許玉明 鄭旭輝

摘? ? 要：認知彈性理論肯定了行為主義學(xué)習(xí)理論的積極因素，又汲取了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的合理觀點，提出了“高級學(xué)習(xí)”“結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域”“隨機通達教學(xué)”“認知彈性超文本”等全新的概念。它將知識分為結(jié)構(gòu)良好領(lǐng)域知識和結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域知識，指出對于結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域知識，需要通過高級學(xué)習(xí)才能完成任務(wù)。在“硝酸”教學(xué)中，教師可應(yīng)用基于認知彈性理論的教學(xué)模型，將結(jié)構(gòu)良好領(lǐng)域知識問題轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域知識讓學(xué)生進行高級學(xué)習(xí)，并借助認知彈性超文本開展隨機通達教學(xué)，以提高教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：認知彈性理論;高級學(xué)習(xí);結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域;隨機通達教學(xué);認知彈性超文本

20世紀(jì)90年代初，斯皮羅等人為糾正建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論應(yīng)用時出現(xiàn)的各種偏向，提出了認知彈性理論。認知彈性是學(xué)習(xí)者對其知識進行自動重構(gòu)，采用多種途徑回應(yīng)發(fā)生變化的情境的能力[1]，有的學(xué)者也稱它為認知靈活性理論。當(dāng)前，我國化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域?qū)φJ知彈性理論研究較少，但筆者認為它為我們研究化學(xué)教學(xué)提供了一種新路徑，值得教師關(guān)注和重視。

一、“認知彈性理論”概念內(nèi)涵

學(xué)習(xí)是一個不斷深化的過程，也是知識經(jīng)驗不斷生長的過程，由于社會的發(fā)展，許多知識已經(jīng)脫離了最初的來源，脫離了與現(xiàn)實情境的關(guān)系。隨著建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的廣泛應(yīng)用，教學(xué)中出現(xiàn)了不少偏向，如“忽視概念理解的重要性”“忽視教師的指導(dǎo)作用”等教學(xué)行為，這些顯然都不符合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的本意。而認知彈性理論肯定了行為主義學(xué)習(xí)理論的積極因素，如“承認教學(xué)過程的客觀性和規(guī)律性”教學(xué)觀，又汲取了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的合理觀點，如“學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動地建構(gòu)內(nèi)部心理表征的過程”學(xué)習(xí)觀[2]，提出了“高級學(xué)習(xí)”“結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域”“隨機通達教學(xué)”“認知彈性超文本”等全新的概念，在行為主義和建構(gòu)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(guān)系詳見圖1。

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

（一）高級學(xué)習(xí)與結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域

認知彈性理論提出學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)是相當(dāng)復(fù)雜的，因此建議將學(xué)習(xí)分為初級學(xué)習(xí)與高級學(xué)習(xí)兩種類型。初級學(xué)習(xí)是機械式的學(xué)習(xí)、孤立的簡單化學(xué)習(xí)，只要求學(xué)習(xí)者了解一些概念或事實，能將所學(xué)內(nèi)容重復(fù)還原出來;高級學(xué)習(xí)則要求學(xué)習(xí)者不僅要掌握復(fù)雜性的知識，還能應(yīng)用該知識解決復(fù)雜問題。認知彈性理論將知識分為結(jié)構(gòu)良好領(lǐng)域知識和結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域知識。結(jié)構(gòu)良好領(lǐng)域知識與情境直接關(guān)聯(lián)，學(xué)習(xí)完成就能直接應(yīng)用，如實驗室運用鋅粉與稀硫酸反應(yīng)制取氫氣就屬于結(jié)構(gòu)良好領(lǐng)域知識，學(xué)習(xí)者經(jīng)過初級學(xué)習(xí)就能完成任務(wù)。而結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域知識與情境沒有直接關(guān)聯(lián)，一個知識點可對應(yīng)很多情境，處理或解決一個情境問題，必須整合應(yīng)用許多知識點，且解決問題的方法、途徑均不存在“標(biāo)準(zhǔn)答案”。如我們用金屬鋁與稀硫酸反應(yīng)制取氫氣，往往很難成功，這就屬于結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域問題。因為得不到氫氣的因素有很多：反應(yīng)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(yīng)的繼續(xù)。故而需要考慮不同的問題解決方案：調(diào)整反應(yīng)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(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域知識，只通過初級學(xué)習(xí)是不可能完成任務(wù)的，還需要高級學(xué)習(xí)。結(jié)構(gòu)良好和結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域知識的特點比較詳見表1。

（二）隨機通達教學(xué)

隨機通達教學(xué)的基本原理是對于相同知識點，在不同的學(xué)習(xí)期間，創(chuàng)設(shè)不同的情境和問題反復(fù)交叉學(xué)習(xí)，以此來達成教學(xué)目標(biāo)。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(xiàn)在感覺到的

是迷茫和失落，而以前感覺到的是愉悅。化學(xué)教學(xué)也是如此，對有些抽象、難懂的化學(xué)概念，如原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展歷程，要考慮在不同的學(xué)段創(chuàng)設(shè)不同的學(xué)習(xí)情境，以引領(lǐng)學(xué)習(xí)者去理解原子結(jié)構(gòu)模型的本質(zhì)。

（三）認知彈性超文本

認知彈性超文本是一種適用于結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域知識的學(xué)習(xí)與教學(xué)的媒介，即運用計算機技術(shù)建立超鏈接，把學(xué)習(xí)內(nèi)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(xué)中用“控制變量法”探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，如濃度、催化劑、溫度或壓強時，教師組織學(xué)生分組完成實驗后，還可用NOBOOK虛擬實驗進行鞏固，這可培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開闊其視野。

二、基于認知彈性理論的“硝酸”教學(xué)設(shè)計

下面，筆者以北京楊巖老師在中國教育學(xué)會2018年度高中化學(xué)課堂教學(xué)展示與觀摩活動中執(zhí)教的人教版普通高中教科書《化學(xué)》必修1（以下簡稱“人教版教材”）第四章第四節(jié)《硝酸的化學(xué)性質(zhì)》優(yōu)質(zhì)課為參考，結(jié)合其他有關(guān)硝酸的教學(xué)案例[5] [6]，對該節(jié)教學(xué)進行重構(gòu)設(shè)計，以此說明認知彈性理論的應(yīng)用價值。

（一）教材與學(xué)情分析

硝酸屬于典型的元素化合物知識，該節(jié)課前，學(xué)生剛學(xué)過氨氣、氮的氧化物，已儲備有關(guān)濃硫酸的知識，如酸有某些通性和元素處于最高價態(tài)時，可以表現(xiàn)出強氧化性等。課前，筆者通過“智學(xué)網(wǎng)”平臺發(fā)布“說說硫酸具有哪些化學(xué)性質(zhì)”調(diào)查問卷，統(tǒng)計結(jié)果如下：全部答出“酸性”，說明學(xué)生能熟練地認識物質(zhì)的酸性;答出“濃、稀硫酸的性質(zhì)不同”的為37.5%，說明大部分學(xué)生會忽略性質(zhì)和反應(yīng)是受條件影響的;答出“H+、SO42-”的為6.25%，說明絕大多數(shù)學(xué)生微觀視角不穩(wěn)定，需要認知模型幫助強化。

（二）教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)程序

根據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“《課程標(biāo)準(zhǔn)》”）的相關(guān)要求，筆者將教學(xué)目標(biāo)預(yù)設(shè)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(xué)問題的認知模型。

依據(jù)隨機通達教學(xué)的原理，筆者將課堂教學(xué)分為“運用認知彈性超文本，引出問題”“自主探究，建構(gòu)概念”“遷移應(yīng)用，開闊視野”三個環(huán)節(jié)。教學(xué)中，筆者先以玻爾故事等情境，引出探索“硝酸的化學(xué)性質(zhì)”這一問題，讓學(xué)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(gòu)。然后，筆者讓學(xué)生選擇試劑配制化學(xué)拋光液，使其在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)靈活變通能力?！跋跛岬男再|(zhì)”知識框架詳見圖2。

（三）教學(xué)過程設(shè)計

認知彈性理論認為，利用多種方式表征問題，引導(dǎo)學(xué)生多角度深層次地建構(gòu)知識體系，并與具體情境聯(lián)系起來以形成背景性經(jīng)驗，有利于學(xué)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(xué)網(wǎng)”平臺推送學(xué)習(xí)視頻“玻爾巧藏諾貝爾獎?wù)隆惫适拢寣W(xué)生進行課前預(yù)習(xí)。

1.運用認知彈性超文本，引出問題

問題1：查閱有關(guān)資料，說說上述“玻爾巧藏諾貝爾獎?wù)隆惫适轮型跛闹饕煞质鞘裁?，有什么作用?/p>

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(qū)別實驗室存放的失去標(biāo)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(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)采集了解學(xué)情，并以此為媒介向?qū)W生推送相關(guān)的學(xué)習(xí)任務(wù)，使教學(xué)過程中對學(xué)情的掌握更加精確，資源的獲取更加豐富，教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)更加直觀生動。

講授新課時，筆者讓學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)1。

學(xué)習(xí)任務(wù)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(guān)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(yōu)先與溶液反應(yīng)），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(diào)查了解的基礎(chǔ)上，筆者在第一環(huán)節(jié)布置“學(xué)習(xí)任務(wù)1”，將這節(jié)課完全置于“探秘神奇的銅制品拋光現(xiàn)象”的真實環(huán)境中，讓學(xué)生利用化學(xué)知識解決日常生活中的真實事例，并在對拋光現(xiàn)象進行分析的過程中，達成NO3-強氧化性的學(xué)習(xí)任務(wù)。親身實踐并感悟宏觀物質(zhì)現(xiàn)象，為學(xué)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(gòu)概念

隨機通達教學(xué)，指的是從不同的視角和不同的維度解析所學(xué)習(xí)的知識，即教師組織學(xué)生在不同情境下多次對同一內(nèi)容進行學(xué)習(xí)，強化學(xué)生解決問題的能力，從而幫助學(xué)生實現(xiàn)對所學(xué)知識的多樣化應(yīng)用。例如，在探究NO3-強氧化性的教學(xué)中，教師從酸堿度、溫度、濃度等多種情境引導(dǎo)學(xué)生討論、比較、思考、交流，可促進深度學(xué)習(xí)的發(fā)生，培養(yǎng)學(xué)生的分析、評價、創(chuàng)造等高級思維。具體活動教學(xué)過程如下。

學(xué)習(xí)任務(wù)2? ?探究NO3-強氧化性受酸堿度、溫度、濃度的影響

師：請同學(xué)們根據(jù)所學(xué)知識，設(shè)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(xiàn)象。

師：觀察到的現(xiàn)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(xué)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(xué)生實驗】依據(jù)上述推測，進行實驗。

【記錄數(shù)據(jù)】詳見表2。

【總結(jié)】NO3-氧化銅需要在酸性條件下進行。

【分析】該環(huán)節(jié)中提出了假設(shè)、驗證實驗，體驗科學(xué)探究的方法。同時，“銅片與濃、稀硝酸反應(yīng)生成什么”是結(jié)構(gòu)良好領(lǐng)域知識，初級學(xué)習(xí)即能完成，但學(xué)生容易形成思維定式，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?，F(xiàn)通過改變問題情境設(shè)計“NO3-氧化銅需要什么條件”，這是結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域知識，沒有正確一致的答案，有利于培養(yǎng)學(xué)生的問題意識。

師：討論濃度是否對NO3-的氧化性有影響。根據(jù)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(yīng)的實驗，觀察實驗現(xiàn)象。

生：從反應(yīng)現(xiàn)象可以看出，濃度不同，NO3-被還原的產(chǎn)物不同。

【總結(jié)】NO3-的氧化性強弱與濃度有關(guān)。

【板書】銅片分別與濃、稀硝酸反應(yīng)的兩個化學(xué)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(nèi)層金屬與酸的進一步反應(yīng)，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(jié)油、鋸末等）反應(yīng)時，濃度或溫度等條件不同，硝酸被還原所得到的產(chǎn)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(jié)】NO3-的氧化性強弱與溫度有關(guān)。

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(fā)生反應(yīng)？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(yīng)實驗。

師：再次思考硝酸的作用是什么。

【分析】根據(jù)隨機通達教學(xué)的原理，從酸堿度、濃度、溫度等多角度出發(fā)，用不同的實驗建構(gòu)NO3-氧化性知識，探索銅制品拋光原理的本質(zhì)原因，建構(gòu)“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(jié)構(gòu)的目的。筆者挖掘物質(zhì)的微觀本質(zhì)，體現(xiàn)從宏觀到微觀的化學(xué)思維的過程，加深了學(xué)生對NO3-強氧化性的理解。

3.遷移應(yīng)用，開闊視野

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

學(xué)習(xí)任務(wù)3? ?形成解決實際情境中化學(xué)問題的認知模型

問題：假如請你配制一份銅制品的化學(xué)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(xué)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(jié)】硝酸的性質(zhì)模型詳見圖4。

【課后作業(yè)】“超文本鏈接”瀏覽文獻：解密拋光技術(shù)。

【分析】筆者創(chuàng)設(shè)“配制銅制品的化學(xué)拋光液”學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生感悟化學(xué)概念在日常生活中的應(yīng)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(fā)，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)知識整體，使其在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)靈活變通的能力，并初步形成解決實際情境中化學(xué)問題的認知模型。

三、基于認知彈性理論的教學(xué)設(shè)計策略

（一）教師：轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)方法

《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求處理好“情境、問題、知識和素養(yǎng)”之間的關(guān)系，且高考化學(xué)題中包含大量復(fù)雜情境的問題，需要化學(xué)知識的綜合遷移與應(yīng)用，因此，隨機通達教學(xué)可以豐富高中化學(xué)的教學(xué)方法。

如“Fe的電化學(xué)腐蝕”一節(jié)的教學(xué)：教師可以從理性視角結(jié)合“氧化還原反應(yīng)”“原電池”的相關(guān)知識，讓學(xué)生比較“鐵粉自燃”“鐵釘腐蝕”兩種現(xiàn)象并討論，明確“化學(xué)腐蝕”的概念;也可以從探究視角創(chuàng)設(shè)“暖貼發(fā)熱”“鋼鐵生銹”兩個情境問題，讓學(xué)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(lǐng)學(xué)生分析生活中的各種鋼鐵腐蝕現(xiàn)象，分組討論，總結(jié)可行的預(yù)防措施，使學(xué)生獲得不同的情境體驗，完成對于復(fù)雜知識的多重意義建構(gòu)。

學(xué)生在解決結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域問題的過程中經(jīng)歷的思維過程，契合《課程標(biāo)準(zhǔn)》對于培養(yǎng)學(xué)生的要求，有利于發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。而要開展好基于認知彈性理論下的化學(xué)教學(xué)工作，教師就應(yīng)轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，精心研究教材，優(yōu)化教學(xué)方法。這是化學(xué)教學(xué)的最終目標(biāo)，也是化學(xué)教育工作者的教育價值取向。

（二）學(xué)生：采用高級學(xué)習(xí)策略，提升認知彈性

當(dāng)前，高中化學(xué)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面存在不足，這很大程度上是因為機械地使用初級學(xué)習(xí)的教學(xué)策略應(yīng)對結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域知識的學(xué)習(xí)，造成了化學(xué)知識與問題情境之間的隔離。為了發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)，教學(xué)中，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)與生產(chǎn)、生活中真實化學(xué)問題相一致的情境，促使學(xué)生采取高級學(xué)習(xí)的方式進行學(xué)習(xí)。當(dāng)然，教師還要努力提升學(xué)生的認知彈性，因為教學(xué)中既需要學(xué)生靈活運用所掌握的知識，對復(fù)雜的情境進行分析，又需要學(xué)生收集解決問題的知識，并根據(jù)復(fù)雜的情境作出重組，從而對情境問題進行回應(yīng)。

綜上所述，運用認知彈性理論進行教學(xué)，在踐行《課程標(biāo)準(zhǔn)》理念、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)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(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域內(nèi)容，若將其擴展到所有學(xué)習(xí)領(lǐng)域，則是行不通的。例如在概念的多重表征方面，有些學(xué)生面對多種解釋可能會感覺認知負擔(dān)加重，常常會感到茫然。但是認知彈性理論的研究體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的意義和價值，筆者相信，隨著對認知彈性理論教學(xué)研究的持續(xù)深入，教師的教、學(xué)生的學(xué)一定會出現(xiàn)新的變化。[□][◢]

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