科学概念教学中的原型分析*

亓英丽 李亭亭

摘   要   科学家以自然界中现实的原型为对象，对世界开展理性的认识，进而形成科学概念。原型是科学概念的外延中最具有代表性的实例。在科学概念学习中，合适的原型不仅能合理表征自然现象和过程，还能促进学生对概念的理解和迁移运用。科学概念教学应结合学生生活的经验背景和概念发展的历史背景，从中选取一个或多个原型，并通过问题和实验引导学生围绕原型开展探究学习，以实现科学概念与现实世界的互融。

关键词   原型  科学概念  科学教学

概念是人类通过概念化活动认识和理解客观世界的产物，正因为有了概念，人们才能用有限的词语来描述无限的事物，而“如果不能形成概念，我们的世界就会混沌一片”[1]。自然界中的物质、过程和现象为概念形成提供了现实的案例，其中最具代表性的典型实例即为原型。自然科学体系的形成是以自然界的客观存在为基础的，或者說自然界为自然科学体系提供了现实的原型[2]。人类围绕原型并在辨别其本质特征和非本质特征的基础上对世界开展理性的认识。科学概念是科学家对世界范畴化的结果，学生在学习科学概念的时候，原型具有不可替代的作用，教师应该重视原型教学。

一、科学概念教学中原型的作用

科学中的原型来源于科学所研究的物质对象。原型不仅是自然科学研究的出发点和归宿，也是学生理解科学概念和应用概念解决问题的参照点。

1.合理表征自然现象和过程

原型是对一个类别或范畴中所有个体的准确表征，反映了一类客体具有的基本特征[3]。科学知识中的概念、公式、定律等，归根结底都是自然界中各种现象、物体、物质的内在本质和发展规律的表征。科学家是以自然界的物质和过程为原型，从宏微结合、数形结合等视角出发，利用实验、分类、归纳、演绎等科学方法，对原型中的主要特征和主要矛盾进行提取，进一步形成高度概括的概念模型和理论模型。那些被赋予了语言涵义的事物特性是科学家对原型的一种概念化模型处理方式[4]。学生通过学习抽象的概念，达到认识以原型为焦点的真实物质世界的目的。科学概念是科学家依照原型的特征建构的，原型反映了一类客体或现象所具有的基本特征，在概念学习的过程中，学生如果对相关原型有了比较合理的认识，就能为准确理解和表征自然现象和过程奠定良好的基础。因此，在进行科学概念教学时应该为学生提供真实的背景，把具体概念的学习与其所联系的真实世界“原型”融合在一起，从这一原型出发，引导学生去发现和提出问题。

2.促进学生理解概念

原型是表征事物特征及其发展规律的范例。在概念教学中，原型的引入将促进学生建构自己对概念的理解。从概念学习的机制与过程来看，学生最初通过教材及教师为他们提供的原型或典型案例来学习真实世界中的概念[1]，如果学生借助这些原型实现了对概念的理解，则当提及新概念时，他们就会以先前掌握的原型为参照点，根据其他实例与原型的相似性确定是否将其纳入概念成员的范围。所以为促进学生对科学概念的理解和表征，需要为学生指出或利用学生头脑中已有的原型参照点。例如，对于盐类的水解这一概念，可以以醋酸钠的水解作为原型，引导学生走进微观世界，探究当醋酸钠加入到水中后，新加入的物质与水中原有微粒之间发生的作用，以及这种作用所引起的微粒数目和种类的变化，通过对醋酸钠水解过程的探究，学生就能理解盐类的水解这一概念及其特征。

3.便于概念的迁移与应用

概念只有迁移到真实情境中用于问题的解决，才得到了有效的应用。一个精确定义的问题包含着解决方案应满足的需求，当自然界中的原型在学生头脑中得到理解后，原型中的特征便会作为关键启发信息与当前问题的需求形成内在联系，这种映射一旦形成，原型就被激活进而指引目标问题的解决，实现概念在真实情境中的应用[5]。例如，怎样去除银饰品表面的黑色物质（Ag2S）？此时向学生呈现锌-银-食盐水原电池原型，原电池利用两电极之间的电势差发生可以控制的氧化还原反应，保证银饰本身不会损耗，学生可以通过原型的启发，选择生活中常见的铝箔和食盐水，与银饰一起构成原电池，从而获得问题的解决方案。

二、科学概念教学中原型的选取

科学知识形成的前提和基础是原型，人类根据客观事物中最具代表性的典型实例实现范畴的概念化并据此进行相关的推理、想象、问题表征等认知活动。对于学生而言，概念往往比较抽象难以理解，如果教师能够为学生学习概念选取并提供与之相匹配的原型，就为学生的学习提供了基点。但自然概念的原型常因个人生活经验的不同而显现出差异，也往往伴随着科学的发展而有所变化。原型的选取要结合学生实际生活的经验背景和科学概念演变的历史背景，从概念的诸多成员中选取合适的原型。

1.结合学生生活经验选取原型

许多科学概念，看似抽象深奥，但是它们在学生的生活经验里可以找到相应的原型。在讲解这些概念原理的时候，教师如果能够结合学生生活经验，找到现实中恰当的生活原型，然后通过该原型分析得出科学概念知识，这样就让学生感觉更接近和贴切生活。不仅能够增强学习兴趣，也能化抽象为具体，帮助学生更好地理解所学内容。比如，分子作为一个微观概念，它是化学学科中的一个基本概念，对于初中学生来说，分子概念具有较强的概括性，理解起来具有一定的难度。此时就可以用学生非常熟悉的自然界中水的三态变化做原型，进行分子概念的教学。教师可以引导学生思考为什么水有时能化作朵朵白云，有时能化为绵绵细雨，有时又能变成白雪？从而使学生认识到水是由水分子聚集而成的，分子是构成物质的一种基本粒子，而水变作云、雨、雪则是水分子的运动状态发生变化的结果。水是人们日常生活中的常见物质，依托水及水的三态变化这个原型，可以降低学习的难度，增进学生对分子概念及其性质的理解。

2.选取已经形成的旧原型

身体参与客观世界的实践，学生走进课堂以前就进行着各种各样的认识活动，并在头脑中储存了生活中的多种原型。学生头脑中已有的原型揭示了学生与世界互动的背景和方式，它既是先前认识活动的产物，也是新认识的点。新的原型出现以后，学生抽取新原型的特征并确认特征之间的关系，而后与原有原型进行比较以决定是否将其纳入原有概念范畴抑或改变原型。例如，从认识生活世界中的“盐”到认识作为化学概念的“盐”，学生不断调整“盐”的原型，遵循“从小到大”的规律，逐渐形成关于“盐”这一概念的合理理解。

3.依据科学史选取原型

科学概念的范畴化演变是曲折的，随着科学认识和科学实践的深入，人们将更具代表性的物质或过程作为科学概念的原型，通过调整原型逐渐修正科学概念的内涵和外延，以更真实地表征客观世界。因此，选取原型可以根据科学概念发展的历史背景，了解概念的原型是否发生了变化以及发生了哪些变化。尽管学生当前身处的环境不同于概念发展的历史时期，但很多科学概念依然保存着人们探索世界的历史痕迹，根据概念演变的历史进程确认原型有助于学生了解概念形成和发展的背景，理解原型背后的科学世界观和方法论。例如，从“元素”概念演变的历史中，不难看出元素的原型在科学世界观和科学认识手段的更新中逐渐更替。由于科学技术水平的限制，古代东西方哲学家采用形而上的世界观和方法论思考物质的本原，认为物质的本原是“五行”“四素”，此时元素的原型是超越具体自然而存在于意识之中的某种观念;近代自然科学诞生以后，化学家利用实验方法分解了多种物质，并据此推断出物质的本原是不能再分解的空气、水、火、石灰等物质，这时元素的原型是某一物质;随着现代原子-分子学说的建立以及实验手段的发展，科学家认为最能表征元素概念的是一类具有相同核电荷数的原子。

4.根据概念特征选取原型

概念是对事物本质特征的概括，然而自然界中存在的并非抽象的特征而是具体的事物，特征的抽象性与客观事物的具体性之间的矛盾借助原型实现了缓和：自然概念的原型既是事物本质特征和非本质特征的交织与反映，又是概念成员中最具代表性的典型实例，概念以原型为核心在一定的成员范围内发生变化。但由于原型仅具有所属概念的某一个或几个特征，而并非所有的特征，它只能最大程度上代表概念，却不完全等同于概念。因此教学中还需要先通过分析概念的特征及其相互关系，辨别本质特征和非本质特征，然后选取具备这些特征的一个或多个原型。例如，对于电解质概念而言，NaCl比其他电解质成员具有更高的代表性，但NaCl并不具备电解质成员的所有本质特征，它在水溶液与熔融状态下电离的特征并不能推广到HCl。电解质概念的学习可以围绕NaCl这一原型，通过对NaCl中的阴阳离子进行局部替换，并用HCl等作为补充原型，逐渐将电解质概念所包含的实例范围扩大到其它的盐、酸、碱等。

三、科学概念教学中原型的探究

在概念教学中，教师所精选的那些生动或有趣的原型仅是具体的现象或实例，如何将素材式的原型转化为概念性的认识，仍需要教师在原型的基础上引导学生深入探究，将感性认识上升为理性认识。

1.利用问题引导学生开展对原型的探究

虽然科学以客观世界为研究对象，但它并不止步于对自然现象的直观描述，而是要透过纷繁复杂的表面现象揭示其内在本质与规律。为此，要经过由表及里、由宏观到微观、由现象到符号的抽象过程，并最终以概念、原理等形式表征出来。而在这个过程中，就必须借助于思维的抽象力，通过推理、分析、归纳、总结等思维活动才能把握事物的本质及其运动规律。从原型到概念，从感性认识到理性认识，其间的飞跃离不开个体的思维，而要让学生思维活跃起来，又离不开问题的驱动。

問题是思维的源泉，更是思维的动力。没有问题的引导与提升，原型也仅是停留在素材的层面上。因此在选取了合理的原型之后，教师还应该围绕原型，在分析原型特点的基础上，结合概念的本质，设计并提出与原型特点、概念关键特征相匹配的问题。例如，在学习溶液概念的时候，教师可以首先将一定量的食盐放入水中，振荡、静置，让学生观察现象，进而通过“食盐去哪儿了？”“这杯食盐水的上、中、下部，任一处，是否都一样咸，为什么？”“如果把得到的食盐水密封，保存一个月、一年、两年……你猜测一下会不会从中析出食盐颗粒来？”一系列的问题来引导学生思考溶解的微观本质，并进一步深入认识溶液的性质。

2.利用实验引导学生开展对原型的探究

自然科学的发展离不开实验，很多科学概念、理论的得出，假说的验证都需要借助实验。依据原型开展科学概念教学时，尽管原型已经为学生提供了一定的认识材料和基础，但是有些原型可能无法给予学生比较完整的感性认识。另外，学生需要与原型直接接触，必须通过独立的探索发现过程才能获得更深入的认识，直接的动手探究可以为学生提供更多的机会去扩展他们的理解。因此概念的获得也需借助对原型开展实验探究。例如，在学习化学反应的限度时，学生较难从反应的限度角度思考化学反应，对于大部分的化学反应都是可逆反应，都有反应限度，以及化学平衡是动态平衡，学生理解起来还有一定的困难。这个时候就可以利用NO2-N2O4平衡球实验这一原型，让学生通过操作和观察NO2—N2O4平衡球实验，获得对可逆反应现象及化学平衡现象的感性认识，再加以思考和分析，从而理解可逆反应及化学平衡概念，初步形成化学平衡的认识模型。

科学概念、原理等知识大都比较抽象，学生学习起来往往会有一定的难度和障碍，基于原型的概念教学能够将原型中的实际问题进行分析、提炼，便于学生理解和应用，使得概念学习不再是“纸上谈兵”。基于原型的概念化活动在认知学习中占据很大比例，在科学概念教学中强调原型的作用具有积极的价值和意义。

参考文献

[1] 陈琦，刘儒德.当代教育心理学[M].北京：北京师范大学出版社，2007.

[2] 李训贵，陈永亨.自然科学发展概要[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 王甦，汪安圣.认知心理学[M].北京：北京大学出版社，2014.

[4] 阎莉.整体论视域中的科学模型观[D].太原：山西大学，2005.

[5] 张庆林，田燕，邱江.顿悟中原型激活的大脑自动响应机制：灵感机制初探[J].西南大学学报：自然科学版，2012（09）.

[作者：亓英丽（1977-），女，山东莱芜人，山东师范大学化学化工与材料科学学院，副教授，博士;李亭亭（1995-），女，山东滨州人，山东师范大学化学化工与材料科学学院，硕士生。]

【责任编辑  郭振玲】