化学知识结构之探究，本文主要内容关键词为：知识结构论文,化学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
关于知识结构的问题，并非新鲜话题。但是，由于传统的知识观是狭义的，作为智力技能的推理在实际运用中又处于内隐状态，因而使得人们忽略了智力技能等程序性知识在知识结构中的地位与作用，从而对于知识结构的形成与发展也就缺乏充分的认识。其实，按照广义的知识观来看，知识有陈述性知识与程序性知识之分，所以知识结构中应当包括陈述性知识与程序性知识两类，而且两者之间相互促进，促成了知识结构的形成与发展。弄清这些问题，对于指导和改进教学有着重要的现实意义。本文试图依据现代认知心理学的有关研究，对中学化学教学中学生的化学知识结构的构成、形成与发展以及教学策略问题做些探讨，以期抛砖引玉。
一、化学知识结构的构成
1.现代认知心理学关于知识结构构成的研究
许多心理学家认为，在一个大的知识单元中既有陈述性知识又有程序性知识，二者相互交织在一起。J.R安德森认为陈述性知识以命题网络贮存，程序性知识以产生式贮存；而E.D加涅则认为产生式镶嵌在命题网络之中。J.P.弗拉维尔等心理学家在研究了儿童与青少年的推理与问题解决能力的发展问题以后指出，有关领域的专业知识是影响问题解决能力的因素之一。他们认为，这种领域内的专业知识包括两个部分：(1)可视为一个由概念和关系组成的网络知识结构或内容成分——你所知的；(2)用于对内容系列认知加工的一组过程或策略——你所做的。这里所谓你所知的就是陈述性知识，而你所做的就是程序性知识，而且你所做的用于加工你所知的。
由此可见，所谓的陈述性知识是指陈述是什么、为什么的知识，即学科领域内的事实、概念、原理等知识。所谓的程序性知识是指说明怎么做的知识，即所谓的技能，包括智慧技能、认知策略以及动作技能。
2.中学化学知识结构两成分
探讨知识结构的宗旨在于促进学生知识结构的形成与发展。D.P.奥苏贝尔认为，学生的知识结构是从教材的知识结构转化而来的。因此当我们谈论化学知识结构问题时，我们应先以教材知识结构为对象进行分析，然后再来讨论如何促进学生化学知识结构的发展。依据上述的有关理论研究，我认为化学知识结构同样是由陈述性知识与程序性知识两部分构成的。
陈述性知识包括描述性知识与理论性知识，是化学科学领域内的事实、概念与原理等知识。在化学实验的基础上这些知识从宏观角度说明一些事实与现象，再在分子、原子的层次上从微观角度阐述一些道理和规律。
程序性知识包括思维、计算、实验等技能，本文认为主要是体现思维技能的逻辑推理，以下为叙述方便简称推理。
所谓推理，是指由一个或几个判断、命题或结论得出一个新的判断、命题或结论的思维过程。在知识学习的过程中，总是要通过原有的知识来获得新知识。恩格斯说：“甚至形式逻辑也首先是探寻新结果的方法，由已知进到来知的方法。”因此，推理在知识学习的思维过程中起着重要的作用。而在化学知识的学习过程中，推理主要有形式逻辑推理、辩证逻辑推理以及数学逻辑推理。但是，这些推理在教科书里处于隐性状态，它是编者的内稳知识，而教师在教学中一般也不将它表露出来。本文从实际出发，仅讨论中学化学学习的主要推理。表1列出于化学教材知识中推理的主要内容。
表1 化学教材知识中的主要推理
附图
二、化学知识结构的形成与发展
1.现代认知心理学关于陈述性知识与程序性知识相互作用的研究
弗拉维尔长期对于认知发展的规律进行研究，他指出：“……认知的各个方面是复杂地交织在一起的。……各认知过程之间存在双向交互作用的思想极其重要。你的所知影响着你如何感知，也受到你如何感知的影响；你对事物概念的形成和分类影响着你对他们的推理方式，反之亦然。”这里所说的“你的所知”“你对事物概念的形成和分类”与“你如何感知”“推理方式”实际上就是陈述性知识与程序性知识。E.D.加涅指出：“在学习与运用阶段陈述性知识和程序性知识以多种方式相互作用。在熟悉的情境中完成胜任性工作，程序性知识似乎特别重要，然而在新的情境中，想到什么操作步骤管用，陈述性知识似乎是有用的。在学校教学中，这两者都是重要的。”还有许多心理学家认为，教学需要注意命题（概念）知识和程序性知识的互惠关系。这里的命题（概念）知识就是陈述性知识。
依据这些理论研究，笔者认为陈述性知识与程序性知识在学习过程中是不可分割的两个方面，它们互相促进，相辅相成，促成了知识结构的形成与发展。
2.推理促进陈述性知识的形成与发展
在陈述性知识获得与增长的过程中，推理的作用是显而易见的。教材在陈述一些重要的知识观念的过程中，如微粒观（即对于原子、分子、离子等微观粒子的微观性和构造性的认识）、作用观（微观粒子之间的相互作用）、变化观（对化学变化的认识）以及能量观（物质具有能量）等等，就包含着各种推理的运用，这也就显现了推理的作用。
推理促进了知识观念的形成。例如，化学变化观念的形成，在初中教材绪言中是通过镁带的燃烧、碱式碳酸铜的加热实验（对比水的沸腾、胆矾的研碎所产生的不同现象），再通过归纳推理得出这类变化都生成了其他物质的结论，并定义为化学变化（对比现象的变化定义为物理变化）。又如微粒观念的形成，为了使学生形成分子是构成物质的一种粒子的观念，教材使用了比喻：好比建筑物是由砖瓦构成的一样；为了使学生理解水分子肉眼不可见的微观性，借助于类比推理：水分子与乒乓球相比就好像乒乓球与地球相比；而在高中化学中，为了使学生理解原子与原子核的相对大小，再次使用了类比推理：原子中的原子核相当于体育场中的一只蚂蚁。再如，反映微粒间相互作用观念的化学键概念，教材就是在讨论离子键、共价键之后，才指出存在于（离子化合物、共价化合物）分子内部相邻原子间的强烈的相互作用，并在此基础上定义了化学键的概念，这里实际上也运用了归纳推理。
推理促进了化学观念的发展。例如，化学平衡概念的内容反映了化学变化观念的发展，因为它深入到一个化学变化内部出现的两种对立的过程之中。而这一概念必须用对立统一的观念来理解，这就是一种辩证逻辑推理的应用。在有机化学部分，烷烃分子随着碳原子数目的增加而出现性质的变化，这种现象可以用量变引起质变的规律来解释。这是辩证逻辑推理对事物变化的另一种理解，是变化观念的另一种发展。又如，能量观念实际上在初中物理学中物体的“内能”部分已经先期建立，而能量观念的发展是在高中“化学反应中的能量变化”这一内容中完成的。教材中通过铝与盐酸的反应放热、氢氧化钡晶体与氯化铵晶体的反应吸热得出化学反应中的能量变化，通常表现为热量的变化的结论，这里是运用了归纳推理。然后由此进一步提出“各种物质所具有的能量是不同的”命题，这实际上是一个假设；接着说明了如果反应物总能量高于生成物总能量，则反应放出热量，反之反应吸收热量，这样来解释为什么有的反应放热而有的反应吸热，而这实际上是一个省略了大前提能量应当守恒的演绎推理，所以教材在这里运用了假设－演绎推理。
由上述讨论可见，推理在陈述性知识的形成与增长过程中担当了从已有知识到达新知识的桥梁角色。如果说，学生在系统学习化学知识之前，其科学的化学知识没有形成，那么初中化学绪言课中化学变化概念的获得（即上文所谓的化学变化观念的形成）就是化学陈述性知识体系形成的初端，而以后所有化学知识的学习都是陈述性知识在不同方面的发展。在这些过程中，逻辑推理充当了桥梁角色，所以说推理促进了陈述性知识的形成与发展。
3.推理随着陈述性知识的扩展与深化而发展
纵观中学化学教构知识阐述的全过程，本文所述的主要推理处处可见，而随着知识学习的持续、扩展、加深，推理不断地、反复地被运用着，其本身也在发展。这种发展主要表现在熟练化、推理的整合以及辩证逻辑推理的运用上。
第一方面是推理的熟练化。众所周知，多次反复，任何知识的学习都能达到熟练化乃至自动化的程度，这是一个基本规律。所以19世纪德国著名哲学家狄慈根说，重复是学习之母。随着教材知识量的增加与深度的扩展，一些推理被经常运用、反复运用、在不同问题中运用，因而使之渐渐地熟练起来。特别是形式逻辑推理中的归纳推理、演绎推理和辩证逻辑推理中的对立统一规律以及本质与现象、原因与结果两对范畴运用的时候最多。例如归纳推理，从初中化学绪言对于化学变化概念的阐述一直到高中化学（第二册）中化学平衡移动原理以及盐的水解规律（参见表1的说明）的得出，都在运用；而一切要求学生运用概念、原理去解答问题的练习与训练，都必须进行包括演绎推理（参见表1例）在内的思维活动。再如对立统一规律的渗透性学习与运用，可以从初中化学对于原子结构的分析开始，一直到高中有机化学对于蛋白质分子中氨基与羧基并存的理解为止都可以进行；而物质结构对于其性质的决定作用——反映事物的本质与现象之间关系的命题，可以贯穿于整个无机化学与有机化学中有关物质性质的陈述性知识的学习与理解之中，等等。因此，这些命题的反复运用都能使之熟练化甚至达到烂熟于心的程度。
第二方面是推理的整合，表现在联合推理的运用上。例如上述文字提到，教材在“化学反应中的能量变化”的说明中运用了假设－演绎推理，“各种物质所具有的能量是不同的”这二命题是一个假设，这个假设的提出可以由初中物理学中的物体具有内能出发，通过类比，得到铝与盐酸反应、氢氧化钡晶体与氯化铵晶体反应中的四种物质都具有化学能，而且其能量不同的结论，然后解释一个反应放热，一个反应吸热。所以此处运用了类比（提出假设）＋演绎的联合推理。其实，假设方法的运用还有许多，其中都离不开归纳＋演绎的联合推理，或者类比＋演绎的联合推理。即通过归纳或者类比推理提出假设，再由演绎推理来加以论证。
第三方面是辩证逻辑推理的运用。如以上以及表1文字所述，中学化学中的许多知识本身就渗透着唯物主义辩证法的观点，在许多知识的学习或者理解过程中都运用了唯物辩证法中物质的相互作用、运动与变化等概念，对立统一、量变与质变等规律，本质与现象、原因与结果等范畴。这些说明了辩证思维得以形成并运用，从而使得推理向着辩证逻辑思维这种思维的高级形式发展。
由上述讨论可见，推理在知识学习的持续与深化过程中，本身也在发展。初中化学绪言课中化学变化概念形成之时，就是归纳推理的应用、发展之始；而化学学习的继续使得陈述性知识在增长的同时也使得推理在发展，陈述性知识的学习过程成了推理发展的载体和温床。
4.推理是化学知识结构形成与发展的主导因素
虽然推理的发展不能离开陈述性知识的学习，但陈述性知识的形成与增长是借助于推理实现的。因此，推理既是知识结构的一部分，又是知识结构另一部分形成与发展的桥梁。换句话说，推理既随着知识结构的发展而发展，又是知识结构得以发展的决定因素。所以说，作为思维技能的推理实际上是知识结构形成与发展的主导因素。正如弗拉维尔所说：“这种既是结果又是决定因素的双重角色——既是发展‘什么’又是‘如何’发展——可能是一些发展机制的真实情形……许多其他被作为变化机制而提出的过程（如策略建构、类比推理、概念化等）均表现出同样的双重角色，它们在发展自己的同时，影响着其他发展。”很显然，本文所说的推理正是这样一种既是结果又是决定因素的双重角色，正是一种知识结构的发展机制，它起着在发展自己的同时，影响着其他发展的作用。
综上所述，作为程序性知识的推理使陈述性知识得以形成与增长，但同时陈述性知识的学习过程也成了推理得以发展的载体与媒介。无论是在化学学习的初始阶段一知识结构刚刚形成之时，还是在化学学习的深入阶段——知识结构发展之中，都是如此。作为程序性知识的思维技能中的推理与陈述性知识互相依存、互相作用，由此构成了化学知识结构的形成与发展，而在此过程中程序性知识是一种决定性动因。由此我们不难想象到，在人的知识结构中，陈述性知识以命题网络贮存在知识系统中，一些推理也以产生式夹杂其中，镶嵌在与有关命题相近的部位。学习时，一些命题受到激发而活跃起来，相应的推理也随之活跃起来，并参与到新知识的建构过程中去。最终，随着陈述性知识的丰富化、精细化，推理本身也熟练化、复杂化，从而使知识结构得到发展。
三、发展学生知识结构的教学策略
根据上述关于知识结构的成分以及知识结构形成与发展规律的探讨，我认为，要使教材的知识结构转化为学生的知识结构，应当从陈述性知识教学和程序性知识教学以及二者的协同把握三个方面来展开思考并采取措施。
1.弄清并及时激活学生的陈述性知识生长点
所谓知识生长点是指学生已有的与当前所学相关的知识。要发展学生的知识结构首先要弄清这一点。奥苏贝尔说：“如果我不得不把教育心理学的所有内容简约为一条原理的话，我会说，影响学习的重要因素是学生已知的内容。”奥苏贝尔说的是弄清这种学生已知的内容，而我认为则是弄清学生已有的与当前所学相关的知识。这是因为，新知识的学习必须与相关的已有知识相互作用才能获得，新知识是在与当前所学相关的知识基础上增长起来的。本文所说的逻辑推理是从已有知识到达新鲜知识的桥梁，这一桥梁只能连接两者相关的有着某种联系的知识。所以学生已有的与当前所学相关的知识，才是学生学习过程中的知识增长点，即最近发展区；陈述性知识与程序性知识之间的相互作用正是从这里开始的。弄清了知识生长点，才能架起沟通学生已有知识与新学知识之间的桥梁，才能形成和发展新的知识结构。这些已有知识不仅包括学生的书本知识，还包括他们从生活中学得的知识；书本知识也不仅仅是本学科的、当前学的知识，还包括其他学科和以前学习的知识。如在教学氧化剂、还原剂概念时，以兴奋剂、镇静剂来类比氧化剂、还原剂；在教学化学能概念时，以初中物理所学物体的动能、势能类比物质的化学能等等，这里就是利用了学生的生活常识以及过去所学的其他学科知识。这样充分挖掘学生已有的知识，可以顺利运用类比推理来理解和掌握氧化剂、还原剂以及形成化学能量的概念。
其次，弄清了学生已知的相关知识，还必须及时加以激活。认知学习的激活理论认为，在学习中新知识使原有知识网络中的相关命题被激活，新命题才能与原有命题互相作用，并通过形成网络联系而使学生获得新知识。这就是说，新知识的学习必须以相关旧知识处于激活状态为前提。例如，在氧化还原反应概念的学习中，如果不能把氧化反应与还原反应的概念清楚地回忆起来并进入思考状态，则氧化还原反应概念的学习就会受阻。为此，可以采取及时复习、回忆、提示、提问等方法来促使学生原有的知识在记忆中活跃起来。
2.凸显作为程序性知识的推理教学
前已述及，作为程序性知识的逻辑推理是发展知识结构的主导因素，因此凸显推理教学是一个发展知识结构的重要策略。
化学教材中有很多知识的学习都要运用逻辑推理，只不过大多数情况下是以一种隐性形式出现的，它是编者的内隐知识，教师在教学中一般也隐去了对它的阐述。例如，在标准状况下，1mol任何气体所占的体积都约为22.4L这一结论的得来运用了归纳推理，只是其中没有将推理过程显性化。这种情形在教学中普遍存在。例如许多学生在过去的生活与学习中已经掌握了很多推理规则，如类比推理、因果推理、归纳推理等，但是由于对这些规则的学习是一种无意识的过程，所以很多学生并不能自觉地加以运用，甚至还会产生思维障碍与困难。
我认为要发展学生的推理能力，首先应当将教材中隐含的推理显性化。逻辑推理是一种程序性知识，即一种运用概念与规则办事的技能，所以在教学中，不仅要引导学生推导出有关结论，而且要教给学生推理的规则，将归纳推理、演绎推理、类比推理等常用的格式教给学生，将一些唯物辩证法的规则与范畴教给学生。这样能使学生学会审视、把握自己的思维过程，在较好地掌握陈述性知识的同时，自觉地、有效地、更快地形成和发展科学推理的技能，促进知识结构的形成与发展。
其次，推理规则的学习有着一定的模式。可以采用“例子＋规则”或者“规则＋例子”的模式，通过具体的例子使学生理解这些规则与范畴的含义及其运用范围。
（1)例子＋规则：一些较为抽象的规则，如对立统一、本质现象、演绎推理等等可以采取这种模式。如对对立统一规则的学习，可以在学习了氧化还原反应概念之后提出，以后再结合原子结构（原子核与核外电子）、可逆反应（正反应与逆反应）等内容重复进行学习，使学生从不同角度或侧面来理解和接受。
(2)规则＋例子：一些较为简单的规则可采用这一模式，如归纳推理、类比推理。可以告诉学生类比的规则、方法及类比的对象兴奋剂、镇静剂，让学生自己得出氧化剂、还原剂的定义。
再次，程序性知识学习的关键是规则的应用，它是一种实际操作，所以必须在做中学；同时推理技能是一种复杂的技能，它的掌握必须要有多次反复。纸上谈兵、一蹴而就，都是无济于事的。尤其是辩证逻辑思维是一种高级思维，必须结合教学实际作反复训练。比如，对对立统一规律的学习可以渗透在很多内容之中反复进行，氧化还原反应中氧化与还原、氧化性与还原性；原子结构中的原子核与核外电子；物质性质中金属性与非金属性（包括两性元素）、酸性与碱性（包括两性化合物）；化学键中离子键内的阴阳离子、共价键内原子核与共用电子对；可逆反应中的正反应与逆反应等。至于其他的辩证逻辑规则如事物的互相作用、本质与现象等等，同样存在众多生动鲜活的实例，这就为学生学习辩证逻辑推理技能提供了丰厚的土壤；形式逻辑规则也一样，关键在于教学中应当适时地、适当地对学生进行训练。
3.推理为纲，陈述性知识协同，构建知识组块与知识网络
如前所述，陈述性知识与程序性知识不仅是互相作用的，而且也是互相依存的。这种互相依存的主要表现就是在知识结构中两者密不可分，具体地说就是在知识的贮存过程中或者说在知识的记忆系统中，两者是相互交融的，即陈述性知识以命题网络贮存，程序性知识以产生式贮存，而产生式镶嵌在命题网络之中。
我在总结教学经验的基础上提出了一种以逻辑推理为纲目来构建知识组块、知识网络的策略。而这样构成的知识组块和知识网络就自然地将陈述性知识和程序性知识融合到了一起。这就是说，逻辑推理既是陈述性知识增长的机制，又是使陈述性知识构建成知识组块和知识网络的纲目或支架。例如，表2是关于元素周期律与元素周期表的知识点网络。
这个表格表示了中学化学中一个重要的知识网络，而在这个网络中又包含了许多知识组块，如元素周期律的结论以及原子半径、主要化合价、金属性与非金属性等性质的周期性变化等组块，元素周期表中原子结构与位置的关系、位置与性质的关系等，都是知识组块。而这些知识组块，无论是它所包含的知识点，还是它本身的构建都运用了逻辑推理，如运用归纳推理得出了元素性质随着原子序数增加而呈现周期性变化的元素周期律。而如果懂得了这一规律的得出是运用了归纳推理，就可以将此表中所示的相关知识作为一个组块记住。如表3所示。
表2 元素周期律与元素周期表的知识点网络
元素周期律 元素周期表
结
随原子序数递增 同周期（横
同主族（纵
（核外电子排布
行）电子层 行）最外层 结构与位
构 置的关系
的周期性变化 数相同电子数相同
原子 从左到右，从上到下，
半径 半径减小 半径增大
性元素性 主要化
从左到右，
质周期 合价 正价增大， 相同
质 负价也增大
性变化
从左到右， 从上到下， 位置与性
金属性 质的关系
与非金金属性减金属性增
弱，非金属 强，非金属
属性 性增强 性减弱
表3 元素周期律知识组块
附图
在推理规则熟练的情况下，表3中的归纳推理规则在文字上可以不出现。元素周期律的文字也可精炼化，像表2中那样。表2中的其他组块也是如此。归纳推理可以构建组块，其他的推理同样也可以构建组块。如本文前述表1中的逻辑推理均能作为构建知识组块的纲目或支架。而且这些推理规则很自然地和相关的陈述性知识一同融合到知识结构之中。从这个角度来看，逻辑推理的教学还有另一方面的意义，即充当构建知识组块和知识网络的支架作用，也就是在记忆系统中起使知识形成结构化体系的重要作用。当然，构建知识组块和网络的对象，一定是那些重要的知识点。
构建知识组块与知识网络，就是使知识在记忆系统中有序化、结构化，它扩大了短时记忆的数量，提高了长时记忆的质量，从而有利于知识巩固，提高学习效率；如果运用逻辑推理的规则为框架或纲目，并协同相关的陈述性知识来构建知识组块和知识网络，使陈述性知识与程序性知识一体化，则必将更加有利于形成和发展知识结构。
总而言之，依据认知心理学的有关理论，在对知识结构的成分、形成与发展的规律进行探讨的基础上J，我们可以对发展学生的化学知识结构的教学策略做出抉择。本文认为，弄清并及时激活学生的知识增长点，为知识结构的发展奠定基础；通过推理规则的显性化教学，经常、反复地加以训练，凸显思维技能的发展，为知识结构的发展提供动因；利用推理规则作框架，协同相关的陈述性知识，构建知识组块与知识网络，为知识结构的巩固创造条件，这就是发展学生化学知识结构的重要而有效的教学策略。
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