摘要 高中化学教科书中类比的分析表明：（1）类比数目较少；（2）目标物以微观结构和抽象概念为主，类比物主要是学生熟悉的社会生活经验，学科知识较少；（3）类比呈现方式以文字描述为主，少数辅助于图像类比；（4）类比物与目标物之间的相似属性以结构关系为主，兼具结构与功能关系的类比不足；（5）类比相似属性的映射程度较高，但类比的局限性被忽略。建议教科书中类比的编写：适当增加类比的数目；扩展类比物的范围；重视宏观、微观和符号三重表征的类比设计；适时增编类比方法的指导。
关键词 类比 高中化学教科书 图像类比 呈现方式 化学概念
“类比”一词来自古希腊词汇“analogia”，原意是“比例”，古希腊数学家用它来表示2组数间的相似关系，后来在更广泛的意义上被使用。一般说来，类比是在2个不同事物之间进行对比，找出若干相同或相似点之后，推测在其他方面也可能存在相同或相似之处的一种逻辑思维方法，逻辑学上又叫类比推理［1］。化学史上，从宏观轨道类推到微观轨道，从原子轨道类推到分子轨道，从原子的外层轨道类推到分子的前线轨道，从原子轨道的对称性类推到分子轨道的对称性，这一分子轨道理论的建立，正是采用了一系列的相似和类推的类比方法。我们学习新知识时，若选取熟悉的知识或经验作为类比对象，这称为类比的源域，简称类比物，欲学习的新知识称为类比的目标域，简称目标物。类比物和目标物通过共同或相似的属性连接在一起，Duit（1991）把这种类比描述为共同属性的映射过程［2］。类比具有相似性、猜测性、或然性和创造性等基本特点。
普通高中化学课程标准在教科书编写建议中提出“教科书的编写要充分利用学生已有的知识和经验，引导他们理解和体会知识的产生过程，自主构建知识体系，增强进一步学习化学的兴趣。”［3］我们认为，教科书中类比的编写是实现上述建议的科学方法之一，因为类比是以相似性为基础，建立新旧知识、经验之间相关联的一座桥梁。本文对高中化学教科书中类比的编写特征进行初步分析，并提出若干编写建议。
1 高中化学教科书中类比特征的分析
研读新课程高中化学3套教科书（人教版，苏教版，鲁科版，2009年版）24册，发现化学与生活、化学与技术和实验化学3个课程模块的教科书中几乎没有出现类比的编写，其他课程模块的教科书15册，确认清晰的类比为73个，平均每册4.9个。参考国外教科书类比的分析框架［4］，结合分析类目的可操作性和化学学科特点，对高中化学教科书中类比编写的主要特征进行统计与分析，统计结果如表1所示。
1.1 类比的内容
类比的内容指目标物和类比物内容。目标物内容、出现的次数及占总数的百分比为（参见表1）：物质结构（包括原子结构、分子结构、晶体结构及相关概念和理论等方面的内容，33，45.2%）；物质性质（主要为无机、有机元素化合物性质，�16，21.9%）；化学反应原理（包括溶液平衡理论、化学键、化学反应能量、化学反应速率等内容，20，27.3%）；化学计量（4，5.4%）。目标物主要集中于与原子结构相关的电子层、能级、核外电子排布、以及化学键和能量、晶体结构、手性分子、平衡常数等概念，即主要是较为抽象和难度较大的化学微观概念，采用了类比的编写方式。类比物内容、出现的次数及占总数的百分比为（参见表1）：社会生活经验及自然现象（44，60.3%）；化学知识（21，28.8%）；物理知识（8，10.9%）。类比物内容，主要为学生所熟悉的社会生活经验、自然现象，多数是与学生生活经验相关的，能直接感知、具体的，所对应的目标物以物质结构内容为主；已学过的化学和其他学科知识的类比物较少，所对应的目标物以物质性质为主。
1.2 类比的呈现方式
类比的呈现方式主要有文字、图像的方式。分析结果显示（参见表1），教科书中仅用文字描述的类比有47个（64.4%），图像类比（包括图文）有26个（35.6%），多数集中于“物质结构”的内容中，主要功能是促进概念的理解。这可能因为该内容过于抽象和较难理解，是学生产生迷思概念的重要来源。文字类比的呈现数目高于图像类比。图像类比多是以图文并茂的形式呈现，有的图像类比内部结构简单而良好。例如，教科书中将“登山与盖斯定律”进行了类比，麦裕华等分析了“山的高度与上山的路径无关”图像类比（《化学反应原理》，人教版，图1-9），认为设计恰当，效果良好［5］。Shapiro（1985）指出视觉化过程对概念的学习非常重要，而类比的一个优势是提供学习者对抽象、复杂概念的具体视觉想象，图像的应用有助于视觉想象的形成［6］。按照Paivio（1986）的双重编码理论分析［7］，图像类比充分利用人的非语言信息处理系统，以表象形式促使学习者进行类比推理，增加了理解科学概念的可能性。
但是，从整体上看，教科书中图像类比的使用率较低和使用范围较狭窄，尤其是体现化学学科特征的宏观、微观和符号三重表征的图像类比较少。
1.3 类比的相似关系
类比的相似关系是指类比物与目标物之间相似属性的关系，主要分3种：（1）结构的相似性。即类比物外观上或内部的形状、大小、结构等与目标物相似，如“我们把不同的区域简化为不连续的壳层，也称作电子层，有人把这种电子层模型比拟为洋葱式结构”（《化学2》，人教版，图1-7）。这个类比以结构的相似性呈现，为学生提供了一个形象化的电子层模型。（2）性质的相似性。即类比物与目标物具有相似的性质（包括功能属性），如“第一个稀有气体化合物的发现”（《物质结构与性质》，苏教版，第21页）中描述了巴特列在合成O�2PtF�6时，联想到氧分子的第一电离能（O�2→O�+�2+e�-）为1 175.5 kJ/mol，与氙（Xe）的第一电离能�1 170 kJ/mol非常接近，通过元素性质类比，首次合成第一个稀有气体的化合物，体现了类比的创造性特点。（3）结构和性质的相似性兼有。如“水能与化学能变化的对比示意图”（《化学2》，人教版，图2-1），水能和化学能的变化都以图示形式（结构）描述，而其共同属性是能量的变化。将2者进行类比，能够有效的达到“化无形为有形”的作用。
统计显示，教科书中类比的相似关系为（参见表1）：结构的相似性有36个（49.3%），性质的相似性有24个（32.9%），结构和性质相似性兼有的为13个（17.8%）。教科书中多数类比关系是结构的相似性，其次为性质的相似性，兼有结构和性质相似的类比较少。
1.4 类比的映射程度
类比是一个映射过程。当我们机敏地发现类比物与目标物之间具有关联的相似时，就倾向于把类比物的相似属性特征映射到目标物上，并由此完成推断或论证［8］。教科书中类比的相似属性表现为结构、性质或2者兼有，其映射程度指类比物投射到目标物的相似属性的清晰度，Curtis&Reigeluth（1984）将其程度分为简单、丰富和延伸3级水平［9］。简单的类比只陈述目标物像类比物，而没有进一步的解释；丰富的类比是指描述了相似属性的某种属性，并进行了对应说明或解释；延伸的类比是指多重类比或陈述一个类比的几种属性。我们将丰富和延伸合并成一级，称之为复杂的类比。例如，教科书中“元素周期系的周期发展像螺壳的螺旋”（《物质的结构与性质》，人教版，图�1-15），未对其相似属性加以比较和说明，属于简单的类比。一般是类比的目标物不是特别抽象，教科书作者认为没必要作相似属性的比较和说明，学生应知道类比的属性。而下例类比：“如果把溶质（不限于固体）在溶液中形成饱和溶液时的状态，称为溶解平衡状态，对于化学反应体系来说，就应当称作化学平衡状态。溶解平衡所具有的许多特点，在化学平衡体系中都可以找到。例如，在反应体系中同时存在着正、逆反应2个过程，当这2个过程的速率不相等时，常常只能观察到某个方向的变化。”（《化学反应原理》，人教版，第26页）有对应属性的映射说明，称为复杂类比。统计显示，教科书中类比的映射程度较高（参见表1）：复杂类比有45个（61.6%），有28个（38.4%）类比为简单类比。
此外，类比物和目标物之间具有相似属性，必然存在不同的属性，即相异属性。教科书中提示了相异属性的有（参见表1）3个（4.1%），例如，“氯气是一种黄绿色气体，其化学性质与氧气有相似之处。它是一种非常活泼的非金属单质，能与铁、铜和钠等金属以及氢气、红磷、硫等非金属发生反应。除了上述与氧气类似的性质外，氯气还具有什么特征呢？”（《化学1》，鲁科版，第13页）表明了类比的相似之处，同时也暗示了类比存在不同属性。然而，95.9%的类比编写没有指出类比的相异属性，更没有提醒类比的局限性。
2 高中化学教科书中类比编写的建议
2.1 类比物与目标物的选择
2.1.1 适当增加类比的数目
我国高中化学教科书中类比数约为每册4.9个，大大低于国外教科书类比数目。例如，Thiele和Treagust（1994）分析了10册澳大利亚化学教科书中的93个类比，平均每册9.3个［4］。也就是说，教科书中目标物的数目较少，究竟选择多少目标物合适，目前没有这方面的实证研究。我们认为，教科书新增加的与大学化学有关的化学选修内容，诸如原子轨道、4个量子数、泡利原理、洪特规则、杂化轨道、熵变、焓变等内容特别抽象，学生难以理解，建议教科书作者适当增加类比的数目，用通俗易懂的事实类比说明这类新增的抽象概念。例如，量子和量子化的描述可用：flash影片是由许多时间帧构成的，每隔百分之几秒，就换一张图片，而不是连续不断的（从百分之几秒前的情景直接跳跃到百分之几秒后的情景）。每张图片，就是构成一段录像的“量子”，是不可分割的。物理量的上升、下降或者转换，就像一段flash影片，以一张张图片、断断续续地进行着，这其实就是一种量子化。这样的编写可以降低概念学习的难度，促进概念的理解。
2.1.2 扩展类比物的范围
高中化学教科书中类比物若选取学生熟悉的社会生活经验，例如，气球类比原子杂化轨道的类型；学校舞蹈类比为化学平衡；太阳系类比为原子结构；隧道类比为催化作用；稻谷类比为阿佛伽德罗常数；角色扮演类比为化学反应；风扇转动类比为电子云等，可以激发学习兴趣，化抽象为具体，促进知识的理解，实现“知识与经验”的整合。我们认为设计这样的类比，应尽可能联系学生已有的生活经验，选择典型、清晰的具有丰富内涵、生动有趣的“生活原型”作为类比物。当然，其不足之处是，未必能形成学科知识的结构化。
我们注意到，布鲁纳在《教育过程》一书中强调：不论我们选教什么学科，务必使学生理解该学科的基本结构……与其说单纯的掌握事实和技巧，不如说是教授和学习结构［10］。因此，以学生已有的学科知识（包括化学、物理、生物等）作为类比物，进行学科知识的纵向和横向类比组织，那么，学习所获得的知识就不再只是片段、分散的，而是有系统有组织的结构化知识。
例如，金刚石的空间结构可以看成是：甲烷分子中的4个氢原子分别被4个碳原子取代，得到一个中心碳原子与相连4个碳原子相结合的正四面体结构。在此基础上，周围相连的每个碳原子又与其他碳原子形成4个共价键，无限下去。在此过程中会形成金刚石结构中的最小碳环六元碳环。这样类比推理得到了金刚石的空间结构。同样地，以金刚石为类比物，晶体硅、碳化硅晶体、二氧化硅晶体可以依次采用一连串的类比进行描述。又如不同学科知识的类比，勒沙特列原理可用楞次定律进行类比。像这样通过对新旧知识相似的类比，根据认知心理学同化理论的综合贯通原则，认知结构中已有的观念可以重新组成彼此关联的观念，这样不但获得了新知识，而且认知结构中原有的因素经过新的组合又获得了新的意义。同样，选择学科知识为类比物也有其劣势，即较难促进学生学习心向。
如前所述，现行高中化学教科书中类比物主要是学生熟悉的社会、生活经验，学科知识比重较少。根据这一事实，我们建议：教科书作者可考虑扩展类比物范围，选择学习者先前熟悉和理解的化学知识、技能、思维方法或相关学科中合适的类比物，映射到目标物上，将后继学习建立在原有知识的基础上，使知识的逐层建构得以实现，促进知识的意义理解。
2.2 类比物与目标物的相似性
国外研究表明［9］，教科书中仅仅是结构相似的类比关系，其效果较差，因其只具备表面的相似性，而其他相异的属性可能较多，类比的使用自然受到较多限制；结构和性质的相似性兼有的类比，因其所具有的相似性较多，类比的限制自然较少。显然，兼有结构和性质相似的类比较难编写，这也是本研究所得此类比较少的主要原因。Iding（1997）指出从兼有结构和性质相似属性的类比物到目标物的映射，采用图像表征的类比较好［11］。鉴于高中化学教科书中图像类比使用率较低和使用范围较狭窄的事实，我们认为教科书中采用宏观、微观和符合三重表征的图像类比设计，可以体现化学学科特征的思维方式，能增进学生对化学知识的理解［12］。宏观表征是指对物质所进行的外在可观察的现象在学习者头脑中的反映。微观表征是指不能通过直接观察得到的，物质的结构、组成、反应机理等微观领域的属性在学习者头脑中的反映。符号表征是指由拉丁文和英文字母组成的符号和图形符号在学习者头脑中的反映，主要指化学式、方程式等。
高中化学教科书中的许多图像类比内容，往往直截了当地展示出微观结构模型类比物，和物质化学性质结合不够紧密。我们认为，物质结构与性质的表述，尤其是采用通过揭示各类元素化合物之间或有机化合物官能团，从结构到性质的相似性进行三重表征的类比，可使整个知识内容在不断地前后联系对比中向前推进，有利于增强学习效果。例如，氯气与水是否发生了化学反应？教材编写时，可以用氯气通入到水中，氯分子、水分子的球棍模型及对应产物的模型图，相应的化学方程式，组合成三重表征，从化学键的不同断裂处与不同键的生成的角度考虑，设计多种假设，再用实验进行探究，能对学生产生认知促进作用。
2.3 类比物与目标物的相异性
纵观教科书中类比设计，很少对类比的相异属性给予说明，类比的局限性被忽略。由于类比所得出的结论都具有一定的或然性，从2个对象在某些特征相似，并不一定得出它们在其他属性方面也必然相似的结论。正如内格尔说：“当不加分析地把熟悉的概念扩展到新的题材时，很容易犯严重的错误。”［13］例如，前文所述的“登山”图像类比，并未说明2者有何相异之处，化学反应热可以是正值或负值，而山的高度是正值，这可能会让人得出“反应热只能是正值”的结论。Glynn（1988）形容类比是“双刃剑”［14］，其用意在于提醒教科书的编写应慎用类比。
然而，类比本身就是重视相似属性的类推，相异属性的解释会增加教科书编写的篇幅和难度。由于缺乏有关高中生运用类比学习化学产生“迷思概念”的实证研究，那么，教科书中哪些类比的局限性应该指出，目前难以确定。所以，我们建议在教科书类比编写的时候，不要选入容易产生歧义或有争议的类比。像电子“自旋”像地球那样绕轴“自转”，这一类比有很大争议，电子自旋运动的实质仍在探索之中，故不宜选入教科书中，但可以适时增加一些类比方法指导的栏目，让学生明确使用类比的策略。
参考文献
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