化學高階思維的內涵界定與結構建構

郭金花　吳星

摘要：通過對“思維”“高階思維”“化學思維”等概念的分析，界定了“化學高階思維”的內涵。在“化學高階思維”概念以及對“思維結構”分析的基礎上，構建了化學高階思維結構系統，該系統分為三個層面：知識觀念層、動力調控層和智力智慧層。這三個層面是相互聯系、相互作用的有機整體。

關鍵詞：化學高階思維;內涵界定;思維結構;中學化學

中圖分類號：G633.8 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9094（2019）10A-0003-05

當下，以互聯網為代表的信息技術高速發展，信息技術取代了大量的記憶性和檢索性工作，人類從記住知識與信息轉向學會判斷、選擇、重組、運用這些知識與信息并做出決策。學習者不僅僅要知道“學什么”，更需要知道“怎樣學”和從“哪里學”。這些都對人類思維提出了極大的挑戰：對于未來的公民而言，僅擁有詳細的知識是遠遠不夠的，學習者還必須要有完成復雜任務、解決劣構問題的能力[1]，以及創造新概念、新理論和新知識的能力，即高階思維能力。

高階思維的培養應從基礎教育開始抓起，并落實在各門學科教育中。化學作為自然科學的重要分支，非常重視思維對科學發展的作用。在《普通高中化學課程標準（2017年版）》（下面簡稱“新課標”）中共有3處強調發展學生的“高級思維”能力[2]，因為它是學生獲得高水平化學核心素養與高水平學業質量的關鍵能力[3]。

一、化學高階思維研究的現狀

國外學者對高階思維的研究比較早。布魯姆（B. S. Bloom）和安德森（Anderson）是最早提出“高階思維”概念的學者。瑞斯尼克（Resnick）與恩尼斯（Ennis）系統分析了高階思維的一般特征與標準。鐘志賢、姜玉蓮等人是國內對高階思維研究比較深入的學者。但是目前對化學高階思維的研究尚處于起步階段，研究主要是通過分析化學學科性質和課程標準將高階思維進行描述和表征，來確定高階思維培養的方式。可見目前對化學高階思維研究的內容還比較單一，主要集中在如何培養高階思維的實踐研究上;培養方式也只是停留在一般性化學課堂教學方法的嘗試上。而化學高階思維的理論研究，如內涵、思維結構、評價、發展等還缺乏系統、深入的研究。本研究旨在文獻研究的基礎上，結合化學學科思維的特點，嘗試界定化學高階思維的內涵，構建化學高階思維的結構系統，從而為化學高階思維評價指標的構建、化學高階思維能力的測量等做一些基礎理論工作。

二、化學高階思維的內涵

（一）思維的內涵

對于“究竟什么是思維和意識，他們是從哪里來的”，恩格斯在其《反杜林論》中指出：“他們都是人腦的產物”。思維是人腦的機能和屬性，是人腦的一種特殊的高級反應形式，但不是空洞的形式，而是具有內容的形式。這種形式不是人腦生而固有的，也不是在人腦中憑空產生的，而是通過對外部客觀世界對象的反映獲得的，是一個包括接收、加工和儲存信息以及對信息進行再創造的能動過程。因此，思維是人腦對外部客觀世界對象的能動的和具有創造性的觀念反映[4]。

（二）高階思維的內涵

高階思維起源于布魯姆教育目標分類學對認知領域教育目標的六個分類：識記、理解、應用、分析、綜合和評價。安德森（2001）對這六個教育目標進行了修訂，并在此基礎上提出“識記、理解、應用”為“低階思維”，而“分析、評價和創造”為“高階思維”[5]。由此可見，安德森是將高階思維在學生認知水平的基礎上劃分出來的，并沒有明確提出高階思維的概念。瑞斯尼克認為高階思維是復雜的、難以預測的。為避免對這一復雜概念的精確界定，他描述了高階思維的基本特征，認為“高階思維能力具有復雜性、不規則性、解決方法與評價標準的多樣性及思維過程自我調節性，強調對看似混亂的結構進行意義建構”[6]。

國內學者大多數傾向于從能力導向角度認識高階思維。鐘志賢（2005）認為高階思維是發生在較高認知水平層次上的心智活動或較高層次的認知能力，超越了既定信息的能力、元認知與評價能力以及問題解決能力，具有批判性態度和自主學習性，也是對事物或現象做出合理判斷的能力[7]。姜玉蓮（2017）認為高階思維是思維從具體思維發展到抽象思維的高級綜合能力的體現。在教學目標中主要是指完成復雜任務或解決劣構問題的重要能力，包括批判性思維能力、問題求解能力、決策能力、創新能力以及自我調節等高級綜合能力[8]。因此，能力視角下的高階思維強調學習者高水平的思維能力。

（三）化學思維的內涵

從思維的方法來看，思維可分為一般思維方法和特殊思維方法。特殊思維方法導源于個別認識對象或領域，化學思維就屬于一種特殊的思維方法，是化學學科特有的思維。吳俊明、王祖浩在他們主編的《化學導論》中提出，“在化學知識的掌握過程中，逐步形成了關于物質組成、結構、性質、變化的概念、定律、原理等來間接、概括地反映化學事物、獨具特色的一類思維活動，即化學思維活動。”[9]在此界定中，突出強調了化學思維內容的特殊性，即“物質的組成、結構、性質和變化”。思維內容的特殊性決定了思維方式的特殊性，如利用化學實驗、化學模型、化學語言等化學學科特有的活動方式或工具進行思維。

（四）化學高階思維的界定

根據安德森對思維的分類，思維有“低階思維”與“高階思維”之分，同理，化學思維也應有“化學低階思維”與“化學高階思維”之分。本研究在分析“思維”“高階思維”以及“化學思維”內涵的基礎上，提出對化學高階思維的界定：化學高階思維是指學生圍繞具有挑戰性或劣構性的化學問題，從宏微結合、變化守恒的視角，借助于化學實驗、化學語言和化學模型，運用證據推理、分析、歸納、抽象和評價等方法，獲得結構化的化學核心知識、原理，養成創新精神和實踐能力的過程中形成的高水平心智活動。我們可以從以下4個維度認識化學高階思維的內涵：第一，從思維的目的來看，化學高階思維著重解決具有挑戰性或劣構性的化學問題，簡單的化學問題無須使用化學高階思維;第二，從思維方法和思維過程來看，化學高階思維體現了人類思維的一般特征，它同樣需借助分析、綜合、歸納、比較、抽象、概括等進行概念建構，完成假設、推理、判斷、論證等思維過程;第三，從思維的外部工具來看，化學高階思維需借助化學實驗、化學語言和化學模型等特殊思維工具思考問題;第四，從思維的對象（或材料）來看，化學高階思維既要思考物質的宏觀世界，想象和理解分子、原子、離子等微粒構成的微觀世界，又運用化學式、結構式、方程式等符號構成的符號世界來表征宏觀物質和微觀粒子。總之，化學高階思維內涵中最重要的基本點是：化學高階思維一定要以挑戰性或解決劣構性的化學問題為主旨。

三、化學高階思維的結構

（一）思維結構的內涵

現代科學技術證明，在人腦中存在思維結構[10]。一般來說，思維結構是指主體把握客體、主體和客體互相作用中的思維定式、模式、格局，是思維諸因素相對固定的聯結方式、組合方式，因而是主體在認識特定客體之前的“先在框架”[11]。人的思維結構是在實踐中形成的，它一旦形成就具有“先入為主”的性質。當外來的信息作用于主體時，主體就以這個“先在框架”過濾、篩選、加工、整理和組合客體的信息材料，在此基礎上創造出主體所需要的精神產品。因此，對于一個具體的認識過程和認識結果來說，其中都深深地打上了主體思維結構的烙印。

（二）化學高階思維結構的系統建構

思維結構是以一種“先在框架”存在于頭腦中，根據化學高階思維豐富的內涵，這種“框架”必然是多元化的，是多種思維要素、意識成分的有機組合，并且是一個組織有序的“框架”。因此，化學高階思維結構是一個復雜的理論系統，我們將其分為3個層面加以論述：知識觀念層、動力調控層和智力智慧層。

1.知識觀念層

知識觀念層包括化學概念網絡和化學核心觀念，它是整個化學高階思維結構的基礎系統。

（1）化學概念網絡。思維是在內化于頭腦中的一定量的知識和信息的基礎上形成的。對于高階思維來講，僅有這些知識和信息是遠遠不夠的，它們必須通過抽象形成概念，概念之間必須按照一定的邏輯關系形成相互聯結的整體性網絡。概念網絡是以中心概念為核心而形成的概念體系，反映了人腦的思維空間的大小。內化于頭腦中的概念越多，概念越豐富和結構越完善，其思維空間、思維容量也就越大。因此概念網絡是人的思維能力的內部源泉，是智力及其發展的重要基礎，是思維結構中必不可少的組成部分。

（2）化學核心觀念。化學核心觀念是化學科學的根本觀點、總觀點，同化學概念網絡有共同的客觀基礎、共同的來源，都是化學世界知識大廈的組成部分。但兩者又有不同，化學概念是滋長、形成化學觀念的深厚土壤，是化學核心觀念體系發展的科學基礎;而化學核心觀念是化學概念的升華，是人們對化學科學及其發展認識的最高結晶。當化學核心觀念被個人接受而內化時，就轉化為思維結構中最深沉的部分，更加具有穩定性、牢固性和持久性，并潛移默化地支配人的思想和行為。因此，化學核心觀念對思維結構的作用和影響是極為深刻的。

2.動力調控層

動力調控層包括思維的自我監控、自我效能感和學習共同體支持，它是整個化學高階思維結構的動力系統。

（1）思維的自我監控。思維的自我監控是傳統心理學的“自我意識”在思維中的表現。它與“反思”“元認知”的概念在一定意義上具有相似性[12]。林崇德教授把“思維的自我監控”看成是思維結構中最重要的組成部分，它對思維結構的其他要素起著“調控或統領”的作用[13]。它能確保化學思維目的的方向性、搜索和選擇恰當的思維策略、實施并監督思維的過程以及評價思維的結果等。

（2）自我效能感。根據班杜拉（Bandura，1997）的觀點，“自我效能感是人們對自身能否利用所擁有的技能去完成某項工作行為的自信程度”。有些人之所以能夠走出困境，并最終獲得成功，是因為這些人具備了一種堅定不移的信念，相信自己具備取得成功的要素與潛質。積極的自我效能感是思維結構中具有活力和生氣的因素，是認知活動和過程的一種推動力量。

（3）學習共同體支持。如果說思維的自我監控和自我效能感是化學高階思維的內部調控機制的話，那么學習共同體支持就是化學高階思維的外部（或社會）環境支持。在課堂學習環境中，學生與學生、學生與老師相互作用，形成課堂環境下的學習共同體。根據認知發展的相互作用理論：個體的高級心理過程起源于社會過程，受個體的、人際的及文化歷史相互關系的影響[14]。因此，化學高階思維這種高級的心智過程離不開學習共同體的支持。值得注意的是，化學高階思維結構中的學習共同體支持并不是學習者被動地等待別人的支持，而是主動尋求與他人的合作，互相學習，互惠互利，形成共贏。因此，具有高階思維能力的學習者應該善于從學習共同體中汲取他人的知識、經驗和思維模式，以提高自己的思維能力。

3.智力智慧層

智力智慧層包括：化學實驗思維、化學模型思維、化學微觀思維、化學守恒思維、化學創新思維。它是整個化學高階思維結構的核心系統，其中各要素思維品質的優劣直接決定了化學高階思維能力的高低。

（1）化學實驗思維。化學是一門實驗科學，化學實驗作為一種能動的實踐活動方式，不僅是一種感性活動過程，更重要的是一種理性思維過程，本質上是理性思維的物化[15]。化學實驗思維是指個體憑借已有的化學知識經驗，對有關的化學實驗的信息進行分析綜合、抽象概括等一系列復雜的加工處理，以理解實驗課題、形成實驗方案、獲得化學概念、認識物質性質、揭示化學規律等的內在認知過程。它貫穿化學實驗的準備、實施和結果處理的全過程[16]。實驗試劑、實驗裝置與實驗方法的靈活選擇，化學實驗的熟練操作，控制實驗變量的合理設計等都離不開化學實驗思維的發展。

（2）化學模型思維。模型本身是意識（思維）活動的產物，它能夠溝通科學現象與其本質，以簡單、清晰的形象或意象表達直觀、明確的含義。在化學學習中，模型通常有兩個作用。首先，可借助化學模型，在頭腦中形成與實物或事實近似的理解。例如：通過電子云模型理解電子在原子核外高速運動的場景以及電子在原子核外出現的概率;通過金剛石的晶胞模型理解原子晶體中原子之間的作用力和堆積方式等等。其次，構建模型。從認識對象中抽象概括出核心要素，并梳理要素之間的關系，以圖形、圖表等形式來表現，使概念的本質清晰顯現，這個過程就是構建模型的過程。例如，通過構建“價層電子對互斥模型”可以迅速判斷分子的空間構型。建模是將“抽象”變得“具體”了，從而降低了理解的難度，但是“抽象”的過程以及再將“抽象”變“具體”的過程卻是極其復雜的。因此，我們認為化學模型思維尤其建模，是化學高階思維結構中的重要組成部分。

（3）化學微觀思維。化學是在原子、分子的層次上研究物質的一門科學。由于學習者不能直接觀察到微觀世界微粒的運動和相互作用、物質的微觀組成和結構等，因此學習者必須展開對微觀世界的豐富想象，并在此基礎上形成高度的抽象能力、邏輯推理能力等。例如物質為什么具有不同的聚集狀態？同種類型晶體的熔沸點、溶解性為什么具有差異性？具有怎樣的差異性？化學變化的本質是什么？要解決諸如此類的問題，首先要建立學生的微粒觀，如任何物質都是由原子、分子或離子構成的，構成物質的微粒之間是有相互作用力的，作用力也是有大小之分的，等等。在此基礎上，發展學生的微觀思維，從微觀的角度，借助化學符號，理解宏觀的現象，解決實際問題。因此，化學微觀思維也是化學高階思維結構中必然存在的組成部分，缺乏化學微觀思維，將無法理解宏觀物質的性質。

（4）化學守恒思維。化學守恒思維是在對具體的化學知識進行學習、理解、掌握、運用的基礎上，形成的一種特有的化學學科思維[17]。它是運用守恒思想，快速簡捷地解決復雜化學問題的一種精妙的思維方式[18]。例如：陌生氧化還原反應離子方程式的書寫，往往是高中化學學習中的難點，學生可以運用“得失電子守恒”“電荷守恒”以及“元素守恒”快速寫出這些方程式。再如，溶液中離子濃度的大小比較也是高中化學的一大難點，學生如果能夠綜合運用“物料守恒”“電荷守恒”以及“質子守恒”聯立關系式，這一復雜的問題也會迎刃而解。

（5）化學創新思維。創新思維是以感知、記憶、聯想、理解等能力為基礎，以綜合性、探索性和求新性為特征的高級心理活動，是思維的最高層次，需要人們付出艱苦的腦力勞動[19]。根據上述創新思維的內涵與特點，在化學學習的過程，我們發現“科學探究”“無機物的制備”“有機物的合成”“化學問題的創新解法”等等都需要運用創新思維。以“科學探究”為例，在新課標中化學核心素養之“科學探究與創新意識”的第4級水平中提到“能根據文獻和實際需要提出綜合性的探究課題，根據假設提出多種探究方案、評價和優化方案，能用數據、圖表、符號等處理實驗信息;能對實驗中‘異常現象和已有結論進行反思、提出質疑和新的實驗設想，并進一步付諸實施”[20]。從上述“科學探究”的過程中不難發現，從能夠提出別人沒有研究過或研究視角不同的綜合性的課題開始，創新之路就已經“啟程”了，接下來每一步探究的過程無不需要學習者付出艱苦的腦力勞動。因此，很多復雜化學問題的解決需要運用化學創新思維。

（三）化學高階思維結構系統之間的關系

化學高階思維結構系統的三個層面是相互聯系，相互作用的有機整體（見圖1）。知識觀念層中的化學概念網絡是化學高階思維的理性材料，為智力智慧層中的思維活動提供了前提和基礎。化學核心觀念不僅是智力智慧層中各種思維活動獲得的思維結果的高度凝練，同時又反過來指導思維活動的高效運行。動力調控層中的自我監控、自我效能感和學習共同體支持為智力智慧層中的思維活動提供了調控機制、活力和外部環境支持。由于動力調控層的存在，知識觀念層中的知識、經驗、概念和觀念等才能在它的推動下，朝著一定的思維目的和方向激活起來、組織起來和運轉起來。知識觀念層中概念的豐富、智力智慧層中思維的發展也會優化動力調控層中思維的自我監控策略，改善自我效能感，促進學習者積極爭取學習共同體的支持。由此可見，如果單純分析化學高階思維結構的具體成分，可以將思維結構看成是靜態的;但從思維結構各層面及構成要素的內在聯系上來說，這個結構又是動態的，是相互促進與發展的。因此，可以認為化學高階思維結構是這種靜態結構和動態結構的統一。而且動態結構是思維結構的靈魂，正是由于思維結構的動態性決定了思維結構的發展性。

綜上所述，化學高階思維結構系統的三個層面缺一不可。這一復雜系統中的思維要素和精神成分，錯綜交織、相互促進、相互影響，是一張能動的、發展的“思維之網”。這張能動的“思維之網”一旦織成，將成為學習者頭腦中的“先在框架”，從而能夠解決復雜的化學問題。

參考文獻：

[1]鐘志賢.促進學習者高階思維發展的教學設計假設[J].電化教育研究， 2004（12）：21-28.

[4][10][11]夏甄陶，李淮春，郭湛.思維世界導論——關于思維的認識論考察[M].北京：中國人民大學出版社， 1992：3-34.

[2][20]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社， 2018：13，63.

[3]郭金花.高階思維：提升化學核心素養水平的關鍵能力[J].中學化學教學參考， 2018（12）：11-14.

[5]王帥.國外高階思維及其教學方式[J].上海教育科研， 2011（9）：31-34.

[6]Rupert Wegerif，魏曉玲，吉喆，鐘洪蕊.思維、技術與學習綜述（下）[J].遠程教育雜志， 2009（6）：36-45.

[7]朱志賢，林崇德.思維發展心理學[M]北京：北京師范大學出版社， 1986：10-13.

[8]姜玉蓮，解月光.基于ESEM的高階思維結構測量模型研究[J].現代遠程教育研究， 2017（3）：100-103.

[9]吳俊明，王祖浩.化學導論[M].南寧：廣西教育出版社， 1996：229.

[12]林崇德.學習與發展[M].北京：北京師范大學出版社， 2003：189.

[13]林崇德.思維是一個系統的結構[J].寧波大學學報（教育科學版）， 2006（10）：5.

[14] Marcy P. Driscoll.學習心理學 ?面向教學的取向[M].王小明，譯.上海：華東師范大學出版社， 2007：206-207.

[15]王祖浩，楊玉琴.基于Rasch模型的“化學實驗認知能力”測評工具編制及測評研究[J].化學教育， 2012（9）：95.