“宏觀辨識與微觀探析”素養的進階研究

吳晗清 周迪

摘要： 基于《普通高中化學課程標準（2017年版）》對素養的水平劃分，將“宏觀辨識與微觀探析”這一素養解構為宏微結合分析解決問題的意識、能力與評價監控三個要素，提出了結構模型。通過對構成要素的層級劃分，明確了“宏觀辨識與微觀探析”素養的進階路徑，同時以“醇”主題教學為例進行了初步的實踐探討。

關鍵詞： 核心素養; 宏觀辨識與微觀探析; 化學教學; 醇

文章編號： 1005-6629（2020）02-0003-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出了“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“實驗探究與創新意識”“科學態度與社會責任”五個高中化學核心素養[1]。其中，“宏觀辨識與微觀探析”位于五大化學核心素養的第一個維度，其重要的地位與化學學科自身特征密不可分。化學作為一門在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的基礎學科，其重要的特征就是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質。因此，“宏觀辨識與微觀探析”素養的培養，將有助于學生化學學科觀念和思維方式的形成。

如何培養學生“宏觀辨識與微觀探析”素養已成為當前關注的重要話題，現階段對這一素養的研究內容主要集中于教學實踐、培養策略，而關于素養本體的理論研究以及進階路徑的研究較少。從而在實際的教學中，由于教師缺乏基本的理論支撐，導致很難將他人的教學經驗和具體策略靈活地應用在多變的教學情境中。本文試圖對“宏觀辨識與微觀探析”素養的構成要素進行理論探析，并以“醇”主題教學為例，對素養的進階路徑進行實踐探索。

1? 宏觀與微觀思維相關研究述評

自《普通高中化學課程標準（2017年版）》頒布以來，對化學學科核心素養的研究呈現逐年上升趨勢，但對其中某一素養的深入研究并不多見，如“宏觀辨識與微觀探析”的相關研究仍處于探索階段。對于宏觀和微觀思維在化學中的運用，前期主要體現在“三重表征”等研究中。基于化學學科的特征，大多數學者在三重表征思維方式的理論研究與培養策略上基本達成共識，即三重表征思維方式的培養離不開三個具體的要素，即不同表征間轉化的意識、三重表征轉換的能力以及對整個思維過程的反思。

1.1? 不同表征間轉化的意識

在化學學習中，學生是否有效利用三重表征思維方式進行意義建構，主要的判斷依據是看其能否自發完成“宏觀—微觀—符號”之間的轉換，能否有意識地利用三重方式對同一化學問題進行表征。化學教學中培養學生的這種轉換表征的意識尤為重要，是化學學科特色視角形成的重要基礎。否則學生看待化學問題時往往膚淺、機械，比如看到現象就淺嘗輒止，或者從原理出發而無視現實條件的限制等。因此三重表征思維形成的一個基本環節是培養學生能夠條件反射地從宏觀、微觀、符號相結合的視角去深入探討問題的意識。例如，學習金剛石和石墨時能夠認識到二者雖為同素異形體，但這兩種物質的宏觀性質迥異，其原因就在于微觀結構的不同[2]。學生對不同表征間轉化的意識離不開教師的有意引導，因此在教學過程中，教師要深入挖掘教材并將潛在的三重表征用一種外顯的、可重復的形式呈現在學生面前，為學生創設一個有利于進行三重表征的學習情境[3]。教師明確強調三重表征意識，能讓學生親身感受到三重表征的化學學科獨特性、實用性，從而形成一種思維習慣。

1.2? 不同表征轉化的能力

研究普遍認為，培養學生三重表征轉化的能力是培養學生化學學科能力的關鍵。三重表征思維方式的培養，需要引導學生對宏觀事實進行微觀水平上的探析，從而深層次理解化學知識的內涵與本質。同時也要引導學生立足于微觀層次的推理演繹，如預測物質及其反應的可能性等，并通過相關證據的收集，從而證實或證偽前期的預測，探討微觀與宏觀的聯系，并用符號系統進行合理而全面的表征[4]。因此在三重表征思維方式的養成過程中，會經歷聯想、推理、遷移、空間想象等一系列活動，涉及形象思維、邏輯思維、抽象思維、類比思維及復合的創造性思維。如微觀表征的形成需要豐富的想象力，學生可以通過想象力來理解看不見摸不到的微觀世界，在教學中也可借助模型增強學生直觀感受。又如，雖然有些微觀結構可以想象，但是并不能直接被感官感知。此時類比思維就可以一展身手，在原有的知識結構或生活經驗中尋找類似的事物作適恰的類比，從而使認識上的困難迎刃而解[5]。

1.3? 對思維過程的反思

反思是對自己的思維過程以及思維結果，進行有意識的、科學的、批判性的回顧、分析與檢查的過程。反思是三重表征思維方式養成中重要的一個環節。教師應重視學生的反思性學習，引導學生對整個過程進行自我省思，思考是否將化學知識的三重表征建立了聯系并實現其有效的轉化[6]。如對于一個陌生的問題情境，教師引導學生思考“我從宏觀、微觀、符號相結合的角度思考這個問題了嗎”“今天學習的知識點之間有什么內在的聯系，結構、性質與用途是什么關系”“這一宏觀現象的微觀本質是什么，怎樣用符號來表示出來呢”“如何全面系統地描述一個化學問題”等等。通過這些反復強調的形式訓練，讓學生對自己的學習過程進行反思與評價成為一種條件反射式的思考習慣。

2? “宏觀辨識與微觀探析”素養的內涵與構成要素、結構模型與水平劃分

2.1? “宏觀辨識與微觀探析”素養的內涵

《普通高中化學課程標準（2017年版）》對“宏觀辨識與微觀探析”的內涵給出了詳細的說明： 能從不同層次認識物質的多樣性，并對物質進行分類;能從元素和原子、分子水平認識物質的組成、結構、性質和變化，形成“結構決定性質”的觀念;能從宏觀和微觀相結合的視角分析與解決實際問題。

課程標準對“宏觀辨識與微觀探析”素養的說明，能從以下兩個方面體現出這一素養進階培養的重要意義。首先，在學習內容層次上，學生能夠從宏觀物質水平逐漸進階到微觀原子分子水平，從微觀水平又進階到宏微結合的視角水平，這種學習內容層次的不斷進階會促進學生宏觀與微觀相結合的化學學科觀念的養成。其次，在學習目標描述上，學生能從學會對物質進行分類逐漸深化到形成結構決定性質的觀念，能從形成物質結構與性質相聯系的學科觀念進階到能夠掌握分析解決問題的方法，這種學習目標的進階會不斷促進學生學科問題解決的思維視角養成。

因此，“宏觀辨識”與“微觀探析”不是孤立地從兩個角度來認識、分析和解決化學問題，而是結合在一起的整體，二者內部之間依靠符號維度有著緊密的聯系。一方面，宏觀層面辨識的物質形態及其變化現象離不開從微觀角度解釋與表征;另一方面，從微觀層面探析物質組成、結構，可以進一步幫助我們推理、預測物質的宏觀性質。作為化學學習中的重要學科觀念以及解決問題的獨特思維視角，“宏觀辨識與微觀探析”素養的養成至關重要。

2.2? “宏觀辨識與微觀探析”素養構成要素

化學學科核心素養是學生通過學習而逐步形成的重要學科觀念與必備能力，展現了化學學習對學生未來發展的重要價值。對學生素養的培養與評價，應以分析這一素養的本體結構為前提。本文基于三重表征思維模式培養的相關研究以及化學課標對“宏觀辨識與微觀探析”內涵的解析，將“宏觀辨識與微觀探析”的結構解構為三個要素： 宏微結合分析解決問題的意識、能力以及評價監控。這三個基本構成要素相輔相成，彼此有機組合共同促進學生素養的形成。“宏觀辨識與微觀探析”素養構成要素見表1。

2.2.1? 宏微結合分析、解決問題的意識

宏微結合分析、解決問題的意識，是指學生能夠自發地利用雙向思維來分析解決相關化學問題。其中既包括從宏觀層面辨識物質形態及其變化現象并能自發地從微觀角度解釋其本質的心理傾向，也包括從微觀層面探析物質組成、結構并能夠進一步推斷、預測物質宏觀性質的心理傾向，兩者相互關聯，形成一個自發的思維回路。一方面，當學生面對宏觀的現象時，能通過直觀的感受去有意識地思考其背后的微觀原理，有意識地從微觀的角度去解釋宏觀現象。如“金屬鈉如何保存”“金屬鈉與乙醇反應如何，與水反應如何，速率為什么不同”等問題時，學生能夠有意識地從乙醇分子結構的角度對這些宏觀現象進行解釋。另一方面，當學生面對不熟悉物質時，能夠通過辨識其分子組成、微觀結構（官能團）等來推斷、預測該物質可能具有的化學性質。如科學家發現葡萄、藍莓、花生等植物中都含有白藜蘆醇（給出結構簡式），該成分有抗炎癥、抗氧化的作用，具有多種生物和藥理活性和保健功能。請學生結合白藜蘆醇的結構簡式，合理預測它的化學性質，并分析其具有生物、藥理活性及保健功能的可能原因。

2.2.2? 宏微結合分析、解決問題的能力

宏微結合分析、解決問題的能力是培養與評價學生“宏觀辨識與微觀探析”素養的關鍵，這一能力是由證據推理、符號表征、質疑聯想等一系列技能組成的。學生只有具備了相應的技能才能有效地將宏觀與微觀聯系起來，防止造成表征之間的“斷路”。學科知識作為化學學習的對象，其本身就是一個相互關聯的有機結構。因此我們的頭腦中不僅要有意識地建立宏觀與微觀之間的雙向聯系，還要更靈活地建立各種知識對應的不同技能之間的聯系。可以表示為這樣的過程，基于相關知識進行證據推理——根據推理出的內容聯想與想象——運用符號進行表征——將宏觀與微觀建立聯系。需要說明的是，宏觀與微觀之間的聯系不是一蹴而就的，而需要技能的反復運用才能形成合理的深刻的關聯。如金屬鈉與乙醇反應，從宏觀的實驗現象可以辨識到有氣泡逸出，根據這一證據推斷反應生成氣體;聯想金屬鈉與水的反應，從而推測是乙醇中羥基上的氫原子可能被金屬鈉置換，進一步借助于乙醇的結構簡式分析原因可能與鍵能有關，搜集鍵能信息進行比較，從而推理出羥基上的氫原子不穩定，易被置換。在金屬鈉與乙醇反應中，從宏觀現象出發，運用了證據推理、聯想與質疑、符號表征的技能，結合乙醇的微觀結構解釋了宏觀的實驗現象，建立了乙醇中宏觀與微觀間的有效聯系。

2.2.3? 宏微結合的評價監控

宏微結合評價監控的過程其實是利用宏微結合的視角對分析解決問題的整個過程進行反思與調節，是提高學生思考問題全面性和解決問題有效性的一種主要策略與機制。宏微結合的評價監控包含對思考問題視角多樣性的監控、對技能使用精準性與連貫性的監控、對宏微雙向連接與相互推理過程合理性的監控。首先對視角多樣性的監控，是指在學生面對問題情境時能判斷思考問題的視角是否應多樣化，因學生受直接經驗的影響，思考問題的角度較單一，因此教師應不斷開拓學生思考問題的角度。其次對技能使用精準性、連貫性的監控，是指解決問題的過程無論使用何種技能，都應符合基本的邏輯，保持技能之間的連貫。再次對宏微雙向連接與相互轉換過程中合理性的監控，是指在分析解決問題時對同一問題進行宏微之間合理的轉換。

2.3? “宏觀辨識與微觀探析”素養的結構模型

構成“宏觀辨識與微觀探析”素養結構的三個要素之間并不是孤立的，而是三者相互有機聯系。三個要素不斷地順序實現、循環發展從而不斷地促進學生“宏觀辨識與微觀探析”素養的養成。每一個因素在素養的養成環節中都有其特有的作用機制，因此教師應注意學生在素養養成中三個基本過程的銜接，防止過程中因某個環節的中斷影響學生“宏觀辨識與微觀探析”素養的發展。“宏觀辨識與微觀探析”素養的要素結構見圖1。

首先，學生面對問題情境時，宏微結合的思維意識是啟動問題解決過程的內在動力因素。意識是思維傾向，個體在進行問題解決的過程中，有了宏微結合解決問題的意識才能想到從多個視角去分析問題。自發的意識是問題解決的內在動力，只有把整個系統啟動了，才能更好地解決問題。其次，個體只具備宏微結合的意識，如果不提取相應的知識和能力，那么整個問題的解決是不可能實現的。知識與能力是技能掌握的前提，它制約著技能掌握的快慢、深淺、難易與靈活性。不同的個體在對同一問題情境所運用的技能也會有不同的水平，有的是簡單的表面機械操作，有的則能體會到深層次意義的思維特點。再次，宏微結合的評價監控是保證素養養成的重要環節。宏微結合的評價監控是利用“宏觀辨識與微觀探析”素養解決問題過程的監控，包括對宏微結合的意識、對宏微結合的知識與能力、對“宏觀辨識與微觀探析”行為表現的監控。個體在面對問題情境時，根據已有的經驗選取分析問題的視角，這時候就需要對此進行監控，監控個體能否用更多的視角去思考分析問題。與此同時，個體也會基于已有的經驗，對提取相關知識的準確性、技能使用的精確性和連貫性進行監控，同時對自己解決問題的活動、解決問題的方法和策略進行有效性的監控。個體在解決問題后對整個思維過程進行回憶、評價和總結。隨著對問題的解決過程不斷地監控，促使學生形成穩定成熟的素養。

例如，在學生面對“水和酒精各自50毫升，混合后溶液的體積為多少毫升”這一問題情境時，如果在沒有提示微觀粒子作用的前提下，部分學生沒有從微觀視角思考問題的意識，可能僅僅從表面數字的角度回答，錯誤地認為混合后是100毫升。而另一部分具備宏微結合思維意識的學生，在宏觀上考察混合的溶液時，會自發地聯想到溶液由微觀粒子構成，并提取解決這一問題相應的知識與技能： 從微觀來看，水是由水分子構成，酒精是由酒精分子構成。分子之間是存在間隔的，因此混合后溶液的體積會發生改變。除此之外，混合后水分子和酒精分子的吸引力，比混合前水分子間的吸引力和酒精分子間的吸引力都要大，從而使水分子與酒精分子之間的間隔距離變小，因此混合后溶液的體積小于100毫升。在解決問題后，可以反思在未來遇到類似情境時，應多考慮自發地利用宏微結合的意識幫助自己解決問題，并監控自己是否準確地提取與使用相應的知識與技能，從而促進自己“宏觀辨識與微觀探析”素養的形成與發展。

2.4? 基于課標和結構模型的素養水平劃分

根據社會發展對人才需求多樣性的特征，化學課程標準將知識內容劃分了必修與選擇性必修的不同目標旨向和評價層級，并根據學業水平要求以及學習內容的螺旋式遞進，提出了化學學科核心素養的水平劃分。在課程標準中，將“宏觀辨識與微觀探析”素養劃分為了四個水平，且四個水平難度逐漸遞增。在學業質量評測上規定了水平2是畢業生應達到的學科標準，水平4為學業水平等級性考試的命題依據。本文在課程標準對素養水平劃分與描述的基礎上，結合本文提出的素養結構模型，進行了系統而詳細的水平進階劃分。具體描述見表2。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》將這五方面的素養細劃分為了四個水平，體現了課程標準對學生核心素養層次性培養的重視，也體現了學生化學思維方式的培養需要逐漸深化與依次進階。表2是在課程標準對素養水平劃分與描述的基礎上，結合本文提出素養結構模型，提出了“宏觀辨識與微觀探析”素養的四個水平進階。表中的橫行依次是四個水平，縱行為此素養劃分的三個構成要素，即這三個要素在四個水平依次進階的描述。

在水平1上，學生在面對物質時，能夠有意識地從宏觀特征對物質展開分析，并根據這些特征認識物質的分類及其性質。此外，能夠初步建立宏觀與微觀間的聯系，如根據物質的結構與組成，運用證據推理技能解釋宏觀現象，并能對解釋的準確性與合理性進行監控。

水平2則在水平1的基礎上增強了學生從微觀層面探析物質結構與組成的心理傾向，在面對物質時能夠有意識地運用技能從宏觀、微觀兩類視角對典型物質展開描述、分析與歸納。在符號表征技能上能從水平1簡單地運用化學符號，進階到能夠通過化學符號建立起宏觀與微觀之間的聯系。在評價監控方面，能夠有效準確地監控化學符號使用的準確性、歸納過程的合理性等。

在水平3上，學生看待物質的微觀視角不斷擴充，包括結構、微粒、官能團、微粒間作用力等視角認識物質及其性質，能夠綜合地運用技能分析物質及其變化。除此之外，這一水平更加突出了定量計算與符號表征的綜合運用。在評價監控要素上逐漸進階到對自我雙向思維的監控。

在水平4上，學生的“宏觀辨識與微觀探析”素養逐漸進階為能夠有效地將宏觀與微觀聯系起來，并能將這種思維方式遷移去預測推理未知物質的性質與可能發生的化學變化，能夠自我監控思維是否雙向、評估解釋是否合理等。

3? 以“醇”主題教學為內容載體的素養水平具體化

本文選取“醇”主題的教學內容為例，主要原因是其主要代表物——乙醇作為生活中常見的有機物，是高中化學中繼烴類有機物之后，學生學習的第一個重要的烴的衍生物。醇類在必修與選擇性必修模塊中均有出現，學習好醇類有助于學生迅速整體掌握“鹵代烴—烯烴—醇”以及“醇—醛—酸”的三角關系，這對學習其他烴的衍生物的性質具有指導性的作用[7]。因此，作為聯系烴與烴的衍生物性質的橋梁，醇在有機物的相互轉化中處于核心地位。據此，本文以“醇”為主題的教學作為案例，分析在必修模塊與選擇性必修模塊中體現“宏觀辨識與微觀探析”素養的學業內容在意識、能力及評價監控三個維度上的不同水平的要求及體現，具體見表3。

一言以蔽之，作為構成化學核心素養重要維度的“宏觀辨識與微觀探析”素養，體現了化學學科最具特征的認識視角與思維方式。其核心旨趣在于希望學生能通過相關的化學學習活動，有意識地利用宏微結合的視角看待物質世界的變化，發現問題、分析問題以至創造性地解決問題。這一素養的實現，也是學生實踐能力和創新精神形成的過程。因此在化學教學活動中，教師要全面領會“宏觀辨識與微觀探析”素養對學生發展的作用，同時更重要的是深刻理解這一素養的基本內涵、要素結構、水平進階。從而通過創設豐富的教學情境，積極運用各類教學資源，讓學生在實踐活動中手腦并用，切實達成“宏觀辨識與微觀探析”這一素養，培養看待世界的獨特的化學眼光。

參考文獻：

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