認知彈性理論在化學教學中的運用價值

許玉明 鄭旭輝

摘? ? 要：認知彈性理論肯定了行為主義學習理論的積極因素，又汲取了建構主義學習理論的合理觀點，提出了“高級學習”“結構不良領域”“隨機通達教學”“認知彈性超文本”等全新的概念。它將知識分為結構良好領域知識和結構不良領域知識，指出對于結構不良領域知識，需要通過高級學習才能完成任務。在“硝酸”教學中，教師可應用基于認知彈性理論的教學模型，將結構良好領域知識問題轉化為結構不良領域知識讓學生進行高級學習，并借助認知彈性超文本開展隨機通達教學，以提高教學效率。

關鍵詞：認知彈性理論;高級學習;結構不良領域;隨機通達教學;認知彈性超文本

20世紀90年代初，斯皮羅等人為糾正建構主義學習理論應用時出現的各種偏向，提出了認知彈性理論。認知彈性是學習者對其知識進行自動重構，采用多種途徑回應發生變化的情境的能力[1]，有的學者也稱它為認知靈活性理論。當前，我國化學教學領域對認知彈性理論研究較少，但筆者認為它為我們研究化學教學提供了一種新路徑，值得教師關注和重視。

一、“認知彈性理論”概念內涵

學習是一個不斷深化的過程，也是知識經驗不斷生長的過程，由于社會的發展，許多知識已經脫離了最初的來源，脫離了與現實情境的關系。隨著建構主義學習理論的廣泛應用，教學中出現了不少偏向，如“忽視概念理解的重要性”“忽視教師的指導作用”等教學行為，這些顯然都不符合建構主義學習理論的本意。而認知彈性理論肯定了行為主義學習理論的積極因素，如“承認教學過程的客觀性和規律性”教學觀，又汲取了建構主義學習理論的合理觀點，如“學習是學習者主動地建構內部心理表征的過程”學習觀[2]，提出了“高級學習”“結構不良領域”“隨機通達教學”“認知彈性超文本”等全新的概念，在行為主義和建構主義理論之間走出了一條比較“折中”與“溫和”的道路[3]。認知彈性理論核心觀點的邏輯關系詳見圖1。

由圖1可知，“高級學習”是復雜學習活動的邏輯起點，“隨機通達教學”是使所學知識的認識角度全面化的教學方式，“認知彈性超文本”則是實現教學方式的技術媒介，三個概念緊密聯系、相互作用，幫助學習者解決復雜情境中的問題，該邏輯關系闡釋了認知彈性理論的核心觀點[4]。

（一）高級學習與結構不良領域

認知彈性理論提出學習者的學習是相當復雜的，因此建議將學習分為初級學習與高級學習兩種類型。初級學習是機械式的學習、孤立的簡單化學習，只要求學習者了解一些概念或事實，能將所學內容重復還原出來;高級學習則要求學習者不僅要掌握復雜性的知識，還能應用該知識解決復雜問題。認知彈性理論將知識分為結構良好領域知識和結構不良領域知識。結構良好領域知識與情境直接關聯，學習完成就能直接應用，如實驗室運用鋅粉與稀硫酸反應制取氫氣就屬于結構良好領域知識，學習者經過初級學習就能完成任務。而結構不良領域知識與情境沒有直接關聯，一個知識點可對應很多情境，處理或解決一個情境問題，必須整合應用許多知識點，且解決問題的方法、途徑均不存在“標準答案”。如我們用金屬鋁與稀硫酸反應制取氫氣，往往很難成功，這就屬于結構不良領域問題。因為得不到氫氣的因素有很多：反應試劑有問題;金屬鋁因有保護膜而影響了氫氣的生成;硫酸鋁覆蓋在鋁表面阻礙了反應的繼續。故而需要考慮不同的問題解決方案：調整反應試劑重新實驗;先去除金屬鋁表面的氧化膜再重新實驗;等等。對結構不良領域知識，只通過初級學習是不可能完成任務的，還需要高級學習。結構良好和結構不良領域知識的特點比較詳見表1。

（二）隨機通達教學

隨機通達教學的基本原理是對于相同知識點，在不同的學習期間，創設不同的情境和問題反復交叉學習，以此來達成教學目標。以外出旅游為例，在不同年齡階段重游同一處景點，我們會有不同的感覺，可能現在感覺到的

是迷茫和失落，而以前感覺到的是愉悅?；瘜W教學也是如此，對有些抽象、難懂的化學概念，如原子結構模型的發展歷程，要考慮在不同的學段創設不同的學習情境，以引領學習者去理解原子結構模型的本質。

（三）認知彈性超文本

認知彈性超文本是一種適用于結構不良領域知識的學習與教學的媒介，即運用計算機技術建立超鏈接，把學習內容鑲嵌在上下文或背景（包括專家解釋、參考信息等）之中，它能使抽象性的知識變得直觀。如教學中用“控制變量法”探究影響化學反應速率的因素，如濃度、催化劑、溫度或壓強時，教師組織學生分組完成實驗后，還可用NOBOOK虛擬實驗進行鞏固，這可培養學生的學習興趣，開闊其視野。

二、基于認知彈性理論的“硝酸”教學設計

下面，筆者以北京楊巖老師在中國教育學會2018年度高中化學課堂教學展示與觀摩活動中執教的人教版普通高中教科書《化學》必修1（以下簡稱“人教版教材”）第四章第四節《硝酸的化學性質》優質課為參考，結合其他有關硝酸的教學案例[5] [6]，對該節教學進行重構設計，以此說明認知彈性理論的應用價值。

（一）教材與學情分析

硝酸屬于典型的元素化合物知識，該節課前，學生剛學過氨氣、氮的氧化物，已儲備有關濃硫酸的知識，如酸有某些通性和元素處于最高價態時，可以表現出強氧化性等。課前，筆者通過“智學網”平臺發布“說說硫酸具有哪些化學性質”調查問卷，統計結果如下：全部答出“酸性”，說明學生能熟練地認識物質的酸性;答出“濃、稀硫酸的性質不同”的為37.5%，說明大部分學生會忽略性質和反應是受條件影響的;答出“H+、SO42-”的為6.25%，說明絕大多數學生微觀視角不穩定，需要認知模型幫助強化。

（二）教學目標與教學程序

根據《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“《課程標準》”）的相關要求，筆者將教學目標預設為：（1）從微觀層面認識硝酸的強氧化性是NO3-的強氧化性;（2）NO3-的強氧化性受酸堿度、溫度、濃度的影響;（3）初步形成解釋解決實際情境中化學問題的認知模型。

依據隨機通達教學的原理，筆者將課堂教學分為“運用認知彈性超文本，引出問題”“自主探究，建構概念”“遷移應用，開闊視野”三個環節。教學中，筆者先以玻爾故事等情境，引出探索“硝酸的化學性質”這一問題，讓學生從酸堿度、溫度、濃度等因素，多角度地對NO3-的強氧化性進行概念建構。然后，筆者讓學生選擇試劑配制化學拋光液，使其在學習過程中培養靈活變通能力?！跋跛岬男再|”知識框架詳見圖2。

（三）教學過程設計

認知彈性理論認為，利用多種方式表征問題，引導學生多角度深層次地建構知識體系，并與具體情境聯系起來以形成背景性經驗，有利于學生形成對概念的多角度理解。如教師在課前可運用認知彈性超文本，通過“智學網”平臺推送學習視頻“玻爾巧藏諾貝爾獎章”故事，讓學生進行課前預習。

1.運用認知彈性超文本，引出問題

問題1：查閱有關資料，說說上述“玻爾巧藏諾貝爾獎章”故事中王水的主要成分是什么，有什么作用？

問題2：濃硝酸為什么要保存在棕色瓶中？久置變黃的原因可能是什么？

問題3：如何區別實驗室存放的失去標簽且密封的濃硫酸、濃鹽酸和濃硝酸（不開蓋）？

【分析】課前通過借助于網絡資源鏈接或微課等途徑，使多種信息資源有效整合起來，再通過線上數據采集了解學情，并以此為媒介向學生推送相關的學習任務，使教學過程中對學情的掌握更加精確，資源的獲取更加豐富，教學內容的呈現更加直觀生動。

講授新課時，筆者讓學生完成學習任務1。

學習任務1? ?對含有氧化膜和劃痕的銅片進行拋光實驗，探究NO3-的氧化性

【演示實驗】展示表面有氧化膜和劃痕的銅片，按圖3所示進行銅片拋光實驗。實驗完成后，在顯微鏡下觀察銅片的表面。

【超文本鏈接】閱讀資料卡及觀看相關視頻。

“銅制品拋光原理”資料卡：銅制品加工過程中常常需要用拋光液浸泡，這可以除去銅制品表面的氧化膜，以及細微的凸起之處（有研究表明金屬的凸起部分優先與溶液反應），形成平整、光亮的表面。拋光液的主要成分是稀硫酸、硝酸。浸泡時間對拋光效果有重要影響。時間太短，達不到光效。時間過長，又容易造成銅制品因溶解而報廢。

師：說說H2SO4、HNO3的主要作用分別是什么，并說明理由。

生：H+除去黑色的氧化銅，SO42- 或? NO3-除去凹凸不平的銅。

【分析】在課前調查了解的基礎上，筆者在第一環節布置“學習任務1”，將這節課完全置于“探秘神奇的銅制品拋光現象”的真實環境中，讓學生利用化學知識解決日常生活中的真實事例，并在對拋光現象進行分析的過程中，達成NO3-強氧化性的學習任務。親身實踐并感悟宏觀物質現象，為學生提供了一個新的視角來理解和認識世界。

2.自主探究，建構概念

隨機通達教學，指的是從不同的視角和不同的維度解析所學習的知識，即教師組織學生在不同情境下多次對同一內容進行學習，強化學生解決問題的能力，從而幫助學生實現對所學知識的多樣化應用。例如，在探究NO3-強氧化性的教學中，教師從酸堿度、溫度、濃度等多種情境引導學生討論、比較、思考、交流，可促進深度學習的發生，培養學生的分析、評價、創造等高級思維。具體活動教學過程如下。

學習任務2? ?探究NO3-強氧化性受酸堿度、溫度、濃度的影響

師：請同學們根據所學知識，設計實驗證明NO3-能氧化金屬銅。

生：在裝有金屬銅片的試管中滴入NaNO3溶液，觀察現象。

師：觀察到的現象能否說明NaNO3溶液中的NO3-沒有氧化性？NO3-具有氧化性是否需要一定的條件？

問題：討論NO3-氧化銅需要什么條件。

【學生活動】生成可能的條件及解決方案如下。

推測1? ? Cu + NaNO3? +? HNO3

推測2? ? Cu + NaNO3? +? CuSO4

推測3? ? Cu + NaNO3? +? H2SO4

【學生實驗】依據上述推測，進行實驗。

【記錄數據】詳見表2。

【總結】NO3-氧化銅需要在酸性條件下進行。

【分析】該環節中提出了假設、驗證實驗，體驗科學探究的方法。同時，“銅片與濃、稀硝酸反應生成什么”是結構良好領域知識，初級學習即能完成，但學生容易形成思維定式，不利于創新能力的培養?，F通過改變問題情境設計“NO3-氧化銅需要什么條件”，這是結構不良領域知識，沒有正確一致的答案，有利于培養學生的問題意識。

師：討論濃度是否對NO3-的氧化性有影響。根據人教版教材第41頁“觀察與思考”板塊，完成銅片分別與濃、稀硝酸反應的實驗，觀察實驗現象。

生：從反應現象可以看出，濃度不同，NO3-被還原的產物不同。

【總結】NO3-的氧化性強弱與濃度有關。

【板書】銅片分別與濃、稀硝酸反應的兩個化學方程式。

【超文本鏈接】閱讀資料卡，說說還有哪些條件影響NO3-的氧化性。

“濃硝酸氧化性”資料卡：常溫下，濃硝酸將鐵、鋁表面氧化為致密的氧化物膜，阻止了內層金屬與酸的進一步反應，因此可用鐵、鋁容器盛裝濃硝酸。硝酸與金屬、非金屬（如木炭、硫等）、某些有機物（如松節油、鋸末等）反應時，濃度或溫度等條件不同，硝酸被還原所得到的產物也不同，有HNO2、NO、NO2、N2O、N2、NH3及NH4+等。

生：這些信息表明溫度也能影響NO3-的氧化性。

【總結】NO3-的氧化性強弱與溫度有關。

師：從上述實驗可知，酸性、濃度、溫度等外界因素對NO3-氧化性有影響。那么，不活潑的木炭與濃硝酸能否發生反應？請說出你的理由。

【超文本鏈接】實驗視頻：木炭與濃硝酸在加熱條件下的反應實驗。

師：再次思考硝酸的作用是什么。

【分析】根據隨機通達教學的原理，從酸堿度、濃度、溫度等多角度出發，用不同的實驗建構NO3-氧化性知識，探索銅制品拋光原理的本質原因，建構“NO3-的強氧化性受酸堿度、濃度、溫度的影響”概念，能達到多元表征認知結構的目的。筆者挖掘物質的微觀本質，體現從宏觀到微觀的化學思維的過程，加深了學生對NO3-強氧化性的理解。

3.遷移應用，開闊視野

認知彈性理論認為教學中抓住概念的特征與其他要素之間的多維度關聯，有利于學生深入理解概念的本質。教師應創設與生產、生活中的化學問題相一致的情境，促使學生采取高級學習的方式進行學習，這有助于學生理解和掌握化學知識，在未來將其靈活地運用于多變的實際生產、生活情境中。筆者要求學生設計“配制銅制品的化學拋光液”實驗，并建構解決實際情境中化學問題的“硝酸”認知模型。這是因為有了認知模型，學生就有了解決問題的基本途徑，進而能夠遷移和應用。

學習任務3? ?形成解決實際情境中化學問題的認知模型

問題：假如請你配制一份銅制品的化學拋光液，你要如何選擇試劑？

生1：必須試劑：氧化劑，酸。酸除去氧化銅，氧化劑除去銅。

生2：氧化劑不一定是硝酸。酸也未必用硫酸。

【超文本鏈接】百度資料：銅制品拋光液的多種配方，詳見表3。

【學生活動】討論及展示。

師：使用時需要注意控制哪些條件？（可控條件：濃度、溫度、時間）

【總結】硝酸的性質模型詳見圖4。

【課后作業】“超文本鏈接”瀏覽文獻：解密拋光技術。

【分析】筆者創設“配制銅制品的化學拋光液”學習環境，讓學生感悟化學概念在日常生活中的應用。筆者提供兩個超文本鏈接，從拋光液配制及種類等多角度出發，引導學生建構知識整體，使其在學習過程中培養靈活變通的能力，并初步形成解決實際情境中化學問題的認知模型。

三、基于認知彈性理論的教學設計策略

（一）教師：轉變教學理念，優化教學方法

《課程標準》要求處理好“情境、問題、知識和素養”之間的關系，且高考化學題中包含大量復雜情境的問題，需要化學知識的綜合遷移與應用，因此，隨機通達教學可以豐富高中化學的教學方法。

如“Fe的電化學腐蝕”一節的教學：教師可以從理性視角結合“氧化還原反應”“原電池”的相關知識，讓學生比較“鐵粉自燃”“鐵釘腐蝕”兩種現象并討論，明確“化學腐蝕”的概念;也可以從探究視角創設“暖貼發熱”“鋼鐵生銹”兩個情境問題，讓學生分組并通過資料收集、討論分析等手段對其原理進行探究;還可以從 STS視角帶領學生分析生活中的各種鋼鐵腐蝕現象，分組討論，總結可行的預防措施，使學生獲得不同的情境體驗，完成對于復雜知識的多重意義建構。

學生在解決結構不良領域問題的過程中經歷的思維過程，契合《課程標準》對于培養學生的要求，有利于發展學生的核心素養。而要開展好基于認知彈性理論下的化學教學工作，教師就應轉變教學理念，精心研究教材，優化教學方法。這是化學教學的最終目標，也是化學教育工作者的教育價值取向。

（二）學生：采用高級學習策略，提升認知彈性

當前，高中化學教學在培養學生核心素養方面存在不足，這很大程度上是因為機械地使用初級學習的教學策略應對結構不良領域知識的學習，造成了化學知識與問題情境之間的隔離。為了發展學生的化學核心素養，教學中，教師應創設與生產、生活中真實化學問題相一致的情境，促使學生采取高級學習的方式進行學習。當然，教師還要努力提升學生的認知彈性，因為教學中既需要學生靈活運用所掌握的知識，對復雜的情境進行分析，又需要學生收集解決問題的知識，并根據復雜的情境作出重組，從而對情境問題進行回應。

綜上所述，運用認知彈性理論進行教學，在踐行《課程標準》理念、發展學生核心素養方面有積極的作用。一般而言，教育理論都有一些局限性，認知彈性理論也不例外，它研究的是結構不良領域內容，若將其擴展到所有學習領域，則是行不通的。例如在概念的多重表征方面，有些學生面對多種解釋可能會感覺認知負擔加重，常常會感到茫然。但是認知彈性理論的研究體現了化學學科的意義和價值，筆者相信，隨著對認知彈性理論教學研究的持續深入，教師的教、學生的學一定會出現新的變化。[□][◢]

參考文獻：

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[3]胡楊，王后雄.基于認知彈性理論的高中化學教學設計研究[J].教育理論與實踐，2020（11）：54-57.

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[5]張靜，張文華.促進知識素養化的教學——以“硝酸的性質”為例[J].化學教育（中英文），2021（11）：27-33.

[6]王緒巖.從講課到教學? ?教學到研究——從三次不同階段的《硝酸》教學看教學的改進與發展[J].化學教學，2006（1）：5-7.