畢華林++萬延嵐

摘要：在化學科學漫長的發(fā)展過程中，不僅積累了豐富的化學知識，更積淀了化學家們認識物質(zhì)、改造物質(zhì)和應(yīng)用物質(zhì)的思想觀點、科學方法、思維方式等，這些思想、觀點、方法對促進學生化學核心素養(yǎng)的發(fā)展具有重要價值。通過對化學學科特征的分析，提出化學學科思想、化學思維方式和化學科學實驗三個主題體現(xiàn)了化學科學的魅力，并從化學教育的角度分析了化學基本觀念、化學三重表征和化學實驗探究教學所面臨的問題與挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：化學基本觀念；化學三重表征；化學實驗探究

文章編號：1005-6629（2015）5-0003-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

兩千多年前，古希臘科學家阿基米德在發(fā)現(xiàn)了杠桿原理之后曾說：“給我一個支點，我就能撬動地球?！庇纱耍鞍⒒椎轮c”常被用來比喻成功解決問題、能夠把理論與事實統(tǒng)籌起來的關(guān)鍵點和最佳切人點。在化學教育領(lǐng)域，是否存在這樣的“阿基米德支點”？如果存在，它義是什么呢？眾所周知，化學是一門中心的、實用的和創(chuàng)造性的科學[1]，同時，化學也是一門歷史悠久的自然科學，在漫長的發(fā)展過程中，化學科學積累了豐富知識的同時，也積淀了化學家們認識物質(zhì)、改造物質(zhì)和應(yīng)用物質(zhì)的思想觀點、科學方法、思維方式等。這些豐富的思想、觀點、方法彰顯了化學的偉大魅力，成就了化學科學在促進社會發(fā)展中的強大力量，是化學科學的精髓。很顯然，化學科學承載著豐富的教育價值，化學教育根植于化學科學，必須彰顯化學科學的魅力和特征，只有這樣，化學教育才有生命力，才能促進學生化學核心素養(yǎng)的發(fā)展。那么，對化學科學而言，最能展示化學科學魅力的主題是什么？這些主題如何轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M學生科學素養(yǎng)全面發(fā)展的“阿基米德支點”？

1 化學學科思想與觀念建構(gòu)教學

如前所述，化學科學在漫長的發(fā)展過程中積累了大量知識，而任何知識的發(fā)展和形成過程都承載著豐富的內(nèi)涵，知識的意義絕不僅限于其字面所表達的含義[2]。化學知識是化學家運用一定的科學方法，經(jīng)歷艱難曲折的探索過程而獲得的，這一過程傾注了化學家的智慧，體現(xiàn)了化學家的思想、觀點和方法，這些思想方法的集合構(gòu)成了化學學科思想?？梢钥闯觯瘜W學科思想反映了化學學科的特征和化學知識的形成和本質(zhì)，它是科學共同體對化學學科特征、規(guī)律、方法的概括性認識，對化學科學研究和人類認識發(fā)展都具有重要價值[3]。因此，化學教育在引導學生學習化學知識的基礎(chǔ)上，必須向?qū)W生傳授化學學科思想。

在化學教學中，通過引導學生對化學知識的學習和對化學學科思想的理解，學生能夠建構(gòu)起從化學的視角認識事物和解決問題的思想、觀點和方法，我們稱其為“化學基本觀念”。如果說化學學科思想是化學家們對化學學科特征的高度概括性認識，那么化學基本觀念則是化學學習者對化學學科思想的不同認識和理解，是學生通過化學課程的學習所獲得的對化學的總觀性認識[4]。不同的學習者學習化學知識的內(nèi)容和過程不同，對化學學科思想的認識和理解深度不一樣，形成的化學基本觀念就有較大差別。因此，要體現(xiàn)化學學科思想的魅力，必須要認真研究化學基本觀念的內(nèi)涵及其教學建構(gòu)，通過實施“觀念建構(gòu)”的化學教學，實現(xiàn)對學生化學學科思想的教育。

那么，在化學教育中應(yīng)幫助學生建構(gòu)哪些化學基本觀念呢？在化學教育中教授的化學基本觀念應(yīng)該反映化學科學中的學科思想，并需要以適合于學生不同認知發(fā)展階段的方式來表達[5]。因此，我們可以從化學學科和學生學習兩個視角來探討化學基本觀念的內(nèi)容。從學科的視角看，化學是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的一門基礎(chǔ)自然科學；化學實驗是化學科學研究的基本方法和途徑；分類是人類認識物質(zhì)的一種重要思維方法和手段；而科學地改造物質(zhì)、應(yīng)用物質(zhì)，實現(xiàn)自然與社會的和諧、可持續(xù)發(fā)展則是化學科學的終極目的。從學習的視角出發(fā)，化學基本觀念是學生對化學學習進行深入反思和體驗的結(jié)果，這種反思和體驗包括對物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律等知識的概括性認識、對化學探究過程和方法的反思、對化學科學本質(zhì)及其在社會發(fā)展中作用的認識和反思?；谝陨戏治觯覀冋J為在中學階段引導學生形成的化學基本觀念主要應(yīng)包括元素觀、變化觀、微粒觀、分類觀、實驗觀和化學價值觀[6]。這些化學基本觀念能夠指導人們更好地認識、改造和應(yīng)用物質(zhì)，例如，如果學生建立了“物質(zhì)是由元素組成的，在化學反應(yīng)中元素不變”等化學基本觀念，就會自覺地從元素組成的角度來認識物質(zhì)和變化，而像“水變油”這樣的偽科學鬧劇也就不會上演。宋心琦教授曾精辟地指出：“學生能否牢固地、準確地、哪怕只是定性地建立起基本的化學觀念，應(yīng)當是中學化學教學的第一目標。[7]中學化學教學必須超越傳授具體知識的層面，從“知識為本”的教學走向“觀念建構(gòu)”的教學[8]。

在過去的十幾年里，化學基本觀念作為化學科學魅力的一種教學體現(xiàn)，因其對學生科學素養(yǎng)的發(fā)展具有重要意義而受到國內(nèi)外研究者越來越廣泛的關(guān)注與實踐。一些國家的課程改革文件，如美國的《K-12科學教育框架》[9]和《下一代科學教育標準》[10]中，都突出強調(diào)對學科思想觀念的理解。我國從2000年開始關(guān)注并提倡培養(yǎng)學生的化學基本觀念，研究者們無論在理論上還是在實踐中都對化學基本觀念進行了深入的研究和探索，尤其可喜的是，不少學校和一線教師開始關(guān)注化學基本觀念，并進行了一系列“觀念建構(gòu)”的化學教學嘗試，取得了良好的實踐效果[11-12]。然而，任何理論的完善和實踐的超越都依賴于對其自身的不斷反思，通過對近十年來化學基本觀念的相關(guān)研究和教學實踐進行批判性地審視，我們發(fā)現(xiàn)還有許多需要深入思考和探索的具體問題。

例如：（1）化學基本觀念的建構(gòu)遵循怎樣的學習進階？化學基本觀念的形成不是一蹴而就的，而是不斷豐富發(fā)展的，具有階段性、層次性和漸進性的特點[13]。科學教育研究認為，圍繞少數(shù)核心觀念進行深入探究的進階學習，能夠更好地促進學生科學素養(yǎng)的形成[14]。在不同的年級階段，化學基本觀念的內(nèi)涵和外延有哪些發(fā)展變化，哪些化學知識和核心概念是形成基本觀念所必需的？這些問題需要立足于課程編排的整體進行深入研究。（2）強調(diào)觀念建構(gòu)是否會弱化了對化學知識的掌握？一些教師因為對化學基本觀念的內(nèi)涵和形成過程缺乏深入了解，從而表達出了這樣的擔憂。其實，“觀念建構(gòu)”的化學教學實現(xiàn)的是化學知識與基本觀念雙向建構(gòu)的共贏過程，教師要深入分析和挖掘教材內(nèi)容，深刻理解化學基本觀念與具體知識、核心概念間的內(nèi)在聯(lián)系，引導學生通過對化學知識的理解反思促進基本觀念的形成，死記硬背式的學習難以形成化學基本觀念。（3）當一節(jié)課的內(nèi)容能夠體現(xiàn)不同學科觀念的時候，是面面俱到，還是突出核心觀念？我們認為，化學基本觀念的建構(gòu)在于深入、系統(tǒng)，而不在于泛泛而談，如何選擇和把握一節(jié)課中最本質(zhì)的核心觀念，并且圍繞這一核心觀念統(tǒng)籌相關(guān)知識和其他觀念，系統(tǒng)地組織和設(shè)計教學，則需要教師的教學經(jīng)驗和智慧?？梢哉f，上述問題對化學教育研究和教師教學提出了更高的挑戰(zhàn)和要求。

2 化學思維方式與化學三重表征

化學科學在漫長的發(fā)展過程中，所積累的不僅僅是豐富的化學知識，更積淀了一種強有力的認識和思考世界的方式，即化學思維方式。那么，化學科學擁有怎樣獨特的思維方式？或者說，化學家們是如何思考和表征物質(zhì)世界的？對此，蘇格蘭格拉斯哥大學的約翰斯頓（ Johnstone）教授進行了一系列的思考。1982年，約翰斯頓在論文《宏觀和微觀化學》中提出化學專家至少在三種不同的水平上對化學物質(zhì)進行思考：描述的和功能的、表征的、解釋說明的[15]。1993年，約翰斯頓提出現(xiàn)代化學包含三個基本成分：可觸及的、可視的宏觀化學；分子、原子等的微觀化學；符號、方程式、計量學、數(shù)學的表征化學[16]。2009年在為《化學教育中的多水平表征》一書撰寫書評時，約翰斯頓再次表示：化學以可以觸摸的形態(tài)（宏觀）存在，其性質(zhì)和反應(yīng)可重復觀測；為了解釋宏觀行為，人們提出了分子、原子、結(jié)構(gòu)等微觀的視角；兩者同時義可以用符號和可視化方式（包括數(shù)學）加以表達[17]。可以看出，在化學科學的發(fā)展過程中，化學家們不僅從宏觀上對物質(zhì)的性質(zhì)和變化進行觀察和描述，更重要的是從微觀結(jié)構(gòu)上對其進行解釋，以深刻把握物質(zhì)變化的本質(zhì)規(guī)律，而化學符號作為宏觀物質(zhì)和微觀世界的抽象表達方式，是化學家進行化學思維的工具。因此，從宏觀、微觀和符號三種水平上認識和理解化學知識，并建立三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，已成為國際上公認的化學科學不同于其他科學最特征的思維方式，即化學的三重表征思維方式。

化學的三重表征思維方式體現(xiàn)了化學科學的特點和化學科學獨特的魅力，它具有較強的可遷移性和強大的解釋力量，能夠使人們在認識和解決不同情境的問題時，用化學的語言進行簡化和表達，從宏觀與微觀相聯(lián)系的視角去審視和思考，而這正是具有科學素養(yǎng)的現(xiàn)代公民所應(yīng)具備的能力。美國在1996年發(fā)布的《國家科學教育標準》中明確要求學生通過化學學習應(yīng)能“在思維的三大領(lǐng)域中漫游：可觀察現(xiàn)象的宏觀世界；分子、原子和亞原子微粒構(gòu)成的微觀世界；化學式、方程式和符號等構(gòu)成的符號與數(shù)學世界”[18]。因此，化學教學應(yīng)充分重視學生化學思維方式的培養(yǎng)，引導學生從“掌握作為一種知識的化學”轉(zhuǎn)移到“理解作為一種思維方式的化學”[19]。學生的化學學習，實質(zhì)上就是建構(gòu)化學的三種表征，以及能在三種表征之間自由、靈活地轉(zhuǎn)換。

化學三重表征不僅是化學學科特有的思維方式，而且逐漸成為最有影響力、最富有創(chuàng)造性的思想之一，其在化學教育研究領(lǐng)域已經(jīng)成為一種理論框架，指導著世界范圍內(nèi)的化學教育者、課程和軟件開發(fā)者以及教科書編制者等的工作。然而，思維是人類認識活動的高級過程，化學思維方式作為一種思維的方法和形式，本身充滿著抽象性和復雜性。因此，無論是化學思維方式的教學還是對化學思維方式本身的研究，目前都存在很多問題和挑戰(zhàn)。

在化學三重表征教學中，研究者發(fā)現(xiàn)很多學生不能建立良好的化學思維方式，他們或許因為宏觀經(jīng)驗的限制、微觀世界的抽象不可見、貧乏的空間可視能力以及難以理解符號表征中相對復雜的規(guī)定等原因[20]，無論是宏觀表征，還是微觀表征和符號表征，都存在著不恰當?shù)睦斫饣蚋鞣N各樣的困難和障礙，尤其突出的是學生難以建立同一現(xiàn)象的多種表征以及不同表征之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)換[21-22]。這意味著化學三重表征思維方式的形成不能完全依靠學生自己形成，需要教師在教學中給予引導和培養(yǎng)。然而，有研究表明，很多教師在教學中并沒有聯(lián)系化學的三重表征，在不同表征間轉(zhuǎn)換時并沒有很好地向?qū)W生點明它們之間的內(nèi)在聯(lián)系[23]。這是需要引起重視的，教師應(yīng)充分認識三重表征對學生化學學習的重要性，采用合適的教學策略和手段（如實驗教學、微觀模擬等）來克服化學知識的抽象性和學生認知限制等因素，從而幫助學生更好地完成三重表征的意義建構(gòu)。

同時，對化學三重表征的內(nèi)涵及其外延的研究也存在一些需要探索的問題。例如，宏觀水平到底包含哪些內(nèi)容；宏觀水平是否比微觀水平更“具體”；一些半符號、半圖示的可視化表征（例如甲烷的分子幾何構(gòu)型），到底應(yīng)該被認為是符號水平還是微觀水平等[24]。國內(nèi)對化學三重表征的研究尚處于起步階段，一些研究主題，如三重表征的可視化研究、化學思維方式與問題解決的關(guān)系、化學思維方式與化學基本觀念的聯(lián)系、不同類型化學知識對學生化學思維深度的要求等，在國內(nèi)尚少有研究?？梢哉f，化學三重表征研究領(lǐng)域還存在很多挑戰(zhàn)，任重而道遠。

3 化學科學實驗與實驗探究教學

化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學，正如著名化學家傅鷹先生所說：“化學是實驗的科學，只有實驗才是最高法庭?！笨v觀化學科學發(fā)展的歷史，幾乎每一項科學發(fā)現(xiàn)都離不開實驗，實驗是化學科學賴以產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)，這已成為學界共識。所謂化學實驗，是指化學科學研究者根據(jù)一定的實驗目的，運用一定的實驗儀器、設(shè)備和裝置等物質(zhì)手段，在人為的實驗條件下，改變實驗對象的狀態(tài)或性質(zhì)，從而獲得各種化學實驗事實的一種科學實踐活動[25]?；瘜W實驗體現(xiàn)了化學科學的特色，不僅能夠充分發(fā)揮人的主觀能動性，使人們充分認識和探索物質(zhì)世界及其變化規(guī)律，而且實驗本身承載著豐富的方法論，蘊含著豐富的科學精神和科學信念。因此，在化學教學中開展化學實驗教學、引導學生進行實驗探究是體驗化學科學魅力、促進學生科學素養(yǎng)全面發(fā)展的義一重要主題。

那么，在中學化學教學中開展的實驗與化學科學研究中進行的實驗有何異同？因為教學中的實驗來源于科學實驗，首先二者存在著一致性，如都具有目的性、探索性、現(xiàn)實性和可感知性；都需要經(jīng)過實驗的準備、實施和處理等階段；都是認識的來源和發(fā)展動力，同時義都是檢驗認識真理性的標準[26]。但科學研究中的實驗屬于科學實踐，而教學活動中的實驗屬于教學實踐，二者所屬范疇不同，因此必定存在差異?？茖W研究中的化學實驗，通常是科學工作者運用比較先進和復雜的實驗T具，對未知的自然事物和現(xiàn)象進行系統(tǒng)探索的過程，這一過程可能要經(jīng)歷成百上千次的失敗才能獲得成功；而教學活動中的化學實驗，通常是學生（演示實驗時是教師）為了獲得（使學生獲得）相關(guān)知識和實驗技能，運用相對簡單、易操作的實驗工具，對一些人類已知但學生未知的原理或現(xiàn)象進行探索的過程，這一過程因為有教師或教科書的引導和簡化而在較短時間內(nèi)就能取得比較顯著的實驗結(jié)果。通過上述分析，我們就可以充分體會布魯納所說的那種實驗課堂一一“孩子們在教室里所為和科學家在實驗室所為只有程度不同，沒有本質(zhì)區(qū)別”[27]。而認識到化學實驗在化學科學和化學教學中的異與同，也可以讓教師從新的視角充分認識化學實驗教學體系的三要素：作為實驗對象的物質(zhì)體系、適當?shù)膬x器裝置和必要的安全措施、合理的實驗步驟和規(guī)范的操作技術(shù)[28]。教師在進行化學實驗教學時，應(yīng)努力從化學科學的角度設(shè)計這三個要素，同時要考慮學生的認知發(fā)展和實際實驗條件對教學的影響，從而更好地引導學生完成化學實驗。

在化學教學中，化學實驗是進行科學探究的重要方式?；瘜W實驗探究可以促進學生理解科學概念、激發(fā)興趣與動機、培養(yǎng)實驗操作技能和問題解決能力、養(yǎng)成科學思維習慣和理解科學本質(zhì)[29]。要實現(xiàn)上述功能，化學實驗探究應(yīng)突出以下三個方面：（1）提出具有探究價值的化學問題。問題是實驗探究的起點，也是實驗探究的核心，實驗探究是圍繞問題而不斷展開的，提出一個科學的、真實的、可檢驗的化學問題對實驗探究的開展至關(guān)重要。（2）“動手”和“動腦”緊密結(jié)合。學生在化學實驗探究中既需要有各種實踐活動的直接體驗，更需要有積極的思維參與，主動地發(fā)現(xiàn)問題、建立假設(shè)、作出推理和解釋等，實驗探究活動需要“手”“腦”并用，“動手”是由“動腦”驅(qū)動，為“動腦”服務(wù)的[30]。（3）過程和結(jié)果并重?；瘜W實驗探究不僅引導學生親身經(jīng)歷和體驗科學探究活動，同時更重視學生通過探究活動獲得知識、技能和情感態(tài)度價值觀的收獲，即實驗探究的結(jié)果。那種認為實驗探究只重過程、不重結(jié)果的認識和做法是片面的，不利于學生科學素養(yǎng)的全面發(fā)展。

近年來，隨著新課程改革的深入實施，化學實驗探究教學在各地如火如荼地開展著，呈現(xiàn)出一派欣欣向榮的景象。但是，相比于常規(guī)的課堂教學，化學實驗探究教學無論是對人力、財力、物力的需求，還是對教師自身專業(yè)素養(yǎng)的要求都比較高，在化學教學中，成功實施實驗探究教學還存在很多問題和挑戰(zhàn)。（1）化學實驗探究的內(nèi)容和指導思想需要進一步明確。目前的化學實驗探究仍然以驗證原理和培養(yǎng)實驗基本操作為主線，化學實驗探究的其他功能尚未充分挖掘，如忽視引導學生對實驗條件的認識等[31]。（2）化學實驗探究應(yīng)避免只“探”不“究”。在實驗探究過程中學生要承擔各種任務(wù)，通常會遭遇“信息超載”[32]，在這種情況下，很多學生只是簡單地按照實驗步驟進行操作，集中于實驗的一個方面而不顧其他方面，或者環(huán)顧四周照搬他人的做法，處于忙忙碌碌的狀態(tài)，不理解實驗操作和實驗設(shè)計之間的關(guān)系[33]。即在實驗探究中，學生雖然“動手”了，完成了操作目標，卻沒有積極“動腦”進行思考，這是目前實驗探究教學中出現(xiàn)的較普遍現(xiàn)象。（3）化學實驗探究應(yīng)融入現(xiàn)代技術(shù)?，F(xiàn)代化學的發(fā)展和進步，對實驗技術(shù)的依賴已成為不爭的事實，實驗方法和實驗技術(shù)得到了高度重視[34]，2014年諾貝爾化學獎就授予了超高分辨率熒光顯微鏡的貢獻者。這要求在化學實驗探究中，應(yīng)不斷提高化學實驗的技術(shù)含量，增加現(xiàn)代技術(shù)在中學化學實驗中的應(yīng)用。

化學是一門歷史悠久的基礎(chǔ)科學，化學也是一門富有魅力的現(xiàn)代科學。化學科學為人類社會積累了豐富的知識文化遺產(chǎn)，將這些寶貴的經(jīng)驗傳授給年輕的下一代是化學教育的責任和使命，而化學基本觀念、化學三重表征、化學實驗探究正是化學科學與化學教育有機結(jié)合的“阿基米德支點”。加強這三個方面的研究和教學，無論對基礎(chǔ)化學教育，還是對高師院校的化學教師教育都有重要意義。相信在化學教育者的努力下，通過化學基本觀念、化學三重表征、化學實驗探究所構(gòu)成的“阿基米德支點”，必能促進學生化學核心素養(yǎng)的全面發(fā)展，為社會培養(yǎng)合格的未來公民。

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