认知弹性理论在化学教学中的运用价值*——以“硝酸”教学为例

许玉明|福建省福州华侨中学

郑旭辉|福建省福州第十四中学

20世纪90年代初，斯皮罗等人为纠正建构主义学习理论应用时出现的各种偏向，提出了认知弹性理论。认知弹性是学习者对其知识进行自动重构，采用多种途径回应发生变化的情境的能力[1]，有的学者也称它为认知灵活性理论。当前，我国化学教学领域对认知弹性理论研究较少，但笔者认为它为我们研究化学教学提供了一种新路径，值得教师关注和重视。

一、“认知弹性理论”概念内涵

学习是一个不断深化的过程，也是知识经验不断生长的过程，由于社会的发展，许多知识已经脱离了最初的来源，脱离了与现实情境的关系。随着建构主义学习理论的广泛应用，教学中出现了不少偏向，如“忽视概念理解的重要性”“忽视教师的指导作用”等教学行为，这些显然都不符合建构主义学习理论的本意。而认知弹性理论肯定了行为主义学习理论的积极因素，如“承认教学过程的客观性和规律性”教学观，又汲取了建构主义学习理论的合理观点，如“学习是学习者主动地建构内部心理表征的过程”学习观[2]，提出了“高级学习”“结构不良领域”“随机通达教学”“认知弹性超文本”等全新的概念，在行为主义和建构主义理论之间走出了一条比较“折中”与“温和”的道路[3]。认知弹性理论核心观点的逻辑关系详见图1。

图1 认知弹性理论核心观点的逻辑关系

由图1可知，“高级学习”是复杂学习活动的逻辑起点，“随机通达教学”是使所学知识的认识角度全面化的教学方式，“认知弹性超文本”则是实现教学方式的技术媒介，三个概念紧密联系、相互作用，帮助学习者解决复杂情境中的问题，该逻辑关系阐释了认知弹性理论的核心观点[4]。

（一）高级学习与结构不良领域

认知弹性理论提出学习者的学习是相当复杂的，因此建议将学习分为初级学习与高级学习两种类型。初级学习是机械式的学习、孤立的简单化学习，只要求学习者了解一些概念或事实，能将所学内容重复还原出来；高级学习则要求学习者不仅要掌握复杂性的知识，还能应用该知识解决复杂问题。认知弹性理论将知识分为结构良好领域知识和结构不良领域知识。结构良好领域知识与情境直接关联，学习完成就能直接应用，如实验室运用锌粉与稀硫酸反应制取氢气就属于结构良好领域知识，学习者经过初级学习就能完成任务。而结构不良领域知识与情境没有直接关联，一个知识点可对应很多情境，处理或解决一个情境问题，必须整合应用许多知识点，且解决问题的方法、途径均不存在“标准答案”。如我们用金属铝与稀硫酸反应制取氢气，往往很难成功，这就属于结构不良领域问题。因为得不到氢气的因素有很多：反应试剂有问题；金属铝因有保护膜而影响了氢气的生成；硫酸铝覆盖在铝表面阻碍了反应的继续。故而需要考虑不同的问题解决方案：调整反应试剂重新实验；先去除金属铝表面的氧化膜再重新实验；等等。对结构不良领域知识，只通过初级学习是不可能完成任务的，还需要高级学习。结构良好和结构不良领域知识的特点比较详见表1。

表1 结构良好和结构不良领域知识的特点比较

（二）随机通达教学

随机通达教学的基本原理是对于相同知识点，在不同的学习期间，创设不同的情境和问题反复交叉学习，以此来达成教学目标。以外出旅游为例，在不同年龄阶段重游同一处景点，我们会有不同的感觉，可能现在感觉到的是迷茫和失落，而以前感觉到的是愉悦。化学教学也是如此，对有些抽象、难懂的化学概念，如原子结构模型的发展历程，要考虑在不同的学段创设不同的学习情境，以引领学习者去理解原子结构模型的本质。

（三）认知弹性超文本

认知弹性超文本是一种适用于结构不良领域知识的学习与教学的媒介，即运用计算机技术建立超链接，把学习内容镶嵌在上下文或背景（包括专家解释、参考信息等）之中，它能使抽象性的知识变得直观。如教学中用“控制变量法”探究影响化学反应速率的因素，如浓度、催化剂、温度或压强时，教师组织学生分组完成实验后，还可用NOBOOK虚拟实验进行巩固，这可培养学生的学习兴趣，开阔其视野。

二、基于认知弹性理论的“硝酸”教学设计

下面，笔者以北京杨岩老师在中国教育学会2018年度高中化学课堂教学展示与观摩活动中执教的人教版普通高中教科书《化学》必修1（以下简称“人教版教材”）第四章第四节《硝酸的化学性质》优质课为参考，结合其他有关硝酸的教学案例[5][6]，对该节教学进行重构设计，以此说明认知弹性理论的应用价值。

（一）教材与学情分析

硝酸属于典型的元素化合物知识，该节课前，学生刚学过氨气、氮的氧化物，已储备有关浓硫酸的知识，如酸有某些通性和元素处于最高价态时，可以表现出强氧化性等。课前，笔者通过“智学网”平台发布“说说硫酸具有哪些化学性质”调查问卷，统计结果如下：全部答出“酸性”，说明学生能熟练地认识物质的酸性；答出“浓、稀硫酸的性质不同”的为37.5%，说明大部分学生会忽略性质和反应是受条件影响的；答出“H+、SO42-”的为6.25%，说明绝大多数学生微观视角不稳定，需要认知模型帮助强化。

（二）教学目标与教学程序

根据《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“《课程标准》”）的相关要求，笔者将教学目标预设为：（1）从微观层面认识硝酸的强氧化性是NO3-的强氧化性；（2）NO3-的强氧化性受酸碱度、温度、浓度的影响；（3）初步形成解释解决实际情境中化学问题的认知模型。

依据随机通达教学的原理，笔者将课堂教学分为“运用认知弹性超文本，引出问题”“自主探究，建构概念”“迁移应用，开阔视野”三个环节。教学中，笔者先以玻尔故事等情境，引出探索“硝酸的化学性质”这一问题，让学生从酸碱度、温度、浓度等因素，多角度地对NO3-的强氧化性进行概念建构。然后，笔者让学生选择试剂配制化学抛光液，使其在学习过程中培养灵活变通能力。“硝酸的性质”知识框架详见图2。

图2 “硝酸的性质”知识框架

（三）教学过程设计

认知弹性理论认为，利用多种方式表征问题，引导学生多角度深层次地建构知识体系，并与具体情境联系起来以形成背景性经验，有利于学生形成对概念的多角度理解。如教师在课前可运用认知弹性超文本，通过“智学网”平台推送学习视频“玻尔巧藏诺贝尔奖章”故事，让学生进行课前预习。

1.运用认知弹性超文本，引出问题

问题1：查阅有关资料，说说上述“玻尔巧藏诺贝尔奖章”故事中王水的主要成分是什么，有什么作用？

问题2：浓硝酸为什么要保存在棕色瓶中？久置变黄的原因可能是什么？

问题3：如何区别实验室存放的失去标签且密封的浓硫酸、浓盐酸和浓硝酸（不开盖）？

【分析】课前通过借助于网络资源链接或微课等途径，使多种信息资源有效整合起来，再通过线上数据采集了解学情，并以此为媒介向学生推送相关的学习任务，使教学过程中对学情的掌握更加精确，资源的获取更加丰富，教学内容的呈现更加直观生动。

讲授新课时，笔者让学生完成学习任务1。

学习任务1对含有氧化膜和划痕的铜片进行抛光实验，探究NO3-的氧化性

【演示实验】展示表面有氧化膜和划痕的铜片，按图3所示进行铜片抛光实验。实验完成后，在显微镜下观察铜片的表面。

图3 铜片抛光实验

【超文本链接】阅读资料卡及观看相关视频。

“铜制品抛光原理”资料卡：铜制品加工过程中常常需要用抛光液浸泡，这可以除去铜制品表面的氧化膜，以及细微的凸起之处（有研究表明金属的凸起部分优先与溶液反应），形成平整、光亮的表面。抛光液的主要成分是稀硫酸、硝酸。浸泡时间对抛光效果有重要影响。时间太短，达不到光效。时间过长，又容易造成铜制品因溶解而报废。

师：说说H2SO4、HNO3的主要作用分别是什么，并说明理由。

生：H+除去黑色的氧化铜，SO42-或NO3-除去凹凸不平的铜。

【分析】在课前调查了解的基础上，笔者在第一环节布置“学习任务1”，将这节课完全置于“探秘神奇的铜制品抛光现象”的真实环境中，让学生利用化学知识解决日常生活中的真实事例，并在对抛光现象进行分析的过程中，达成NO3-强氧化性的学习任务。亲身实践并感悟宏观物质现象，为学生提供了一个新的视角来理解和认识世界。

2.自主探究，建构概念

随机通达教学，指的是从不同的视角和不同的维度解析所学习的知识，即教师组织学生在不同情境下多次对同一内容进行学习，强化学生解决问题的能力，从而帮助学生实现对所学知识的多样化应用。例如，在探究NO3-强氧化性的教学中，教师从酸碱度、温度、浓度等多种情境引导学生讨论、比较、思考、交流，可促进深度学习的发生，培养学生的分析、评价、创造等高级思维。具体活动教学过程如下。

学习任务2探究NO3-强氧化性受酸碱度、温度、浓度的影响

师：请同学们根据所学知识，设计实验证明NO3-能氧化金属铜。

生：在装有金属铜片的试管中滴入NaNO3溶液，观察现象。

师：观察到的现象能否说明NaNO3溶液中的NO3-没有氧化性？NO3-具有氧化性是否需要一定的条件？

问题：讨论NO3-氧化铜需要什么条件。

【学生活动】生成可能的条件及解决方案如下。

推测1 Cu+NaNO3+HNO3

推测2 Cu+NaNO3+CuSO4

推测3 Cu+NaNO3+H2SO4

【学生实验】依据上述推测，进行实验。

【记录数据】详见表2。

表2 NO3-氧化铜需要的条件推测

【总结】NO3-氧化铜需要在酸性条件下进行。

【分析】该环节中提出了假设、验证实验，体验科学探究的方法。同时，“铜片与浓、稀硝酸反应生成什么”是结构良好领域知识，初级学习即能完成，但学生容易形成思维定式，不利于创新能力的培养。现通过改变问题情境设计“NO3-氧化铜需要什么条件”，这是结构不良领域知识，没有正确一致的答案，有利于培养学生的问题意识。

师：讨论浓度是否对NO3-的氧化性有影响。根据人教版教材第41页“观察与思考”板块，完成铜片分别与浓、稀硝酸反应的实验，观察实验现象。

生：从反应现象可以看出，浓度不同，NO3-被还原的产物不同。

【总结】NO3-的氧化性强弱与浓度有关。

【板书】铜片分别与浓、稀硝酸反应的两个化学方程式。

【超文本链接】阅读资料卡，说说还有哪些条件影响NO3-的氧化性。

“浓硝酸氧化性”资料卡：常温下，浓硝酸将铁、铝表面氧化为致密的氧化物膜，阻止了内层金属与酸的进一步反应，因此可用铁、铝容器盛装浓硝酸。硝酸与金属、非金属（如木炭、硫等）、某些有机物（如松节油、锯末等）反应时，浓度或温度等条件不同，硝酸被还原所得到的产物也不同，有HNO2、NO、NO2、N2O、N2、NH3及NH4+等。

生：这些信息表明温度也能影响NO3-的氧化性。

【总结】NO3-的氧化性强弱与温度有关。

师：从上述实验可知，酸性、浓度、温度等外界因素对NO3-氧化性有影响。那么，不活泼的木炭与浓硝酸能否发生反应？请说出你的理由。

【超文本链接】实验视频：木炭与浓硝酸在加热条件下的反应实验。

师：再次思考硝酸的作用是什么。

【分析】根据随机通达教学的原理，从酸碱度、浓度、温度等多角度出发，用不同的实验建构NO3-氧化性知识，探索铜制品抛光原理的本质原因，建构“NO3-的强氧化性受酸碱度、浓度、温度的影响”概念，能达到多元表征认知结构的目的。笔者挖掘物质的微观本质，体现从宏观到微观的化学思维的过程，加深了学生对NO3-强氧化性的理解。

3.迁移应用，开阔视野

认知弹性理论认为教学中抓住概念的特征与其他要素之间的多维度关联，有利于学生深入理解概念的本质。教师应创设与生产、生活中的化学问题相一致的情境，促使学生采取高级学习的方式进行学习，这有助于学生理解和掌握化学知识，在未来将其灵活地运用于多变的实际生产、生活情境中。笔者要求学生设计“配制铜制品的化学抛光液”实验，并建构解决实际情境中化学问题的“硝酸”认知模型。这是因为有了认知模型，学生就有了解决问题的基本途径，进而能够迁移和应用。

学习任务3形成解决实际情境中化学问题的认知模型

问题：假如请你配制一份铜制品的化学抛光液，你要如何选择试剂？

生1：必须试剂：氧化剂，酸。酸除去氧化铜，氧化剂除去铜。

生2：氧化剂不一定是硝酸。酸也未必用硫酸。

【超文本链接】百度资料：铜制品抛光液的多种配方，详见表3。

表3 抛光液配方

【学生活动】讨论及展示。

师：使用时需要注意控制哪些条件？（可控条件：浓度、温度、时间）

【总结】硝酸的性质模型详见图4。

图4 硝酸的性质模型

【课后作业】“超文本链接”浏览文献：解密抛光技术。

【分析】笔者创设“配制铜制品的化学抛光液”学习环境，让学生感悟化学概念在日常生活中的应用。笔者提供两个超文本链接，从抛光液配制及种类等多角度出发，引导学生建构知识整体，使其在学习过程中培养灵活变通的能力，并初步形成解决实际情境中化学问题的认知模型。

三、基于认知弹性理论的教学设计策略

（一）教师：转变教学理念，优化教学方法

《课程标准》要求处理好“情境、问题、知识和素养”之间的关系，且高考化学题中包含大量复杂情境的问题，需要化学知识的综合迁移与应用，因此，随机通达教学可以丰富高中化学的教学方法。

如“Fe的电化学腐蚀”一节的教学：教师可以从理性视角结合“氧化还原反应”“原电池”的相关知识，让学生比较“铁粉自燃”“铁钉腐蚀”两种现象并讨论，明确“化学腐蚀”的概念；也可以从探究视角创设“暖贴发热”“钢铁生锈”两个情境问题，让学生分组并通过资料收集、讨论分析等手段对其原理进行探究；还可以从STS视角带领学生分析生活中的各种钢铁腐蚀现象，分组讨论，总结可行的预防措施，使学生获得不同的情境体验，完成对于复杂知识的多重意义建构。

学生在解决结构不良领域问题的过程中经历的思维过程，契合《课程标准》对于培养学生的要求，有利于发展学生的核心素养。而要开展好基于认知弹性理论下的化学教学工作，教师就应转变教学理念，精心研究教材，优化教学方法。这是化学教学的最终目标，也是化学教育工作者的教育价值取向。

（二）学生：采用高级学习策略，提升认知弹性

当前，高中化学教学在培养学生核心素养方面存在不足，这很大程度上是因为机械地使用初级学习的教学策略应对结构不良领域知识的学习，造成了化学知识与问题情境之间的隔离。为了发展学生的化学核心素养，教学中，教师应创设与生产、生活中真实化学问题相一致的情境，促使学生采取高级学习的方式进行学习。当然，教师还要努力提升学生的认知弹性，因为教学中既需要学生灵活运用所掌握的知识，对复杂的情境进行分析，又需要学生收集解决问题的知识，并根据复杂的情境作出重组，从而对情境问题进行回应。

综上所述，运用认知弹性理论进行教学，在践行《课程标准》理念、发展学生核心素养方面有积极的作用。一般而言，教育理论都有一些局限性，认知弹性理论也不例外，它研究的是结构不良领域内容，若将其扩展到所有学习领域，则是行不通的。例如在概念的多重表征方面，有些学生面对多种解释可能会感觉认知负担加重，常常会感到茫然。但是认知弹性理论的研究体现了化学学科的意义和价值，笔者相信，随着对认知弹性理论教学研究的持续深入，教师的教、学生的学一定会出现新的变化。