基于认知地图效应的有机合成教学设计

吴翀云

摘要：有机合成是一个承载多重目标的教学内容，不仅要加深理解常见有机物的转化关系，还需要在此基础上利用信息条件设计创造出合成路线，更需要对可能的多条合成路线进行分析和评价。这与托尔曼提出的认知地图理论十分相似，他们都是基于同一目标的最佳路线的选择。在对学生主动建构的认知地图的讨论中，学生原有的认知地图得到了强化、扩展和加深，随着新问题的涌现和解决，有机知识结构不断得到内化，知识体系不断发展，思维不断加深，对常见有机合成中关键物质节点作用也更加明确和清晰。

关键词：认知地图；有机合成；教学设计

文章编号：1005–6629（2016）8–0040–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

1.1 认知地图

认知地图[1]由美国心理学家T·C·托尔曼通过动物在迷津中找到食物的实验（如图1）而提出的，他认为动物在迷津中能由最近的路去找到食物，如果最近的路（通路1）被堵塞，则被试的动物将依次由通路2到通路3，即由次近通路至最远通路依次去尝试，直到找到食物，就好像在头脑中有一张现场地图的模型一般。这样的现场地图是基于过去的经验，通过脑对环境加工，在获得达到目的的手段和途径中建立起一个完整的“符号·格式塔”模式，这就是认知地图。

后续的心理学家如加涅、伯纳德等人将认知地图应用于教学。在教学中，认知地图被认为是用图形的方式将主体的逻辑和思想脉络表现出来，是短时记忆到长时记忆的过程中必不可少的对信息组织编码及与原有知识整合的过程。

1.2 认知地图效应在有机合成中应用的意义

建构主义理论认为学习是学生自己建构知识的过程。学生不是被动的信息接收者，而是信息的主动建构者，这种建构不可能由其他人代替。有机合成的学习，是需要熟练掌握各类有机物的组成、结构、性质、相互衍生关系以及重要官能团的引入和消去等基础知识的基础上，能根据需要自行设计出合成路线，需要一种创造性思维，这种思维是不可能由教师代替的，因此，教师应该作为学生的指导者，帮助学生建构有机物的转化关系，建构自己的知识体系。

在教学过程中，我们发现，学生在攻克具体明确的困难时相对较为容易，即明确了物质，要求填写转化条件的题型一般较为得心应手，而由目标产物反推合成路线则较为困难，即逆向思维时，往往会出现思维障碍。出现这种现象的原因是对有机物的性质及转化路线不熟悉，转化关系中的关键节点吃不透，造成拿到题目没有思路和方向，只是乱碰运气，误打误撞，运气好就碰对了，运气不好则只能放弃。

认知地图是一种基于学生主动建构的知识图示化工具，这样的工具对学生的学习具有导向作用；同时，由于认知地图是学生主动建构，反映出了学生主体的认知情况；此外，作为一个可视化的工具，在师生之间与生生之间交流时，起到一种点拨和学习的作用[2]。

2 基于认知地图的教学设计

2.1 导出认知地图

下列有机物之间通过四步以下的反应能否发生转化，在可能发生转化的物质之间加上箭头表示转化方向并在箭头上标明转化条件。

设计意图：列出常见的不同类别的物质，复习常见物质的转化条件，同时，让学生导出自己原有的认知地图，既提取了学生本人的思想和智慧，同时也能通过与他人比较了解到自己思维的漏洞和不足，以明确自己的学习进程，同时对自己所学的内容及效果产生一种预见性，这样，学生的学习积极性会更高，学习会更有动力。

2.2 完善认知地图

展现学生认知地图中具有代表性的转化关系图，并讨论：

Ⅰ.上述关系正确吗？还有可实现的转化吗？

Ⅱ.所有转化关系都可用于有机合成吗？

Ⅲ.该同学列出的由物质④合成物质⑤的几种方案，哪一方案更为合理？为什么？

设计意图：不同学生导出的认知地图不尽相同，学生在课堂就某一幅或多幅出于认知地图的转化关系进行讨论时，教与学的矛盾已经发生了变化，学生原本的被动学习转化为主动求教、主动探索和主动学习，学生的智慧主动得到了汇聚，思想的火花得到碰撞与升华。在反复的交流与评价过程中，化学知识不断得到内化，学生的认知地图在不断完善。

有机合成的一般原则，如选择转化率高副产物少，步骤尽可能少而简单等都将在师生、生生的讨论中逐一得到解决，这样的问题在课堂直接生成并及时解决，效率高、针对性强。

Ⅳ.你认为在上述已有的转化关系中，关键的物质是什么？

设计意图：有机合成中，卤代烃和烯烃在官能团类别的转变和数目的变化中起到了关键节点的作用，通过对认知地图的讨论，这样的作用在认知地图中一目了然。学生在明确它们作用的同时，也不难在合成时主动地应用它们去解决实际问题。

基于认知地图的转化关系是由节点和有向连线组成，它代表了思维方向，同时有向连线的疏密可以反映出各节点的重要程度，让学生了解到每个知识点在教学过程中所处的位置，来帮助学生明确所学内容的知识结构体系与学习过程，有利于提高学生学习的积极性，消除学习者在学习过程中产生的迷茫心理。

2.3 深化和发展认知地图

Ⅴ.上述有机物，还可以转化为其他物质吗？若有，请补充。

设计意图：通过补充未列出的物质及转化关系，学生的头脑中的物质转化关系得到了一定的扩展，再结合课堂的讨论，转化关系进一步完善，学生没有被动的接受，而是主动出击，解决问题的同时又体验了成功的喜悦。

考虑到学生认知的不确定性，教师仅提供部分的有机物，这样学生在绘制认知地图时将有一定的灵活性，由于这样的认知地图具有动态性和可扩充性，使得一些学有余力的学生在课堂上充分发挥他们的创造性，让所有的学生都能为完善自己的认知地图而不断探索。

Ⅵ.你认为依据你所学的知识，哪些物质尚无法实现转化，为什么？

设计意图：在有机合成中，经常需要用到外加信息和条件，而这些外加条件怎么用，什么时候用是学生在有机合成中遇到的实际问题。因此，在绘制认知地图时，学生需要明确，高中阶段，有机物的转化无法实现碳原子的增减，羧酸、酯也无法被还原，认识到若合成过程中必须涉及这些内容，则一定需要借助外加信息和条件，这样就能找对问题、找准问题的突破口，集中精力解决问题。

Ⅶ.根据下列已知条件，以物质④为原料，合成物质⑦和⑩。

已知：

设计意图：利用认知地图，对照需要合成的目标产物，利用转化关系中的关键节点，为利用信息进行合成创造条件，解决具体问题。既体验了成就感又强化了认知地图对解题的指导，进一步深化认识自己构建的认知地图。

通过上述几个问题的讨论，学生原有的认知地图得到了强化、扩展和加深，随着新问题的涌现和解决，有机知识结构不断得到内化，知识体系不断发展，思维不断加深。对常见有机合成中关键物质节点作用也更加明确和清晰。

3 反思与总结

有机合成是一个承载多重目标的教学内容，不仅要加深理解掌握常见有机物的转化关系，还需要在此基础上利用信息条件设计创造出合成路线，更需要对可能的多条合成路线进行分析和评价。这与托尔曼为动物设计的几条通道十分相似，都是基于同一目标的最佳路线选择。

在利用认知地图进行教学的过程中，利用给出的十种有机物，列出了有机合成需要用到的知识体系，实现了认知地图的知识导航功能，消除学生在解决问题中的迷茫心理；同时在课堂讨论中，学生将凝结自己智慧结晶的认知地图分享出来，与老师和同学交流，让学生在对不同转化关系图的对比过程中，找到不同点与闪光点；另外，教师也可借助认知地图，更为简要而有效地传播知识和经验；由于认知地图有概括性和引导性，在教学过程中也起到了先行组织者的功能；最后，在不断讨论与扩展认知地图的过程中，学生提出的方案不断得到反馈与评价，学生的知识认知得到加强，方法和策略进一步明确。

参考文献：

[1]皮连生主编.教育心理学[M].上海：上海教育出版社，2011：66～67.

[2]段李敏.认知地图在双语教学中的应用研究[D].曲阜：曲阜师范大学硕士学位论文，2012.