认知模型的构建

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摘要：文章以《化学反应原理》为例，在原型范畴理论和模型理论的基础上，分析了认知模型的构建过程，并阐述了利用认知模型解决化学问题的过程，借此来培养学生分析问题、解决问题的能力。

关键词：认知模型；构建；化学问题解决

文章编号：1008-0546（2014）01-0055-02 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.01.021

一、认知模型构建的理论依据

1. 原型范畴理论[1]

原型范畴理论（prototype theory，亦称类典型理论）是认知语言学中的重要观点，是认知语言学的理论基础和核心。20世纪50年代，维特根斯坦在哲学研究中通过“语言游戏”说论证了范畴边界的模糊性，提出了著名的“家族相似性”（Family Resemblances）理论，此后逐渐发展成原型范畴理论。对于原型范畴理论贡献很大的是心理学家罗施（Rosch， 1975）。罗施认为，概念主要是以原型（proptotype）—即它的最佳实例表征出来的，我们主要是从能最好地说明一个概念的实例来理解概念的。因此，她认为一个概念总会有它的原型，原型就是在一个范畴中最好的、最典型的、最能用来代表这一范畴的最称职的个体。同时她还指出，人们不是通过正式的一组标准特征来指派一个客体给一个范畴，而是把那个客体与范畴的原型相比较，原型是最好的标本，是一把尺度，人们一般把原型和有关的范畴联系起来。而安德森（J.R.Anderson）则定义为“原型是关于范畴的最典型的样例的设想”。

原型范畴理论在解释认知心理时，认为人们首先是通过原型认识事物，然后将一些与原型具有差异的事物归类认识，这就是所谓的“家族相似性”，在一个家族中的成员不一定完全相似，但在一些本质上是相似的。原型范畴理论的实质就是人们在解释某种现象时，将属于这类现象的某个个体视为原型，并在对这个原型总体特征认识不变的情况下，把握这类现象的其他个体。

认知心理学中使用的“原型”概念，一般具有两个方面的含义：其一是侧重于文化心理和集体无意识范畴的“原型”（Prototype），其二是侧重于认知过程和创造心理方面的“原型”（Prototype）。学习是认知过程，因此prororype才是教学中最重要的，也是最有意义的。

化学科学教育的最基本模式与原型范畴理论十分吻合，利用原型范畴理论能揭示化学教学原理，是建立化学认知模型的前提。

2. 模型理论[2]

模型一词起源于拉丁文的“modulus”，其初始含义是样本、标准和尺度，中文原意即规范。模型是科学认识的一种独特形式，也可以把它看做一种重要的科学操作与科学思维方法。

认知科学实验证明，结构化的知识便于学生记忆、概括和理解，有助于解决问题。化学模型这一认知工具恰好把化学问题或知识高度浓缩，使知识或问题以结构或形象表达的形式存在于人脑中。奥苏贝尔的学习理论认为，采用建模思想，将化学问题中次要的、非本质的信息舍去，可使本质的知识变得清晰，更容易纳入学习者已有的知识框架中，使学生在解决化学问题时，迁移更容易。

3. 化学问题解决理论[3]

化学问题解决是从已有的条件出发，达成目标任务的高级智力活动。问题解决一般由四个环节组成：认知问题、问题表征、联想与匹配、反思与评价。影响问题解决的因素主要有：知识总量、知识的储存方式、认知策略、动机、情绪等一系列非智力因素、问题情境。

研究表明，专家之所以能够快速地解决一些常见的问题，主要是因为他们原型丰富，匹配迅速，已达到自动化的程度，而新手则相反。

教学实践表明，高中生在解决化学问题时，使用频率最高的解决策略是模型匹配策略。利用这种策略解决化学问题时，其过程大致经历以下几个阶段：问题表征、模型构建、模型检验、模型应用。解决问题过程可用图1表示。

分析问题是化学问题解决活动中至关重要的环节，是根据问题的特点和要求把发现的问题明确化，这是解决问题的前提。在这个前提下，运用科学的方法并结合所学的知识进行模型搜索。如果学生有这样的模型，接着就会进行模型匹配，从而解决问题；但如果学生自身没有已知的模型适合此题，那就要进入模型构建环节，并在进一步检验之后解决问题。[2]

二、认知模型的构建过程

1. 构建原型

根据原型范畴理论，原型的选择应遵循以下一些原则：①要选择最能体现概念、原理内涵的“原型”。认知心理学中“原型理论”认为在范畴的图式结构中，原型成员和非原型成员的地位并不相等。就某一个具体的范畴而言，其原型成员具备范畴的理想值，处于范畴中心，有明显的类属特征和较高的清晰度。因此，范畴内的其他成员是不宜用于构建概念、原理的。②“原型”应该是学生所熟悉的。学生不熟悉的原型很难让学生从某一教学需要的认知角度去认识。

根据这样的原则，在教《原电池》一节时，我们可选择Zn∣H2SO4（稀）∣Cu为原型，学生几乎都非常熟悉这个反应原理而且基本上具备了原电池的所有特征。①正、负极的判断：负极 Zn（0价）Zn2+（+2价）；正极2H+（+1价）H2（0价）。②电极反应的书写：负极 Zn-2e-=Zn2+；正极 2H++2e-=H2。③电子流向：负极正极；离子流向：H+正极，SO42-负极。

2. 构建模型

以某种程度的类似再现另一个系统（原型）的系统，并且在认识过程中以它代替原物，以至对模型的研究能够得到关于原物的信息，依据其表现出来的某些本质特征，进行归纳，抽取其实质特征，建立相应该原理的模型，并在认知系统中进行归类，其抽象程度越高，该模型的适应性就越广。例如我们在上述原型的基础上，原电池的原理模型可以归纳为以下三点：①找出发生的氧化还原反应，不管这个反应是否熟悉，只要学生能标出化合价的变化，找出氧化反应和还原反应就行。负极一定发生氧化反应，正极一定发生还原反应，只要将自发进行的氧化还原反应一分为二，对号入座即可。不管装置如何，只要能找出两极，有电解质溶液、能形成闭合回路的，都可以恢复成如图2所示这种经典原电池模型。

②书写电解反应时，不但要知道两极发生氧化还原反应后生成了什么粒子，还要考虑到两极生成的粒子和电解质溶液有无后续反应，若有则要合并在一起书写。③原电池电解质溶液中离子的移动只有两种作用，一是为了反应，而是为了中和电性。学生根据两极的电极反应，自然会知道两溶液中离子的变化情况。

学生有了这样的模型，不管遇到怎样陌生的情景，只要将复杂的反应、陌生的装置与模型中的要素一一对应，就能很好的解决这类问题。

3. 解决化学问题的过程

化学问题的设计总是依托一定的化学原理，很多学生在解答化学问题时思路不清、无从下手，究其原因还是不懂化学本源知识，不理解化学原理所致。在教学中，教师可以有意引导学生，在认识原型知识的时候，分析涉及的核心知识，指导学生构建相应的原理模型，再应用到其他具体问题中。经过这样的反复训练，让学生体验到构建原理模型能达到举一反三、触类旁通的作用。例如我们在建立原电池原理模型基础上，以高铁电池为例，进行化学问题解决。[4]其总反应为：

3Zn+2K2FeO4+8H2O=3Zn（OH）2+3Fe（OH）3+4KOH

① 标注电极。按反应前后元素的化合价变化的趋势，标示在相应元素的上方，电子转移的方向即为外电路电子流向，流出电子的一极为负极，流入电子的一极为正极。②写出相关的电极方程式。依据上面的原电池模型，可逐渐完善电极方程式：负极的基本关系为3Zn—6e-3Zn（OH）2 ，反应中Zn失去电子以后的产物是Zn（OH）2，因而反应物需要补充OH-，3Zn+6OH-—6e-3Zn（OH）2 ；正极的基本关系为2FeO4+6e-2Fe（OH）3，因产物中多出H元素，反应物中需补充H2O（当然也可来源于O2-+H2O=2OH-反应的启示），这样完整的正极反应为2FeO4+8H2O +6e-2Fe（OH）3 +10OH-。③电解质溶液中的离子迁移。由电极反应方程式可知，正极持续产生2OH-，而负极则不停消耗2OH-，可以判断溶液中将因OH-的溶度梯度以及反应的需求，而导致OH-从正极向负极迁移。

这样，我们在解决高铁电池相关问题时，就可以原电池模型为样板，进行快速有效的匹配，顺利地进行问题解决。

总之，利用原型范畴理论指导学生进行认知模型的构建，在此基础上进行化学问题的快速有效地解决，对于化学教学是很有意义的。合理的化学建模能积极地启发学生的创造思维，开启学生的心智，提升学生的正迁移能力。

参考文献

[1] 谢祥林等. 原型范畴理论在化学教学中的应用 [J]. 中学化学教学参考， 2012，（12）：3-4

[2] 陈群 董军. 高三化学复习中建模思想渗透的实践与研究[J]. 中学化学教学参考， 2013，（4）：37-39

[3] 王后雄主编. 新理念化学课程教学论[M]. 北京：北京大学出版社，2009：120-129

[4] 姜敏. 从系统的角度对化学反应的知识进行建构3—系统化知识对教学行为的影响 [J]. 中学化学教学参考，2012，（9）：3-5