化学学科认知障碍及其诊断与消除

吴俊明

摘要： 学科认知障碍是学习障碍的一种类型，是学科教学论的重要研究领域。深入、广泛地开展化学学科认知障碍的研究既是化学教学现实的需要、化学教学发展的需要，也是化学教师成长发展的重要途径之一。要了解化学学科认知障碍，必须对学习困难作具体、细致、深入的分析。在学习的不同阶段，学科认知障碍有所不同，其诊断工作的内容也有所不同。分析了化学学科认知障碍成因的主要类型。介绍了消除化学学科认知障碍的主要措施。

关键词： 学习障碍； 学科认知障碍； 化学学科认知障碍； 认知障碍诊断； 认知障碍消除

文章编号： 1005-6629（2018）4-0003-05 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

学生在化学学习中可能会遇到各种各样的疑难困惑，如果这些疑难困惑不能被及时解决、影响学习继续前行，它们就成了学习障碍。“学习障碍”具有下列属性： （1）阻碍性，会阻碍学习过程的进行和学习目标的实现；（2）可消除性，一旦消除即可使学习过程得以继续进行；（3）非偶然性，是由一定因素引起的；（4）不等同于错误，错误不一定会阻碍学习过程进行，实际上有些错误还可以从特定方面丰富、深化学习成果（例如提供反面经验、试错经验）。所以，主体在学习过程中发生的错误不一定是学习障碍。

学习障碍多种多样，可谓不计其数。许多学习障碍的发生有一定的规律，但也有不少学习障碍的发生比较复杂、规律性不明显，会因学习主体、学习内容、学习阶段而异，需要通过仔细的诊断来确定，需要针对性地寻找有效的应对措施。了解学生具体的学习障碍是哪些，了解造成这些学习障碍的具体原因是什么，准确地诊断学习障碍并有效地消除学习障碍，不仅是帮助学生搞好学习的重要前提和保障，也是教师成长发展的重要途径之一。不少优秀教师教学中的亮点、“绝招”往往正在于此。学习障碍的诊断与消除对于智能教学系统的研制也具有重要的意义： 如果一个教学系统不具有学习障碍诊断与消除功能，它怎能算是“智能”的呢？至于教学个别化就更加说不上了！

要提高教学的有效性，必须弄清学生具体的学习障碍是什么，及时地消除学习障碍。准确地诊断学习障碍有一定难度；有不少教师在教学实践中积累了较多的经验，但诊断、消除学习障碍的自觉性不高，且缺乏科学的概括、总结、提升，常常处于朦胧、混沌的自发状态，发挥的作用有限。目前教师职前、职后教育都很少涉及这个课题，有鉴于此，广泛、深入地开展化学学习障碍诊断与消除的学习和研究很有必要。学会并善于进行学习障碍诊断与消除，是教师应该掌握的重要教学技能，每一个化学教师都应该重视化学学习障碍的诊断与消除。

1 学习障碍的特殊类型——学科认知障碍

学生在化学学习中遇到的影响其学习的问题或者因素可能属于情意、兴趣、态度方面，可能属于智力、技能、能力方面，也可能属于自身人格、个性、心理健康方面或者家庭、社会环境方面。例如，在化學学习上付出很多努力，但考试却屡屡失败，感到困惑、焦虑甚至灰心；别的同学能够一听（看）就明白、敏捷解决的问题，自己却老是想不到点子上；学习时难以较长时间保持注意、难以较长时间保持学习热情；学的东西老是记不住；学得比较死，不会表征、不会应用、不会发散……这些问题或者因素的一个共同之处就是阻碍学习的顺利进行，影响教的效率和学的效率，因而可以统称为学习障碍。上面列举的各种学习障碍属于心理学、学习论范畴，或迟或早可以通过心理学和学习论方面的研究与实践来加以解决，是一般的学习困难、活动障碍。目前的学习障碍研究的对象多属于此类。

然而，另有一类学习障碍仅靠心理学、学习论还不足以解决。例如，“顽固”地认为空气的主要成分是氧气和二氧化碳；认为空气中含有氢气；认为“冒火”才是燃烧，带火星的木柴不能算燃烧，而是快熄灭了，甚至还有学生振振有词地反诘“电炉丝发红能说是燃烧吗？”；以及认为金属不能燃烧、铁是黑色的，认为通电后食盐水发生电离……这些情况的发生会使思维活动滞留于相应问题的困惑中，使学习难于前行而形成学习障碍。这类障碍跟具体的学科认知有关，化学知能的参与在其解决中往往起着关键的作用，因而可以称为化学学科认知障碍。

学习障碍、认知障碍、学科认知障碍……这些概念是有区别的。如前所述，学习障碍有情意、智能方面的，态度、行为方面的，家庭、社会方面的……认知不过只是其一个方面。什么是认知？按照百度百科的解释，认知是机体认识和获取知识的智能加工过程，涉及学习、记忆、语言、思维、精神、情感等一系列随意、心理和社会行为。认知障碍是医学领域内的重要概念，用于指称与上述学习记忆以及思维判断有关的大脑高级智能加工过程出现异常，从而引起感知、记忆、思维、智能等方面的障碍，同时伴有失语或失用或失认或失行等改变的病理过程。认知障碍是脑疾病诊断和治疗中最困难的问题之一（也有人称为学习障碍）。医学中的认知障碍的发生主体存在脑功能和智力不正常，无法通过教学活动治疗；而学科认知障碍的发生主体是智力正常的学生，只有通过教学活动来消除，属于学科教学论应有的研究对象，不能划归于医学概念。弄清有关概念及其相互关系是研究工作的首要步骤，我们需要正确地界定和区分有关概念。

笔者分别以上述名词为检索词在网上搜索（见表1，表2），结果粗略地印证这些概念是不同的。

表1 概念检索1

化学学科认知障碍和化学问题解决障碍都属于化学学习障碍，所谓“化学问题解决障碍”是指化学问题解决中遇到的障碍，似不宜把它归属于化学学科认知障碍。

表2 概念检索2

表中数据反映，目前人们对化学问题解决障碍的兴趣高于化学学习认知障碍。实际上，许多“化学学习认知障碍”文献涉及的是化学问题解决障碍、解题障碍，或者是情意、智能等方面的障碍，真正属于化学学科认知障碍的并不多。不了解化学学科认知障碍，就不能有效地消除其消极影响，就不能提高化学教学的效率。对于化学教学人工智能的研究来说，具体的化学认知障碍的诊断及解决十分重要，迫切需要深入、广泛地开展研究。这不仅是化学教学现实的需要，也是化学教学发展的需要。

2 不同阶段的学科认知障碍诊断

是不是学科认知障碍，根据是不是具有阻碍性、可消除性，是不是主要跟学科知识及其认知有关这3个标准，很容易作出判断。

学科认知障碍诊断的目的是确定学生学习具体内容时其自身认知结构的缺陷，以便采取有效的应对措施使学习得以继续进行、不至于持续停顿。要了解化学学科认知障碍，必须对学习困难作具体、细致、深入的分析，找出现实的与可能的障碍因素。一般说来，在学习的不同阶段，发生的认知障碍有所不同，学科认知障碍诊断工作的内容也有所不同。

学科认知障碍的诊断大体上可以分为学段前诊断与学段后诊断、单元（教学）前诊断与单元（教学）后诊断、课时前期诊断与课时后期诊断等不同层次、类型。前期的诊断有适当的超前性（例如了解学生是否具有必要的学习基础），后期的诊断则是检测障碍是否有效消除。课时前期诊断与课时后期诊断涉及的内容比较具体、细致；学段前诊断与学段后诊断涉及的内容比较上位、典型和重要，但不太细致；单元前诊断与单元后诊断则居中。它们的深浅繁简程度跟教师的取向喜好及风格也有关。

不同阶段学科认知障碍的诊断常常跟智能障碍、情意障碍、人格障碍以及其他学习障碍的诊断同时混杂进行，学段障碍诊断尤其如此。

通常采用的化学学科认知障碍诊断方法有： 问卷调查、学生自陈、访谈或谈话、学习文档分析、作业分析、心理测验等。

3 化学学科认知障碍的成因分析

弄清化学学科认知障碍的成因，有助于提高化学学科认知诊断和消除的效率。化学学科认知属于认识活动，其目标主要是形成、获得有关的概念、原理、规律等知识并学会应用。因此，化学学科认知障碍主要表现为“不知”、“不懂”、“记不住”、“不会用”，其成因可以分为下列主要类型：

（1） 错误的前概念干扰。学生在学习一些化学概念之前，已经通过生活经验形成了一些概念。这些日常概念没有经受过科学界定，概括的基础事实较少，或者概括的方法欠妥当，常常包含着错误或者具有较大的局限性，所以又被称为相异构想或迷思概念。据笔者对上海、江苏两地17个班级822名学生的委托调查，学生在学习“物质的量”之前，把物质的量理解为“物质的多少”（29.8%）、“物质的数量”（23.1%）、“克分子或克原子”（11.8%）、“物质的质量”（10.5%），或者作出“其他回答”（11.4%）的占比之和高达86.6%（括号中为学生数占比），剩余的13.4%学生则明确表示“不理解”。参加调查的学校大多是办学水平比较高、生源较好的学校。由此可见错误的前概念的干扰实在不容忽视。

（2） 基础事实材料过少，尤其是典型的基础事实材料不全，导致认识偏差。例如，认为“空气的主要成分是氧气和二氧化碳”、“金属不能燃烧”、“蜡烛在其中熄灭之后，集气瓶中没有氧气，只有二氧化碳”等等，就跟基础事实材料过少有关。造成基础事实材料过少的原因主要有3个方面： ①生活经验贫乏狭隘；②没有必要的实验，或者实验时不善于观察，感知能力差，观察无序，不全面、不深入且不能跟思考结合，造成直接经验缺乏；③阅读有关材料或者听课时粗心、信息接收不完整或者受短时记忆容量的制约，理解较差，造成间接经验也缺乏。

（3） 不会或不善于应用基础事实材料进行思维加工获得相应结果，包括： ①不会或不善于概括基础事实材料正确地形成概念或结论；②不能或不善于逻辑地运用概念进行判断和推理；③不会或者没有用事实进行验证或矫正；④没有或者不善于进行论证（包括反证）；⑤只看现象，不看实质，受表面现象或虚假信息迷惑、干扰（例如认为“铁是黑色的”）等等。

（4） 拥有的基础知识存在缺陷，包括： ①陈述性知识/程序性知识/策略性知识缺陷或缺乏，又缺乏由基础事实材料推定概念、由陈述性知识推得程序性知识甚至策略性知识等现场即时生成知识弥补知识缺陷的思维技能；②对知识的理解存在偏差；③缺乏上位知识或整体知识，没有形成规律性认识，知识零散且孤立、没有结构化或者结构化程度低；④只會死记知识，不能联系实际进行理解、认识和应用活动；不善于跟其他知识进行联系（包括比较、综合、区分），导致记忆互相干扰等类型。

（5） “先行组织者”概念缺乏或者不恰当，不能合理、有效地同化新知识。例如，在物质的量教学中，常有教师先讲曹冲称象的故事，或者讲述12只乒乓球是1打乒乓球，500张纸是1令纸……，以此作为物质的量概念的“先行组织者”，由于这些例子并不能恰当地反映和联系“物质的量”的内涵特质，学生不能真正地用这些“先行组织者”来准确地同化物质的量概念（即使“同化”了也只能形成模糊/错误的物质的量概念），更不能理解引入物质的量的必要性，只能似懂非懂地点头，在随后的学习中，依旧会产生各种认知障碍。

（6） 关键知识的优势兴奋性缺乏。所谓“关键知识的优势兴奋性”，是指学生已有的关键性知识在被应用时，能够保证优先被激活，关键知识能被顺利地选择和检索，“想得到”、“想得起来”，而不是非关键知识被优先激活[1]。

（7） 知识表征方式不当或者不善于进行化学表征。知识表征方式是否得当还跟知识的组合、搭配和组织有关： 合理的表征能使知识便于记忆、理解、提取和应用；知识表征方式不当可能会影响知识的选择与提取，导致把部分信息误当作整体信息等错误。

例如，美国认知心理学家西蒙（Herbert A. Simon）曾经描述过这样一个著名的实验[2]： 向被试提出问题：“一个容器中有若干溶液，其中90%是酒精，10%是水，溶液总量是1升。需要加多少水才能使酒精变成全部溶液的80%，而水变成20%？”要求被试先画出图解，然后再列式计算。这个实验的被试都是学过一年以上代数的学生。结果，一些被试能正确地图解这个问题（见图1），很快地写出了解题的方程式；另一些被试画出两个容器（见图2），表征不正确，就形成了障碍。

图1 正确图解

图2 错误表征

一般说来，目前中学生在化学表征方面的困难主要是： ①抽象表征能力较差，抽象的概念（如焓、熵及焓变、熵变）、数学式（如速率表示式、焓变表达式）、图像（如化学平衡曲线和其他化学平衡图像）等往往不能顺利地看懂；②不同表征方式之间的转换能力较差（例如具体现象的抽象表征、图像表征转换为文字表征）；③空间-视觉（例如复杂的结构式、晶格、晶胞结构等）表征能力较差。这些困难很容易形成认知障碍，需要着力解决。

（8） 对分子原子层次的微观现象缺乏真正的了解，用宏观思维与宏观现象来代替微观思维与微观想象，不能恰当地进行微观想象和微观思维。例如，我们曾经通过研究发现，对于不同领域的平衡概念，学生掌握化学平衡概念的困难远远大于物理学和生物学中的平衡概念，这跟化学平衡涉及微观过程并且比较抽象有直接关联[3][4]。

（9） 思维定势产生消极影响。常常有学生觉得所学内容跟以前学习过的某内容相像、差不多而联想/套用以前的经验，一旦发现错了就陷入困惑形成障碍。例如，常有高中学生对反应Na+KCl850℃NaCl+K

的发生感到困惑，其原因在于受到初中学习的金属活动性顺序的束缚，以至于形成学习障碍。再如，学生刚由无机化学学习转入有机化学学习时，由于思维跨度大，常常表现出较强的不适应。

学生也可能觉得所学内容“似曾相识”，陷入对以前学习内容及过程的追思但又遍寻不着，使学习过程陷于停顿状态。

（10） 不善于应用化学知识来解决化学问题，或者只凭简单直觉，或者机械套用解题模式，或者核心知识选择不当，或者过程、方法设计不当……

例如，常有学生认为，反应X（g）+Y（g）2Z（g）， ΔH<0

达到平衡时，增大反应物X的浓度，使得化学平衡正向移动，X的转化率自然增大（直觉错误）。

再如，已知2SO2（g）+O2（g）2SO3（g）， ΔH=-197kJ·mol-1

，向同温、同体积的三个密闭容器中分别充入气体： （甲）2mol SO2和1mol O2；（乙）1mol SO2和0.5mol O2；（丙）2mol SO3。要求确定恒温、恒容下反应达平衡时，各容器内的压强之间的关系。不少学生认为： P甲=P丙=2P乙，理由是三个容器内的反应是等效平衡。这里有简单直觉的影响： 认为等效平衡就是相同平衡或相似平衡，从不同途径建立的等效平衡会使物质的转化率相同、各组分的物质的量相等，忽视了平衡移动的影响。

4 化学学科认知障碍的消除

探明学生在化学学习中的具体认知障碍后，通过分析准确地判断成因，就可以采取针对性措施来消除学生的认知障碍。消除措施的选择、确定必须从实际出发，根据具体情况来选择、设计，下列举措可供参考：

（1） 注意研究学生对具体教学内容的认知规律，注意了解并研究学生的前概念，特别是相异构想、迷思概念，关注错误所在，精心设计或寻找有效的应对措施；在选择教学内容时注意内容的全面性、典型性和基础材料数量的适当性。

（2） 注意提供背景知识/上位知识/整体知识，使学生了解知识的来龙去脉、发生发展过程的逻辑和有关的联系。例如，扼要地介绍前人研究蔗糖水解、醋酸和乙醇的酯化、高锰酸钾氧化草酸等反应，发现可逆反应、平衡移动以及质量作用定律的历史过程，有助于学生顺利地形成化学平衡概念[5]。

（3） 注意引导学生从化学角度观察生活实际，积极开展化学实验实践活动，丰富学生的直接经验，强化他们的体验和印象。

（4） 引导学生准确地掌握概念、原理、定理、定义和典型科学事实；弄清概念的内涵，明确概念的外延和有关概念间的相互联系。

（5） 注意通俗与严谨相结合，通俗引路，逐步严谨。认知方法要得当、严谨，符合科学性原则；另一方面，认知方法又要适合于学生，利于学生理解和接受，注意通俗性和可接受性，循序渐进、逐步发展。这两方面存在着矛盾，但不是不可兼顾的，不是不能妥善解决的，关键在于创新，在于解决方法的巧妙性。例如，在九年级化学教学中，因为担心把分子定义为“保持物质化学性质的一种微粒”学生难于理解，有的教师干脆只要求学生死记，不作解释或者只是简单地解释一下，马马虎虎混过去；有人则主张把“保持物质化学性质”几个字去掉，只讲“分子是构成物质的一种微粒”。这两种做法都是回避矛盾，实质上没有解决问题。其实，这里有两个逻辑要点： ①分子可以聚集成大小不同的微粒（包括宏观微粒和微观粒子，日常概念里的“微粒”跟“微观粒子”是不同的，但是学生对这一点缺乏理解所以常常把这两个概念混淆起来，造成认知困难），单个的分子当然是这些微粒中的一种了（不宜把分子说成是“保持物质化学性质的最小微粒”，因为在原子晶体中，原子可能是保持物质化学性质的最小微粒）；②对于由分子构成的物质来说，它的分子及其聚集體当然会保持这种物质的化学性质。采用适当的方式把这两点交代清楚，学生理解、记忆分子定义的困难就可以消除，如果配以适当的插图解说，效果会更好。

（6） 重视在适当时机引导学生进行知识的联系、比较、综合，注意弄清知识之间的联系和区别；关注知识的最佳组合方式，使有关知识序列化、组块化。例如，明确核心概念、衍生概念，引导学生画出概念图，或者画出问题结构图、思维导图等，能促进知识结构化，避免和消除认知障碍。按照原理、反应物、装置、条件提供与控制、操作、产物分离与检测6个模块来了解实验；按照（必要的反应物预处理→）气体发生→除杂→收集→余气处理顺序来认识气体制备实验操作，有利于避免和消除实验认知障碍。

（7） 适时地总结、提升；引导学生认识规律、理解规则。

例如，在引导学生理解电解质概念内涵之后，再总结该概念的外延，从是不是电解质角度对物质进行划分，有助于预防、减少认知障碍：

物质电解质溶于水，且水溶液能导电的化合物 （举例略）

不溶于水，但熔融状态能导电的化合物（举例略）

非电解质 水溶液和熔融状态都不导电的化合物 （举例略）

既不是电解质

也不是非电解质单质 （举例略）

混合物 （例如溶液）

溶于水后生成别的物质的化合物 （例如氨水）

说明： 盐酸是例外情况： 虽然它是氯化氢的水溶液，仍把它归属于电解质，

并且很少把氯化氢说成是电解质，其原因是延续历史习惯。

（8） 重视认知障碍的正面解决，不回避推诿。回避推诿、不正面解决问题的做法不能消除学生的认知障碍。例如，对于“冒火才是燃烧”，除了反问“点着了的香烟、蚊香是不是燃烧？”、“它们跟电炉丝发红有没有不同？有什么不同？”，引导学生注意“有没有生成新的物质”这个关键问题外，正面介绍“冒火”即产生火焰，是气体燃烧的现象，有助于彻底消除学生的疑惑。

（9） 注意适当地教给学生有关的认知逻辑和思想方法，但应坚持渗透为主，力戒灌输。

（10） 增强生-生、师-生互动，等等[6～8]。

参考文献：

[1]金洪源著.学科学习困难的诊断与辅导[M].上海： 上海教育出版社，2004： 10.

[2][美]司马贺著.荆其诚，张厚粲译.人类的认知——思维的信息加工理论[M].北京： 科学出版社，1986： 114.

[3]薛俊梅.3—12年级学生“物质”和“平衡”科学概念的认知发展研究[D].上海： 上海师范大学硕士学位论文，2008.

[4]任丽曼.高中生化学平衡学习困难的因素分析[D].上海： 上海师范大学硕士学位论文，2010.

[5]倪志刚.化学平衡教学中的学生核心素养培育[J].化学教学，2017，（12）： 3.

[6]张祖牟.学习障碍研究文献综述[J].教育科学研究，1997，（2）： 12～17.

[7]周永垒，张奇.关于学习障碍定义的发展概述[J].教育科学，1998，（2）： 34～37.

[8]李雪娇.高中生化学认知障碍的探查及对策研究——以化学平衡为例[D].延吉： 延边大学硕士学位论文，2016.