李　玲　任红艳　倪　娟

(1.南京师范大学　附属扬子中学，江苏　南京　210097；2.南京师范大学　教师教育学院，江苏　南京　210097；3.江苏省教育科学研究院　基础教育研究所，江苏　南京　210013)

论化学认识结构的构成要素*1

李玲1任红艳2**倪娟3**

(1.南京师范大学附属扬子中学，江苏南京210097；2.南京师范大学教师教育学院，江苏南京210097；3.江苏省教育科学研究院基础教育研究所，江苏南京210013)

摘要文章通过梳理化学知识内部表征的已有研究，澄清了研究化学认识结构必须秉持的几个重要观点。在此基础上，提出并界定了化学认识结构的情感—表象—认知三要素，并基于文献研究的视角进一步阐述三要素模型的合理性。最后，论文基于实践的视角，利用三要素模型细致地分析了化学学习如何发生、化学学习带来学习者怎样的发展等问题，体现了该模型对化学教学实践的理论指导价值。

关键词化学认识结构；情感—表象—认知三要素模型；化学知识内部表征

认识结构是一种心理上的、反映事物间稳定关系的内部认识系统[1]。化学认识结构是在脑海中形成的以化学知识为核心、从化学科学视角认识事物间稳定关系的内部认识系统。认识结构是连接主体和客体的中介物；化学学习只有借助学习者内部的认识结构才能发生。化学认识结构以化学知识为核心但超越单纯的认知范畴，指向由化学学习引起的学习者内部的全息变化。系统论告诉我们，科学地认识化学认识结构必须首先揭示其构成要素。一直以来，学界对认识结构构成要素的划分存在各种观点，这直接影响了人们对化学认识结构之构成要素的认识。

一、内部表征：化学认识结构之核心

学习者脑海中的化学知识是如何表征的？将多重表征(multiple representations)视为化学知识内部表征的观点相当流行。Johnstone[2-3]提出化学家至少在宏观、微观和符号三个水平思考化学知识，引发人们对这三个水平化学知识的研究。Yehudit等[4]提出过程水平(process level)以强调对化学反应过程的表征。任红艳[5]建构了多重表征模型。Devetak等[6]提出学生在工作记忆中将各水平化学概念相互覆盖形成心智模型。

化学概念内部表征研究发现，表征的本质是命题、表象、产生式和图式[7]，可分成命题符号表征形式和知觉符号表征形式两大类别[8]；学生建构的心智模型直接影响他们对分子极性等化学概念的理解[9]；有机化学知识内部表征研究揭示，学生使用图像、言辞、方法学、原理定向、文献、实验室定向、经济等七类表征形式[10]，并可划分为符号、方法和机理三类表征[11]，学生对有机化学概念的表征多基于算法而非官能团[12]；化学问题解决中的表征形式有文字表征、符号表征、图形表征、理论表征、方法表征、数学表征等[13]；化学实验中学习者形成的知识表征有静态表象、动态表象、情感体验、命题表征和产生式[14]。

上述名目繁多的化学知识内部表征形式大多是从具体的研究情境中提出来的，多个内部表征形式往往是从不同侧面刻画知识表征中更为基本的某个方面。所以，研究亟须从更为基本的方面来认识化学学习，探讨化学认识结构之构成要素并为此尝试。在此之前我们必须厘清以下问题。

首先，化学知识内部表征是否仅仅囿于化学科学知识范畴？显然不是。从化学语言体系来看，化学语言包括有声语言、化学符号和文字[15]73-80。有声语言无疑需要紧密依托于日常生活中使用的语音系统而展开。文字形式的化学语言主要由表示各类概念名称的化学术语组成；这类化学语言和生活用语密切相关，譬如酸、碱、盐、溶解、稀释等化学概念。化学符号作为科学符号的一部分既包含化学学科特有的图式符号、图形符号等，也融入大量化学学科以外的外来符号[15]73-80。可见，作为化学科学知识载体的化学语言包含化学科学知识以外的大量信息。学习者基于化学语言进行化学学习，生成的化学知识内部表征必然不仅仅囿于化学科学知识范畴。由此来看，研究者立足化学知识的外显特征来推测化学知识的内隐表征形式对于揭示化学知识内部表征而言是重要的，这些表征形式包括宏观表征、微观表征、符号表征、原理定性表征、实验室定性表征、方法表征、机理表征、理论表征、过程水平、命题表征、产生式等。此外，研究者参照其他知识体系来揭示化学知识内部表征形式对于推测学习者脑海中的知识存储样态也有意义，这类表征如言辞表征、文字表征、算法表征、数学表征等。

其次，化学知识内部表征研究是否需要观照学习者化学知识建构的身心历程？无疑是需要的。心理学关于知识表征的观点在第二代认知科学中发生重大转变，不再将人类心智的内部状态严格视为抽象表征水平的逻辑或计算过程[16]，而是明确提出思维、认知的发生不仅涉及对抽象符号信息的提取加工，还涉及身体的感受、体验、经历等经验层面的嵌入[17]。在知识表征发展历程的初级阶段，面对物像、言语、音乐、图像、数码、动作、情态等知识的各种外部表征体，学习者借助于视、听、体动、嗅味觉等感官形成相应表象，各色表象贯通化合生成经验表象并激发相应情感表象[18]。对外部世界的经验表象以及对自身感受体验的情感表象构成主体的知觉表征，知觉表征是其他表征系统得以形成的基础，同时也是知识表征的构成要素之一。照此来看，以上研究者提出的知觉符号表征形式类别、静态表象、动态表象、情感体验等，这些表征形式伴随着化学学习过程成为学习者脑海中化学知识表征的必要形式。从精神世界的成长变化来看，化学学习带来学科知识增长，同时也在学习体验中形成他们对化学科学稳定的情感倾向、酝酿知识技能与情感态度价值观的协调发展。

第三，化学知识内部表征是否存在层级或复杂性不同的各水平？由于已有研究多基于具体情境而提出，所以上述表征形式彼此之间错综复杂。但是以下观点已达成共识：命题网络、产生式系统是较命题、产生式更为复杂的关于某具体知识的内部表征形式；三重表征、图式、心智模型则指学习者脑海中超越具体知识更为上位的表征系统。包摄性较广的表征系统在化学学习中扮演着重要角色。研究指出，化学学习中错误概念产生的路径之一是，已经存储于学习者长时记忆中的表征系统影响了学习者对新信息的感知过滤并造成工作记忆对输入信息的不当加工[19]49-63。处于表征系统下位的表征形式分别描述学习者脑海中不同类别的表征，如命题、表象、产生式分别描述意义表征、形象表征以及关于条件和行动的程序表征。这些类别将学习者脑海中的化学认识孤立地划分为几个方面，无法审视不同表征形式在真实学习中的相互影响、彼此共生。因此，尽管内部表征是化学认识结构的核心组成部分，但其仍尚未能从本体论的角度明确阐述化学认识结构的内涵。

二、化学认识结构：情感—表象—认知三要素模型

明晰以上观点，再来审视化学认识结构之构成要素。要素是构成系统必不可少的因素。从本体论的视角来看，化学认识结构之构成要素是化学认识结构必须具有的本质组成部分，是隐藏于上述各类化学知识内部表征形式之中直接构成学习者化学认识结构的基本单元。基于以上对于化学认知结构核心组成部分——内部表征的剖析，我们提出化学认识结构可由情感要素、表象要素和认知要素三部分构成。

(一) 情感要素

情感要素指化学学习中学习者各种情绪的体验以及化学学习带来学习者情感态度价值观的发展。情感要素包括学习者在具体化学知识学习中的情绪体验，包含某些情绪的反复、态度的形成、意志的培养乃至价值观的初现端倪，外显为学习者的兴趣、爱好、态度、理念、理想、意志等，酝酿形成个体的道德感、理智感和美感等情操，最终性格化为个体人格的构成部分。当学习者的情感发展历程是在化学学习中推进完成的时候，情感要素就成为其化学认识结构中的必然组成部分。情感要素记载了学习者对化学科学、化学学习独特的情感倾向，并长远持久地影响个体的化学学习。大量研究证实，兴趣、态度和学习动机等非智力因素对学习产生长远影响。只有将情感要素纳入化学认识结构的研究体系，才能合理解释爱好与兴趣、好奇与困惑、意志力乃至价值观等对化学学习过程与学习结果的重要影响，才能回答化学学习作为学科学习为何能够承载起个性培养、情操熏陶、价值观萌生的育人功能。

(二)表象要素

不论是心理学视角还是哲学视角的知识、智慧或能力都绕不开表象。表象是主体基于知觉在头脑中形成的感性形象[20]。表象可以从不同的角度进行划分，从感觉到来源分为视觉表象、听觉表象、运动表象等，从其形式则分为静态表象和动态表象。经验表象是个体借助于感官形成的对外部客体的综合性表象。本研究中的表象①要素是指学习者的生活经验、化学实验等以经验表象的形式参与化学学习，同时化学学习促进学习者表象的发展，深化其对世界的认识。

对化学学习产生影响的表象部分来自学习者对生活现象的感知。譬如，对小学生科学概念根源的考察发现，小学生的化学概念更多是现象、直观、经验取向，他们是借助于生活经验中建构起来的对这个世界的理解来认识化学概念、进行化学学习[21]。教学中教师借助化学实验、可视化模型等教学辅助手段为学习者表象的生成提供素材。随着化学知识的积累，学习者对身边世界、大自然的形象表征也得以深化，化学知识让个体具备超越感官的“感知”能力。所以熟悉胶体知识的学习者能够从密林中的丁达尔现象“看到”空气中微粒大小的分布范围。

(三)认知要素

化学学习的核心在于帮助学习者建构起化学学科知识并丰富知识间的联系。认知要素代表学习者脑海中化学学科知识总量以及知识间的联系状况。以概念转变、问题解决、三重表征、学习进程等为热点的大量研究集中于对学习者认知发展的考察；关于非智力因素的研究则一再强调兴趣、动机等对认知发展的密切影响。无论从促进认知发展还是从关注真实化学学习来看，研究都需要超越单纯的认知视角，整合已有发现，全面审视化学学习中学习者认知、情感和表象各个维度的协调发展与整体推进。

三、三要素模型的建构依据：基于研究的视角

情感—表象—认知三要素模型构成化学认识结构。三种要素是探讨各水平化学知识内部表征都必须考虑的基本单元，也是化学学习带来学习者精神世界发展的三个维度。从已有的大量化学学习相关文献研究成果中，亦可为化学认识结构三要素模型的建构提供有力依据。

化学概念学习的大量研究揭示某些化学概念是世界范围内化学学习的难点，这些概念包括酸碱盐、化学计量、物质的量、氧化还原、离子反应、化学平衡等[19]49-63。自20世纪70年代以来的研究发现，对于40年前学生而言难学的化学内容，40年后依然是学生化学学习中的难点[22]。跨越时空的化学学习共性暗示学习者脑海中化学认识结构核心要素的必然存在。

大量的研究相互印证在对化学知识的理解中总摆脱不了来自物理世界中生活经验的干扰，并且这种影响持久、深刻。典型研究如，Novick等人[23-24]跨年龄研究揭示，学生对粒子模型的内化并没有随着课程的学习而深入，而依然囿于学习者在物理世界中建立起来的感知觉。林静雯等人[25]发现阻碍酸碱概念理解的主要障碍是学生通过来自生活经验的感知觉确定溶液的酸碱度。这些研究结论表明，探讨化学认识结构必须关注到表象要素才能合理解释制约学习者认知发展的普存现象。

概念转变模型是研究者整合具体研究提出的全面解释概念转变的理论假设。较有影响力的概念转变模型如下：Posner等人[26]提出个体的信念、对科学的认识、原有知识、各种反例、隐喻等因素构成动态发展的概念生态圈(conceptual ecology)，对概念转变产生影响。Pintrich等人[27]进一步划分学习动机，认为这是概念转变过程的潜在介质。Tyson等人[28]提出概念转变的多维解释框架(multidimensional interpretive framework)，综合认识论、本体论和社会情感三个维度解释概念转变。这些理论的共性是关注到概念转变过程中学习者情感、动机、价值观等因素对概念学习的重要影响。这些模型对于概念转变学习具有一定的解释力，也告诉我们情感要素在促进以概念学习为核心的认知发展过程中的重要性。

大量研究不断揭示出影响学习者化学知识建构的各种因素。通常研究者将其分为认知因素和非认知因素，这种划分相对遮掩了物理世界中形成的经验表象对化学学习的影响，无论是实践还是研究都揭示这种影响是举足轻重的。从认知、情感和表象这三个维度关注化学学习中学习者精神世界的发展，如此不但通融地整合了上述领域的研究发现，而且对现实中的化学学习具有更大的解释力。

四、化学学习过程分析：三要素模型的教学价值

基于本体论的视角厘清了化学认识结构的构成要素(是什么的问题)，基于研究的理论视角更为深刻地认识到三要素模型存在的合理性(为什么的问题)，自然，我们还需要从教学实践的视角来探讨三要素模型对化学教与学的现实意义与价值(有什么用及如何用的问题)。

化学学习最初如何发生？化学是一门研究微观世界的科学。在化学学习之初，学习者尚无化学知识存储、化学认识极度贫乏的情况下，如何实现以系统化学符号为载体的抽象化学概念学习？从三要素的观点来看，化学知识最初的生成更多依赖情感要素和经验表象的帮助来实现认知领域的学科知识建构。学习者在生活世界中积累形成的感性认识在他们的脑海中以经验表象的形式来还原转化抽象的化学概念。所以课堂中的学习者不必也不可能触摸到一个个原子，只要借助他们在生活中形成的“球”(或其他类似的宏观物体)的形象表征就能内化对“原子”这一抽象化学概念的认识，生成他们独特的关于“原子”的个性化知识。经验表象在协助认知建构的同时，情感要素也参与这一过程并影响化学学习结果。实践中，专注于抽象的认知，“撇弃”情感，忽视感知觉和表象的教学和学习不但不能促进抽象内容的学习反而会欲速而不达，导致学习者情感方面的厌学、认知内容的僵化孤立等一系列问题。考察校园中的化学学习发现，意志力顽强的学习者、对化学科学充满兴趣的学习者、成功欲望强烈的学习者总是能够取得更好的化学成绩，这在一定程度上表明他们的化学知识体系相对完善。在化学学习初期，表象和情感要素对认知领域知识建构的重要影响已经被世界范围内的化学教材编写者与化学教师意识到，并将其落实到化学教学之中，具体表现为：降低难度培养学生的化学学习兴趣，借助模型、化学实验等可感知的方式来帮助学生理解抽象概念。这些努力都是借助于个体在生活经验、化学实验中建构起来的经验表象和情感要素的促进功能来帮助学习者实现认知领域的发展，实现化学知识最初“无中生有”的质变。

化学学习带来学习者怎样的发展？仅仅从化学知识的视角无法解读学习者之间的广泛差异。这种差异至少体现在化学学习中兴趣、态度、动机等非认知因素的差异上，学习者在宏观、微观和符号之间转换的化学思维能力差异，学习者心智模型②的差异以及建模背后个体之间想象力的差异。从三要素的视角来看，我们能对化学学习中的广泛差异做出全新解释。学习者各不相同的生活经验造就他们态度倾向和经验表象的大相径庭。兴趣态度的差异不但规约学习者对化学知识的感知过滤、表征加工和认知建构，而且带来学习者判若云泥的化学学习体验，导致做出或者踏入或者规避化学及其相关领域的人生抉择。对宏观世界表征的不同进一步促进或制约学习者在宏观、微观和符号之间转换的化学思维能力，成就他们各不相同的想象力以及基于想象力的建模能力；化学专业知识的丰盈延伸个体的感知范畴，反哺他们对微观世界的细致想象，引导他们对宏观世界做出科学的预测与精准的观察。学习者之间的差异体现在认知、情感和表象三个维度。这三个维度的协调发展与整体推进是化学学习所赋予学习者精神世界的发展。从某种意义上来说，家庭教育和社会教育造就个体的千差万别在化学学习中进一步得到重构，重构带来学习者以认知、情感和表象为要素的新的个性精神出现，并反作用于他们的学习和生活，进一步分化为化学学习中的千差万别。

五、结语

只有认识化学认识结构才能全面审视化学学习带给学习者精神世界的发展。学习者生成的关于这个世界的经验(丰富或贫乏)、学习者形成的对于化学科学的态度倾向(喜欢或厌恶)、学习者建构的化学学科知识——基于三要素模型我们才能理解校园中日复一日的化学学习为何能够帮助学习者实现表象建构、经验丰富、知识拓展、情操熏陶、价值观初步形成等知情意的全面发展以及健全人格的初步形成。化学学习绝不仅仅带来化学知识的丰富，化学学习能够帮助个体实现以知情意为主体的精神世界的全息发展。化学认识结构之三种要素是酝酿化学学习中萌生、促成化学认识系统建构和引领化学思维发展的动因。情感、表象和认知三个维度的协调发展带来化学学习中学习者倾注情感、融入旨趣、激发想象、活化知识、锐化心智、提升智能等精神世界中认知发展、表象建构与情操熏陶的协调发展与深入推进，实现学科和教学育人的根本目标。

注释：

①部分研究者(如丁峻)将表象划分为经验表象和情感表象；《心理学大辞典》强调表象的形象性，并不认为情感属于表象的一种，这代表大多数研究者以及笔者的观点。

②Glynn等人指出心智模型是学习者建构起来的自己的知识。

参考文献：

[1]马国泉.社会科学大辞典[M].北京：中国国际广播出版社，1989：204.

[2]JOHNSTONE A H.Macro and microchemistry[J].School Sci.

Rev.，1982，64：377-379.

[3]JOHNSTONE A H.Why is science difficult to learn? things are seldom what they seem[J].J.Comp.Assist.Learn.，1991，7(2)：75-83.

[4]YEHUDIT J D，HAMEIRI M.Multidimensional analysis system for quantitative chemistry problems：symbol，macro，micro，and process aspects[J].J.Res.Sci.Teach.，2003，40(3)：278-302.

[5]任红艳.化学问题解决及其教学研究[D].南京：南京师范大学，2005：6.

[6]DEVETAK I，VOGRINC J，GLAZAR S A.Assessing 16-year-old students' understanding of aqueous solution at submicroscopic level[J].Res.Sci.Educ.，2009，39：157-179.

[7]胡胜利，周爱保.化学概念心理表征的初步研究[J].心理科学，2006，29(2)：469-472.

[8]丁伟.氧化还原反应相关概念内部表征的研究[D].上海：华东师范大学，2008：18.

[9]WANG C Y，BARROW L H.Characteristics and levels of sophistication：an analysis of chemistry students' ability to think with mental models[J].Res.Sci.Educ.，2011，41(4)：561-586.

[10]BOWEN C W.Representational systems used by graduated

students while problem solving in organic synthesis[J].J.Res.

Sci.Teach.，1990，27(4)：351-370.

[11]黄巍.优、差生解决有机合成的问题表征差异及其影响因素[J].心理科学，1994，17(4)：217-222.

[12]TAAGEPERA M，NOORI S.Mapping students' thinking patterns in learning organic chemistry by the use of knowledge space theory[J].J.Chem.Educ.，2000，77(9)：1224-1229.

[13]李桢.高中生化学问题解决中的表征与策略研究[D].长春：吉林大学，2005：69-76.

[14]李玲，李广洲.谈学习者理科实验图式的建构[J].教育探索，2012(11)：40-43.

[15]王德胜.化学方法论[M].杭州：浙江教育出版社，2007.

[16]李恒威，黄华新.“第二代认知科学”的认知观[J].哲学研究，2006(6)：92-100.

[17]张良.论具身认知理论的课程与教学意蕴[J].全球教育展望，2013，42(4)：27-33.

[18]丁峻.知识心理学[M].上海：上海三联书店，2006：6-13.

[19]JOHNSTONE A H.Chemical education research in Glasgow in perspective[J].Chem.Educ.Res.Prac.，2006，7(2)：49-63.

[20]林崇德，杨治良，黄希庭.心理学大辞典[M].上海：上海教育出版社，2003：73.

[21]CHIU M H.A national survey of students' conceptions of chemistry in Taiwan[J].Int.J.Sci.Educ.，2007，29(4)：421-452.

[22]JOHNSTONE A H.You can't get there from here[J].J.Chem.

Educ.，2010，87(1)：22-29.

[23]NOVICK S，NUSSBAUM J.Junior high school pupils' understanding of the particulate nature of matter：an interview study[J].Sci.Educ.，1978，62(3)：273-281.

[24]NOVICK S，NUSSBSAUM J.Pupils' understanding of the particulate nature of matter：a cross-age study[J].Sci.Educ.，1981，65(2)：187-196.

[25]LIN J W，CHIU M H.The mismatch between students' mental models of acids/bases and their sources and their teacher's anticipations thereof[J].Int.J.Sci.Educ.，2010，32(12)：1617-1646.

[26]POSNER G J，STRIKE K A，HEWSON P W.Accommodation of a scientific conception：toward a theory of conceptual change[J].Sci.Educ.，1982，66(2)：211-227.

[27]PINTRICH P R，MARX R W，BOYLE R A.Beyond cold conceptual change：the role of motivational beliefs and classroom contextual factors in the process of conceptual change[J].

Rev.Educ.Res.，1993，63(2)：167-199.

[28]TYSON L M，VENVILLE G J，HARRISON A G，et al.A multidimensional framework for interpreting conceptual change events in the classroom[J].Sci.Educ.，1997，81：387-404.

(责任编辑李世萍)

*收稿日期2015-07-06

资助项目江苏省“十二五”教育科学规划重点资助2015年度项目“基于学科领域知识表征的中学理科数字化学习研究”(项目编号：B-a/2015/01/021).

作者简介李玲(1980-)女，江苏连云港人，一级教师，博士，主要从事化学课程与教学论研究.

中图分类号G640

文献标识码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

**通讯作者任红艳倪娟