化學觀念統領下的知識結構及認識思路

摘要：基于“物質組成”知識內容特點的分析，結合知識間的多重關系，就化學觀念統領下的知識結構及認識思路進行了探討。以化學觀念為統領，把具體的事實、概念與學科中普適性更高的重要概念和方法建立關聯，能讓學生從中領悟更有普遍意義、具有持久遷移價值的學科思想和解決問題的思路方法，這將對促進學生知識結構的改造和思維水平的發展產生積極影響。

關鍵詞：物質組成；知識結構；認識思路；化學觀念

文章編號：1005–6629（2015）8–0010–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

“物質的組成、結構與反應”是化學學科的基本問題[1]，認識常見物質的組成、結構、性質及變化等是中學化學課程的重要內容。與“物質組成”相關的知識（簡稱為“物質組成”知識）涉及混合物與純凈物這兩大類物質，分散在不同學段、不同主題或單元中，如以人教版教科書為例，初中階段有關混合物的知識先后有空氣、溶液等，有關混合物的分離與提純的知識先后出現在初中（第四單元課題2“水的凈化”）、高中必修1（第一章第一節“化學實驗基本方法”）、高中必修2（第四章第一節“開發利用金屬礦物和海水資源”）、高中選修5有機化學基礎（第一章第四節“研究有機化合物的一般步驟和方法”）等多個學段中。這樣的安排是基于關注學生的認知規律，希望通過螺旋上升的方式來逐漸拓展、豐富和深化學生的理解。對于散在的相關內容，若處理得不好，就會使教學內容顯得割裂、零散，容易使學生停留在對具體知識的簡單學習上，難以發現知識間的關系，產生理解上的困難。為此在教學中，如何能顧及相對獨立的具體內容，又不忽略它們之間的聯系是值得探討的。鑒于目前對“物質組成”知識的討論較少，筆者以化學觀念為統領，就“物質組成”知識的內容、結構及其認識思路展開探討。

1 對“物質組成”的認識

一般來講，“組成”有兩層意思[2]：一是成分、組分，指組合在整體中的部分、個體。二是指部分、個體組合成為整體。前者側重整體中的個別，后者強調基于個別的整體，即先要知道組成才能研究物質是如何構造起來的。

從化學的角度看，人們一般是用兩大思路或方法來研究物質的，既研究物質究竟是由哪些最基本的物質或成分所構成的，如把復雜的事物通過分析、分解和綜合，還原成為構成它們的基本組元的方法；也研究由一些基本成分或簡單物質如何變成較復雜的物質。不僅如此，化學學科是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質及其變化規律的，且注重宏觀與微觀相結合，把外在的性質、現象歸因于物質內在的組成和結構的特點。因此，化學學科獨特的視角之一是從物質的組成來認識物質并將其分類、歸納[3，4]。

在化學中，物質組成包括組分（對混合物而言）和元素（對純凈物而言）組成2個層次。依據物質是否由同一種組分組成，可以將物質分為混合物和純凈物。對于純凈物，按其組成元素的種類是否單一，可以分為單質和化合物。從組成的角度對形形色色的物質進行分析和歸類，找出它們的共性和差異，可以達到深入了解和利用物質的目的。

物質的組成與結構特點是物質所具有的決定物質性質的基本屬性。結構是指系統內部各個組成要素的搭配和排列[5]，以此類推，物質的結構涉及物質的組成成分（組分或元素）、存在形態（微粒或元素價態）及其相互關系（可以是數量關系、排列方式、位置分布、相互作用）等。由此可見，物質的組成是物質結構的重要組成部分，是決定物質性質的主要因素，進而影響著物質的用途。

物質組成與物質分類、物質組成與結構、物質組成與性質及其用途等相互關聯，分析和把握它們之間的關系，并形成對這種關系的理解或解釋，可以豐富和發展學生對物質的認識，可以更好地了解和利用物質。

2 “物質組成”知識的內容特點

中學階段，“物質組成”知識涉及混合物與純凈物這兩大類物質，對人教版教科書中的相關內容進行分析，大致可歸納為兩大方面（見圖1）：一是認識和研究常見物質的組成，具體包括：（1）常見物質由什么組成，如空氣的組成、水的組成、溶液的組成，一些常見單質及化合物的組成等；（2）物質組成的表示，如純凈物的化學式表示其組成；（3）物質中各成分之間的數量關系，如純凈物中元素間的質量關系（化合物中各元素質量比、化合物中某元素的質量分數）、混合物中某組分的質量分數（溶液中溶質的質量分數、溶液的酸堿性與pH等）；（4）物質中各成分之間的相互作用，如水溶液中溶質與溶劑之間的相互作用、水溶液中離子間的相互作用、由分子構成的純凈物中相鄰元素原子之間的化學鍵等；（5）對物質組成的測定，具體有混合物中某成分的含量或濃度的測定，如空氣中氧氣含量的測定、溶液酸堿性與pH的測定、酸堿中和滴定，也包括純凈物元素組成的分析，如水的組成、有機物的元素定性和定量分析等。二是從組成角度深入認識物質，具體有：依據物質組成將物質分類，如混合物與純凈物、單質與化合物、氧化物等；依據混合物中各組分性質進行物質的分離與提純等，涉及過濾、萃取、結晶、蒸餾等方法，如水的凈化、粗鹽提純、海水淡化等；依據物質組成推測、解釋或調控物質性質，如CO和CO2的性質不同；鐵合金與純鐵的性質不同，水溶液與純水的性質不同等。

從內容特點看，中學階段“物質組成”知識以事實性知識和技能性知識居多，而概念性知識和方法性知識偏少。其中概念性知識包括混合物與純凈物、單質與化合物、合金、溶液（溶質與溶劑）等概念，方法性知識主要是“依據物質組成的物質分類”和“物質的分離和提純”，缺少“依據組成推測或解釋或調控物質性質”等方面的知識，缺乏關于物質組成與結構、性質之間關系的概括程度較高的化學觀念與方法。從課程編排看，“物質組成”知識分散在不同學段、不同主題或單元中，不同階段學生關于“物質組成”知識及其承載的化學觀念與方法的認識要求并沒有清晰的界定。由此不難理解，在日常教學中，教師往往集中于具體知識與技能的教學，對學生思維過程與認知發展的重視不夠，盡管“結構決定性質、性質決定用途”等學科思想觀念為教師所熟悉，但有關“物質的組成與結構、性質及用途的關系”的內容常常被忽略。

3 “物質組成”知識間的關系與結構

知識結構由知識及其相互關系所構成。知識間的關系有包含關系、上下位關系、因果關系等。不同的關系，其意義不同。教學中需要立足整體的高度，將新知識的學習與學生已有的知識聯系起來，幫助學生分析和把握知識間的區別和關系，進而形成較為系統的知識結構。

3.1 知識間的異同關系

對知識間異同關系的把握，既需要“同中見異”，也離不開“異中見同”。通過比較、分類等方法可以找出事物或知識之間的異同點。通過比較，根據事物的特征分析它們的異同點，根據相似點可以對事物或知識進行分類。

從元素組成的視角認識純凈物，可以對元素與物質性質的關系有深入的了解[6，7]：一是從元素視角認識物質的“個性”，即物質元素組成（元素種類、元素價態、分子中元素間的結合方式及相互作用）上的細微差別，會引起物質性質上的巨大差異；二是從元素視角認識物質的“共性”，即基于物質元素組成可以將純凈物進行分類，基于物質類別認識同類物質具有相似的性質。基于物質類別可以深入了解物質性質與變化的規律。

鑒于課程內容分散編排的特點，“同中見異”較為顯性，在此強調要重視“異中見同”，需要注意通過比較和分析表面上不同事物之間的相同點或相似之處，來把握知識間的相似本質和規律。如物質的分離與提純，有過濾、萃取、蒸餾、結晶等不同方法，其原理各不相同，但它們的共同之處在于“利用混合物中各組分性質的差異來分離和提純物質”。這種知識間的相似性，特別是從個別事物抽象概括出的規律性知識（概括程度較高的一般性知識）具有統攝功能，可幫助學生學會利用某一知識去同化新知識或陌生知識，讓學習變得容易。又如，以“物質中某種成分的質量分數”為統攝，可以幫助學生較好地認識和理解化合物中某元素的質量分數、混合物中某純凈物的質量分數（如溶液中溶質的質量分數）等問題。

化學知識間的相似關系有多種，如宏觀性質相似、物質組成相似、微觀構成或結構相似、實驗原理與方法相似等，教學中需要注意對學生進行啟發和引導，以發展學生的認知策略。

3.2 知識間的縱橫聯系

知識間的層級關系包括橫向聯系和縱向聯系。縱向聯系是指不同抽象層次知識點之間的關系，又稱知識的上下位關系。“上位知識”是在對大量具體事物或知識進行抽象和概括的基礎上形成的，其中具體事物或概念、事實等稱為“下位知識”，如過濾、萃取、結晶、蒸餾是“物質分離與提純”的下位知識，相應地，“物質分離和提純”是上位知識（見圖2）。橫向聯系是指具有相同抽象層次的知識點之間的關系，即知識的并列或同位關系，如過濾、萃取、結晶、蒸餾之間屬于同位關系。又如，“化合物中某元素的質量分數”與“混合物中某純凈物的質量分數”是同位關系，而“溶液中溶質的質量分數”是“混合物中某純凈物的質量分數”的下位知識。

分析知識間的縱橫聯系，可以明確新知識學習中的思維類型，有利于確定合理的學習活動。對具體知識進行抽象概括、一般化或系統化等思維加工活動，可以幫助學生形成知識間縱向向上的聯系，讓學生能夠從中獲得更有普遍意義的概念和方法，實現知識的拓展和知識結構的改造。將抽象概括獲得的知識或方法用來指導或運用于解決具體問題，是知識縱向向下聯系的過程，也是促進學生將知識轉化為能力的重要途徑。

3.3 化學觀念統領下的知識結構

探尋物質宏觀性質和變化的內在本質和原因是化學學科的核心任務之一。物質的性質是由其內部組成和結構決定的，這是關于物質組成、結構與性質關系的化學觀念。物質的組成、結構與性質之間的這種關系可以認為是因果關系，即物質組成與結構的變化（原因）會引起物質性質的變化（結果）。

以上述化學觀念為統領，從組成（組分或元素）的角度來看混合物和純凈物的性質，可以將上述化學觀念進一步具體化（在此稱為“具體理解”），如純凈物的性質受組成物質的元素種類、元素形態（化合價、相鄰元素的結合方式、分子中元素間的相互作用等）等的影響[8]。對于簡單的化合物或單質，組成物質的元素種類甚至起著決定性的作用。與之類似，混合物的性質受組分的種類、數量及相互作用的影響。這些“具體理解”是基于對大量具體物質的性質與其組成關系的抽象概括，可以通過具體概念、事實或實例來體現。如合金和純金屬相比較，其性質上存在著較大的差異。在純金屬鐵中熔合一定量的碳、錳或碳、鉻、鎳等，這種組成的改變，使得鐵合金性能隨之發生改變。利用這種方法，人們可以制得一些符合特殊需要的金屬材料。

知識間的不同關系，構成了推理及解決問題的基礎，有的可以用來分析、概括或解釋一些具體問題，有的可以揭示分析和解決問題的思考角度和思維過程。

化學觀念具有思維引領作用，以化學觀念為統領，將事實、概念與普適性更高的概念性知識（具體理解）及化學觀念之間建立縱向向上的聯系[9]（如圖3所示），不僅能溝通相關知識間的內在聯系，提升知識的概括化程度和包容性，而且體現了化學學科獨特的認識視角與思維方式，能讓學生從中領悟更有普遍意義、具有持久遷移價值的學科思想和解決問題的思路方法，這將對促進學生知識結構的改造和思維水平的發展帶來積極影響。

4 “物質組成”知識的認識思路

化學觀念是化學知識體系中最深層或最上位的知識，用化學觀念統領具體知識可以促進對學科的基本思路及其知識間內在聯系的把握[10]。但是，學生對化學觀念的理解是以具體的事實、概念等具體知識為載體經過思維加工而逐步形成的，教學中需要尊重化學觀念的形成規律，即需要結合相關具體知識的學習，引導學生從化學視角對知識進行思維加工，幫助學生形成相應的認識思路與方法。

化學學科是在原子、分子和離子層次上研究物質的組成、結構、性質及其變化規律的，宏觀-微觀-符號相聯系是化學學科獨特的認識視角和思維方式，因此對物質組成的認識既包括宏觀層面，也包括微觀和符號層面。

如前所述，物質組成涉及組成成分（組分或元素）的種類、存在形態（微粒或元素價態）及其相互關系（包括數量關系、相互作用）等要素，以此為依據，將“常見物質的組成”作為認識和研究的對象，可以從物質、元素、微粒的視角從定性和定量兩方面梳理相應的認識思路，將知識內容轉化為如表1所示的認識框架，為學生的學習和認識發展指引思維的方向和路徑。

依據表1中的基本框架，按照學習進程依據知識發展的邏輯關系，在教學中需要結合相關知識內容的教學，將知識及知識間的聯系與認識思路方法統一到具體的學習活動中，將知識及知識間的聯系、認識思路與具體的問題情境建立關聯，通過學生的比較、分析、抽象概括、建立聯系等思維活動，將學習引向深入。

總之，化學觀念是化學教育中的重要內容。教學中需要注意突破孤立地傳授具體知識這一局限，要把學習化學學科的重要概念、化學觀念與學科獨特的認識事物的視角和思維方式作為重要的教學目標，圍繞重要概念或化學觀念組織教學內容，關注知識的形成過程以及知識間的區別和聯系，幫助學生逐步形成較為系統的知識結構以及看待事物的化學視角，并使之轉化為解決具體問題的思路與方法，這對于促進學生知識、思維與能力的協調發展不僅必要，且尤為重要。

參考文獻：

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[9]何彩霞.化學觀念統領下的知識學習與思維發展——以“溶液的酸堿性”教學為例[J].化學教育，2014，（9）：18～22.

[10]吳俊明，吳敏.為什么要關注科學觀念——關于科學觀念與科學觀念教育的思考之一[J].化學教學，2014，（4）：3～6，13.

[11]中華人民共和國教育部制訂.義務教育階段化學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2011.