劉忠英|浙江省龍游中學(xué)

自1980 年萊考夫和約翰遜《我們賴以生存的隱喻》一書的出版在學(xué)術(shù)界掀起了隱喻研究的高潮后，科學(xué)界也進(jìn)入了研究認(rèn)知隱喻的時代。在學(xué)習(xí)新概念時，使用隱喻往往具有更好的順應(yīng)作用。因?yàn)槿祟愓J(rèn)識新事物的基本模式，就是把陌生、難以掌握的事物或明或暗地轉(zhuǎn)換成較為熟悉、易于掌控的事物，或者通過聯(lián)想熟知的對象來理解和認(rèn)識新對象，從而讓理解更加具體、形象和生動。認(rèn)知隱喻作為人類認(rèn)識客觀事物的基本方式之一，是在同類事物的暗示之下感知和理解這類事物的心理和行為［1］。

雜化軌道理論本身的抽象性以及探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識和思維方式的獨(dú)特性，成為高中化學(xué)教與學(xué)的難點(diǎn)。盡管有專家指出，教學(xué)該內(nèi)容時可利用實(shí)物模型，即將微觀、抽象、不可視的空間構(gòu)型轉(zhuǎn)變成宏觀、具體、可視化的實(shí)物模型，打破抽象問題的學(xué)習(xí)障礙［2］。但在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生對該理論仍處于被動接受狀態(tài)，無法建立微粒之間相互作用的認(rèn)識模型，對原子軌道雜化后能量相同、形狀改變等仍心中存疑，更不能理解雜化軌道理論是道法自然的一種偉大理論創(chuàng)舉。學(xué)生難以提升探究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的興趣，就不能順利形成科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的核心素養(yǎng)。實(shí)際上，雜化軌道理論的前提是波函數(shù)的疊加性，依據(jù)是量子力學(xué)中波函數(shù)的態(tài)疊加原理。鑒于高中生的認(rèn)知水平，筆者嘗試?yán)秒[喻的方式幫助他們建構(gòu)對雜化軌道理論的認(rèn)知模型。

一、抽象理論的教學(xué)程序

對抽象理論進(jìn)行教學(xué)時，教師要引導(dǎo)學(xué)生從具體的事物或現(xiàn)象中提取出一般的概念、原理或規(guī)律，從而提升學(xué)生的認(rèn)知水平。其一般程序?yàn)椋哼x定較廣范圍內(nèi)的事物—抽取眾多事物的共性和本性特征—作橫向、縱向、斜向?qū)Ρ取偨Y(jié)普遍規(guī)律—規(guī)整個別特殊現(xiàn)象—激發(fā)認(rèn)知聯(lián)想和認(rèn)知加工—衍射新知特征、理解抽象特征。實(shí)踐抽象理論教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是教學(xué)活動的設(shè)計。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在“微粒間的相互作用與物質(zhì)的性質(zhì)”主題的“教學(xué)提示”中指出，要“借助實(shí)物模型、計算機(jī)軟件模擬、視頻等多種直觀手段，充分發(fā)揮學(xué)生搭建分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型等活動的作用，降低教學(xué)內(nèi)容的抽象性，促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識”，同時“選用學(xué)生熟悉的生活現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)事實(shí)，以及科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)案例作為素材，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的聯(lián)系，發(fā)展‘宏觀辨識與微觀探析’‘證據(jù)推理與模型認(rèn)知’等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”。因此，“如何降低物質(zhì)結(jié)構(gòu)的抽象性”，是一線高中化學(xué)教師需要持續(xù)探索的重點(diǎn)問題。

二、隱喻的作用機(jī)制和認(rèn)知隱喻的思維建構(gòu)方式

隱喻是人類利用某一領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)來理解或說明另一領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)的一種認(rèn)知活動，也是表達(dá)和形成新概念的認(rèn)知過程，沒有它就不能獲得新知識［3］。隱喻分為認(rèn)知隱喻和概念隱喻，其中，認(rèn)知隱喻聚焦于隱喻生成機(jī)制和隱喻意義的推導(dǎo)機(jī)制，并解釋二者之間的取向性，而概念隱喻強(qiáng)調(diào)兩個客觀存在的概念之間的互通性。認(rèn)知隱喻是人類認(rèn)知客觀世界的工具和手段，同時也是人類思維能力的發(fā)展和體現(xiàn)。思維由觀念構(gòu)成，觀念由概念構(gòu)成，概念由認(rèn)知隱喻來建構(gòu)［4］。認(rèn)知隱喻是一種蘊(yùn)含豐富想象力的思維形式，是人類認(rèn)識客觀事物的基本方式之一。

（一）隱喻的作用機(jī)制

隱喻的作用機(jī)制是從認(rèn)知角度出發(fā)，在加工事物特征時所遵循的系統(tǒng)化規(guī)則。皮爾斯認(rèn)為，所有的知識與思想都是通過符號獲取的，隱喻的表達(dá)和理解的過程也就是符號的生成與解釋的過程［5］。人們對符號的解釋不是一步完成的，外界信息輸入后，符形與符號在心理層面不斷交換，由符形到符釋的意指過程是一個認(rèn)識加工的心理過程，它依賴于人的主體知識和外界提供的信息。隱喻是提供信息的重要方式，是將認(rèn)識對象“符形化”的重要路徑，是用一個概念理解另一個概念的途徑，對頭腦中的認(rèn)識對象作出何種類型的隱喻影響著新概念的建構(gòu)。概念建構(gòu)過程如圖1所示。

圖1 概念建構(gòu)過程

因此，我們可以認(rèn)為沒有隱喻就難以有新概念的建構(gòu)。隱喻為我們提供了感知和體驗(yàn)認(rèn)識對象的途徑，建構(gòu)了概念系統(tǒng)。我們思想和行為所依據(jù)的概念系統(tǒng)本身以隱喻為基礎(chǔ)［6］。隱喻不僅僅是修辭手法，它還能幫助我們解構(gòu)并傳遞經(jīng)驗(yàn)，使我們能夠通過可感知的、感性的經(jīng)驗(yàn)世界來認(rèn)知抽象的觀念世界。隱喻是我們大腦中概念系統(tǒng)的組成部分，在兩個完全不同的概念之間建立聯(lián)系，隱喻大都來自我們的直觀經(jīng)驗(yàn)。正如康德所說：人類的知識開始于經(jīng)驗(yàn)，形成于理性［7］。

（二）認(rèn)知隱喻的思維建構(gòu)方式

認(rèn)知隱喻是主體化的概念，傾向于認(rèn)知主體的感受性，更偏向本體與喻體及認(rèn)知主體共通的聯(lián)系。比如“化學(xué)鍵是膠水”，對學(xué)習(xí)者來說，化學(xué)鍵是“黏連兩個原子核”的物質(zhì)，膠水也是如此，所以構(gòu)成了認(rèn)知隱喻。認(rèn)知隱喻具有主觀能動性，是借助現(xiàn)有事物特征的概念圖示來認(rèn)識和描述新事物特征的認(rèn)知方式。而實(shí)現(xiàn)抽象思維具象化的認(rèn)知能力來源于兩個概念的相似性，因此在認(rèn)知隱喻結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)兩個概念的相似性是實(shí)現(xiàn)思維自我建構(gòu)的關(guān)鍵，由此才能把看似毫無關(guān)聯(lián)的事物相提并論，利用對它們感知的交融來解釋、評價、表達(dá)自己對客觀事實(shí)的真實(shí)感受及情感。從這一方面來說，認(rèn)知隱喻就是一種具象化的思維方式。雜化軌道理論中概念與隱喻的相似結(jié)構(gòu)點(diǎn)及科學(xué)解釋如表1所示。

表1 雜化軌道理論中概念與隱喻的相似結(jié)構(gòu)點(diǎn)及科學(xué)解釋

三、基于認(rèn)知隱喻的教學(xué)實(shí)踐

（一）形成概念，開啟新知——通過認(rèn)知隱喻理解雜化軌道理論

與基態(tài)的原子核外電子排布相比，電子激發(fā)、軌道雜化是建構(gòu)原子成鍵的新理論框架。為什么要針對原子軌道提出雜化軌道理論？原子軌道為什么會有不同的雜化方式？雜化前后軌道的數(shù)目、形狀、能量有哪些區(qū)別與變化？解釋這些問題，都需要科學(xué)地理解雜化的概念。原子軌道和雜化的概念是微觀且抽象的，而抽象事物需要通過隱喻等方式來表達(dá)。通過隱喻，人們能夠看到這些隱喻以外的東西。通過隱喻來思維的能力如同使用視覺、聽覺、觸覺等感官，而發(fā)揮認(rèn)知隱喻的功能是有效建構(gòu)新理論框架的重要途徑，正如庫恩所說：“認(rèn)知隱喻是新概念誕生的助產(chǎn)士，是指導(dǎo)科學(xué)探索的強(qiáng)有力的手段?！保?］事實(shí)上，很多科學(xué)領(lǐng)域的基本術(shù)語都是成功的隱喻，認(rèn)知隱喻在科學(xué)概念的建構(gòu)中發(fā)揮著搭設(shè)理論框架、夯實(shí)概念基底的重要作用，并為概念的認(rèn)知和理解提供具象化的方式。

例如，筆者通過“混合”實(shí)驗(yàn)引入“什么是雜化”“什么是雜化軌道”“原子軌道為什么會雜化”三個問題。

實(shí)驗(yàn)：（1）將兩杯溫度不同的水混合；（2）將1塊紅色橡皮泥和3塊黃色橡皮泥相混合揉勻后，再均分成4塊橙色橡皮泥。

以生活中宏觀可見的過程進(jìn)行認(rèn)知隱喻式的教學(xué)，可幫助學(xué)生理解“原子軌道也可以通過混合的方式實(shí)現(xiàn)能量的重新分配和形狀的改變”，以及“科學(xué)上把原子中能量相近的某些原子軌道，在成鍵過程中重新組合成一系列能量相等的新軌道而改變了原有軌道狀態(tài)的過程稱為雜化”。

師：什么是雜化軌道？

生：橙色的橡皮泥可由黃色和紅色混合而成，與此類似，雜化軌道是由原來的原子軌道混合后重新分割而形成的新軌道。

師：原子軌道為什么會雜化？

生：溫水可由熱水和冷水混合而成，與此類似，發(fā)生雜化后，原子軌道上的能量平均化，新軌道從形狀、伸展方向等方面都有利于形成更強(qiáng)、更穩(wěn)定的化學(xué)鍵。

師：試著解釋一下甲烷分子中的軌道雜化。（出示甲烷分子空間構(gòu)型圖，圖略）

生：從甲烷分子的空間構(gòu)型可知，它是由碳原子中的4 個能量相同和空間狀態(tài)相同的軌道分別與4 個氫原子的軌道重疊成鍵。基態(tài)碳原子2s 軌道上的1 個電子激發(fā)到2p 軌道，形成4個單電子，這4個單電子分占的軌道重新線性組合形成4個完全等價的雜化軌道。

師：由于雜化軌道可多生成2 個共價鍵，從而放出更多的能量，這就使激發(fā)過程需要的大量能量得到補(bǔ)償，看來碳原子在形成分子的過程中也是充滿“智慧”的。

設(shè)計意圖：軌道雜化是原子在成鍵過程中的自然選擇，用生活實(shí)例隱喻原子軌道雜化在解釋分子空間構(gòu)型上更具有形象性。一個原子中能量相近的某些原子軌道，經(jīng)過激發(fā)、雜化以后重新形成一系列新軌道，即雜化軌道。這就使學(xué)生對雜化后軌道的能量平均化、成鍵能力增強(qiáng)、形狀發(fā)生改變有了清晰的認(rèn)識。

（二）建構(gòu)模型，發(fā)展理論——通過認(rèn)知隱喻判斷雜化類型

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)是學(xué)生自主建構(gòu)認(rèn)知結(jié)構(gòu)或建構(gòu)知識意義的過程，科學(xué)概念的學(xué)習(xí)須由學(xué)生主動參與整個過程，重構(gòu)知識的意義。知識、概念無法像物體那樣直接傳輸或傳遞給學(xué)生，需要學(xué)生根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)或掌握的前概念，在學(xué)習(xí)共同體之間對話和溝通。以物質(zhì)“混合”的認(rèn)知隱喻學(xué)習(xí)雜化軌道理論，這種經(jīng)驗(yàn)與雜化類型的知識建構(gòu)具有全方位結(jié)構(gòu)性相似的特點(diǎn)，不僅可為學(xué)生提供雜化的概念，而且可為雜化類型的學(xué)習(xí)提供思維建構(gòu)方式?？梢?，認(rèn)知隱喻的經(jīng)驗(yàn)性、連貫性、結(jié)構(gòu)化是實(shí)現(xiàn)抽象理論具象化的內(nèi)在本質(zhì)。在科學(xué)理論的形成和發(fā)展過程中，概念發(fā)展的障礙往往造成一種“瓶頸”效應(yīng)，而認(rèn)知隱喻可為概念的理解提供闡釋方式。例如對“碳原子有不同雜化類型，其代表性的分子有不同空間構(gòu)型”，可作出如下解釋。

甲烷中的碳原子為sp3 雜化，正四面體型；乙烯和苯中的碳原子為sp2雜化，平面型；乙炔中的碳原子為sp 雜化，直線型。雜化類型的不同，代表雜化時候參與混合的軌道成分不同。雜化軌道用于形成σ 鍵和容納孤電子對，價層電子對數(shù)包括成鍵電子對與孤電子對數(shù)，不同雜化類型的碳原子，分子的空間結(jié)構(gòu)自然不同。雜化類型決定了分子的價層電子對數(shù)，價層電子對數(shù)也反映了雜化類型。

共價鍵是帶負(fù)電的“電子云膠水”黏連兩個帶正電的原子核。這是一個具有結(jié)構(gòu)性的認(rèn)知隱喻。膠水密度越大，黏連效果也越好，這意味著電子云密度大，共價鍵也越牢固。也可用共價鍵去解釋不同的雜化類型，因雜化軌道一般用于容納成鍵的電子對和孤電子對，中心原子形成的雜化軌道數(shù)目需要大于或等于其周圍有配位的原子數(shù)，通過雜化后的原子軌道在成鍵時與配位原子的軌道有最大程度的重疊度，則黏連原子核的效果更好。

如甲烷分子在形成過程中，氫原子沿4個sp3雜化軌道方向頭碰頭重疊，形成σ鍵，雜化軌道向空間四個方向伸展，故甲烷的分子空間構(gòu)型是正四面體。sp2、sp 雜化軌道中未參與雜化的p軌道肩并肩重疊形成π鍵，故乙烯中有1 個未雜化的p 軌道形成π 鍵，乙炔中有2個未雜化的p軌道形成π鍵。

設(shè)計意圖：進(jìn)一步以“混合”的認(rèn)知隱喻認(rèn)識雜化，由雜化方式判斷幾類烴分子的空間構(gòu)型，由分子空間構(gòu)型理解雜化方式。利用“電子云膠水”連接起兩個成鍵原子核的認(rèn)知隱喻模型來分析各類化學(xué)鍵，有助于學(xué)生建立從微粒和微粒間的作用的角度來解決問題的思維模型。

（三）設(shè)計活動，應(yīng)用理論——利用認(rèn)知隱喻比較鍵角大小

重新審視認(rèn)知隱喻的價值，是當(dāng)代認(rèn)知科學(xué)的重要議題。認(rèn)知隱喻的機(jī)制是從熟悉、已知到陌生、未知，從具體到抽象。因此，活動化呈現(xiàn)認(rèn)知隱喻的動態(tài)過程，是值得嘗試的一項工作。我們也可通過活動發(fā)揮認(rèn)知隱喻的工具性作用，使之產(chǎn)生新的意義。

如在活動過程中，學(xué)習(xí)小組成員找出VSEPR 模型與分子真實(shí)模型的區(qū)別與聯(lián)系，以及價層電子對排斥力大小與鍵角的關(guān)聯(lián)，然后在交互質(zhì)疑辯論的過程中，找到推測鍵角大小的思維邏輯，即“先看雜化類型，再看孤電子對數(shù)”，逐漸形成正確的科學(xué)認(rèn)識。

由此可見，認(rèn)知隱喻中認(rèn)知主體思維的獨(dú)特性、發(fā)散性、關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性對隱喻生成、表達(dá)和理解具有特殊意義和重要影響。

教師也可使用“以雜化軌道類型預(yù)測H2O、NH3的空間構(gòu)型與VSEPR 模型出現(xiàn)偏差，H2O、NH3的分子鍵角與VSEPR 模型也不完全相符合”這類素材，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，然后用電子對（孤電子對或成鍵電子對）之間是相互排斥的“電子云膠水”認(rèn)知隱喻解釋，并以氣球作為電子對模型讓學(xué)生展開活動。

H2O、NH3中的VSEPR 模型均是四面體，其中O、N雜化軌道類型為sp3。若H2O中的O原子不是sp3雜化，用p軌道2個單電子成鍵，水分子的鍵角為直角，將與實(shí)際情況不符合。（活動過程中出示4個相連的氣球）4個氣球向空間4 個方向延伸，價層電子對彼此遠(yuǎn)離，斥力最小，這就是H2O、NH3分子的VSEPR模型。H2O、NH3中心原子周圍分別有2對和1對孤電子對，孤電子對也占據(jù)雜化軌道，并受到1 個原子核的引力，而成鍵電子對受到2個原子核的引力，因受到的力不同，“電子云膠水”變形的程度不同，孤電子對比較肥大，成鍵電子對則因2個原子核的拉扯而比較細(xì)長。（展示4個相連的氣球，向其中的1 個多加一點(diǎn)氣體，使它更加肥大，模擬孤電子對）一個氣球加氣后對其他3 個氣球的擠壓力增大，3 個氣球分子之間的夾角變小了。而若是向2個氣球加氣，則對其余氣球的擠壓力更大，夾角也會變得更小。

設(shè)計意圖：以活動隱喻類比價層電子對的相互作用，以氣球?yàn)槌涉I電子對，加氣的氣球?yàn)楣码娮訉Γ龑?dǎo)學(xué)生通過活動理解分子中鍵角的變化，得到“孤電子對之間的斥力＞孤電子對與成鍵電子對之間的斥力＞成鍵電子對之間的斥力”的結(jié)論。對含有孤電子對的分子VSEPR模型在預(yù)測空間構(gòu)型過程中有一定偏差，在解釋分子構(gòu)型時與雜化軌道理論結(jié)合起來處理，會更加方便和完善，兩種理論既有一定的一致性和互補(bǔ)性，又有各自的優(yōu)越性和局限性。

四、小結(jié)

軌道雜化、共價鍵的形成和價層電子對的作用等教學(xué)內(nèi)容抽象且理論性強(qiáng)，對其進(jìn)行教學(xué)時，教師需要精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，采用任務(wù)驅(qū)動的方式，開門見山地用疑問引出雜化軌道理論，引導(dǎo)學(xué)生通過甲烷分子中碳原子的sp3雜化類型的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)遷移至其他雜化類型的目標(biāo)，最后應(yīng)用理論解釋分子的空間構(gòu)型。整個教學(xué)過程，筆者通過認(rèn)知隱喻的方式極大地降低了理論的抽象性，讓學(xué)生保持思維的碰撞來促進(jìn)理解，培養(yǎng)分析、解決問題的能力，發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)，完善結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的學(xué)科觀念。可見，認(rèn)知隱喻作為一種有效的認(rèn)知操作方式，能增加“抽象理論”課堂的趣味性，促進(jìn)學(xué)生積極建構(gòu)認(rèn)知模型。