简论化学概念心理表征的方式　　

摘要:化学概念表征是化学教育心理学的重要研究对象。化学概念是以命题、表象、产生式和图式等方式表征的。　　

　　化学概念是化学现象、化学过程的本质属性的反映,是化学学习或化学思维的基本单位,是化学基础知识最重要的内容。在化学学习中学生是如何表征化学概念?从理论上对这一问题进行探讨,对于提高化学概念教学的质量和效率,具有深远的意义和重大的价值。正如著名认知心理学家J.R.安德森(J.R.Anderson,1990)认为的:“通过以多种方式应用我们从自己的经验中获得的知识,认知才得以进行。理解知识如何应用的前提是理解它如何在人脑中表征的。”[1]　　

心理学认为,表征是指信息在人脑中的记载和呈现的形式。在人脑的长时记忆系统中的信息又称为表征的内容。尽管人们关于知识如何在人脑中表征的问题有许多理论和争论,但较为普遍的观点是命题表征、表象表征、产生式表征、图式表征。[2][3]在有关知识表征的研究中,研究的对象一般是日常概念或数学概念,如“鸟”、“三角形”、“函数”等。那么,化学概念是如何表征呢?本文根据认知心理学关于知识表征的理论,对该问题作些分析和探讨。　　

一、命题表征　　

生学习化学概念的重要目的之一,是掌握概念的“客观意义”(具体的表现为教材中的标准定义),那么用语词句子反映化学概念本质属性的定义,在学生头脑中是如何记载和呈现的呢?是按语词句子的形式记载和呈现的吗?不是的。认知心理学的实验研究表明,人的长时记忆保持的是句子的意义,而不是原先学习的词句本身。[1]由此看来,化学概念的定义(语词句子),在学生头脑中记载和呈现的不是定义(语词句子)本身,而是定义所表达的意义。　　

    认知心理学认为,语词句子所表达的意义在人脑中是以命题和命题网络的方式表征的。命题指语词表达意义的最小单元。命题由两个成分构成。一个成分是关系,另一个是一组论题。论题多是由名词、代词表示(有时也可以用动词和形容词表示)。“酸是一种化合物”中的论题是:“酸”和“化合物”。命题中的关系多以动词表示,有时也用形容词和副词表示。关系对论题起限制作用。如“酸是一种化合物”这个命题中“是一种”表示关系,显著地限制了“酸”的所属种类。　　

一个命题大致相当于一个观念。许多简单句子,如象“酸是一种化合物”表达一个意思,仅含有一个命题。但用语词反映化学概念本质属性的定义,所表达的不止一个意思。如“酸是(一种)在水溶液中电离出的阳离子全都是H+的化合物”,表达4个意思,是4个命题。即“酸是一种化合物”、“酸在水溶液中”、“酸电离阳离子”、“阳离子全都是H+”。这4个命题可分别表示如下:　　

　　图中一个圆表示一个命题,P1、P2、P3和P4分别表示　　

    命题1、命题2、命题3和命题4。　　

由两个或两个以上命题通过共同成分而使之彼此联系而成的网络,称为命题网络。上述4个命题通过“酸”和“阳离子”两个论题,形成一个命题网络(图2)。　　

由此可见,化学概念的意义(当然包括客观意义和主观意义)在头脑中的表征极少是单个命题,多是命题网络形式。　　

人脑关于化学概念的意义的命题网络的形成和呈现,可用激活论[2]加以解释。例如,学生初次接触“酚”的概念时,教师告诉学生:“羟基跟苯环直接相连的一类化合物叫做酚。”概念的意义的形成便从学生将这一信息的声音转换成命题开始。在学生原有命题网络中的“羟基”、“苯环”和“化合物”三个概念将被激活。这种激活作用将进一步扩散到与之相关的命题。首先激活的原有命题是:“化合物(分子)中含有羟基”和“化合物(分子)中含有苯环”。随后建构新的命题(见图3,用波浪线表示):“羟基和苯环直接相连”、“酚是一类化合物”。最后在被激活的原有命题和新命题同时处在工作记忆中,它们便形成了网络联系,新概念的意义被习得。当然,这一命题网络经进一步的加工,可以形成一个是“酚”处在中心位置的命题网络。　　

二、表象表征　　

化学概念中有许多很难用语词句子来定义,而只能借助于概念实例或概念的情景来描述的概念,如蒸馏烧瓶、振荡、过滤、结构式等。这些概念的意义在学生头脑中是如何表征的呢?用佩维沃(A.Paivio)的双编码理论[1]来看,它们可能是以表象方式表征的。表象是外界事物的空间的连续的信息在人脑中的表征的贮存,[2]它是与外界事物相似的心理图像。表象不同于命题表征。例如,“燃烧”概念,如果使用命题表征的话,则由“燃烧是一种化学反应”、“燃烧发光”、“燃烧发热”、“燃烧是剧烈的”四个命题表征;如果使用表象表征的话,则可能表征为以下心理图像(图3)。表象与命题相比有简约性的特点,但前者只是对事物的知觉特征的保留,是一种连续的,模拟的表征。　　

化学概念的符号、原型、样例、特例、反例和反映化学概念属性的示意图都可以表象方式表征。如“物质的量”的符号“n”,反映化学平衡属性的可逆反应的反应速率随时间变化的示意图就是以表象方式表征的。同一化学概念,可以有多个不同的表象。例如,关于“燃烧”的表象表征,有蜡烛燃烧的图像、铁丝在氧气中燃烧的图像、烟花在空气中的燃烧图像等样例,也可能有反例———灯丝发光发热的心理图像。　　

对于化学概念的学习来说,表象不仅可以捕捉真实化学对象的特殊感知特性,如“过滤”、“分馏”等操作过程的心理图像,而且可以是人脑建构的在一定的条件下人们无法真实看见的东西的结构和变化特征,如人们对原子结构以及核外电子运动的特征的表征。表象可以根据其表征是感知的还是构思的,分为感知表象和构思表象。例如做过“过滤”实验的学生就会在头脑中形成关于“过滤”操作的感知表象,它可能是一套上述操作过程相对应的心理图像,可作为下次操作的行动计划,也可从其中揭示“过滤”的本质特征。而我们经常用于表示有机物分子结构的“球棒式模型”,就是化学家根据有机物的组成、性质和有经验,而构思(建构)的有机物分子结构的表象的外化形式。从以上分析可以看出,感知表象反映的是真实事物的空间的连续的信息,构思表象反映的是无法全部或部分感知事物的可能的空间的连续的信息。　　

许多化学概念的属性是置于概念的表象之中的。在没有化学概念的具体原型、样例、示意图时,人们可以借助表象回想和发现概念的属性。　　

三、产生式表征　　

当我们要解决“NaHCO3是酸吗”时,有关“酸”定义的命题表征显然不能直接用于解决这一问题。但我们头脑中的某些东西能很快的对此做出判断。那么我们头脑中的“某些东西”是什么呢?认知心理学认为,它们是产生式系统[2]。“判断NaHCO3是酸吗”的产生式系统见表1。　　

产生式系统是由产生式组成的。上述产生式系统是由3个产生式(用P表示)组成的。所谓产生式指一条“条件———行动”规则,即一个产生式总是对某一或某些特定的条件满足时才发生的某种行为的一种程序。每个产生式均可表述为“如果—则”的形式。当一个产生式的活动结果成为另一个产生式的条件时,这2个产生式便建立了相互的联系,若一组产生式有这种相互联系,便形成一个产生式系统。如由表1可见,第一个产生式的活动结果(“激活”鉴别酸的知识)已成为第二个产生式的条件之一,第二个产生式的活动结果(推断NaHCO3在水溶液中电离出的阳离子)又称为第三个产生式的条件之一。　　

    产生式系统的形成是以相应的知识为基础的。例如在表1的产生式P1中,行为是的“激活”鉴别酸的知识。　　

其实,鉴别酸的知识在人脑中的表征也是一个简单的产生式:　　

如果已知一个物质是化合物且该物质在水溶液中能电离且电离出的阳离子全都是H+则该物质归类为酸如果学生不知道这些,那么它就不能完成表1中产生式系统的其它产生式(P2和P3)。　　

从上述分析可以看出,概念的例子和非例子的判断所用到的知识,概念应用的条件化知识是以产生式(系统)表征的。此外,从具体例子概括形成的化学概念,由原有概念同化形式获得的化学概念,也是一个产生式(系统)形成的过程。[4]下面以盐类水解的概括学习为例,说明这一产生式是如何形成的。通俗地说,当教师讲授盐类水解时,先呈现CH3COONa和H2O作用的例子。通过对该反应能得以发生原因的分析,学生可能会构成一个该反应能得以发生的产生式P01,它有4个条件:①醋酸钠是可溶性盐;②醋酸钠溶于水;③电离出的醋酸根离子和水电离出的H+反应生成弱酸———醋酸;④醋酸难电离。然后教师呈现Na2S、Na2CO3也能与水发生上述类似的反应,这样学生就可能形成类似于P01的产生式P02、P03。最后仅教师启发,学生就会注意到这3个产生式的共同因素,并简约成适应强碱弱酸盐和水反应的产生式P1,它有3个条件:①强碱弱酸盐的水溶液中;②盐电离出的酸根离子和水电离出的H+反应生成难电离的弱酸;③弱酸难电离。用同样过程和方法,学生可以形成适应于强酸弱碱盐与水反应的产生式P2。在上述基础上,教师指出这些反应都是盐类水解(反应),并提出什么是盐类水解?这时学生就会概括形成一个新的产生式P0,它包括了将某些反应归类为盐类水解的条件和行为,即“如果反应发生在盐的水溶液中,且盐电离出的离子能和水电离出的H+OH-作用生成弱电解质的反应,则将此反应归类到盐类水解。”[4]由此看来,正如J.R.安德森认为的,概括学习就是形成一个产生式以使它的行为适用于更多的情况。[3]化学概念的产生式(系统)的内容,既可以借助于命题网络组成,也可以由命题网络和表象共同组成。如对于见过或操作过“过滤”的学生,让他们判断某一实验装置图是否属于“过滤”装置图,此时他们用到的产生式系统中有“过滤”的表象。　　

四、图式表征　　

当我们看到或听到“燃烧”两字,或者看到“燃烧”的一个实例时,就会构成了对人脑记忆的一种刺激,处于长时记忆之中的某些东西便因此而得到了“激活”。那么这些“激活”的东西究竟是什么呢?　　

仔细想来,这些“激活”的东西主要是“燃烧”概念的表象、产生式系统、命题网络和其他有关信息的表征(如概念的习得过程、性质以及相关的知识经验),如头脑中闪现的蜡烛燃烧的表象,想起“燃烧”是什么的命题网络,判断某一现象是否归属燃烧的产生式系统,再现概念习得过程的情景表象或命题网络……　　

上述有关以“燃烧”为主题的表象、产生式系统、命题网络表征和各表征间关系的集合,就是“燃烧”概念的图式。显然,图式是概念各种表征的一种有组织的整合。Gagne[5]认为图式有以下特征:①图式含有变量;②图式可按层级组织起来,也可以嵌入另一图式之中;③图式能促进推论。例如“酸”概念的图式,含有物理性质、元素组成、化学性质等属性变量,而酸是含氧的或非含氧的,则是元素组成这一属性的其中一个值。同时,这个图式按层级组织(如酸→弱酸→一元弱酸→醋酸),并镶嵌在“化合物”的图式之中,而且能促进推论(如水具有极弱的酸性等)。　　

综上所述,化学概念在人脑的表征方式有命题、表象、产生式、图式等;化学概念在人脑中的表征内容并非仅是相应的“标准定义”,而是一种由多种成分组成的复合物。任何单一的简单的表征,无法支撑起人们对概念的真正理解。这就很好解释这样的问题,为什么有些学生对“离子键”和“共价键”定义背得很熟,但无法对Mg和O、C和O彼此结合是能否形成离子键做出正确判断。在目前我国进行新一轮基础教育课程改革的形势下,关于化学概念心理表征的研究,无疑会对化学概念教学改革大有裨益。尤其是在实际教学中,由于多方面的原因,“概念的理解”在很多教师看来仅是对概念的“客观意义”的准确把握,即从概念表征的内容来看,是仅注重对概念“客观意义”的命题网络的表征。这种关于“概念的理解”的观念,其结果很容易导致学生对概念“标准定义”的死记硬背,不求甚解。关于化学概念心理表征方式的研究,对于我们进行化学概念教学,以及进行相应的化学教学改革,都不无启示借鉴和创造的意义。　　

【参考文献】　　

[1]邵瑞珍.教育心理学[M].上海:上海教育出版社,1997.64、66、41·　　

[2]皮连生.智育心理学[M].北京:人民教育出版社,2000.39-53、104-112、48、44-47、266·　　

[3]张大均.教学心理学[M].重庆:西南师范大学出版社,1997.200-211·　　

[4]胡胜利、徐大仁.学习结果分类理论在化学学科教学中的应用[J].化学教育.2002,23(2):6-9·　　

[5]吴庆麟.教育心理学[M].北京:人民教育出版社,1999.244—297