中學化學知識的思維角度和思維路徑探析

李鵬鴿 竇信心 王祺勝

摘要

學科知識是學科能力和素養(yǎng)的基礎，知識轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的前提是在教學中挖掘和外顯學科知識蘊含的思維角度和思維路徑。不同知識提供的思維角度和思維路徑不同，素養(yǎng)發(fā)展功能價值也不同。對化學學科不同領域知識的思維角度進行了歸納分析，對化學學科中物質(zhì)組成、物質(zhì)分類、氧化還原等重要知識的思維路徑進行了探析。

關鍵詞

化學知識 思維角度 思維路徑

2017年修訂后的高中化學課程標準凝練了化學學科核心素養(yǎng)。在教學層面，如何從基于知識傳授、概念定義解析為本的教學，向核心素養(yǎng)導向、關鍵能力提升為本的教學轉(zhuǎn)變，教師們比較茫然，找不到落實學科核心素養(yǎng)的契入點和突破口。學科能力是學科核心素養(yǎng)的實質(zhì)內(nèi)涵，個體具有學科核心素養(yǎng)的關鍵表現(xiàn)就是在面臨陌生復雜的真實問題時，具有依托學科知識而產(chǎn)生的解決問題的思維角度和思維路徑[1]，即學科能力。學科核心知識除了具有重要的生產(chǎn)生活應用價值外，還有重要的促進學生認識和智慧發(fā)展的功能價值。教學中如何彰顯和發(fā)揮知識的這些價值，需要以知識學習為載體，挖掘和外顯知識所隱含的思維角度和思維路徑，引導學生將其遷移，創(chuàng)新性地去解決真實問題，這是提升學生學科核心素養(yǎng)的重要突破口。

一、教學外顯知識獲得時的思維角度和思維路徑

學科知識的產(chǎn)生是科學家針對某一研究對象，產(chǎn)生了與學科有關的特定好奇性問題，在問題驅(qū)動下，科學家選取某種特定思維角度，按照特定的認識思維路徑，利用特定的推理判據(jù)，經(jīng)歷了特定的邏輯推理過程，形成了特定的學科認識結(jié)果，也就是獲得了相應的知識結(jié)論。比如，在面對同一事物水這一研究對象時，不同學科的科學家關注的問題不同，解決問題的角度思路也不同。物理學家是從水的密度、浮力等角度提出本源性問題的;地理學家關注的是水的分布形態(tài)、水量是否豐沛等問題;化學家則關心水的元素組成、水的微觀分子結(jié)構(gòu)等角度和問題。不同的科學家圍繞本源性問題，采取了不同的思維路徑和探究方法，經(jīng)過推理建模得到了其不同的學科知識。然而，學校教學更多地關注了某一學科的知識結(jié)論，對知識本身進行關鍵字詞解析，采取解題等強化訓練的方式幫助學生理解知識結(jié)論。但知識產(chǎn)生時所關注的本源性問題，以及科學家的思維角度、思維路徑、推理判據(jù)等在教學中被忽略了。而經(jīng)歷知識獲得的過程才對學習者進一步發(fā)現(xiàn)新問題、解決新問題的能力形成起到關鍵作用，才最具有遷移應用的素養(yǎng)發(fā)展價值。

學科知識是學科能力和素養(yǎng)的基礎，但并不是擁有了學科知識就一定具有了學科能力和素養(yǎng)，從知識轉(zhuǎn)化成為學科能力素養(yǎng)還得將學科知識蘊含的思維角度、思維路徑也教給學生。因此，核心素養(yǎng)導向、關鍵能力提升為本的教學就應該首先挖掘和外顯知識所附帶的思維角度、思維路徑、推理判據(jù)、特定推理過程等。

二、化學學科不同領域知識的思維角度探析

不同學科有其特定的認識對象和研究領域，每個領域需要獨特的分析問題的角度、思路和方法。特定領域的思維角度和思維路徑與學科知識相互匹配，具有穩(wěn)定性和可教育性的特點。化學學科的一級核心認識對象是物質(zhì)、反應和能量。圍繞物質(zhì)的核心思維角度包括物質(zhì)類別、物質(zhì)中核心元素的化合價、核心元素在周期表中的位置、物質(zhì)中微粒間相互作用力等;圍繞化學反應的核心思維角度包括化學反應的方向、限度、反應速率、反應條件;圍繞能量的核心思維角度包括能量的類型、能量如何改變、能量間相互轉(zhuǎn)化的途徑、裝置等。核心的一級思維角度之下，針對不同知識還會有二級或三級具體的思維角度。

通過對普通高中化學課程標準（2017年版）進行研究分析，中學階段化學學科的認識領域主要包括無機元素化合物、有機化合物、化學反應與能量、水溶液、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等[2]。可以歸納出每個不同認識領域在中學階段包含的核心知識，這些核心知識能帶給學生思考的本源性問題和思維角度歸納（見表1）。在表1的“認識對象與核心知識”欄中，認識對象在前，其后括號中列舉了該認識對象所包含的核心知識。由于本源性問題與思維角度有一定的重合，所以在表中把它們整合到一欄中。

以表1中無機元素化合物這一認識領域為例，初中階段是化學學習的入門階段，要引導學生學會基于物質(zhì)的元素組成這一宏觀視角認識物質(zhì)。通過元素、原子、分子等概念的學習，理解從微觀層面看物質(zhì)都是由原子、分子構(gòu)成的，逐步構(gòu)建宏微符相聯(lián)系的思維視角;在拿到一種物質(zhì)時，化學家認識它的方法就是讓它發(fā)生化學反應，所以要引導學生學習基于化學反應認識物質(zhì)世界的視角;對于一個陌生物質(zhì)，在讓它發(fā)生化學反應時，學生可能會從與其組成相似的已經(jīng)學過的物質(zhì)去對比著認識新物質(zhì)。

步入高中階段，學生已經(jīng)學習了大量的元素化合物知識，如何將知識進行有效整合，讓元素化合物知識變得有序、形成系統(tǒng)，就需要對物質(zhì)進行分類，而后按照不同的物質(zhì)類別認識物質(zhì)的性質(zhì)，這就是基于物質(zhì)類別的思維視角：學習過氧化還原反應等概念原理后學生應該學會基于核心元素化合價視角認識物質(zhì);學完元素周期律表后要學會基于周期表的位、構(gòu)、性視角認識物質(zhì);學習化學反應原理內(nèi)容后學生得會從“電離平衡常數(shù)”“溶度積”“焓變、熵變、自由能”等視角認識物質(zhì);學習“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”這一模塊后，又要建立從化學鍵、微粒間的相互作用與物質(zhì)性質(zhì)間關系的視角認識物質(zhì)。

三、部分化學知識的思維路徑探析

學科知識是學科能力和素養(yǎng)的基礎，知識是否轉(zhuǎn)化成為學科能力素養(yǎng)，其表現(xiàn)是學生通過學科學習逐漸建立起了學科特定的思維角度和思維路徑。在面對復雜陌生的情境時，學生會沿著學科特定角度去科學地分析解釋，能符合邏輯地進行推理判斷，能提出解決問題的有效策略，也就是學生具有了科學的程序性經(jīng)驗和圖式，而程序性經(jīng)驗和圖式就是思維路徑。在化學學科五大核心素養(yǎng)中實驗探究與創(chuàng)新意識是實踐基礎，其他四個素養(yǎng)都可以在探究中得到落實。而探究的過程，以及探究中預測和驗證物質(zhì)性質(zhì)、解釋造成現(xiàn)象的原因等環(huán)節(jié)都需要有科學的思維路徑。素養(yǎng)導向、關鍵能力提升為本的學科教學，在外顯知識附帶思維角度的同時，還應該讓學生學習和體驗程序性知識，積累程序性經(jīng)驗，在教學中展現(xiàn)合理的思維路徑，這就需要我們把知識附帶的思維路徑提煉出來、外顯出來。不同知識的產(chǎn)生過程和應用其解決問題時的思維路徑不盡相同，下面分析、提煉幾種重要知識學習時能夠外顯的思維路徑。

1.研究物質(zhì)組成需要的思維路徑

物質(zhì)組成是認識物質(zhì)的重要視角，中學化學應該引導學生入門，讓他們學會基于組成認識物質(zhì)。而研究物質(zhì)組成的重要手段就是讓物質(zhì)發(fā)生化學反應[3]，如何發(fā)生反應，反應過程中如何推理得出物質(zhì)的組成，以初中化學“水的組成”一課為例進行闡釋。

以科學家研究水的元素組成的過程為例，18世紀60年代，英國化學家普利斯特里在空試管中裝著氫氣，將試管口移近火焰，松開拇指。試管口沖出火舌，瞬間又熄滅了，觀察試管壁上有霧出現(xiàn)。卡文迪許證明了該霧的液滴就是水，但受到當時元素觀念的束縛，并沒有得出水組成的正確結(jié)論。拉瓦錫追蹤該實驗才揭示出了水是由氫、氧元素組成的。科學家借助了氫氣燃燒的實驗來研究水的組成，這為我們的研究提供了兩條思路。思路一：用化合的方法來研究物質(zhì)的組成。氫氣燃燒實驗的反應物是氧氣和氫氣，根據(jù)化學反應前后元素種類不變的思想，氫氣中只含有氫元素，氧氣中只含有氧元素，說明在反應物中只含有氫元素和氧元素。而氫氣燃燒的生成物只有水一種物質(zhì)，所以生成物中也就只含有氫元素和氧元素，所以結(jié)果就是水是由氫和氧兩種元素組成的。思路二：用分解方法探究水的組成。1800年，英國化學家尼科爾森做了電解水的實驗，給水通直流電會出現(xiàn)氣體，研究負極玻璃管中產(chǎn)生的氣體與正極玻璃管中產(chǎn)生的氣體，其體積比為2∶1，對產(chǎn)生的氣體進行驗證，證明正極的氣體是氧氣、負極的氣體是氫氣，再次驗證了水由氫、氧元素組成。利用電解水的方法不僅證明了水是由氫和氧兩種元素組成，還證明了水的化學式應該是H2O，用水分解的實驗定量證明了化學式中的2和1的問題。

用分解的方法探究物質(zhì)的元素組成，是將一種物質(zhì)通過化學反應分解成多種物質(zhì)的分解反應，只要證明分解后物質(zhì)中所含元素有哪些，也就可以證明反應物中含有那些元素，這就是研究物質(zhì)組成思路二?，F(xiàn)代分析化學中的元素分析儀，雖然高端大氣復雜，但其工作原理無非也是用到上述兩條思維路徑，且用到的主要是分解的方法。

2.利用物質(zhì)分類思想研究物質(zhì)性質(zhì)需要的思維路徑

化學知識瑣碎繁雜，化學物質(zhì)種類眾多，如果只是注重對某種物質(zhì)知識點記憶的學習，那學生思考問題的角度與思維路徑將很難建立，學生在遇到陌生物質(zhì)時對物質(zhì)進行探索的能力也很難得到提高。物質(zhì)分類思想有著重要的功能即指導學生預測物質(zhì)性質(zhì)，但是很多教師教授物質(zhì)分類時，只是把物質(zhì)分類作為一個知識結(jié)論，讓學生記住有交叉分類、樹狀分類，僅僅只是把它作為了一個獨立的知識點讓學生記住，這就很難把物質(zhì)分類這一重要知識轉(zhuǎn)化為學生的學科能力素養(yǎng)。

人們把物質(zhì)分類以后，是為了研究物質(zhì)的化學性質(zhì)，基于分類可以更好的認識物質(zhì)的化學性質(zhì)，這才是學習物質(zhì)分類真正的落腳點和能力的發(fā)展點。要讓學生學會基于物質(zhì)分類去認識陌生物質(zhì)的化學性質(zhì)，需要讓學生經(jīng)歷的學習程序和思維路徑是：教給學生分類的概念性知識——知道分類的標準和方法——學習某類物質(zhì)具有的類別通性——基于類別和類別通性去預測和證明一個新物質(zhì)的性質(zhì)，這就是通過學習“物質(zhì)分類”這一課要教給學生的思路和方法。

以預測二氧化硫的性質(zhì)為例，進一步說明最后一個環(huán)節(jié)——如何基于類別和類別通性去預測和證明一個新物質(zhì)的性質(zhì)。面對二氧化硫這種新物質(zhì)，學習完物質(zhì)分類知識后，學生應該會利用類別通性知識去預測它具有什么性質(zhì)，能夠發(fā)生什么化學反應。學生應該會想，二氧化硫是酸性氧化物，酸性氧化物應該能跟堿、堿性氧化物、水等不同類別的物質(zhì)起反應。學生就可以假設二氧化硫也應該跟堿、堿性氧化物和水等物質(zhì)反應，要想驗證這種假設，學生就應該能找一個堿或堿性氧化物來做實驗，比如氫氧化鈉或氧化鈣等，應該能說出證據(jù)，證明它發(fā)生了反應，并能說明其生成了什么，還得會描述現(xiàn)象，歸納出物質(zhì)性質(zhì)的結(jié)論。這就是學生的思維路徑，這樣就將陳述性知識轉(zhuǎn)化成了具有功能價值的程序性知識了，他沒有隨意的在實驗室用一些藥品瞎碰，他經(jīng)過了一定的思考，進行了合理的假設，利用了物質(zhì)分類的知識和類別通性的知識來指導自己探究陌生物質(zhì)的性質(zhì)。這樣知識就活了起來，就變成了思維路徑，變成了能力素養(yǎng)。

如果再進行提煉，用分類思想研究某物質(zhì)性質(zhì)時的思維路徑就是：明確此物質(zhì)所屬物質(zhì)類別——抓住探究物質(zhì)性質(zhì)的重要手段是化學反應——在分類思想基礎上做出合理的假設——讓此物質(zhì)依次與不同類別物質(zhì)進行反應——反應后收集證據(jù)證明假設——得出科學的結(jié)論說明此物質(zhì)所具有的性質(zhì)。在此條思維路徑中，同學們既有探究的意識，可以進行合理的假設和實驗，收集證據(jù)得出結(jié)論，又很好地運用了物質(zhì)分類的思想，并對反應規(guī)律、方程式的理解也更加深入。

3.利用氧化還原思想研究物質(zhì)性質(zhì)需要的思維路徑

氧化還原反應帶給我們對化學反應的一種新的認識角度，這個角度就是基于化合價看化學反應、基于化合價看物質(zhì)，這是對認識角度的一個重要擴展。由于人們認識到了化合價是否有改變，并認識到了化合價改變是由電子轉(zhuǎn)移或偏移引起的這個角度，不僅發(fā)現(xiàn)了不一樣的反應分類，而且發(fā)現(xiàn)了非常重要的學科功能。比如可以開發(fā)電化學，可以豐富對于物質(zhì)轉(zhuǎn)化路徑的設計，可以豐富同學們對物質(zhì)性質(zhì)研究的認識角度，所以氧化還原反應概念成為重要的核心概念，具有普適的遷移價值。這個知識點的重要性就在于它貢獻了非常重要的看待物質(zhì)及化學反應的角度，即化合價和電子轉(zhuǎn)移的角度。

在化合價和電子轉(zhuǎn)移的重要視角下，氧化還原反應的功能和價值還表現(xiàn)在，能幫助學生對相應領域問題思維路徑和思維程序的形成和內(nèi)化。比如學生學習過氧化還原反應知識后，他應該建立起這樣的程序性知識，即：發(fā)生氧化反應物質(zhì)中的某個元素化合價升，它具有還原性，它本身被氧化，它自身充當還原劑，具有了這樣的一套概念之間的自推理的功能。所以只看到一個物質(zhì)的核心元素的價態(tài)的時候，就可以形成由于概念推進的這一套自推理程序，這套推理就形成了我們?nèi)フJ識物質(zhì)氧化性、還原性的重要的思維路徑和思維程序。氧化還原反應知識就變成了預測和研究新的陌生物質(zhì)的能力和素養(yǎng)。

知識轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的前提，是教師在教學中要充分挖掘和外顯學科知識蘊含的思維角度、思維路徑，充分發(fā)揮學科知識的這些功能價值，以適應化學學科核心素養(yǎng)背景下的教學要求。

參考文獻

[1] 王磊.基于學生核心素養(yǎng)的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2017：15-18.

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：7-9.

[3] 李鵬鴿，左玉.高考制度改革視野下化學課堂認識物質(zhì)的價值與維度[J].教學與管理，2014（34）：64-65.

[作者：李鵬鴿（1963-），女，山西絳縣人，太原師范學院化學系，教授，碩士生導師;竇信心（1996-），女，山東濰坊人，太原師范學院教育學院，碩士生;王祺勝（1998-），男，山西太原人，太原師范學院教育學院，碩士生;郭蓉蓉（1996-），女，山西原平人，太原師范學院教育學院，碩士生;紀錄條（1995-），女，山西洪洞縣人，太原師范學院教育學院，碩士生。]

【責任編輯? 郭振玲】