受及情感。從這一方面來(lái)說(shuō)，認(rèn)知隱喻就是一種具象化的思維方式。雜化軌道理論中概念與隱喻的相似結(jié)構(gòu)點(diǎn)及科學(xué)解釋如表1所示。

表1 雜化軌道理論中概念與隱喻的相似結(jié)構(gòu)點(diǎn)及科學(xué)解釋

三、基于認(rèn)知隱喻的教學(xué)實(shí)踐

（一）形成概念，開(kāi)啟新知——通過(guò)認(rèn)知隱喻理解雜化軌道理論

與基態(tài)的原子核外電子排布相比，電子激發(fā)、軌道雜化是建構(gòu)原子成鍵的新理論框架。為什么要針對(duì)原子軌道提出雜化軌道理論？原子軌道為什么會(huì)有不同的雜化方式？雜化前后軌道的數(shù)目、形狀、能量有哪些區(qū)別與變化？解釋這些問(wèn)題，都需要科學(xué)地理解雜化的概念。原子軌道和雜化的概念是微觀且抽象的，而抽象事物需要通過(guò)隱喻等方式來(lái)表達(dá)。通過(guò)隱喻，人們能夠看到這些隱喻以外的東西。通過(guò)隱喻來(lái)思維的能力如同使用視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官，而發(fā)揮認(rèn)知隱喻的功能是有效建構(gòu)新理論框架的重要途徑，正如庫(kù)恩所說(shuō)：“認(rèn)知隱喻是新概念誕生的助產(chǎn)士，是指導(dǎo)科學(xué)探索的強(qiáng)有力的手段?！保?］事實(shí)上，很多科學(xué)領(lǐng)域的基本術(shù)語(yǔ)都是成功的隱喻，認(rèn)知隱喻在科學(xué)概念的建構(gòu)中發(fā)揮著搭設(shè)理論框架、夯實(shí)概念基底的重要作用，并為概念的認(rèn)知和理解提供具象化的方式。

例如，筆者通過(guò)“混合”實(shí)驗(yàn)引入“什么是雜化”“什么是雜化軌道”“原子軌道為什么會(huì)雜化”三個(gè)問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)：（1）將兩杯溫度不同的水混合；（2）將1塊紅色橡皮泥和3塊黃色橡皮泥相混合揉勻后，再均分成4塊橙色橡皮泥。

以生活中宏觀可見(jiàn)的過(guò)程進(jìn)行認(rèn)知隱喻式的教學(xué)，可幫助學(xué)生理解“原子軌道也可以通過(guò)混合的方式實(shí)現(xiàn)能量的重新分配和形狀的改變”，以及“科學(xué)上把原子中能量相近的某些原子軌道，在成鍵過(guò)程中重新組合成一系列能量相等的新軌道而改變了原有軌道狀態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為雜化”。

師：什么是雜化軌道？

生：橙色的橡皮泥可由黃色和紅色混合而成，與此類(lèi)似，雜化軌道是由原來(lái)的原子軌道混合后重新分割而形成的新軌道。

師：原子軌道為什么會(huì)雜化？

生：溫水可由熱水和冷水混合而成，與此類(lèi)似，發(fā)生雜化后，原子軌道上的能量平均化，新軌道從形狀、伸展方向等方面都有利于形成更強(qiáng)、更穩(wěn)定的化學(xué)鍵。

師：試著解釋一下甲烷分子中的軌道雜化。（出示甲烷分子空間構(gòu)型圖，圖略）

生：從甲烷分子的空間構(gòu)型可知，它是由碳原子中的4 個(gè)能量相同和空間狀態(tài)相同的軌道分別與4 個(gè)氫原子的軌道重疊成鍵。基態(tài)碳原子2s 軌道上的1 個(gè)電子激發(fā)到2p 軌道，形成4個(gè)單電子，這4個(gè)單電子分占的軌道重新線性組合形成4個(gè)完全等價(jià)的雜化軌道。

師：由于雜化軌道可多生成2 個(gè)共價(jià)鍵，從而放出更多的能量，這就使激發(fā)過(guò)程需要的大量能量得到補(bǔ)償，看來(lái)碳原子在形成分子的過(guò)程中也是充滿“智慧”的。

設(shè)計(jì)意圖：軌道雜化是原子在成鍵過(guò)程中的自然選擇，用生活實(shí)例隱喻原子軌道雜化在解釋分子空間構(gòu)型上更具有形象性。一個(gè)原子中能量相近的某些原子軌道，經(jīng)過(guò)激發(fā)、雜化以后重新形成一系列新軌道，即雜化軌道。這就使學(xué)生對(duì)雜化后軌道的能量平均化、成鍵能力增強(qiáng)、形狀發(fā)生改變有了清晰的認(rèn)識(shí)。

（二）建構(gòu)模型，發(fā)展理論——通過(guò)認(rèn)知隱喻判斷雜化類(lèi)型

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)是學(xué)生自主建構(gòu)認(rèn)知結(jié)構(gòu)或建構(gòu)知識(shí)意義的過(guò)程，科學(xué)概念的學(xué)習(xí)須由學(xué)生主動(dòng)參與整個(gè)過(guò)程，重構(gòu)知識(shí)的意義。知識(shí)、概念無(wú)法像物體那樣直接傳輸或傳遞給學(xué)生，需要學(xué)生根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)或掌握的前概念，在學(xué)習(xí)共同體之間對(duì)話和溝通。以物質(zhì)“混合”的認(rèn)知隱喻學(xué)習(xí)雜化軌道理論，這種經(jīng)驗(yàn)與雜化類(lèi)型的知識(shí)建構(gòu)具有全方位結(jié)構(gòu)性相似的特點(diǎn)，不僅可為學(xué)生提供雜化的概念，而且可為雜化類(lèi)型的學(xué)習(xí)提供思維建構(gòu)方式。可見(jiàn)，認(rèn)知隱喻的經(jīng)驗(yàn)性、連貫性、結(jié)構(gòu)化是實(shí)現(xiàn)抽象理論具象化的內(nèi)在本質(zhì)。在科學(xué)理論的形成和發(fā)展過(guò)程中，概念發(fā)展的障礙往往造成一種“瓶頸”效應(yīng)，而認(rèn)知隱喻可為概念的理解提供闡釋方式。例如對(duì)“碳原子有不同雜化類(lèi)型，其代表性的分子有不同空間構(gòu)型”，可作出如下解釋。

甲烷中的碳原子為sp3 雜化，正四面體型；乙烯和苯中的碳原子為sp2雜化，平面型；乙炔中的碳原子為sp 雜化，直線型。雜化類(lèi)型的不同，代表雜化時(shí)候參與混合的軌道成分不同。雜化軌道用于形成σ 鍵和容納孤電子對(duì)，價(jià)層電子對(duì)數(shù)包括成鍵電子對(duì)與孤電子對(duì)數(shù)，不同雜化類(lèi)型的碳原子，分子的空間結(jié)構(gòu)自然不同。雜化類(lèi)型決定了分子的價(jià)層電子對(duì)數(shù)，價(jià)層電子對(duì)數(shù)也反映了雜化類(lèi)型。

共價(jià)鍵是帶負(fù)電的“電子云膠水”黏連兩個(gè)帶正電的原子核。這是一個(gè)具有結(jié)構(gòu)性的認(rèn)知隱喻。膠水密度越大，黏連效果也越好，這意味著電子云密度大，共價(jià)鍵也越牢固。也可用共價(jià)鍵去解釋不同的雜化類(lèi)型，因雜化軌道一般用于容納成鍵的電子對(duì)和孤電子對(duì)，中心原子形成的雜化軌道數(shù)目需要大于或等于其周?chē)信湮坏脑訑?shù)，通過(guò)雜化后的原子軌道在成鍵時(shí)與配位原子的軌道有最大程度的重疊度，則黏連原子核的效果更好。

如甲烷分子在形成過(guò)程中，氫原子沿4個(gè)sp3雜化軌道方向頭碰頭重疊，形成σ鍵，雜化軌道向空間四個(gè)方向伸展，故甲烷的分子空間構(gòu)型是正四面體。sp2、sp 雜化軌道中未參與雜化的p軌道肩并肩重疊形成π鍵，故乙烯中有1 個(gè)未雜化的p 軌道形成π 鍵，乙炔中有2個(gè)未雜化的p軌道形成π鍵。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)一步以“混合”的認(rèn)知隱喻認(rèn)識(shí)雜化，由雜化方式判斷幾類(lèi)烴分子的空間構(gòu)型，由分子空間構(gòu)型理解雜化方式。利用“電子云膠水”連接起兩個(gè)成鍵原子核的認(rèn)知隱喻模型來(lái)分析各類(lèi)化學(xué)鍵，有助于學(xué)生建立從微粒和微粒間的作用的角度來(lái)解決問(wèn)題的思維模型。

（三）設(shè)計(jì)活動(dòng)，應(yīng)用理論——利用認(rèn)知隱喻比較鍵角大小

重新審視認(rèn)知隱喻的價(jià)值，是當(dāng)代認(rèn)知科學(xué)的重要議題。認(rèn)知隱喻的機(jī)制是從熟悉、已知到陌生、未知，從具體到抽象。因此，活動(dòng)化呈現(xiàn)認(rèn)知隱喻的動(dòng)態(tài)過(guò)程，是值得嘗試的一項(xiàng)工作。我們也可通過(guò)活動(dòng)發(fā)揮認(rèn)知隱喻的工具性作用，使之產(chǎn)生新的意義。

如在活動(dòng)過(guò)程中，學(xué)習(xí)小組成員找出VSEPR 模型與分子真實(shí)模型的區(qū)別與聯(lián)系，以及價(jià)層電子對(duì)排斥力大小與鍵角的關(guān)聯(lián)，然后在交互質(zhì)疑辯論的過(guò)程中，找到推測(cè)鍵角大小的思維邏輯，即“先看雜化類(lèi)型，再看孤電子對(duì)數(shù)”，逐漸形成正確的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

由此可見(jiàn)，認(rèn)知隱喻中認(rèn)知主體思維的獨(dú)特性、發(fā)散性、關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性對(duì)隱喻生成、表達(dá)和理解具有特殊意義和重要影響。

教師也可使用“以雜化軌道類(lèi)型預(yù)測(cè)H2O、NH3的空間構(gòu)型與VSEPR 模型出現(xiàn)偏差，H2O、NH3的分子鍵角與VSEPR 模型也不完全相符合”這類(lèi)素材，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，然后用電子對(duì)（孤電子對(duì)或成鍵電子對(duì)）之間是相互排斥的“電子云膠水”認(rèn)知隱喻解釋?zhuān)⒁詺馇蜃鳛殡娮訉?duì)模型讓學(xué)生展開(kāi)活動(dòng)。

H2O、NH3中的VSEPR 模型均是四面體，其中O、N雜化軌道類(lèi)型為sp3。若H2O中的O原子不是sp3雜化，用p軌道2個(gè)單電子成鍵，水分子的鍵角為直角，將與實(shí)際情況不符合。（活動(dòng)過(guò)程中出示4個(gè)相連的氣球）4個(gè)氣球向空間4 個(gè)方向延伸，價(jià)層電子對(duì)彼此遠(yuǎn)離，斥力最小，這就是H2O、NH3分子的VSEPR模型。H2O、NH3中心原子周?chē)謩e有2對(duì)和1對(duì)孤電子對(duì)，孤電子對(duì)也占據(jù)雜化軌道，并受到1 個(gè)原子核的引力，而成鍵電子對(duì)受到2個(gè)原子核的引力，因受到的力不同，“電子云膠水”變形的程度不同，孤電子對(duì)比較肥大，成鍵電子對(duì)則因2個(gè)原子核的拉扯而比較細(xì)長(zhǎng)。（展示4個(gè)相連的氣球，向其中的1 個(gè)多加一點(diǎn)氣體，使它更加肥大，模擬孤電子對(duì)）一個(gè)氣球加氣后對(duì)其他3 個(gè)氣球的擠壓力增大，3 個(gè)氣球分子之間的夾角變小了。而若是向2個(gè)氣球加氣，則對(duì)其余氣球的擠壓力更大，夾角也會(huì)變得更小。

設(shè)計(jì)意圖：以活動(dòng)隱喻類(lèi)比價(jià)層電子對(duì)的相互作用，以氣球?yàn)槌涉I電子對(duì)，加氣的氣球?yàn)楣码娮訉?duì)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)活動(dòng)理解分子中鍵角的變化，得到“孤電子對(duì)之間的斥力＞孤電子對(duì)與成鍵電子對(duì)之間的斥力＞成鍵電子對(duì)之間的斥力”的結(jié)論。對(duì)含有孤電子對(duì)的分子VSEPR模型在預(yù)測(cè)空間構(gòu)型過(guò)程中有一定偏差，在解釋分子構(gòu)型時(shí)與雜化軌道理論結(jié)合起來(lái)處理，會(huì)更加方便和完善，兩種理論既有一定的一致性和互補(bǔ)性，又有各自的優(yōu)越性和局限性。

四、小結(jié)

軌道雜化、共價(jià)鍵的形成和價(jià)層電子對(duì)的作用等教學(xué)內(nèi)容抽象且理論性強(qiáng)，對(duì)其進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師需要精心設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式，開(kāi)門(mén)見(jiàn)山地用疑問(wèn)引出雜化軌道理論，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)甲烷分子中碳原子的sp3雜化類(lèi)型的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)遷移至其他雜化類(lèi)型的目標(biāo)，最后應(yīng)用理論解釋分子的空間構(gòu)型。整個(gè)教學(xué)過(guò)程，筆者通過(guò)認(rèn)知隱喻的方式極大地降低了理論的抽象性，讓學(xué)生保持思維的碰撞來(lái)促進(jìn)理解，培養(yǎng)分析、解決問(wèn)題的能力，發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)，完善結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的學(xué)科觀念?？梢?jiàn)，認(rèn)知隱喻作為一種有效的認(rèn)知操作方式，能增加“抽象理論”課堂的趣味性，促進(jìn)學(xué)生積極建構(gòu)認(rèn)知模型。