中学化学教学领域心智模型研究述评

胡先锦+吕琳+周琴

摘要：通过文献资料研究，介绍了心智模型的起源、基本内涵、形成机制和影响因素，从中学化学教学视角概括分析了心智模型的研究内容、研究方法与工具等，总结归纳了中学化学教学领域心智模型的研究成果和存在的不足，并在此基础上提出了下阶段研究的方向与建议。

关键词：心智模型；中学化学；化学教学；文献研究；述评

文章编号：1005–6629（2016）8–0003–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

心智模型（Mental Model）概念最早由苏格兰心理学家肯尼斯·克雷克（Kenneth Craik）在1943年提出，用以表示一个系统的内部表征，指那些在人们心中根深蒂固存在的，影响人们认识世界、解释世界、面对世界，以及如何采取行动的许多假设、陈见和印象[1]。随后，虽有部分研究者对其展开讨论，但直到上世纪八十年代才逐渐被重视。目前，越来越多的学者开始关注心智模型，从不同视角对心智模型的基本内涵、功能特征、形成机制、影响因素等方面做出了不同诠释。

1 心智模型的基本理论概述

1.1 心智模型的基本内涵

关于心智模型的概念，不同的研究者往往有着不同的解释，但大致可以分为表征型、功能型和功能表征结合型三种定义。如，道尔和福特（Doyle and Ford，1998）认为心智模型是比较持久和可测量的，是对外部系统的内在概念化表征[2]。佳克博和肖（Jacob and Shaw，1998）认为心智模型是个人建构的内在的认知结构，是个人基于经验和知识而获得并形成的概念框架，以此使人们不仅能够预测行动的结果，而且能够借此来理解和说明人们自身所处的环境[3]。张丙香、毕华林（2013）认为，从静态角度分析，心智模型是内隐地存在于长时记忆中的概念框架，个体对外在事物的理解都与此密切相关，既是已有学习的结果，也是学习新知识的基础。从动态角度分析，心智模型是一种内在运作机制，影响着个体对知识的提取和使用，决定了个体以何种方式对外在进行描述、解释和预测，会产生什么样的认知行为[4]。

1.2 心智模型的形成机制

心智模型的形成是动态的、变化的，是个体在自身和外界影响下不断建构的。自上世纪八十年代以来，多位研究者从不同视角提出多种心智模型理论框架。诺尔曼（Norman，1983）提出的个体心智模型是人与自然世界互动时，对互动的现象所形成的一种个人化的内在经验模式[5]。约翰逊-莱尔德（Johnson-Laird，1994）认为心智模型是通过知觉、想象等形成概念，不同概念间再进行相互作用而形成一种复杂的概念架构[6]。从中学化学教学视角，我们倾向于认同严延、吕琳（2014）提出的心智模型形成机制，认为呈现模型、教学模型、生活经验和科学探究等，通常作用于个体的视觉、听觉和触觉，经行相应的删减选择（与认知风格有关）和想象建构（符号、表象），从而形成了初始模型，初始模型通过语言、文字和动作去解决问题，并不断地进行修正，从而生成了推论（综合）心智模型，推论心智模型通过一定的群体交往，形成了群体的共识，从而又形成了一个新的概念模型[7]。

1.3 心智模型的影响因素

当前关于心智模型影响因素的研究相对较少，但是研究者们普遍认为，心智模型是个体经由自身认知和外在因素的共同作用下不断建构起来的，个体的已有知识经验、认知能力、认知风格、学习方式、学习环境、生活背景和家庭环境等都会影响其建构和发展[8]。

可见，心智模型的影响因素既包括个体的内在认知，也包括外部条件。诚然，学习者个体的内在特征因素对心智模型的建构和发展有着至关重要的关键作用，如性格潜在的自我效能感、年龄增长的心理变化、特定经历的认知突变等。但是，外部条件往往会影响和作用于个体的内在认知，并改变内在认知。学生在学校的学习经历是影响心智模型的非常重要的外在因素，如教育资源、教学范式、学习方式、人际交往、学校文化等。

2 中学化学教学领域心智模型的研究现状

对国内、国外在化学教学领域关于心智模型的研究文献进行检索，从不同维度对当前的心智模型的研究成果进行分析、整理和概括，以了解其研究的进展、成果和方向等。

2.1 探查了某些抽象化学概念的心智模型及影响因素

至目前为止，中学化学教学领域的心智模型研究主要集中在原子和分子结构、化学平衡、氧化还原反应等少数抽象的化学概念。

关于金属键、原子和分子结构等概念，先后有瑞查德和楚格斯特（Richard K. Coll&David F. Treagust，2000），魏冰、贾卫江等人（2001），杨茜、李广洲（2012）等人进行了相关研究。结果均表明，不管是金属键还是原子结构模型，学生更偏爱相对简单的、具体的模型，都存在大量的迷思概念，如原子核外电子的运动形式、对共价化合物性质的解释等。并指出，除了教师和教材以外，学生的生活经验和其他学科知识也会影响对科学概念的认识，而且更为强烈和持久[9]，性别对学生建构原子心智模型没有影响，而教育环境和教师也是影响因素之一[10]。

对于化学平衡、可逆反应等概念的心智模型研究，主要有台湾地区的邓雅文、邱美虹（2003），陈婉茹、邱美虹（2003），许添丁、刘嘉茹（2005），郑玮婷、林焕祥和徐永源（2006）等，他们主要分析了在化学平衡中易产生模糊观念的知识与原因，找出了直观模型、记忆错误连结模型、臆测模型等六种心智模型类型[11]，探查了具有不同初始心智模型类型的学生学习可逆反应过程中的心智模型概念化历程的情形[12]。近年来，大陆地区麦裕华等人（2012）提出了完整的高中生学习可逆反应的四种心智模型分析框架，即静止（完全反应或反应终止）模式、单向（某单一方向）模式、双向交替模式和双向（双向同时）模式[13]。

严延、吕琳（2014）从认知角度、认知模型、三重表征、知识经验的丰富程度和结构化以及存在的模糊观念等方面进行探究，得出了学生有关化学平衡的心智模型特点，如，对化学反应速率和化学反应方向等存在模糊概念，将反应速率和化学平衡混为一谈，错误建构化学反应速率和化学平衡之间的关系，对化学平衡相关概念以宏观和符号表征为主，缺乏微观表征；并得出教材和教师对学生心智模型的构建所产生的影响，学生希望教师改变教学方式，丰富教学资源，促进其心智模型的转变[14]。刘丽、孙影（2014）将化学平衡概念心智模型归类为直观模型、语言模型、臆想模型、推理错误模型、数学逻辑思维模型等[15]。截至目前，研究化学平衡及相关概念的相对较多，而且研究者们均结合学生心智模型的探查提出了一定的教学建议和意见。endprint

对于氧化还原反应的概念，江文玮、邱美虹（2007）研究发现高中学生对氧化还原反应概念持有氧模型、电子模型、氧化数模型等八种心智模型，还发现学生对氧化还原反应所产生的自发性解释和科学史上已经被废弃不用的旧典范相类似[16]。张丙香、毕华林（2013）发现，高中不同年级学生对氧化还原反应的心智模型是多元的、渐进的、情境相依的和不稳定的，且影响因素不同；学优生和学困生心智模型的一致性程度不同，并揭示了高中三个年级学生氧化还原反应三重表征心智模型的分布及发展特点，分析了学优生和学困生存在差异的根本原因[17]。

此外，还有姚锦栋、邱美虹（2001）以初高中基础理化教材为主，统整其中有关酸碱盐的概念，找出了学生的模糊观念及其背后所隐含的心智模型类型[18]。

2.2 试图了解中学生学习特定化学概念心智模型的动态变化

魏冰、贾卫江等人（2001），杨茜、李广洲（2012）发现不同年龄段学生对于原子和分子的心智模型有着不同的见解，且生活经验的增长和其他学科知识的丰富也会完善或影响对概念的认识[19]。

邓雅文、邱美虹（2003）探查出学生对化学平衡中的化学反应方程式、催化剂对反应速率的影响等模糊概念随着年级的增加而逐渐减少[20]。刘丽、孙影（2014）研究发现，不同年级学生的化学平衡心智模型类型和特点有一定差异，高中生对化学平衡的心智模型是不稳定的、是逐渐完善的，学生对化学平衡概念的认识与科学概念的历史发展相类似[21]。

张丙香、毕华林（2013）研究指出，高中生的氧化还原反应三重表征的心智模型是多元的、不稳定的，其发展是渐进的，不同年级学生心智模型的影响因素也是不同的，随着学生微观表征能力的提高而逐渐修正和完善[22]。

2.3 初步研究了化学教师及教学方式对心智模型的影响

许添丁、刘嘉茹（2005）认为，要特别留意学生微观和宏观在生活上的联结，主动了解学生的初始心智模型，通过探究具有不同初始心智模型的学生在学习过程中的概念化历程而采取针对性的教学措施，促使学生心智模型的修正和完善，进而导向完备精致的心智模型[23]。

郑玮婷、林焕祥和徐永源（2006）研究了不同教学法下初中八年级学生对于化学平衡单元所持有的心智模型。研究发现建构式教学对于学生持有的心智模型品质比讲述式教学较佳，尤其对低学习成就学生的帮助比高学习成就学生更为明显[24]。

刘秀娟、邱美虹（2006）利用“教-学序列法”探查对学生电解质概念及心智模型的影响[25]。邱柏融、邱美虹（2008）研究借由建模教学活动使小学生接受微观模型的教学，甚至透过视觉与动作表征的建模方式，修改学生原有的心智模型[26]。

2.4 尝试采用不同研究方法和研究工具探查学生化学心智模型

丽卡莎和塔兰科尔（LaKeisha McClary and Vicente Talanquer，2011）通过设计让学生参与预测、解释和判断不同化合物的酸性强弱的任务，来诱导学生表达出有关酸及酸强度等概念的心智模型[27]。

姚锦栋、邱美虹（2001），江文玮、邱美虹（2007），邱柏融、邱美虹（2008）先后以访谈和二段式诊断测验探查了学生有关酸碱盐、氧化还原反应等概念及其背后所隐含的心智模型类型。陈婉茹、邱美虹（2003）采用动态类比的方法对学生学习化学平衡相关概念的心智模型进行研究。许添丁、刘嘉茹（2005），刘秀娟、邱美虹（2006）采用分段施测及访谈探究了台湾地区初中二年级学生学习可逆反应、电解质概念的心智模型。

杜艳霞（2001）提出建立化学观察活动的心智模型[28]。麦裕华（2012）通过纸笔测验诊断研究了学生在高一化学必修模块建立的可逆反应心智模型。张丙香、毕华林（2013）通过开放式问卷和半结构式访谈相结合的方式，研究了高中生对氧化还原反应三重表征的心智模型。刘丽、孙影（2014）以二段式诊断测验了解了不同年龄段学生的化学平衡心智模型。严延、吕琳（2014）以“解释-联想-建构-应用-访谈”组合的方式，探查了高中生化学平衡及相关概念学习过程中的心智模型。

综上，我国在中学化学领域的心智模型研究已经展开，也取得了一定的成果：（1）对于“化学平衡”相关概念的心智模型研究已经取得了较为丰富的成果；（2）已经涉及氧化还原反应、原子结构、电解质等其他少数抽象化学概念；（3）已经试图探寻高中生对特定化学概念的心智模型动态变化和发展状况；（4）尝试运用不同研究方法和研究工具开展心智模型的研究。但是，文献分析的结果同样也显示了我国在中学化学领域心智模型研究存在的不足和问题：（1）大陆地区关于心智模型在化学教学领域的研究较为稀少，而且还主要是在国外或台湾地区提出的理论指导下进行的模仿性、验证性研究；（2）研究成果主要集中于少数特定化学概念，如氧化还原反应、化学平衡等，未能对中学化学的其他模块或内容展开广泛而深入的探究；（3）对于化学心智模型的研究主要集中于师范院校的研究生，缺少中学化学教学实践与心智模型理论的有机对接，实践指导意义不够。

3 中学化学教学领域心智模型的研究展望与建议

从当前的研究现状来看，中学化学教学领域心智模型的研究不论是在研究内容、理论体系，还是研究方法、实践指导等方面，都有着很大的、需要深入的空间。

3.1 需要继续扩大中学化学心智模型的研究范畴，丰富心智模型的理论体系

当前，心智模型研究在心理学、人工智能、语言学等领域的研究成果已经取得较为明显的成效，而基于中学学科教学领域，尤其是中学化学领域心智模型的理论研究还不够丰富。因此，我们需要深入研究具有化学学科属性的心智模型，不断丰富心智模型的理论体系；进一步展开关于电化学，水溶液中微粒浓度相对大小的比较，化学（离子）方程式，有机化学基础等不同化学内容或模块的心智模型研究；探寻不同化学概念或学科不同模块心智模型的共性、差异性；探寻基于心智模型转变的初高中化学的科学衔接；继续探索更加丰富的研究方法和测量工具，以更加全面地了解中学生的化学心智模型。endprint

3.2 需要更加注重与中学化学教与学的有机对接，提高教学实践的指导价值

由于研究资源和研究能力等因素的影响和限制，当前主要是高等师范院校化学专业的研究生在开展化学心智模型的研究，而身处一线的、与学生接触最为频繁和直接的、有着更为丰富的教学实践经验的中学教师未能更好地参与其中，这就缺少了中学化学教学实践与心智模型理论的有机对接。因此，吸纳和带动中学一线化学教师参与心智模型的研究将成为一种必然；需要更加深入开展基于心智模型转变的课程编制、教学资源开发、教学方式转变、学习方式改变等方面的研究；亟需结合中学化学教学和学习的特点和需要，深入开展切合中学生认知水平和中学化学课程体系的实践性研究；在充分探查中学生化学心智模型的基础上，逐渐丰富基于心智模型转变的中学化学教学策略，促进中学生化学心智模型的修正和完善，引导学生化学心智模型走向精致和完备。

4 结语

我们需要全面探查高中生化学学习现状和已有心智模型，通过理论研究和课堂教学实践探索，进而提炼和建构基于心智模型转变的高中化学教学策略体系，实现中学生化学心智模型的修正和完善，为高中化学教学提供富有实践意义的指导策略，并丰富基于心智模型的教学理论。

参考文献：

[1] Craik K W. The Nature of Explanation [M]. Cambridge UK： Cambridge University Press， 1943.

[2] Doyle， J. K. and Ford， D. N. （1998）. Mental Models Concepts for System Dynamics Research.System Dynamics Review. 14.

[3] Jacob， E.K.， & Shaw， D. （1998）. Sociocognitive Perspectives on Representation. In M.E. Williams （Ed.）， Annual Review of Information Science and Technology， vol. 33. Medford， NJ： Information Today for the American Society for Information Science.

[4][17][22]张丙香.高中生化学反应三重表征心智模型的研究[D].济南：山东师范大学博士学位论文，2013.

[5] Norman， D. A. （1983）. Some Observations on Mental Models. In D. Gentner and A. Stevens （Eds.）， Mental Models.（pp.7-14）. Hillasdale， NJ： Erlbaum.

[6] Johnson-Laird， P. N. （1994）. Mental Models， Deductive Reasoning， and the Brain. In M. S. Gazzaniga （Ed.）， The CognitiveNeural Science （pp. 999-1008）. Cambridge： The MIT Press.

[7][14]严延.高中生“化学平衡”心智模型的研究[D].扬州：扬州大学硕士学位论文，2014.

[8]苏东水.开放中的东方管理教育[J].江西财经大学学报，2003，（6）：9～11.

[9]魏冰，贾卫江，潘海鸿，钱玲.关于中学生的原子、分子心智模型的研究[J].化学教育，2001，（4）：6～13.

[10][19]杨茜，李广洲.中学生关于原子、分子心智模型的建构[D].南京：南京师范大学硕士学位论文，2012.

[11][20]邓雅文，邱美虹.我国中学生平衡迷思概念和心智模式之研究[D].台湾：台湾师范大学硕士学位论文，2003.

[12]陈婉茹，邱美虹.探讨动态类比对于化学平衡概念学习之研究[D].台湾：台湾师范大学硕士学位论文，2003.

[13]麦裕华，杨健萍，何庆辉.高中生化学可逆反应心智模式的诊断和分析[J].化学教育，2012，（5）：19～24.

[15][21]刘丽，孙影.高中生“化学平衡”概念的心智模型究[D].芜湖：安徽师范大学硕士学位论文，2014.

[16]江文玮，邱美虹.探讨高中生氧化还原心智模式及概念改变之研究[D].台湾：台湾师范大学硕士学位论文，2007.

[18]姚锦栋，邱美虹.我国中学生酸碱盐迷思概念和心智模式之研究[D].台湾：台湾师范大学硕士学位论文，2001.

[23]许添丁，刘嘉茹.探讨八年级学生对“可逆反应”心智模式概念化历程之研究[D].台湾：高雄师范大学硕士学位论文，2005.

[24]郑玮婷，林焕祥，徐永源.国中学生经由不同教学法在化学平衡之心智模式探讨[D].台湾：高雄师范大学硕士论文，2006.

[25]刘秀娟，邱美虹.探讨教-学序列对八年级学生建立电解质概念及心智模式的影响[D].台湾：台湾师范大学硕士学位论文，2006.

[26]邱柏融，邱美虹.建模教学对国小五年级学生酸碱心智模式改变之探究[D].台湾：台湾师范大学硕士学位论文，2008.

[27] LaKeishaMcClary & VicenteTalanquer（2011）. College Chemistry Students Mental Models of Acids and Acid Strength， Journal of Research in Science Teaching， 48（4）.

[28]杜艳霞.创立化学观察活动心智模式培养学生的观察活动[J].教学与管理，2001，（20）：71～72.

[29] Chi， M. T. H. & Roscoe， R. D. The Processes and Challenges of Conceptual Change. In M.Limon and L. Mason（Eds）， Reframing the Process of Conceptual Change： Integrating Theory and Practice. The Netherlands： Kluwer.

[30]张志康，林静雯，邱美虹.跨年级中学生串并联电路心智模式的研究[J].科学教育月刊，2009，（1）.

[32] Coll， R. K. & Treagust， D. F. （2001）. Learners Mental Models of Ionic Bonding： A Cross-age Study. Paper Presented at the Annual Meeting of the National Association for Research in Science Teaching， St. Louis. Missouri.endprint