基于认知隐喻的高中化学抽象理论教学实践——以杂化轨道理论为例

刘忠英|浙江省龙游中学

自1980 年莱考夫和约翰逊《我们赖以生存的隐喻》一书的出版在学术界掀起了隐喻研究的高潮后，科学界也进入了研究认知隐喻的时代。在学习新概念时，使用隐喻往往具有更好的顺应作用。因为人类认识新事物的基本模式，就是把陌生、难以掌握的事物或明或暗地转换成较为熟悉、易于掌控的事物，或者通过联想熟知的对象来理解和认识新对象，从而让理解更加具体、形象和生动。认知隐喻作为人类认识客观事物的基本方式之一，是在同类事物的暗示之下感知和理解这类事物的心理和行为［1］。

杂化轨道理论本身的抽象性以及探索物质结构知识和思维方式的独特性，成为高中化学教与学的难点。尽管有专家指出，教学该内容时可利用实物模型，即将微观、抽象、不可视的空间构型转变成宏观、具体、可视化的实物模型，打破抽象问题的学习障碍［2］。但在实际教学实践中，学生对该理论仍处于被动接受状态，无法建立微粒之间相互作用的认识模型，对原子轨道杂化后能量相同、形状改变等仍心中存疑，更不能理解杂化轨道理论是道法自然的一种伟大理论创举。学生难以提升探究物质结构的兴趣，就不能顺利形成科学态度与社会责任的核心素养。实际上，杂化轨道理论的前提是波函数的叠加性，依据是量子力学中波函数的态叠加原理。鉴于高中生的认知水平，笔者尝试利用隐喻的方式帮助他们建构对杂化轨道理论的认知模型。

一、抽象理论的教学程序

对抽象理论进行教学时，教师要引导学生从具体的事物或现象中提取出一般的概念、原理或规律，从而提升学生的认知水平。其一般程序为：选定较广范围内的事物—抽取众多事物的共性和本性特征—作横向、纵向、斜向对比—总结普遍规律—规整个别特殊现象—激发认知联想和认知加工—衍射新知特征、理解抽象特征。实践抽象理论教学的关键环节是教学活动的设计。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在“微粒间的相互作用与物质的性质”主题的“教学提示”中指出，要“借助实物模型、计算机软件模拟、视频等多种直观手段，充分发挥学生搭建分子结构、晶体结构模型等活动的作用，降低教学内容的抽象性，促进学生对相关内容的理解和认识”，同时“选用学生熟悉的生活现象、实验事实，以及科学研究和工业生产中的相关案例作为素材，激发学生的学习兴趣，帮助学生建立结构与性质之间的联系，发展‘宏观辨识与微观探析’‘证据推理与模型认知’等化学学科核心素养”。因此，“如何降低物质结构的抽象性”，是一线高中化学教师需要持续探索的重点问题。

二、隐喻的作用机制和认知隐喻的思维建构方式

隐喻是人类利用某一领域的经验来理解或说明另一领域经验的一种认知活动，也是表达和形成新概念的认知过程，没有它就不能获得新知识［3］。隐喻分为认知隐喻和概念隐喻，其中，认知隐喻聚焦于隐喻生成机制和隐喻意义的推导机制，并解释二者之间的取向性，而概念隐喻强调两个客观存在的概念之间的互通性。认知隐喻是人类认知客观世界的工具和手段，同时也是人类思维能力的发展和体现。思维由观念构成，观念由概念构成，概念由认知隐喻来建构［4］。认知隐喻是一种蕴含丰富想象力的思维形式，是人类认识客观事物的基本方式之一。

（一）隐喻的作用机制

隐喻的作用机制是从认知角度出发，在加工事物特征时所遵循的系统化规则。皮尔斯认为，所有的知识与思想都是通过符号获取的，隐喻的表达和理解的过程也就是符号的生成与解释的过程［5］。人们对符号的解释不是一步完成的，外界信息输入后，符形与符号在心理层面不断交换，由符形到符释的意指过程是一个认识加工的心理过程，它依赖于人的主体知识和外界提供的信息。隐喻是提供信息的重要方式，是将认识对象“符形化”的重要路径，是用一个概念理解另一个概念的途径，对头脑中的认识对象作出何种类型的隐喻影响着新概念的建构。概念建构过程如图1所示。

图1 概念建构过程

因此，我们可以认为没有隐喻就难以有新概念的建构。隐喻为我们提供了感知和体验认识对象的途径，建构了概念系统。我们思想和行为所依据的概念系统本身以隐喻为基础［6］。隐喻不仅仅是修辞手法，它还能帮助我们解构并传递经验，使我们能够通过可感知的、感性的经验世界来认知抽象的观念世界。隐喻是我们大脑中概念系统的组成部分，在两个完全不同的概念之间建立联系，隐喻大都来自我们的直观经验。正如康德所说：人类的知识开始于经验，形成于理性［7］。

（二）认知隐喻的思维建构方式

认知隐喻是主体化的概念，倾向于认知主体的感受性，更偏向本体与喻体及认知主体共通的联系。比如“化学键是胶水”，对学习者来说，化学键是“黏连两个原子核”的物质，胶水也是如此，所以构成了认知隐喻。认知隐喻具有主观能动性，是借助现有事物特征的概念图示来认识和描述新事物特征的认知方式。而实现抽象思维具象化的认知能力来源于两个概念的相似性，因此在认知隐喻结构中，发现两个概念的相似性是实现思维自我建构的关键，由此才能把看似毫无关联的事物相提并论，利用对它们感知的交融来解释、评价、表达自己对客观事实的真实感受及情感。从这一方面来说，认知隐喻就是一种具象化的思维方式。杂化轨道理论中概念与隐喻的相似结构点及科学解释如表1所示。

表1 杂化轨道理论中概念与隐喻的相似结构点及科学解释

三、基于认知隐喻的教学实践

（一）形成概念，开启新知——通过认知隐喻理解杂化轨道理论

与基态的原子核外电子排布相比，电子激发、轨道杂化是建构原子成键的新理论框架。为什么要针对原子轨道提出杂化轨道理论？原子轨道为什么会有不同的杂化方式？杂化前后轨道的数目、形状、能量有哪些区别与变化？解释这些问题，都需要科学地理解杂化的概念。原子轨道和杂化的概念是微观且抽象的，而抽象事物需要通过隐喻等方式来表达。通过隐喻，人们能够看到这些隐喻以外的东西。通过隐喻来思维的能力如同使用视觉、听觉、触觉等感官，而发挥认知隐喻的功能是有效建构新理论框架的重要途径，正如库恩所说：“认知隐喻是新概念诞生的助产士，是指导科学探索的强有力的手段。”［8］事实上，很多科学领域的基本术语都是成功的隐喻，认知隐喻在科学概念的建构中发挥着搭设理论框架、夯实概念基底的重要作用，并为概念的认知和理解提供具象化的方式。

例如，笔者通过“混合”实验引入“什么是杂化”“什么是杂化轨道”“原子轨道为什么会杂化”三个问题。

实验：（1）将两杯温度不同的水混合；（2）将1块红色橡皮泥和3块黄色橡皮泥相混合揉匀后，再均分成4块橙色橡皮泥。

以生活中宏观可见的过程进行认知隐喻式的教学，可帮助学生理解“原子轨道也可以通过混合的方式实现能量的重新分配和形状的改变”，以及“科学上把原子中能量相近的某些原子轨道，在成键过程中重新组合成一系列能量相等的新轨道而改变了原有轨道状态的过程称为杂化”。

师：什么是杂化轨道？

生：橙色的橡皮泥可由黄色和红色混合而成，与此类似，杂化轨道是由原来的原子轨道混合后重新分割而形成的新轨道。

师：原子轨道为什么会杂化？

生：温水可由热水和冷水混合而成，与此类似，发生杂化后，原子轨道上的能量平均化，新轨道从形状、伸展方向等方面都有利于形成更强、更稳定的化学键。

师：试着解释一下甲烷分子中的轨道杂化。（出示甲烷分子空间构型图，图略）

生：从甲烷分子的空间构型可知，它是由碳原子中的4 个能量相同和空间状态相同的轨道分别与4 个氢原子的轨道重叠成键。基态碳原子2s 轨道上的1 个电子激发到2p 轨道，形成4个单电子，这4个单电子分占的轨道重新线性组合形成4个完全等价的杂化轨道。

师：由于杂化轨道可多生成2 个共价键，从而放出更多的能量，这就使激发过程需要的大量能量得到补偿，看来碳原子在形成分子的过程中也是充满“智慧”的。

设计意图：轨道杂化是原子在成键过程中的自然选择，用生活实例隐喻原子轨道杂化在解释分子空间构型上更具有形象性。一个原子中能量相近的某些原子轨道，经过激发、杂化以后重新形成一系列新轨道，即杂化轨道。这就使学生对杂化后轨道的能量平均化、成键能力增强、形状发生改变有了清晰的认识。

（二）建构模型，发展理论——通过认知隐喻判断杂化类型

建构主义认为，学习是学生自主建构认知结构或建构知识意义的过程，科学概念的学习须由学生主动参与整个过程，重构知识的意义。知识、概念无法像物体那样直接传输或传递给学生，需要学生根据自己的经验或掌握的前概念，在学习共同体之间对话和沟通。以物质“混合”的认知隐喻学习杂化轨道理论，这种经验与杂化类型的知识建构具有全方位结构性相似的特点，不仅可为学生提供杂化的概念，而且可为杂化类型的学习提供思维建构方式。可见，认知隐喻的经验性、连贯性、结构化是实现抽象理论具象化的内在本质。在科学理论的形成和发展过程中，概念发展的障碍往往造成一种“瓶颈”效应，而认知隐喻可为概念的理解提供阐释方式。例如对“碳原子有不同杂化类型，其代表性的分子有不同空间构型”，可作出如下解释。

甲烷中的碳原子为sp3 杂化，正四面体型；乙烯和苯中的碳原子为sp2杂化，平面型；乙炔中的碳原子为sp 杂化，直线型。杂化类型的不同，代表杂化时候参与混合的轨道成分不同。杂化轨道用于形成σ 键和容纳孤电子对，价层电子对数包括成键电子对与孤电子对数，不同杂化类型的碳原子，分子的空间结构自然不同。杂化类型决定了分子的价层电子对数，价层电子对数也反映了杂化类型。

共价键是带负电的“电子云胶水”黏连两个带正电的原子核。这是一个具有结构性的认知隐喻。胶水密度越大，黏连效果也越好，这意味着电子云密度大，共价键也越牢固。也可用共价键去解释不同的杂化类型，因杂化轨道一般用于容纳成键的电子对和孤电子对，中心原子形成的杂化轨道数目需要大于或等于其周围有配位的原子数，通过杂化后的原子轨道在成键时与配位原子的轨道有最大程度的重叠度，则黏连原子核的效果更好。

如甲烷分子在形成过程中，氢原子沿4个sp3杂化轨道方向头碰头重叠，形成σ键，杂化轨道向空间四个方向伸展，故甲烷的分子空间构型是正四面体。sp2、sp 杂化轨道中未参与杂化的p轨道肩并肩重叠形成π键，故乙烯中有1 个未杂化的p 轨道形成π 键，乙炔中有2个未杂化的p轨道形成π键。

设计意图：进一步以“混合”的认知隐喻认识杂化，由杂化方式判断几类烃分子的空间构型，由分子空间构型理解杂化方式。利用“电子云胶水”连接起两个成键原子核的认知隐喻模型来分析各类化学键，有助于学生建立从微粒和微粒间的作用的角度来解决问题的思维模型。

（三）设计活动，应用理论——利用认知隐喻比较键角大小

重新审视认知隐喻的价值，是当代认知科学的重要议题。认知隐喻的机制是从熟悉、已知到陌生、未知，从具体到抽象。因此，活动化呈现认知隐喻的动态过程，是值得尝试的一项工作。我们也可通过活动发挥认知隐喻的工具性作用，使之产生新的意义。

如在活动过程中，学习小组成员找出VSEPR 模型与分子真实模型的区别与联系，以及价层电子对排斥力大小与键角的关联，然后在交互质疑辩论的过程中，找到推测键角大小的思维逻辑，即“先看杂化类型，再看孤电子对数”，逐渐形成正确的科学认识。

由此可见，认知隐喻中认知主体思维的独特性、发散性、关联性和系统性对隐喻生成、表达和理解具有特殊意义和重要影响。

教师也可使用“以杂化轨道类型预测H2O、NH3的空间构型与VSEPR 模型出现偏差，H2O、NH3的分子键角与VSEPR 模型也不完全相符合”这类素材，引发学生的认知冲突，然后用电子对（孤电子对或成键电子对）之间是相互排斥的“电子云胶水”认知隐喻解释，并以气球作为电子对模型让学生展开活动。

H2O、NH3中的VSEPR 模型均是四面体，其中O、N杂化轨道类型为sp3。若H2O中的O原子不是sp3杂化，用p轨道2个单电子成键，水分子的键角为直角，将与实际情况不符合。（活动过程中出示4个相连的气球）4个气球向空间4 个方向延伸，价层电子对彼此远离，斥力最小，这就是H2O、NH3分子的VSEPR模型。H2O、NH3中心原子周围分别有2对和1对孤电子对，孤电子对也占据杂化轨道，并受到1 个原子核的引力，而成键电子对受到2个原子核的引力，因受到的力不同，“电子云胶水”变形的程度不同，孤电子对比较肥大，成键电子对则因2个原子核的拉扯而比较细长。（展示4个相连的气球，向其中的1 个多加一点气体，使它更加肥大，模拟孤电子对）一个气球加气后对其他3 个气球的挤压力增大，3 个气球分子之间的夹角变小了。而若是向2个气球加气，则对其余气球的挤压力更大，夹角也会变得更小。

设计意图：以活动隐喻类比价层电子对的相互作用，以气球为成键电子对，加气的气球为孤电子对，引导学生通过活动理解分子中键角的变化，得到“孤电子对之间的斥力＞孤电子对与成键电子对之间的斥力＞成键电子对之间的斥力”的结论。对含有孤电子对的分子VSEPR模型在预测空间构型过程中有一定偏差，在解释分子构型时与杂化轨道理论结合起来处理，会更加方便和完善，两种理论既有一定的一致性和互补性，又有各自的优越性和局限性。

四、小结

轨道杂化、共价键的形成和价层电子对的作用等教学内容抽象且理论性强，对其进行教学时，教师需要精心设计教学环节，采用任务驱动的方式，开门见山地用疑问引出杂化轨道理论，引导学生通过甲烷分子中碳原子的sp3杂化类型的学习实现迁移至其他杂化类型的目标，最后应用理论解释分子的空间构型。整个教学过程，笔者通过认知隐喻的方式极大地降低了理论的抽象性，让学生保持思维的碰撞来促进理解，培养分析、解决问题的能力，发展模型认知素养，完善结构决定性质的学科观念。可见，认知隐喻作为一种有效的认知操作方式，能增加“抽象理论”课堂的趣味性，促进学生积极建构认知模型。