“雙膜理論”對化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)構(gòu)建的啟示

【摘要】文章試圖以“雙膜理論”為指導(dǎo)，將物質(zhì)間的傳質(zhì)過程移植到化學(xué)認(rèn)知過程中，借鑒平衡狀態(tài)原理、吸收控制因素、氣液相轉(zhuǎn)換過程、形態(tài)、條件等內(nèi)容為化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建從理論指導(dǎo)及實踐教學(xué)兩個層面提供必要啟示。

【關(guān)鍵詞】“雙膜理論” 認(rèn)知結(jié)構(gòu) 教學(xué)策略

【項目來源】2012年寧夏自治區(qū)高等學(xué)校教育教學(xué)改革項目—寧夏自治區(qū)級化學(xué)教育特色專業(yè)。

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）10-0145-02

認(rèn)知理論認(rèn)為，個體的成長過程即是頭腦中形成認(rèn)知框架并不斷完善的過程。基于此，對于教師而言，幫助學(xué)習(xí)者構(gòu)建合理、清晰、易于接受的認(rèn)知結(jié)構(gòu)尤為重要。好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)應(yīng)體現(xiàn)出課程設(shè)置的合理性、內(nèi)容選擇的多樣性、方法運用的靈活性和評價標(biāo)準(zhǔn)的多元性等特點，強(qiáng)調(diào)注重認(rèn)知結(jié)果向認(rèn)知過程的轉(zhuǎn)變、以教師為中心向以學(xué)生為中心的轉(zhuǎn)變、診斷性評價向過程性評價的轉(zhuǎn)變，從而打破“分”“數(shù)”至上的格局。本文試圖在“雙膜理論”視角下重新審視化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程，望為廣大學(xué)習(xí)者及教師予以一定啟示。

1.化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)

化學(xué)是一門理論與實踐密切聯(lián)系的學(xué)科，其能夠從生活中的現(xiàn)象體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)原理，也可通過化學(xué)理論知識解釋實際案例。基于此特點，構(gòu)建行而有效的化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)應(yīng)從實踐和理論兩條線同時進(jìn)行，脫離了理論的實踐容易失去支撐，而缺乏實踐檢驗理論更是毫無價值，兩條線的交點即是化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)構(gòu)建的契合點。化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建主要指學(xué)習(xí)者通過學(xué)習(xí)所得的化學(xué)基本概念、反應(yīng)規(guī)律、原理理論等化學(xué)知識，在原有認(rèn)知水平基礎(chǔ)上，結(jié)合個體的感覺、思維、聯(lián)想、習(xí)慣等認(rèn)知行為組合而成的一個具有內(nèi)部規(guī)律的體系結(jié)構(gòu)。其反映出的化學(xué)認(rèn)知過程主要包括案例分析、現(xiàn)象呈現(xiàn)、概念提出、與原有內(nèi)容整合、內(nèi)化以及知識的運用與遷移。

2.“雙膜理論”簡析

“雙膜理論”原指在化工單元操作過程中物料間傳質(zhì)或能量間傳熱的應(yīng)用理論。其主要包括（以傳質(zhì)為例）氣相主體、液相主體、界面、氣膜邊界、液膜邊界等若干部分。根據(jù)雙膜理論，當(dāng)不同狀態(tài)的物質(zhì)進(jìn)行吸收時，氣相主體（吸收質(zhì)）首先通過渦流擴(kuò)散的形式即流體質(zhì)點的相對運動，到達(dá)氣膜邊界，在氣膜內(nèi)經(jīng)過分子擴(kuò)散作用進(jìn)入界面，并在界面上溶解，到達(dá)液膜邊界，最后再以渦流擴(kuò)散的形式進(jìn)入液相主體[1]，從而完成物質(zhì)由氣相主體進(jìn)入液相主體的過程（如圖1）。

傳質(zhì)過程中存在如下特點：a.界面層與邊界層流體相對穩(wěn)定，而膜以外區(qū)域流體處于湍流狀態(tài)。b.界面層，氣液相處于平衡狀態(tài)，狀態(tài)穩(wěn)定。c.不同吸收質(zhì)在出入界面邊界層時克服的阻力不同，其主要受氣相溶解度影響。

3.“雙膜理論”在化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)構(gòu)建中的啟示

化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程即完成知識的內(nèi)涵化發(fā)展及運用遷移的過程，有效的將新舊知識進(jìn)行融合是建立高效認(rèn)知結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。“雙膜理論”指導(dǎo)下重新審視化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程不難發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)的傳質(zhì)過程與個體的認(rèn)知過程極為相似，體現(xiàn)為：

3.1過程維度

“雙膜理論”下的物質(zhì)傳質(zhì)過程主要包括：氣相主體→氣膜邊界→界面→液膜邊界→ 液相主體，每一部分狀態(tài)不同，而又存在必然關(guān)系，并能夠在界面層形成平衡狀態(tài)。化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建構(gòu)過程即完成不同“狀態(tài)”下知識的轉(zhuǎn)化過程，當(dāng)學(xué)習(xí)者通過生活現(xiàn)象或教師的驅(qū)動性任務(wù)接觸到新的化學(xué)內(nèi)容時，在內(nèi)驅(qū)力（愛好、興趣、求知欲等）或外推力（獎勵、考試壓力等）的作用下有意識的將新知識內(nèi)化，并形成更加完善的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。在此過程中，當(dāng)不同性質(zhì)內(nèi)容的知識進(jìn)入頭腦之后會與原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)融合，即建立“不同狀態(tài)”內(nèi)容的“平衡關(guān)系”，平衡初期，原有認(rèn)知水平作為主體，新內(nèi)容逐漸向主體過渡，并不斷對認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組和改造，隨著認(rèn)知水平的不斷提升，個體對新內(nèi)容的觀察維度和考察視角也發(fā)生著轉(zhuǎn)變，即完成不同“狀態(tài)”內(nèi)容的第一次“擴(kuò)散”及頭腦中知識的“溶解”過程；建立“平衡”之后，個體試圖將頭腦中新的化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)在實踐中予以檢驗和證明，即將理論應(yīng)用于新“狀態(tài)”內(nèi)容中，從而完成知識的應(yīng)用和遷移（如圖2）。

3.2形態(tài)維度

傳統(tǒng)的教學(xué)方式更加強(qiáng)調(diào)知識的傳承性，將學(xué)習(xí)內(nèi)容作為聯(lián)系師生之間的唯一載體，使知識變?yōu)橐粸八浪保狈α鲃有裕徽J(rèn)知結(jié)構(gòu)僵化，缺乏靈活性。新一輪課改打破了傳統(tǒng)教學(xué)思想，注重學(xué)習(xí)者的化學(xué)認(rèn)知過程及過程中情感態(tài)度價值觀的塑造，鼓勵學(xué)習(xí)者在更加輕松愉快的學(xué)習(xí)環(huán)境中探究知識的本源及應(yīng)用。因此，化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建立，在起初階段教師應(yīng)為學(xué)習(xí)者提供大量的背景內(nèi)容和生活素材，鼓勵學(xué)習(xí)者運用頭腦風(fēng)暴尋求知識的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，形成生活實踐現(xiàn)象及化學(xué)理論知識的動態(tài)感知。知識內(nèi)容豐富，情感形態(tài)多樣，如同傳質(zhì)過程中氣相主體進(jìn)入氣膜邊界的湍流形態(tài)；知識與原有認(rèn)知主體同化過程則是在個體思維方式和表達(dá)習(xí)慣上經(jīng)過漫長的“醞釀”形成穩(wěn)固認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程，因而周期較長且形態(tài)穩(wěn)定，如同吸收質(zhì)在界面的分子擴(kuò)散所形成的平動流體；流體分子的溶解面積將直接影響到后期的擴(kuò)散程度及吸收效果，而新認(rèn)知結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及可操作性恰好對化學(xué)理論在實踐中的應(yīng)用及遷移起到至關(guān)重要的作用。

3.3條件維度

“雙膜理論”指導(dǎo)下的物質(zhì)間傳質(zhì)過程存在氣液間的相平衡關(guān)系，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時，如壓強(qiáng)、溫度、濃度、比表面積等都會引起平衡的移動。從化學(xué)學(xué)科特點分析，知識量大、覆蓋面廣、內(nèi)容零散、理論性強(qiáng)都是影響學(xué)習(xí)者在化學(xué)認(rèn)知過程中能否建立有效認(rèn)知結(jié)構(gòu)的主要因素；從主體性角度分析，學(xué)習(xí)者對于化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣愛好、智力因素及非智力因素、思維方式[2]等也在一定程度上影響著化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和靈活性；從教師角度分析，不同的授課方式、教學(xué)策略、課程設(shè)計對于學(xué)習(xí)者的影響是顯而易見的，如同樣講解“晶體類型”一節(jié)內(nèi)容，對于場依存型學(xué)習(xí)者而言，教師采取對概念講解并對不同類型晶體進(jìn)行對比的方法與設(shè)置疑問層層引導(dǎo)法相比，前者效果更加明顯。

4.“雙膜理論”指導(dǎo)下有效化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)建構(gòu)策略分析

4.1提高吸收系數(shù)——豐富內(nèi)容，高效銜接

氣液相傳質(zhì)過程中，伴隨著氣膜阻力和液膜阻力對傳質(zhì)的影響。膜內(nèi)阻力與膜的厚度成正比，因此加大氣液相流體的相對運動速度，使流體內(nèi)產(chǎn)生攪動，可有效降低吸收阻力，從而實現(xiàn)增大吸收系數(shù)的目的。鑒于此，學(xué)習(xí)者在建構(gòu)化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)過程中，教師應(yīng)有意識為其提供內(nèi)容豐富、靈活性強(qiáng)、貼近生活的化學(xué)知識。其特點應(yīng)包含：內(nèi)容的“流動性”、知識的“發(fā)展性”、內(nèi)涵的“生命性”、認(rèn)知的“動態(tài)性”，使學(xué)習(xí)過程真正的“活”起來。如教師在講到“醇類”一節(jié)時，不僅涉及到醇的性質(zhì)、分類、實驗室制法、反應(yīng)原理等內(nèi)容，還應(yīng)滲透生活中的實際案例、實驗現(xiàn)象、用途、制備等，并能夠適時的傳授行而有效的認(rèn)知方法，使新內(nèi)容與原有知識形成有效銜接，減弱不同“狀態(tài)”內(nèi)容的隔閡，降低同化阻力，從而構(gòu)建高效的化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

4.2增大吸收動力——激發(fā)興趣，提升動機(jī)

根據(jù)“雙膜理論”，物系及能量間的傳遞并不是自發(fā)進(jìn)行的，只有在條件范圍內(nèi)存在量的梯度才能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)化。在氣液兩相傳質(zhì)過程中，增加吸收推動力，即提高吸收質(zhì)氣相分壓或降低液相平衡分壓，有利于氣體的吸收。根據(jù)其特點，學(xué)習(xí)者在進(jìn)行化學(xué)學(xué)習(xí)過程中，一方面應(yīng)提高個體的認(rèn)知驅(qū)動力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；另一方面應(yīng)降低學(xué)習(xí)難度，有效鏟除學(xué)習(xí)障礙。奧蘇貝爾學(xué)習(xí)動機(jī)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)者對待事物的態(tài)度將直接影響到學(xué)習(xí)效果。根據(jù)化學(xué)學(xué)習(xí)特點，教師應(yīng)首先為學(xué)習(xí)者建立自信，有效提到自我效能感，具體體現(xiàn)在能夠?qū)⒊橄蟮幕瘜W(xué)理論生動化和簡約化、化學(xué)實驗趣味化和現(xiàn)實化，理論教學(xué)與生活實踐有機(jī)結(jié)合，使每一位學(xué)習(xí)者成為生活中的“化學(xué)家”，從而提高學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣[3]。同時，降低學(xué)習(xí)化學(xué)的難度對學(xué)習(xí)者知識的掌握及情感態(tài)度價值觀的培養(yǎng)是有利的。難度過大對學(xué)習(xí)者會產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，長此以往不利于學(xué)習(xí)者身心的健康發(fā)展。降低學(xué)習(xí)難度，一方面要求教師運用合理的教學(xué)方法，做到因材施教、循序漸進(jìn)；另一方面應(yīng)選取合理的教學(xué)內(nèi)容，使之控制在“最近發(fā)展區(qū)”之內(nèi)，在培養(yǎng)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣的同時，實現(xiàn)知識掌握的教學(xué)目標(biāo)。

4.3把握控制因素——科學(xué)設(shè)計，有的放矢

傳質(zhì)過程中，不同吸收劑對吸收質(zhì)的吸收效率是不同的。溶解度大的易容氣體，相平衡常數(shù)較小，導(dǎo)致其在液膜的阻力降低，使氣膜阻力遠(yuǎn)大于液膜阻力，吸收過程受氣膜阻力控制。相反，對于難容氣體，液膜阻力較大，吸收過程受到液膜阻力影響較明顯。根據(jù)現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)關(guān)于知識分類的觀點，將化學(xué)知識分為陳述性知識、程序性知識、策略性知識三大類，不同類型知識對于學(xué)習(xí)者化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的構(gòu)建存在顯著差異[4]。基于此，在化學(xué)教學(xué)中，應(yīng)針對不同類型的知識設(shè)計不同的教學(xué)過程和方法，以符合內(nèi)容多元化的特點（見表3）。

5.結(jié)論與反思

“雙膜理論”指導(dǎo)下，將物質(zhì)間的傳質(zhì)機(jī)理移植到化學(xué)認(rèn)知結(jié)構(gòu)建構(gòu)當(dāng)中，體現(xiàn)學(xué)科間互動功能的同時，在理解化學(xué)認(rèn)知過程及影響因素方面也起到了一定的借鑒作用。但值得注意的是，隨著所學(xué)內(nèi)容的加深及學(xué)習(xí)者認(rèn)知水平的提高，化學(xué)認(rèn)知過程的邏輯性、復(fù)雜性、多樣性[6]的特點也隨之顯著。因此，廣大教育工作者，尤其是一線教師在注重學(xué)習(xí)者知識理解與掌握的同時，應(yīng)更加關(guān)注化學(xué)學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題，并予以及時和正確的引導(dǎo)。同時，也希望本文的嘗試能夠為廣大教師及學(xué)習(xí)者提供一定的啟示和幫助。

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作者簡介：

吳曉紅：寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：化學(xué)教學(xué)論、教學(xué)設(shè)計等。

畢吉利：寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究生，專業(yè)：課程與教學(xué)論（化學(xué)）。

通訊作者：吳曉紅