基于系统性思维发展的化学概念图研究*

宋秀丽 耿晶晶 侯保林

（1.太原师范学院化学与材料学院，山西晋中，030619；
2.江苏省宜兴市和桥高级中学，江苏宜兴，214200）

从微观尺度研究化学变化的科学技术日渐成熟。但即使是描述一个最简单的水分解反应，从动力学、热力学、聚集态、单分子行为、多分子团聚与分散等不胜枚举的角度，均不能概括其反应的复杂程度。教学论认为，构建模型图是解析客体复杂性可行的方法之一，通过模型展示概念的演化，实现概念的形式逻辑运算[1]。在大概念教学中，巧妙地结构化、功能化各个要素，使形成的模型无限逼近真实，解构真实发生的过程，是发展图形工具的前提之一。

比较经典的范式是，基于系统内各要素之间的相互作用，系统内部自我组织，并在暴露和被认知自身平衡的整体性时，系统各要素以反解构形态隐藏，从而实现系统的抽象性和复杂性建构。譬如，在分子层面讨论水结冰的现象，若无模型假说和显微电镜的辅助，其结晶要素—氢键（H-bonding）就仍然停留在不可量化认知的“迷思”阶段[2]。

从概念掌握的角度看，不论是方法的获得、思维途径的优化、能力表现的加强，还是核心素养的升华，化学教学过程因化学反应历程的复杂性而变得异常艰辛。还原论认为，将复杂的化学主题拆解为若干学习板块，乃至学习基元，通过内容排序和教学二元行为（教的行为和学的行为）的相关响应形成教学行为对[3]，波浪式推进，促进学生化学学科本源性知识的把握，如图1 所示（T 代表教授行为Teaching，L 代表学习行为Learning，K 代表学习内容节点Knot）。遵照范例教学法的基本特性，将抽象的概念简单化、生活化、具体化、形象化、经验化，通过其他更简单概念的演绎支撑，进而达到学习思维的进阶[4]。

图1 师生互动的教学二元行为响应机制图

研究表明，简化学习内容，吸引学习注意力聚焦于化学核心概念，有助于高效地理解和掌握化学概念，增进化学学科的本体性认识，处理化学变化全局的复杂性[5]。考虑到整体性、复杂性和动态变化的过程性，化学教学更加关注不同化学概念之间的关联以及化学变化的动态性质，引导学生发展出一套自身能够对化学实际问题的理解和化学变化复杂性认识的形而上学的方法论，是化学教师在课堂教学中义不容辞的责任，也是化学教师教学水平的自我展现。正因为系统性思维与教学内容的进阶、科学概念的认识紧密相连，发展系统性思维就是发展学科文本解析能力、挖掘学科认识角度、掌握学科知识结构、提升解决实际问题能力，所以系统性思维的养成具有非常重要的意义。

教学的目的之一，是为学习配备能够理解复杂性的工具，从而帮助学生在面临复杂系统时利用系统性思维的工具着手解决问题，实现有意义学习。Hoffman 认为，对复杂系统而言，当不能通过内部认知手段实现解构时，可视化模型对促进个人乃至社会整体的思维都十分具有潜力[6]。换言之，发展可视化图形工具，不仅能促进有意义学习，而且有助于相关领域的专业人士应对系统的复杂性，即帮助概念化系统性思维的完善。

图、表、曲线等通常是用于支持系统性思维建立的重要可视化手段。在生命科学领域，系统研究比化学学科中更为普遍。如图2 所示，Hmelo-Silver等人用图示法来帮助中学生对CO2排放的生态系统动力学的理解[7，8]。调查显示，受试组的班级使用了不同生态系统的计算机模型绘制图片，对照班级仅完成了典型的学校课程活动和有关生态系统的阅读。对比发现，使用图示法了解复杂的生态系统的学生具有明显的学习收获。绘画的创作使学生更能够表达和完善他们对生态系统动力学的理解。

图2 CO2 排放教学专题的SOCME 图

自门捷列夫发现元素周期表以来，人们对元素化学性质的认识有了质的飞跃。周期表不仅作为一种基于原子结构周期性变化得到的一种可视化工具，用来揭示元素原子的递变性和相似性，还利用该工具预测未知元素的位置。学习过程中使用包含基本图形在内的可视化工具来组织和思考化学概念，譬如用化学式表示元素原子、离子或化合物，用球棍模型表示结构式和立体化学的分子构型，用反应速率描述反应快慢，用其他热力学函数方程表示化学反应热力学上的许多定量关系，是如今发展化学思想，认识化学世界的常用方法。和学习其他自然科学一样，图形或其他可视化工具为化学的学习提供了一种强大的描述分子水平世界的方法。

选择图形工具的原则是图形在教学情境中能自发地关联更多的小概念，考虑受众对小概念的熟悉度。越是熟悉的概念，实际使用越发频繁，从而在知识迁移上能够做到在获得概念的融合上达到最小功耗。对于陌生概念，用已建立的概念图来增强对学科背景的理解和学习情境的沉浸，从而达到学科本质的同化[9]。

发展关联丰富的课程资源的化学概念图，为系统性思维的培养提供足够的资源，使学习从课内走向课外，从课堂走向生活，从现在走向未来。与传统概念图只关注学科知识本身的复杂性的解构不同，新型概念图更加强调概念的延展，促进学科知识传递的形态向书本与社会的即时互动转移，寻找生活中的系统模型作为应用的可能，倡导可互动、可描述、可再生、可延展的增强版概念图的建构。

延展性是指当语言无法准确指明其所要表达的意义时，语言只能指涉与之相关的概念，不断由它与其他意义的差异而得到标志，从而使意义得到延伸和拓展。由于意义永远是相互关联的，却不是可以自我完成的，所以延展性可被认为是概念图的基本属性之一。

概念图利用其意义的延展性来理解概念。发展系统性思维，通行的做法是通过绘制系统概念拓展图（Systems-Oriented Concept Map of Extension，简称为SOCME 图），关联子系统内要素之间的映射和子系统之间的指涉，实现系统概念的升级和延伸。与一般的概念图不同，SOCME 图包含若干子系统，仰仗子系统的各个要素配合，子系统间彼此存在定界但又相互联系（如图3）。

图3 STSE 理念子系统结构图

阐明子系统边界的延展性直接影响系统模型的呈现。概念图用于规模较大、复杂程度较高的系统时，定界子系统延伸的范围代表着系统概念可视化表达的完整性。SOCME 图在子系统内部与子系统之间的映射方面展示出强大的拓展功能，因而使得自身更具优势。SOCME 图又因自身的开放性，有助于系统设计端与系统使用端通过更多标准概念映射的功能实现拓展机制，尤其有助于实现系统使用端根据兴趣背景对系统边界展开扩张。

如图2 CO2排放教学专题的SOCME 所示，对许多概念映射，图中的椭圆作为构成子系统的要素，这些要素作为节点彼此连接。虽然该图大多数节点在用带箭头的线条表现映射关系时，都只有一个或者两个连接，但仍能清楚地表明子系统的构成要素和子系统对母系统的支撑。为了发展学生的系统性思维，教师在化学课堂上的教学方法的选择应贴近学生的生活经验。比如，日常生活的运转离不开能源支撑，传统能源中CO2作为化石燃料燃烧供能的产物，有效帮助学生对CO2知识系统的建设。从SOCME 图看出，CO2是人类工业生产的结果（子系统A）；
其大气层浓度的增加引发全球变暖（子系统C）；
热量无法反射导致全球生态失衡，诱发灾难，人类行动起来实现CO2减排（子系统B）；
地球超70%的球面覆盖的海洋广泛与大气形成界面，吸收CO2，实现海洋固碳（子系统D）。

SOCME 图对于抽象概念的解构在同等条件下优先使用，能保证产生概念认知的次序优先，并获得更为丰富的概念延伸。随着作为小概念的要素数目与要素关系的双重叠加，SOCME 图的使用将子系统本身与子系统之间的复杂概念简化，突出化学结构性特征，对作为大概念的系统带来更多确定性。

为了增强清晰的概念传递，绘制概念图的规则会要求构图的规范性与开放性。尽管概念图因人构建，依人而变，图形的建构与解构充满权变性，但在某个共谋约定的时空形成相对稳定的结构。由于子系统各个要素更加丰富的信息表达，发展系统性思维关键在于开发子系统的概念模型。一般情况下，小概念离散分布，彼此的关联可能在没有意识的情况下相隔较远。经过概念模型的制作与识别训练，学生对处理各个子系统内部动态的关系，对布置各个要素的秩序以改善系统性思维的统摄能力相对熟练[10]。

1.CPM 组织框架图的应用

概念过程化处理法（Conception -Process Methodology，简称CPM）代表一种要素连接过程概念化、可视化的工具，因要素与要素的连接具有确定的方向、意义和目的，保障了概念传递的效度与信度。借助概念图和文本相结合的形式，CPM 通过调动视听感官，极大地降低了认知门槛。如图4 所示，CPM 法由概念过程化流程图（Conception-Process Diagram，简称CPD）和概念过程化语言图（Conception-Process Language，简称CPL）两部分组成。在使用CPM 描绘事物A 与事物B 概念演化与推导过程时，显示或隐藏系统中不同层级的信息细节均可通过调整CPM 模型实现。通常，概念以静态的三种样式呈现：存在，不存在，在特殊条件下的存在。而过程具有时间的持续性和变化的可行性，可分为两种方式：发生，不发生。在CPM 模型中，表达概念化的要素与要素之间，联结被认为是变化过程前后成立的关键[11]。

图4 CPM 组织框架图

2.时间行为工具图的应用

凭借系统性思维有效地将教学的基元内容与更为复杂宏观的单元内容、板块内容、主题内容等连接起来，但内容的系统性随着时间推移会发生更新。考虑到系统中要素关系的流动性和因果律，概念模型的创建重在设计时间推移带来系统轮替的反馈机制。其模型的表示形式，可以用因果关系图或者流程图呈现。时间行为图（Behavior Over Time Graph，简称BOTG）通常在xy 组成的二维平面上，x 轴为时间，y 轴为系统行为的变化量，如图5 所示。此类图强调动态变化的过程，而不是要素表现的状态。

图5 CO2 浓度BOTG 图

3.因果反馈图的应用

因果反馈图（Causal Feedback Diagram，简称CFD）能清楚地表明连接的方向性和要素作用的反馈性，一般用于要素驱动型系统模型的结构和行为。在CFD 中，前后要素之间的联结通过标记符号指示反馈的因果。符号可以用（+）或（-）表示，（+）记为原因要素对结果要素带来正反馈，而（-）表示原因要素对结果要素带来负反馈。与BOTG 相比，CFD的优势在于各个要素的反馈性。例如，从图6 清楚地看出海水对CO2挥发或固定的反馈回路，而BOTG 则没有此优势。

图6 海洋CO2 浓度因果反馈图

既可以是基于化学现象本身的描述，也可以是透过化学现象揭示化学反应中分子行为的作用本质，绘制丰富的图形工具加强复杂化学变化的系统性思维的习得。可视化图形在描述不同对象而选择不同的图形能够有效地展示图形功能，帮助包括概念单体、概念群蔟和概念云团的系统性理解。受系统性思维发展的环境限制，对教师来说，选择何种工具尤其考究。当教材篇幅受限，给定的图形工具并不能对化学学习的社会意义和科学命题产生刺激，使用自制图形工具更有利于整合教学内容以发展系统性思维。

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