物質轉化觀的內涵、歷史演變及其教學啟示

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學觀念是義務教育階段化學課程需要培養的學科核心素養之一，也是學生解決真實化學問題的基礎?！读x務教育化學課程標準（2022年版）》提出“化學是研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科”1]，在義務教育化學課程標準（2011年版）[2]基礎上明確了“轉化”作為化學學科5個研究領域之一。另外“轉化”詞頻大幅出現在課標中，凸顯物質轉化的重要價值。

學者對化學學科的定義[3]也證明了對“轉化”的重視，如唐有祺院士強調“化學是側重在原子-分子水平上研究物質的組成、結構和性能以及相互轉化的學科”[4]。周公度教授認為“化學是在原子和分子水平上研究元素、化合物和材料等物質的組成、制備、性質、結構、應用和相互轉化規律的科學”[5]。雖各有側重，但都關注到了“轉化”“分子水平”等，因此非常有必要從“轉化”的角度去培養學生的化學觀念。

然而學界目前的研究多集中于\"變化觀”[6.7]和\"變化觀念與平衡思想”[8]，為區別于以上概念，本文將界定物質轉化觀的內涵，通過化學史考究歷史演變，并思考其帶來的教學啟示。

1物質轉化觀的內涵

1.1物質轉化與相關概念的辨析

物質轉化觀是基于物質轉化的一種化學觀念，物質轉化與物質變化、化學變化、化學轉化等概念有以下區別與聯系。

在語義范疇方面，“變化”是指“事物在形態上或本質上產生新的狀況”[9，強調的是結果;而\"轉化”是指“矛盾的雙方經過斗爭，在一定的條件下，各自向著和自己相反的方面轉變，向著對立方面所處的地位轉變”[1]，強調的是條件下的過程。而條件可通過人為選擇，因此“轉化”比“變化\"更具有目的性與調控性。

在學科范疇方面，物質變化包括核變化、物理變化（PVT變化、相變化）及化學變化。如加熱碳酸鈣生成氧化鈣和二氧化碳是一個化學變化，二氧化碳導致體系的體積或壓強發生了變化，同時放出的熱還引起了溫度變化，此為PVT變化，若溫度持續升高導致氧化鈣液化，便有了相變化?；舴蚵≧oaldHoffmann）認為“今天的化學是分子及其轉化的科學”[]，因此化學轉化實質上指的是分子層面討論的物質轉化（即基于分子層面研究物質的轉化），故物質轉化與化學變化是一對既有聯系又有區別的概念（見圖1）。

圖1物質轉化與相關概念的范疇

在學科本質方面，首先從關系上看，化學變化是最簡單的物質轉化。即化學變化體現了基本的物質轉化關系，而物質轉化是基于轉化目的對多個基本轉化關系（即化學變化）的綜合利用。其次從內容上看，化學變化揭示了化學反應的客觀規律，解釋變化的本質；而物質轉化強調利用變化規律和原理，化學的研究對象的變遷則印證了這一點，即從發現新元素及其化合物轉變為合成新分子，再到把分子擴展組裝成分子機器等[12]；最后從價值上看，化學變化基于“客觀的反映”，物質轉化側重“能動地創造”，即發揮了化學學科的能動作用，基于功能、價值等方面“人為思考”的“能動的化學”，比如從蛋白質分子所需功能設計多肽的序列結構“（見圖2）。

1.2 物質轉化觀的內涵

所謂物質轉化觀，是指人們在分子、原子水平上對物質轉化本質的最基本的認識和看法。要更好地了解物質轉化觀，可以從本體論、認識論、方法論和價值論四個角度來進行解讀（見圖3）[14]。在長期化學實踐中，人們在揭示物質轉化的本質，認識物質轉化規律，凝練物質轉化方法和感受物質轉化價值方面形成了穩定的認識與看法，形成了以下四個基本觀點。

圖2物質轉化與化學變化的區別與聯系

首先，從本體論看，物質轉化的本質是通過自然或人工條件下的化學變化而實現的一種或多種物質轉化成新物質的過程，過程中存在化學鍵的斷裂和形成?；瘜W變化是基于物質的客觀性，旨在揭示反應的客觀規律，如大自然中的固氮、乙醇與乙酸可在硫酸催化下酯化得到乙酸乙酯；化學轉化是基于意識的主觀性，旨在提供調控規律，在客觀規律的基礎上設計、合成，如人工固氮、得到乙酸乙酯的除了酯化法還有乙醇脫氫法、乙醛縮合法等，這是一個由被動到主動的過程，也是化學學科的核心任務或今后長遠的努力方向“開發新化學過程和揭示規律”“設計分子或結構從而創造新物質”[15]

其次，從認識論看，物質轉化存在一定的規律，通過認識、調控變化規律，按照一定的物質轉化思維方式實現物質轉化。如了解酯化反應的變化規律基礎上，利用調控規律可以按照乙酸乙酯的合成思維方式得到丙酸乙酯，從而選擇丙酸和乙醇為原材料，化學過程的開發如能在分子水平上加強一些工程意識，成功的希望就會大些[16]

再次，從方法論看，物質轉化需要遵循特定的化學方法，但路徑可以設計。根據生活生產需要，考慮物質分離、提純與檢驗等實踐性與方法性技能，選擇更優的轉化路徑，通過化學合成方法，快速實現物質轉化。20世紀有關合成和分離的化學諾貝爾化學獎就達39項[17]。

最后，從價值論看，物質轉化在生產方面帶有價值取向——或有利于推動人類社會可持續發展造福人類，或減少對人類世界的影響?；瘜W科學的目的是認識、改造和保護世界[18]。如選擇乙醇脫氫法制備乙酸乙酯是因為工藝簡單，容易操作，基本無腐蝕和三廢排放。

2物質轉化觀的歷史演變

伴隨著化學學科的發展，物質轉化觀的發展可以劃分為4個階段：基于思辨的物質轉化觀、基于元素組成的物質轉化觀、基于結構構成的物質轉化觀、基于反應調控的物質轉化觀。

2.1 基于思辨的物質轉化觀

在古代實用化學和煉金術時期，人類對物質的探索始于哲學思辨。這一階段產生了基于思辨的物質轉化觀，是指人類按照個人主觀思維的猜想去實現物質轉化的一種思維與看法，其模型用下式表示（見圖4）。

圖4基于思辨的物質轉化觀

當人類學會使用火，便開始有了物質變化的意識。古希臘的哲學家們對物質本原有不同的觀點，然而占統治地位的物質觀卻是亞里士多德（Aristotle，公元前384～前322）的四元素說[19]。在公元1世紀前后興起的希臘煉金術被視為金屬加工工人的技術與希臘哲學融合的結果。煉金術者認為“所有金屬都由硫磺和汞構成，賤金屬可以轉換成貴金屬”[20]，而煉金術是一門“把天然原料轉變成對人類有益產品的科學”[21]。受限于技術，關于轉化的猜想以主觀思維為基礎具有明顯的思辯特征。

模型可進一步解釋為：

（1）源于人類的原始追求。人類根據生產和生活的需要，認為利用廉價物質經過一定的過程便形成了有價值的物質。

（2）缺乏科學依據。人類認為只要通過不斷地嘗試，總能找到一種或多種物質按照一定比例混合并作用就能轉化成想要的物質。即認識視角是基于轉化的兩端——原始物質這一起點與新物質這一終點，不夾雜其他因素。

（3）體現了人類化學思想史中關于轉化的最原始的認識。此模型充滿了人類對世界的美好憧憬，雖缺乏科學依據，卻搭建了物質間轉化的一般框架。

2.2基于元素組成的物質轉化觀

十五到十六世紀期間歐洲疫情肆虐，促使煉金家運用煉金術的化學手段制造化學藥物，形成了醫藥化學時期，從而開啟了向科學化學的過渡?；瘜W實驗的發展，化學家對元素有了進一步的認識。這一階段產生了基于元素組成的物質轉化觀，是指人類基于物質組成的視角，按照元素守恒思想去實現物質轉化的一種思維與看法，其模型用下式表示（見圖5）。

圖5基于元素組成的物質轉化觀

在四元素說的基礎上，人類關于物質組成的認識經歷了“硫-汞二元說\"“三要素學說\"等階段[22，23]。英國科學家波義耳（RobertBoyle，1627—1691）首次科學地提出元素概念，認為元素是某些原始的、簡單的物體，不能由其他物體或自身混成，只能直接復合成完全結合物或由其分解[24]。波義耳建立的科學元素觀，為物質轉化觀提供了基礎一物質的轉化是基于元素組成的。若反應物無相應的元素，則不能產生含有該元素的生成物。這就從本質上否定煉金者們基于思辨的物質轉化觀。

隨后，法國化學家拉瓦錫（Antoine-LaurentdeLavoisier，1743～1794）建立了全新的元素觀[25]，盡管他把單質與元素的概念混淆了[26]，但通過實驗證明水是由氧氣和可燃空氣（認為是元素）化合而成，所形成的元素觀念有助于從元素視角看待物質的轉化。

模型可進一步解釋為：

（1）源于元素概念的科學確立。物質轉化須基于物質宏觀組成（即元素）的思考，同時符合唯物主義哲學，物質不可能憑空創造或消失。

（2）遵循了元素守恒思想。人類分析原物質和新物質的元素組成，經過一定的過程，通過一定的手段，便存在了轉化的可能性，同時還意識到這種轉化符合質量守恒定律，認識視角在原有基礎上增加了“元素”因素。

（3）體現了人類化學思想史中關于轉化的第一個正確的認識。此模型存在著堅實的理論基礎，使人類逐步正確地走向“可以認識”的物質轉化之路。如同為碳元素組成的石墨與金剛石存在轉化的可能，而銀不能轉化為金。

2.3基于結構構成的物質轉化觀

隨著對有機化合物的探索，結構化學得到了發展。這一階段產生了基于結構構成的物質轉化觀，是指在遵循元素守恒思想的基礎上，結合物質空間結構視角實現物質轉化的一種思維與看法，其模型用下式表示（見圖6）。

圖6基于結構構成的物質轉化觀

從氧化學說建立后的半個世紀，化學家們信奉“生命力論”，德國化學家韋勒（FriedrichWohler，1800～1882）用人工方法從無機物氰酸銨制得由人體排泄而來的有機物，科貝爾（AlolffWilhelmHermannKolbe，1818～1884）用木炭等原料合成了醋酸等有機物，徹底宣告“生命力論\"的破產[27]，打破了無機物與有機物不能相互轉化的鴻溝。

“同分異構體”概念的提出[28使物質轉化觀得以發展——基于結構的轉化?；瘜W家對物質性質的不同與原子結合方式之間的關系產生了興趣?！帮柡湍芰Α笔切纬伞霸觾r”概念的基礎，德國化學家凱庫勒（Friedrich August Kekule， 1829～1896 ）提出了“原子價”概念、碳鏈概念、雙鍵和三鍵概念以及苯環結構，成為經典結構理論的基礎與內容。碳四面體構型學說開創了立體化學，成功解釋了旋光異構現象，配位理論更是在化學結構理論與立體化學理論的進一步發展[29]，對本階段的物質轉化觀發展起到了極大的促進作用。

模型可進一步解釋為：

（1）源于立體化學的發展。人工合成尿素打破了無機物與有機物轉化的界限，“同分異構體”等概念的提出，影響物質轉化觀的發展一由平面邁向立體的物質世界。

（2）深入考慮了物質的空間立體結構。基于元素組成實現的物質轉化是本質前提，而原子間的不同連接方式或不同空間結構給予物質轉化更多可能性和選擇性。

（3）體現了人類化學思想史中關于轉化的深度認識。由于考慮了物質結構的“構型”“構象”“旋光”多樣性，人類走向“立體”的物質轉化之路，根據結構構成甄別產物，以實現有價值取向的轉化。如預防心血管疾病而控制反式脂肪酸的生成等。

2.4基于反應調控的物質轉化觀

以上更多是從本體論上論證3種類型的轉化觀，然而基于系統論認識轉化過程，還需要從物質所處的環境考慮，如反應的條件、調控與選擇等。科學家對物質轉化的認識產生了新視角一基于反應調控的物質轉化觀，是指基于反應本身與反應調控手段整體化思考的視角，去實現物質轉化的一種思維與看法，其模型用下式表示（見圖7）。

圖7基于反應調控的物質轉化觀

對化學過程的研究包括2方面，一是研究反應方向和限度的化學熱力學，二是研究反應速率和機理的化學動力學[30]?；瘜W熱力學研究只考慮化學反應的始態與終態，故人類對化學反應的干預（包括速率和機理）更多從化學動力學入手。瑞典化學家阿倫尼烏斯（SvanteArrhenius， 1859～1927 ）提出活化能概念解釋了化學反應速率和溫度的關系[31]，推動了物質轉化的認識。俄國圣彼得堡科學院院士K.C.基爾霍夫（Kirchhoff）在化學工藝上模仿了自然界作用將淀粉轉變為葡萄糖[32]。貝采利烏斯將這種“化學作用表現的新力量”稱為“物質的催化力”，把這種作用稱為催化作用33，極大地推動了工業生產，如合成氨工業的進展[34]，體現著人類不斷地追求效益和功能最大化。

相比較“催化劑”，對化學反應的調控更能體現人類的可控性。法國化學家貝托雷（ClaudeLouisBerthollet， 1748～1822 ）在《親合力定律的研究》中的觀點[5及法國化學家勒夏特列（Henri Louis Le Chatelier，1850～1936 ）提出的“平衡移動原理”[36]，對控制化學反應有了新的認識。挪威化學家古德伯格（CatoMaximilian Guldberg， 1836～1902 提出化學平衡常數，改變反應條件能朝著有需要的化學反應方向并達到一定的程度。人類對物質轉化掌握了更多的主動權，可以調控物質轉化的“分配問題”，如1，3丁二烯與HBr反應，從 0^°C 提高到 40% ·70% 的1，2-加成產物的占比降低到 15% 。

模型可進一步解釋為：

（1）源于系統論及科技的發展?；瘜W熱力學指明了反應的方向和限度，考慮了始態和終態，化學動力學探明了反應的速率和機理，考慮了過程。在系統論指導下，活化能、催化劑、平衡移動等概念的提出，對物質轉化的認識由片面走向全面，內部走向外部，靜態走向動態。

（2）兼顧了物質內部組成和構成及所使用的調控手段。反應物本身是內因，反應調控是外因，轉化是內外因共同作用的結果。前3階段的轉化觀是一個靜態過程一—靜態的元素組成、靜態的物質結構、孤立的系統。本階段的轉化觀卻是一個動態過程一一中間態或過渡態存在的連續性相互作用。

（3）體現了人類化學思想史中關于轉化的當前認識。系統論考慮了系統與外部條件的協調關系，人類走向“按需調控功能化”的物質轉化之路，如基于模塊化分子鏈接技術的“點擊化學”實現對任意形態的目標分子在微觀層面“模塊化”的精確構造[3并以此為基礎發展的“生物正交化學”[38] 。

3 教學啟示

素養為本的課堂教學應如何讓學生重走化學家探究之路，像化學家一樣思考，從而建構物質轉化觀呢？可從以下三方面嘗試：

3.1重視發揮\"物質的變化與轉化”大概念的結構化功能

內容的結構化主要基于知識關聯、認識思路、核心觀念[39]?！拔镔|的化學變化”的主題大概念是“物質的變化與轉化”。學生根據先前的學習形成了“分子破裂成原子，原子重新排列組合生成新分子的過程”的微粒觀，“物質是由元素組成”的元素觀，但這些對物質組成與構成的認知都處于非動態、非聯系狀態。大概念“物質的變化與轉化\"可以促使學生通過物質轉化將物質的組成與構成建立結構化聯系。如學習電解水時從物質轉化視角探究水的組成（通過驗證兩極氣體得知），也能從元素、原子和分子視角理解水的電解（氫、氧原子重新組成新分子）。這也能幫助學生在“化學變化”概念學習上從宏觀視角“有新物質生成的變化是化學變化”，過渡到微觀視角的“有新分子生成的變化是化學變化”。

3.2培養物質轉化的認識視角和認識思路

物質轉化觀的歷史演變，為構建本觀念增加了認識視角，如元素概念的確立增加了元素視角、旋光異構體等立體化學的發展增加了空間結構視角等。

學生認識視角一旦形成，便容易在陌生情境的問題解決中找到物質轉化分析的角度或切入點。如基于官能團認識物質轉化的內因，酯化反應反映了醇類的羥基或酸類的羧基與脂類的酯基之間的轉化關系。再如鑒別NaCl和 Na₂CO₃ ，是基于離子視角（CI或 CO₃^2- ）而非元素視角。

學生認識思路一旦形成，便能在陌生情境的問題解決中快速形成物質轉化的分析框架。以學習難點“不同價態含硫物質的轉化”為例，學生往往視之為單一的物質轉化。如“ ”的轉化中，認為只能利用氧氣這一物質將硫元素從低價態轉化到高價態。教學中應重點關注培養“不同價態的轉化”的認識思路，形成“利用氧化還原反應實現不同價態含硫物質的相互轉化”或“利用氧化劑實現低價態轉化到高價態、利用還原劑實現高價態轉化到低價態”的物質轉化觀點。進一步遷移到將“鐵三角”模型的建構過程進行抽提，形成多變價元素不同價態化合物相互轉化關系的“價三角”模型這一分析框架，用于解決 N，S，Cl 等元素及其化合物之間的相互轉化問題[40]

3.3形成認識、改造和保護世界的正確價值觀

化學的特征是從分子層次認識物質，通過化學變化創造物質。通過化學課程學習學生具備了關鍵能力與必備品格后，還需要正確的價值觀引領。否則類似“我們恨化學”這種損壞化學教育、誤導公眾認知的廣告亂象恐將再度上演。因此新課程標準提出的內容要求包含“化學反應的應用價值及合理調控”，以實現化學課程育人功能。

選擇情境素材時，要引導學生體會科學家在科學探索中的創新精神和社會責任感。如科學家意外合成了治療癌癥的化學藥物順鉑，解決了“有沒有”的問題。但由于其明顯的副作用，科學家從更換順鉑的配位基團、靶向抗癌藥物研究和納米載體鉑藥物探索3個方向努力著手解決“好不好”的效果優化問題[41]。學生跟隨科學家的步伐，體會通過化學反應實現物質轉化的意義和價值，形成認識、改造和保護世界的正確價值觀。

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