中学化学具身认知教学策略研究
作者： 黄云鹏摘 要：具身认知理论强调身体体验对于认知的影响，当前的中学化学课程教学中仍存在大脑认知与身体体验分离的问题。以具身认知理论为指导，结合化学学科教学的基本特征探讨有效的化学教学策略，并以“化学能与热能”主题教学为例加以说明，以期为教师改进化学课堂教学提供参考。
关键词：中学化学；具身认知；教学策略；化学反应与热能
文章编号：1005-6629（2024）09-0042-05
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 引言
自然科学课程常常涉及命题形式的知识，使得传统教学活动中离身认知理论被广泛接受而处于主导地位［1］。离身认知强调认知过程发生在大脑中，与身体无关，身体的作用仅限于提供、接受刺激及执行大脑发出的指令。这种身心二元观在面对人的复杂认知时产生了教学的三重困境，即教学观念的离身性、教学环境的封闭性以及教学设计的预设性，与新课改背景下培养学生核心素养的要求相背离。
第二代认知科学转向具身的探讨视角，学习的具身性、情境性和生成性得到广泛关注。具身认知理论认为，认知是通过身体的体验及其活动形成的，而身体处于环境的大背景下，强调认知、身体、环境三要素的一体性，其认知过程常表现为学科实践活动［2］。化学学科具有显著的经验学科特征，其教学过程常与实验活动紧密结合，通过引导动手操作、观察实验现象等形成身体体验的实践活动，促使学生有效认知建构的发生，这与具身认知理论认为认知与感知经验关联的观点相契合，弥补了传统离身认知的理论取向对于化学教学深入发展的阻碍，而当前全息投影、体感交互等新兴技术的开发为具身认知理论指导教学实践的探索提供了进一步的支撑。
具身认知下的教学是在教师引导下，依据具体教学内容，使学生的身体与认知对象、所处环境（包括教师、同伴、教学用具等）发生有效互动［3］，从而获取知识、建立新的联系，生成式地促进教学发展的过程［4～6］。教学策略对教学活动的开展具有指向性和调控性，因此设计具身认知理论下的教学策略十分必要［7］。
“化学能与热能”选自高中化学人教版必修二《化学反应与热能》。本节内容的课标要求为：认识化学能与热能的相互转化，恒温恒压条件下化学反应的反应热可以用焓变表示，了解盖斯定律及其简单应用［8］。化学变化带来的热量变化在宏观上表现为体系温度的升降，教师可以创设合适的教学环境，引导学生通过实验操作亲身体验化学能与热能之间的转化，同时借助数字化仪器和微观模型探究从宏观到微观的转变并建构新知，完成认知、身体与环境的一体化体验。
本研究通过对具身认知理论及其要素的分析，以“化学能与热能”为例，探讨具身认知理论在中学化学教学中应用的主要策略，为教师开展具身认知教学提供参考。
2 基于具身认知理论的化学教学策略
以具身认知理论为指导，结合具身教学的要求和化学教学内容的特点，中学化学具身教学活动应在以内容为指南的基础上整合环境、身体、认知三者进行，凸显化学学科内涵，注重真实教学情境的设计，注重小组合作与教师针对性引导，发挥学生的身体感知作用，获取真实经验，调动学生的积极性使其主动构建并掌握化学知识和技能，提高化学学科核心素养。据此，提出如下有针对性的化学具身教学策略。
2.1 内容设计的差异性与连贯性
教学内容是具身教学的指南针，决定着创设何种教学环境、如何开展身体交互以发生有效认知。因此，对化学教学内容具身性要求的差异性分析是必要的［9］。此外，知识点本身呈螺旋式分布，且新认知的发生有赖于已有的知识基础，所以需要结合分布于不同阶段的知识进行连贯性设计，才能使学生发生具身认知。
化学知识体系可划分为事实性知识、理论性知识、技能性知识三类［10］。针对不同类型的教学内容应采取差异化的具体教学方法。对于化学事实性知识，重点在于让学生“身临其境”提升探索欲望，通过具体感知主动形成概念。例如，通过设置与生活息息相关的教学环境，呈现多方面的事实，调动学生的感官通道感知化学物质及其变化，如观察性状、嗅闻气味、听到声音，并进一步借助微观模型、VR技术使学生亲身经历从宏观到微观的认识过程。对于化学理论性知识，教师应有意设置具身体验中的认知冲突或探索障碍，激发学生主动思考［11］、探索本质并总结规律。情景再现的科学研究与角色扮演可作为常用的活动方式。化学技能性知识主要包括操作技能和计算技能。对于此类知识而言，具身操作即“上手”尤为重要。通过模仿和反复练习，学生才能充分理解各项技能的内涵，在问题解决过程中才可能实现技能性知识的迁移、改造和更高层次的创新。此外，具体教学内容的设计还应“瞻前顾后”，即将具身教学三要素组织建立于学生的已有经验上，同时拓展后续知识技能的学习［12］。
以“化学能与热能”主题为例，该主题内容兼具事实性与理论性知识的特征，具有一定抽象性。学生在初中阶段已从宏观视角认识了化学反应中的物质变化，初步了解了化学反应中的能量变化。在高中阶段的先前课程中，学生已认识到化学反应的本质是旧化学键的断裂和新化学键的形成。而本节内容的核心知识为能量变化，能量变化既是化学反应的基本特征，也与人类生产生活密切相关。
在以往的教学活动中，教师常遵从教材编排，向学生描述某种能量转化的过程并借此引出概念，如“在初中学习的‘生石灰与水的反应’中，典型的特征是放出了大量热量”。此时，学生能够回忆起相关知识，并在引导下将化学反应与“放热”相联系。然而，仅利用大脑加工的过程缺乏具身体验，学生对于“放热”的感受趋向片面，如“热量放出是瞬时还是逐步的”“反应放出的热量有多少”“放热能够持续多长时间”等问题未能产生并得到解答，学生只是简单地将热量与化学反应相联系，并未真正纳入知识体系中。因此，本节教学中需要创造事实场景，让学生感知能量转化，又需要结合具身实践让学生总结出能量转化的规律，故创设主要活动如下：（1）请学生触摸感知暖宝宝发热情况并拆分观察加热包成分；（2）请学生操作其他几组吸、放热反应并触摸容器外壁，观察不同反应热量变化非线性过程，并总结吸、放热反应的定义；（3）请学生运用相关分子模型和数字化设备探究部分反应的吸、放热情况，并总结微观本质。
首先，触摸感知暖宝宝的发热过程联系了学生的生活经验，调动了学生的触觉、视觉、嗅觉等多感官进行感知，激发了认知兴趣。当学生拆解暖宝宝，观察讨论配料成分，发现是铁粉与氧气反应的过程中放出热量后，教师再联系已有知识引发问题：是化学反应产生了热量吗？所有化学反应都会产生热量吗？其后，小组自主操作几组已学过和未学过的化学反应，感受其温度变化，在具身体验中明确了认识——有些化学反应产生热量，有些会吸收热量，发生了“能量变化”，并规范为“能量转化”这一表述。再进一步启发学生的探究行为和思维活动：化学能如何转化为热能、化学能能够全部转化为热能吗……，在身体、认知、环境的交互中学生对“化学能与热能”概念认知逐渐全面化。最后，教师引导学生继续直面无法观察微观变化的“困境”，使用数字化仪器等科学装备，破解能量变化的微观事实。
2.2 环境准备的适切性与探索性
教学环境是具身教学发生的基础［13］，学生在环境中触发“五觉”观察感受、思考分析、唤起记忆、探究解决教师预设的学习问题，主动领悟教学内容，达成具身认知。适切的教学环境需从硬环境和软环境［14］两方面衡量。硬环境指物理场所，如实验用具、技术设备等，在于提供给学生可触摸、可目视的感知信息，引发学生产生真实、多角度的感受。环境的变化由学生感官捕捉、记录、传达，运动系统在调动传导新体验的同时又导致新的环境变化，为学生提供真实而丰富的感官体验，契合具身性、情境性与生成性的要求。VR等智能技术的发展为更具针对性的数字化具身实践硬环境的创设提供了更多可能性；软环境指人文环境，如班级氛围、言语情景、合作互动等，为学生提供了即时的感官体验。硬环境和软环境需围绕教学内容安排，其中硬环境应在条件允许下提供尽可能多样的材料，在模拟真实情境的感知体验时，为学生提供多种途径的探索尝试机会，使学生在实践中主动产生认知冲突，进而发现问题解决的核心原理或途径并做出总结［15］；软环境方面，应充分调动每个学生的参与度，关键在于主动突破任务，在教师引导下不断试误，建立最终认知。
化学教学环境中可提供的感知体验常有四种：真实感知体验、实境感知体验、重现感知体验和类推感知体验。真实感知体验产生于学习者与实体环境的交互，通过身体的实际参与获取直接、全新的感官体验，如为特定实验任务提供充足适宜的化学实验用品，为学生营造基于实验活动的具身学习环境；实境感知体验产生于虚拟环境、再现环境中，如借助实验影像资料、全息等数字技术，通过科学家角色扮演、参观考察活动以及日常生活中的应用体验进行情境模拟以获取认知；重现感知体验通过问题驱动或者语言描述激起学习者对体验的回忆重现，营造基于实践的具身学习环境；类推感知体验通过类比思维等方式，引导学习者对类似体验进行想象并类比感知。四种感知体验都能不同程度地增进学生对知识的体验和理解，为具身教学中感知活动的设计提供了更多可能性。在亲身探究条件限制的情况下，教师应加强其余三种感知类型的刺激，弥补学生缺乏的具象体验，引导学生调动身体部位进行参与、感知，建立知识与实际的联系。
以往在“化学能与热能”的教学中常以学生已知的放热反应说明反应的能量变化，教学环境一般包括教材、板书、单一固定的实验材料等，具身性不足。为此，教学可结合真实感知、实境感知与重现感知体验方式进行，包括实验活动、数字化模拟实践活动等，让学生能够身临其境，打造多重感知体验。在教师引导的软环境下，为学生小组提供了多组不同的吸、放热反应材料及其他可供自由探索的实验器材。例如，教师以暖宝宝发热包作为情境的引出点，先请学生自行打开包装观察不用火、电即可产生较多热量的现象，进行真实感知与实境感知。随后拆解包装，结合配料表向学生展示暖宝宝的主要成分，再展示适当的实验药品和装置。学生可以从教师提供的参考实验入手，也可以使用提供的实验材料自主探究。除手部触摸、眼睛观察外，学生还可以采用温度探测仪器更具象地感知能量变化。最后，教师为学生提供不同形态的微粒模型，但不告知各模型代表的微观粒子种类，请学生小组自行选择化学反应，结合模型与数字化传输设备自主设计方案开展探究，总结共同点与不同点，以此进行重现感知。上述适切的软硬环境搭配设置，使得教学环境具有探索性，有效促进学生讨论思考能量变化的本质。
2.3 身体互动的体验性与主动性
身体互动是具身认知形成的触发器，在身体与环境交互中，产生的感官体验通过神经网络进一步传输到大脑，引发认知活动。身体互动主要包括与环境、教师和其他学生的交互，使得具身教学过程中体现出具身化、技能化及社会化的特征。具身化即学生与环境交互，如进行实验探究时通过肢体和感官获取真实感知体验，并将其与化学知识联系起来，在外界环境的作用下持续主动地进行身体活动，不断探究与总结，促使环境变化，再引发新的探究行为，维持身体持续参与，从不断获取的感官体验中逐步形成完整的知识结构；技能化指当学生运用已有的化学知识和经验进行反复练习后，能够形成一定的操作和计算技能，产生机体的“自动化”；社会化则体现在师生互动、生生互动过程中，发挥自身的能力特长，有效互动克服认知障碍、锻炼思维能力。
学生主动发生交互行为，进行探究并积极发现规律是创设物理环境、教师积极引导的根本目的。因此，具身教学活动需要重塑传统教学活动的互动生态，关键在于教师进行角色的转变，从学生学习的领导者变成提供学习支架的辅助者，鼓励学生小组合作探究，在感知中建构新知。在师生、生生协作探究的过程中，学生个体的身体自由在具身教学中需得到充分保障。通过进行交流、展示、互评和操作等活动，加之教师讲解、评价的思想碰撞，帮助学生突破认知障碍，实现从身体感知到大脑认知的传递。同时，在学习了复杂的化学原理或模型后，要设置练习环节进行模型运用的强化训练，以形成“自动化”技能。此外，现代信息技术正不断介入化学教学活动，身体交互行为从直接的个体与事物之间以及师生、生生之间的交互拓展转变为以技术为媒介的多元化的交互。技术手段将身体感知放大或数字化，为学生提供全新而丰富的感知体验；传感器技术可作为感官的延伸，如利用氧化还原传感器、压强传感器等仪器“看见”化学变化中的细节，解决离身认知中的表征难题［16］。