化學學科核心素養的內涵解析

摘要：? 化學學科核心素養是一個人在化學問題解決時表現出來的“本事”，其“靈魂”是“能做什么”。化學學科核心素養的內涵為：會用化學眼光觀察客觀世界，會用化學思維方式思考客觀世界，會用化學思維方法認知客觀世界，會用化學語言表達客觀世界，會用化學規律改造客觀世界。

關鍵詞：? 化學學科核心素養； 化學眼光； 化學思維； 化學語言； 化學規律

文章編號： 1005-6629（2024）05-0003-07

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2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）指出，學科核心素養是學科育人價值的集中體現［1］。“課程標準”中提出的“化學學科核心素養”體現了“實踐―認識―再實踐”的馬克思主義認識論一般過程［2］，即通過科學探究培養化學思維方式方法、社會責任及行為規范。

但是，如果單純從概念出發，“素養”是指一個人在真實的情境中，運用所具有的知識和所具備的能力及品質，解決真實問題的一種本領［3］。基于科學認識理論，科學認識既是人類的認識活動，又是人類的社會活動［4］。因此，素養是一個人在認識活動和社會活動中的綜合表現。從認識活動視角看，其目的是認識事物的本質和規律，故一個人具有“化學學科核心素養”的表現是能基于“化學”觀察（看）、思考（想）、認知（做）、表達（說）客觀世界；從社會活動視角看，其目的是運用世界的規律性去能動地改造客觀世界，并造福人類，故一個人具有“化學學科核心素養”的表現是能在正確的目標方向和價值觀念的規范下運用“化學”改造（用）客觀世界。因此，化學學科核心素養是一個人在化學問題解決時表現出來的“本事”，其“靈魂”是“能做什么”。

為了突出“能做什么”，在表述方面借鑒了《義務教育數學課程標準（2022年版）》中對“核心素養”的表述形式：“會用……觀察/思考/表達現實世界”［5］。化學學科核心素養構成要素關系如圖1所示。

1? 會用化學眼光觀察客觀世界

化學眼光是指化學認識和探索客觀世界的層次水平以及觀察方式。

1.1? 化學在什么層次水平上認識和探索客觀世界

基于尺度視角看，世界劃分為不同的水平。在復雜性科學和物質多樣性的研究中，尺度效應至關重要［6］。美國學者拜里和奧利斯在《生物化學工程》中給出了宇宙和生物直觀尺譜圖，原子世界、分子世界、生物世界、宇觀世界的尺度分別為：小于10-10米、10-10～10-7米、10-7～102米和大于102米。可見，分子世界有著明確的尺度范圍。

基于本質視角看，世界劃分為宏觀層次（宇觀世界、生物世界）和微觀層次（分子世界、原子世界）。尺度不同會引起主要相互作用力的不同，導致物質性能及其運動規律和原理產生質的區別［7］。宏觀層次研究的理論基礎是牛頓力學，宏觀物體運動的基本特征是連續性和確定性；微觀層次研究的理論基礎是量子力學，微觀粒子運動的基本特征是不連續性和不確定性［8］。

基于化學性質視角看，分子是保持物質化學性質的最小微粒。分子是一種可以在通常條件下獨立存在、具有一定化學特性的物質微粒［9］。例如，濃H2SO4具有脫水性，這是其作為“整體”存在才能體現的化學性質。單獨看H+或SO2－4，濃度再大，也不具有脫水性；單獨看H、 S、 O原子，也不具有脫水性。

綜合尺度和本質視角分析，原子世界和分子世界研究的理論基礎相同，粒子的運動特性相同，同屬于微觀層次。但是，從化學性質視角分析，原子和分子有“質”的差異，分子是保持物質化學性質的最小微粒。因此，化學眼光是指微觀層次的分子水平。

1.2? 用什么樣的觀察方式認識和探索客觀世界

觀察方式回答“從哪觀察”“觀察什么”兩個問題，即觀察視角和觀察內容。

化學是在分子水平上研究物質的結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科。“應用”是觀察世界的目的，包括概括關聯、解釋說明、推斷預測、分析評價等。為實現觀察目的，化學從分子的結構、性質、轉化三個視角觀察客觀世界。分子結構視角的觀察內容包括分子的組成和相互作用，分子組成包括組成單元（如原子、原子團）及其比例關系，相互作用包括組成單元的空間相對位置及作用方式。分子性質視角的觀察內容包括物質類別、元素價態、物質特性等。分子轉化視角的觀察內容包括單一化學反應（位點、類型）和化學反應系統（限度、速率）。化學眼光觀察客觀世界示意圖如圖2所示。

例如，人的主食是大米和白面，馬等食草動物的主食是草。大米、白面與草都能作為食物，用化學眼光分析，二者有什么異同呢？從結構視角看，大米、白面的主要化學成分是淀粉，草的主要化學成分是纖維素；分子式都是（C6H10O5）n，但淀粉和纖維素的結構單元數不同，故二者不能互稱為同分異構體。從性質視角看，淀粉和纖維度都屬于多糖類物質，均能發生水解反應。從轉化視角看，淀粉和纖維素水解的最終產物均為葡萄糖，只是食草動物體內有纖維素水解酶，而人體內沒有類似的酶，故無法消化纖維素。所以，用化學眼光觀察世界是指能基于分子的結構、性質、轉化三個視角解決化學問題。

2? 會用化學思維方式思考客觀世界

化學思維方式是指化學理解、解釋客觀世界的思考方式。從人類理性認識活動看，思維方式是被人們普遍接受的對信息的反映、加工和改造的思維轉換方式［10］。化學思維方式主要包括：以“結構化學”為基礎的“宏觀與微觀相結合”，以“物理化學”為基礎的“變化與平衡相結合”。

2.1? 會用宏觀與微觀相結合（簡稱“宏微結合”）的思維方式思考客觀世界

2.1.1? 為什么是宏觀與微觀相結合

宏微結合是現象與本質、感性與理性的結合。基于科學認識論視角看，科學認識世界要達到本質、揭示必然性。結合化學學科特征，化學是在微觀層次的分子水平上研究物質的結構、性質及轉化的靜態本質和動態規律。但物質的結構、性質及轉化等將以宏觀特征、規律等現象表現出來。例如，在Fe2+溶液中滴入稀硝酸，請觀察實驗現象，并說明理由。從宏觀視角看，該實驗現象是溶液顏色由淺綠色變為黃色。從微觀視角看，稀硝酸的強氧化性使Fe2+失去一個電子變為Fe3+。可見，宏觀是現象，微觀是本質。宏微結合方式思考世界才能知其然，并知其所以然。

2.1.2? 如何應用宏觀與微觀相結合方式思考客觀世界

宏微結合是以“結構化學”理論為基礎思考物質及其轉化的思維方式。宏微結合思考客觀世界秉持“結構決定性質”觀念。在宏觀上，物質及其轉化的特征、規律等具有“可識別性”，可以通過辨識、分類、歸納等進行特征識別、類別劃分、規律概括。在微觀上，物質及其轉化的現象、特征、規律具有“可理解性”，可以通過微粒種類、微粒結構及相互作用等解釋、預測、分析其現象、特征和規律的本質。宏微結合思維方式示意圖如圖3所示。

例如，HCl、 H2SO4、 HNO3均能與NaOH反應。從宏觀視角可歸納出宏觀規律：三個化學反應均是酸和堿反應生成鹽和水；從微觀視角看，三個反應均可用離子方程式H++OH－H2O表示。宏觀方面，從物質類別視角歸納三個化學反應的特征規律；微觀方面，從參加反應的微粒種類揭示其本質。

2.2? 會用變化與平衡相結合的思維方式思考客觀世界

2.2.1? 為什么是變化與平衡相結合

變化與平衡相結合體現“變”與“不變”的辯證思維。化學通過變化創造物質，故化學變化是化學的研究對象之一。從科學認識論視角看，科學認識要把握規律性。規律具有“穩定”“可重復”等特征。研究化學反應的穩定狀態，即平衡態，才能把握化學反應規律。

2.2.2? 如何用變化與平衡相結合方式思考客觀世界

變化與平衡相結合是以“物理化學”為基礎，從條件、原理、特征三方面認識化學反應，定性與定量相結合揭示化學反應本質和規律。

化學反應條件解決化學反應的驅動和引發問題，分為觀念條件和操作條件。從定性視角看，觀念條件是指從原理層面驅動、引發化學反應的系統內部因素，即內因，包括自由能、活化能等；操作條件是指從實踐層面驅動、引發化學反應的外部環境因素，即外因，包括與反應系統相關的溫度、壓強等。從定量視角看，在觀念條件方面，通過吉布斯自由能變（△G）驅動化學反應，通過降低活化能（Ea）引發化學反應；在操作條件方面，通過改變溫度、壓強等一個或多個外因而作用于內因來驅動、引發化學反應。

化學反應原理解決化學反應的“可能性”和“現實性”問題，均指向化學反應的“平衡態”。從定性視角看，“可能性”問題以化學熱力學為基礎，不考慮時間因素，研究化學反應的驅動和反應物的轉化程度；“現實性”問題以化學動力學為基礎，考慮時間因素，研究化學反應的引發和快慢程度。從定量視角看，當反應達到限度、正逆反應速率相等時，處于平衡狀態。另外，化學反應的限度和速率可以通過改變條件來調控。

化學反應的本質特征是有新物質生成，并伴有能量轉化［11］。因此物質和能量是認識化學反應本質的兩個視角。從定性視角看，分子是保持物質化學性質的最小微粒。在發生化學反應時，分子中的原子進行重新組合，原子的種類和數量不變；但原子間的作用方式發生變化，伴隨著舊鍵斷裂、新鍵生成，圍繞化學能發生能量轉化。從定量視角看，物質轉化和能量轉化分別遵守質量守恒定律和能量守恒定律。

變化與平衡相結合思維方式示意圖，如圖4所示。

例如，酸堿指示劑是弱酸或弱堿溶液，存在著電離平衡。當環境的酸堿度發生變化時，溶液中原來保持的化學平衡發生移動，溶液的顏色發生變化，反應體系進入新的平衡狀態，同時，伴有能量轉化。

3? 會用化學思維方法認知客觀世界

化學思維方法是化學理解、解釋客觀世界的分析加工方法。一般情況下，化學思維方法以科學思維的邏輯方法為基礎，“在感性認識基礎上，運用概念、判斷、推理等形式對客觀世界間接的、概括的反映過程”［12］，認知客觀世界的本質和規律。證據推理是常用的化學思維方法。

3.1? 為什么是證據推理

從邏輯學視角看，證據推理體現“證據—推理—結論”間的邏輯關系。證據推理的基本類型包括歸納推理、演繹推理、類比推理、溯因推理［13］。化學學習不僅要知道“是什么”，還要知道“為什么”。化學是由化學事實、化學概念、化學理論等構成的結構化知識體系。化學學習過程就是建構化學知識體系的過程，即通過歸納、演繹、類比、溯因等方法，基于證據進行關聯并得出結論的過程，因此證據推理是重要的化學思維方法。

3.2? 如何用證據推理認知客觀世界

證據推理體現思維加工過程，是基于證據運用比較、分析、綜合、歸納、概括等科學方法對事實材料進行加工的過程。證據推理必須以真實問題解決為背景，基于給定的化學事實（條件），通過證據推理達成目標（結果）。采用哪種推理類型，取決于目標類型。目標類型主要包括判斷事實、形成結論、探查原因等。根據證據來源不同，證據推理有兩條基本路徑，如圖5所示。

路徑一：證據來源于化學事實（條件），運用分析、比較、歸納、概括等方法得出一般結論，再檢驗結論與目標（結果）的一致性。例如，給出三個化學反應：CuO+H2Cu+H2O， 3Fe+8HNO3（稀）3Fe（NO3）2+2NO↑+4H2O， MnO2+4HCl（濃）MnCl2+Cl2↑+2H2O，請從元素價態視角歸納氧化還原反應的特征。這道題的目標是形成一般結論，應該采用歸納推理，通過三個化學反應抽提出證據。從元素價態視角看，三個反應中均同時有化合價升降，因此可以得出結論：氧化還原反應的特征是在一個化學反應中同時有元素化合價的升高和降低。這與所要達成的目標相一致。

路徑二：證據來源于與給定化學事實（條件）相關聯的已知化學事實、化學概念、化學理論等，運用關聯、分析、比較、演繹等方法得出結論，再檢驗結論與目標（結果）的一致性。例如，NaHSO4與NaOH的反應是中和反應嗎？這道題的目標是事實判斷，應該采用演繹推理，關聯中和反應相關理論作為證據。從微觀視角看，中和反應的本質是H++OH－H2O，故NaHSO4與NaOH反應屬于中和反應；從宏觀視角看，中和反應是酸與堿反應生成鹽和水的反應，而NaHSO4是鹽，不是酸，故不屬于中和反應。因此得出結論：NaHSO4與NaOH的反應不是中和反應。這與所要達成的目標相一致。

通過判斷NaHSO4與NaOH的反應是否是中和反應可以看出，為了保證所得結論的可靠性，要多途徑、多角度收集證據，如宏觀與微觀相結合搜集證據、定性與定量相結合搜集證據。

證據推理是化學學科認知客觀世界的重要思維方法，且具有普遍性。但是這并不意味著化學只有這一種思維方法。從化學學科實際看，化學思維方法還包括模型化方法和理想化方法等。

4? 會用化學語言表達客觀世界

化學語言是化學描述、刻畫、表征客觀世界的表達方式。

4.1? 化學用什么方式描述、刻畫和表征客觀世界

描述是從知識層面揭示客觀世界的本來面目，刻畫是從認識層面理解客觀世界，表征是從符號層面表達客觀世界，因此化學語言是從知識、認識和符號三個層面揭示、理解、表達客觀世界，并以化學模型的形式呈現出來。

化學科學模型是從知識層面描述物質及其變化的特征、本質和規律。按照再現原型的形式劃分，化學科學模型分為化學實物模型和化學思想模型［14］。化學實物模型是以物質形式再現原型，如CH4的球棍模型；化學思想模型是以思想形式再現原型，如電子云模型。

化學認識模型是從認識層面刻畫物質及其變化的特征、本質和規律的一般認識框架。化學認識模型包括化學概念、化學原理、化學規律、化學結論等。例如，原電池認識模型，刻畫了原電池的組成及其變化特征的一般認識框架。

化學符號模型是以化學符號形式表達物質及其變化的特征、本質和規律。例如，分子式、結構式、結構簡式、化學方程式等。

化學語言結構示意圖如圖6所示。

4.2? 如何用化學語言表達世界

運用化學科學模型描述客觀世界，要知道“模擬什么”“怎樣模擬”。例如，CH4的球棍模型，要模擬C原子和H原子的空間相對位置及相互作用，是用鍵角、鍵長來描述的。再如，電子云模型，要模擬原子核外電子的運動狀態，是用電子在原子核外空間的概率密度分布來描述的。

運用化學認識模型刻畫客觀世界，要能夠促進對客觀世界的本質特征、構成要素及其相互關系的理解。例如，原電池認識模型，原電池的本質特征是化學能轉化為電能，化學能通過氧化還原反應產生，電能通過電子、離子的定向遷移體現。認識到電極反應、電極材料、電子導體、離子導體是原電池構成的基本要素，從而建立電化學過程的系統分析思路。

運用化學符號模型表征客觀世界，要明確化學符號的含義。例如，表征有機化合物時，分子式既表征組成物質的元素種類，又表征組成分子的原子種類和個數；結構式表征原子的連接順序和空間相對位置；結構簡式表征分子中原子的連接順序等。

5? 會用化學規律改造客觀世界

化學規律是化學改變、創造客觀世界的手段。新時期化學課程要培養有理想、有本領、有擔當的時代新人［15］，這體現在改造客觀世界時，不僅“會用”化學規律，還要“用好”化學規律。

5.1? 如何“會用”化學規律

“會用”化學規律是指能從反應原理、物質性質、物質結構等視角改造客觀世界，“本領”在實踐中轉化為“化學規律”的運用。

5.1.1? 調控化學反應改變客觀世界

調控化學反應需要從理論與實際兩方面綜合考慮。

從理論方面看，要知道“調什么”“如何調”。如圖3所示，從化學反應原理視角看，化學反應調控包括限度調控和速率調控。從內因看，能量決定了化學反應的驅動和引發，自由能變驅動化學反應、決定化學反應限度，活化能引發化學反應、決定化學反應速率。從外因看，溫度等外因通過影響內因而起作用。因此調控化學反應就是通過調控外因作用于內因，實現限度和速率調控。

從生產實際看，要知道“為什么調”“調到什么程度”。調控化學反應的目的是效益最大化；“調到什么程度”要綜合考慮原材料成本、生產成本、時間成本等因素。考慮原材料成本就是要提高反應物的轉化率，即限度；考慮生產成本就是要系統控制條件，如升溫、加壓等；考慮時間成本就是要提高生產效率，即速率。

例如，工業合成氨。從理論方面看，該反應是可逆反應，可以通過溫度等控制進行限度和速率調控。從生產實際看，提高轉化率，可以通過降溫、加壓等方式實現；提高生產效率，可以通過升溫、加壓、使用催化劑等方式實現。兩方面在溫度控制方面出現了矛盾，這就要綜合考慮溫度、壓強、催化劑對化學反應限度和速率的實際影響的大小，合理地選擇溫度、壓強、催化劑等條件。

5.1.2? 轉變物質性質改造客觀世界

轉變物質性質的目的是趨利避害，是指從物質性質出發，通過化學反應轉變物質性質。

物質性質主要通過物質類別、元素價態和物質特性三方面認識，研究反應的位點和類型。

物質類別是根據物質的功能單元進行劃分的。例如，酸能電離出氫離子，堿能電離出氫氧根離子，烯烴中有碳碳雙鍵等。基于物質類別進行物質轉化主要是基于功能單元的轉化。例如，胃酸的主要成分是鹽酸，如果胃酸過多，將產生灼痛感。因此，減輕病痛就是要降低胃酸的酸度，基于中和反應原理，可以服用氫氧化鋁等弱堿，或者碳酸氫鈉等弱堿性的鹽，以達到降低胃酸酸度的目的。

元素價態是根據元素化合價來確定物質的氧化性質或還原性質。高價態的物質具有氧化性；低價態的物質具有還原性；中間價態的物質既有氧化性，又有還原性。例如，汽車尾氣處理。汽車尾氣中含有CO、 SO2、碳氫化合物、氮氧化合物等有害氣體。通過分析上述氣體的元素價態，可以基于氧化還原反應原理，實現汽車尾氣綠色化處理。

物質特性是指物質的特殊性質。例如，SO2能使品紅溶液褪色，Fe3+與SCN－反應后溶液呈血紅色，BaSO4既不溶于酸也不溶于堿。例如，胃病檢查時“鋇餐”的選擇。胃酸的主要成分是鹽酸，為了防止鹽酸與“鋇餐”反應，“鋇餐”應該具有既不溶于酸也不溶于堿的特性，這就是利用了BaSO4的特性。

5.1.3? 設計分子結構創造客觀世界

“轉變物質性質”和“設計分子結構”的實質都是通過改變分子結構實現物質性質轉變。“轉變物質性質”是從性質出發，分子結構“被動”改變；“設計分子結構”是“主動”改變分子結構以期具有某些性質。設計分子結構主要通過分子組成、相互作用方式、空間位置等視角實現。

一般情況下，分子組成和相互作用方式是同時改變的，需要根據實際需要分析設計分子結構的角度。分子組成視角是通過在分子中增加、減少或替換原子或原子團的方式設計分子結構。相互作用方式視角是通過改變原子或原子團之間的相互作用方式設計分子結構。例如，青蒿素在治療瘧疾時，由于其水溶性較差，因此治療效果較弱。通過增加氫原子的方式，將青蒿素選擇性地還原生成雙氫青蒿素，提升了治療效果，同時一對碳氧間的作用方式由碳氧雙鍵變為碳氧單鍵。

從空間位置視角，通過改變原子或原子團的空間相對位置設計分子結構。例如，在藥物合成時，有些藥物存在旋光異構體，即左旋和右旋，且有些藥物左旋和右旋有著不同的藥性，因此在藥物合成時需要考慮原子或原子團的空間位置。

5.2? 如何“用好”化學規律改造客觀世界

“用好”化學規律是指在運用化學規律改造客觀世界時要樹立正確的目標方向（有理想）和秉持正確的價值觀念（有擔當）。

5.2.1? 樹立正確的目標方向

科學認識的廣義倫理價值認為“科學作為人類的社會活動其最終目的乃是運用所探求到的對世界的規律性的認識去能動地改造客觀世界，并為人類本身謀求利益和幸福”［16］。因此“理想”在實踐中轉化為“責任使命”，這為改造世界樹立了正確的目標方向，體現在國家和社會兩個層面。

從國家層面看，在運用化學規律改造世界時，要增強實現中華民族偉大復興的責任感；在材料、能源、信息等領域與物理學一起共同提供物質科學基礎助推國家科學技術創新；同時，解決醫藥衛生、環境保護、資源開發等生產生活中的實際問題。從社會層面看，運用化學規律創造更多的物質財富和精神財富以推動人類社會文明進步；同時，應對能源危機、環境污染等促進社會可持續性發展。

5.2.2? 秉持正確的價值觀念

科學認識的狹義倫理價值認為“科學認識活動及其成果對作為主體的個人或群體規范自己的行為和調整人際關系的精神和實踐價值”［17］。因此“擔當”在實踐中轉化為“行為規范”，這是改造世界要秉持的正確價值觀念，包括科學行為規范和道德行為規范。

科學行為規范包括科學態度、科學精神和化學規范。即嚴謹求實、實事求是的科學態度，崇尚真理、敢于質疑、勇于探索、理性批判的科學精神，“綠色化學”思想、理論與實際相聯系等化學規范。

道德行為規范包括行為觀念、行為意識和規則意識。即樹立生態文明等行為觀念，具有環保、節約、評價、決策等行為意識，遵守科學倫理、法律法規等規則意識。

會用化學規律改造客觀世界的結構化示意圖，如圖7所示。

化學學科核心素養是化學課堂教學的目標，在課堂教學落實化學學科核心素養對一線教師提出了新課題、新挑戰。教師只有深入理解化學學科核心素養的內涵，才能選擇有針對性的教學策略，開展基于化學學科核心素養導向的教學設計，并進行教學實施。化學學科核心素養的培養不是一蹴而就的，教師需要持續、深入地在課堂教學實踐中落實，使得核心素養發展在課堂教學中真正發生。

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