化學(xué)觀念統(tǒng)領(lǐng)下的知識結(jié)構(gòu)及認識思路

摘要：基于“物質(zhì)組成”知識內(nèi)容特點的分析，結(jié)合知識間的多重關(guān)系，就化學(xué)觀念統(tǒng)領(lǐng)下的知識結(jié)構(gòu)及認識思路進行了探討。以化學(xué)觀念為統(tǒng)領(lǐng)，把具體的事實、概念與學(xué)科中普適性更高的重要概念和方法建立關(guān)聯(lián)，能讓學(xué)生從中領(lǐng)悟更有普遍意義、具有持久遷移價值的學(xué)科思想和解決問題的思路方法，這將對促進學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的改造和思維水平的發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)組成；知識結(jié)構(gòu)；認識思路；化學(xué)觀念

文章編號：1005–6629（2015）8–0010–05 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

“物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)與反應(yīng)”是化學(xué)學(xué)科的基本問題[1]，認識常見物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化等是中學(xué)化學(xué)課程的重要內(nèi)容。與“物質(zhì)組成”相關(guān)的知識（簡稱為“物質(zhì)組成”知識）涉及混合物與純凈物這兩大類物質(zhì)，分散在不同學(xué)段、不同主題或單元中，如以人教版教科書為例，初中階段有關(guān)混合物的知識先后有空氣、溶液等，有關(guān)混合物的分離與提純的知識先后出現(xiàn)在初中（第四單元課題2“水的凈化”）、高中必修1（第一章第一節(jié)“化學(xué)實驗基本方法”）、高中必修2（第四章第一節(jié)“開發(fā)利用金屬礦物和海水資源”）、高中選修5有機化學(xué)基礎(chǔ)（第一章第四節(jié)“研究有機化合物的一般步驟和方法”）等多個學(xué)段中。這樣的安排是基于關(guān)注學(xué)生的認知規(guī)律，希望通過螺旋上升的方式來逐漸拓展、豐富和深化學(xué)生的理解。對于散在的相關(guān)內(nèi)容，若處理得不好，就會使教學(xué)內(nèi)容顯得割裂、零散，容易使學(xué)生停留在對具體知識的簡單學(xué)習(xí)上，難以發(fā)現(xiàn)知識間的關(guān)系，產(chǎn)生理解上的困難。為此在教學(xué)中，如何能顧及相對獨立的具體內(nèi)容，又不忽略它們之間的聯(lián)系是值得探討的。鑒于目前對“物質(zhì)組成”知識的討論較少，筆者以化學(xué)觀念為統(tǒng)領(lǐng)，就“物質(zhì)組成”知識的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)及其認識思路展開探討。

1 對“物質(zhì)組成”的認識

一般來講，“組成”有兩層意思[2]：一是成分、組分，指組合在整體中的部分、個體。二是指部分、個體組合成為整體。前者側(cè)重整體中的個別，后者強調(diào)基于個別的整體，即先要知道組成才能研究物質(zhì)是如何構(gòu)造起來的。

從化學(xué)的角度看，人們一般是用兩大思路或方法來研究物質(zhì)的，既研究物質(zhì)究竟是由哪些最基本的物質(zhì)或成分所構(gòu)成的，如把復(fù)雜的事物通過分析、分解和綜合，還原成為構(gòu)成它們的基本組元的方法；也研究由一些基本成分或簡單物質(zhì)如何變成較復(fù)雜的物質(zhì)。不僅如此，化學(xué)學(xué)科是在原子、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，且注重宏觀與微觀相結(jié)合，把外在的性質(zhì)、現(xiàn)象歸因于物質(zhì)內(nèi)在的組成和結(jié)構(gòu)的特點。因此，化學(xué)學(xué)科獨特的視角之一是從物質(zhì)的組成來認識物質(zhì)并將其分類、歸納[3，4]。

在化學(xué)中，物質(zhì)組成包括組分（對混合物而言）和元素（對純凈物而言）組成2個層次。依據(jù)物質(zhì)是否由同一種組分組成，可以將物質(zhì)分為混合物和純凈物。對于純凈物，按其組成元素的種類是否單一，可以分為單質(zhì)和化合物。從組成的角度對形形色色的物質(zhì)進行分析和歸類，找出它們的共性和差異，可以達到深入了解和利用物質(zhì)的目的。

物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)特點是物質(zhì)所具有的決定物質(zhì)性質(zhì)的基本屬性。結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)內(nèi)部各個組成要素的搭配和排列[5]，以此類推，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)涉及物質(zhì)的組成成分（組分或元素）、存在形態(tài)（微?；蛟貎r態(tài)）及其相互關(guān)系（可以是數(shù)量關(guān)系、排列方式、位置分布、相互作用）等。由此可見，物質(zhì)的組成是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是決定物質(zhì)性質(zhì)的主要因素，進而影響著物質(zhì)的用途。

物質(zhì)組成與物質(zhì)分類、物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成與性質(zhì)及其用途等相互關(guān)聯(lián)，分析和把握它們之間的關(guān)系，并形成對這種關(guān)系的理解或解釋，可以豐富和發(fā)展學(xué)生對物質(zhì)的認識，可以更好地了解和利用物質(zhì)。

2 “物質(zhì)組成”知識的內(nèi)容特點

中學(xué)階段，“物質(zhì)組成”知識涉及混合物與純凈物這兩大類物質(zhì)，對人教版教科書中的相關(guān)內(nèi)容進行分析，大致可歸納為兩大方面（見圖1）：一是認識和研究常見物質(zhì)的組成，具體包括：（1）常見物質(zhì)由什么組成，如空氣的組成、水的組成、溶液的組成，一些常見單質(zhì)及化合物的組成等；（2）物質(zhì)組成的表示，如純凈物的化學(xué)式表示其組成；（3）物質(zhì)中各成分之間的數(shù)量關(guān)系，如純凈物中元素間的質(zhì)量關(guān)系（化合物中各元素質(zhì)量比、化合物中某元素的質(zhì)量分數(shù)）、混合物中某組分的質(zhì)量分數(shù)（溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)、溶液的酸堿性與pH等）；（4）物質(zhì)中各成分之間的相互作用，如水溶液中溶質(zhì)與溶劑之間的相互作用、水溶液中離子間的相互作用、由分子構(gòu)成的純凈物中相鄰元素原子之間的化學(xué)鍵等；（5）對物質(zhì)組成的測定，具體有混合物中某成分的含量或濃度的測定，如空氣中氧氣含量的測定、溶液酸堿性與pH的測定、酸堿中和滴定，也包括純凈物元素組成的分析，如水的組成、有機物的元素定性和定量分析等。二是從組成角度深入認識物質(zhì)，具體有：依據(jù)物質(zhì)組成將物質(zhì)分類，如混合物與純凈物、單質(zhì)與化合物、氧化物等；依據(jù)混合物中各組分性質(zhì)進行物質(zhì)的分離與提純等，涉及過濾、萃取、結(jié)晶、蒸餾等方法，如水的凈化、粗鹽提純、海水淡化等；依據(jù)物質(zhì)組成推測、解釋或調(diào)控物質(zhì)性質(zhì)，如CO和CO2的性質(zhì)不同；鐵合金與純鐵的性質(zhì)不同，水溶液與純水的性質(zhì)不同等。

從內(nèi)容特點看，中學(xué)階段“物質(zhì)組成”知識以事實性知識和技能性知識居多，而概念性知識和方法性知識偏少。其中概念性知識包括混合物與純凈物、單質(zhì)與化合物、合金、溶液（溶質(zhì)與溶劑）等概念，方法性知識主要是“依據(jù)物質(zhì)組成的物質(zhì)分類”和“物質(zhì)的分離和提純”，缺少“依據(jù)組成推測或解釋或調(diào)控物質(zhì)性質(zhì)”等方面的知識，缺乏關(guān)于物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)之間關(guān)系的概括程度較高的化學(xué)觀念與方法。從課程編排看，“物質(zhì)組成”知識分散在不同學(xué)段、不同主題或單元中，不同階段學(xué)生關(guān)于“物質(zhì)組成”知識及其承載的化學(xué)觀念與方法的認識要求并沒有清晰的界定。由此不難理解，在日常教學(xué)中，教師往往集中于具體知識與技能的教學(xué)，對學(xué)生思維過程與認知發(fā)展的重視不夠，盡管“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途”等學(xué)科思想觀念為教師所熟悉，但有關(guān)“物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及用途的關(guān)系”的內(nèi)容常常被忽略。

3 “物質(zhì)組成”知識間的關(guān)系與結(jié)構(gòu)

知識結(jié)構(gòu)由知識及其相互關(guān)系所構(gòu)成。知識間的關(guān)系有包含關(guān)系、上下位關(guān)系、因果關(guān)系等。不同的關(guān)系，其意義不同。教學(xué)中需要立足整體的高度，將新知識的學(xué)習(xí)與學(xué)生已有的知識聯(lián)系起來，幫助學(xué)生分析和把握知識間的區(qū)別和關(guān)系，進而形成較為系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)。

3.1 知識間的異同關(guān)系

對知識間異同關(guān)系的把握，既需要“同中見異”，也離不開“異中見同”。通過比較、分類等方法可以找出事物或知識之間的異同點。通過比較，根據(jù)事物的特征分析它們的異同點，根據(jù)相似點可以對事物或知識進行分類。

從元素組成的視角認識純凈物，可以對元素與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系有深入的了解[6，7]：一是從元素視角認識物質(zhì)的“個性”，即物質(zhì)元素組成（元素種類、元素價態(tài)、分子中元素間的結(jié)合方式及相互作用）上的細微差別，會引起物質(zhì)性質(zhì)上的巨大差異；二是從元素視角認識物質(zhì)的“共性”，即基于物質(zhì)元素組成可以將純凈物進行分類，基于物質(zhì)類別認識同類物質(zhì)具有相似的性質(zhì)?；谖镔|(zhì)類別可以深入了解物質(zhì)性質(zhì)與變化的規(guī)律。

鑒于課程內(nèi)容分散編排的特點，“同中見異”較為顯性，在此強調(diào)要重視“異中見同”，需要注意通過比較和分析表面上不同事物之間的相同點或相似之處，來把握知識間的相似本質(zhì)和規(guī)律。如物質(zhì)的分離與提純，有過濾、萃取、蒸餾、結(jié)晶等不同方法，其原理各不相同，但它們的共同之處在于“利用混合物中各組分性質(zhì)的差異來分離和提純物質(zhì)”。這種知識間的相似性，特別是從個別事物抽象概括出的規(guī)律性知識（概括程度較高的一般性知識）具有統(tǒng)攝功能，可幫助學(xué)生學(xué)會利用某一知識去同化新知識或陌生知識，讓學(xué)習(xí)變得容易。又如，以“物質(zhì)中某種成分的質(zhì)量分數(shù)”為統(tǒng)攝，可以幫助學(xué)生較好地認識和理解化合物中某元素的質(zhì)量分數(shù)、混合物中某純凈物的質(zhì)量分數(shù)（如溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)）等問題。

化學(xué)知識間的相似關(guān)系有多種，如宏觀性質(zhì)相似、物質(zhì)組成相似、微觀構(gòu)成或結(jié)構(gòu)相似、實驗原理與方法相似等，教學(xué)中需要注意對學(xué)生進行啟發(fā)和引導(dǎo)，以發(fā)展學(xué)生的認知策略。

3.2 知識間的縱橫聯(lián)系

知識間的層級關(guān)系包括橫向聯(lián)系和縱向聯(lián)系?？v向聯(lián)系是指不同抽象層次知識點之間的關(guān)系，又稱知識的上下位關(guān)系?！吧衔恢R”是在對大量具體事物或知識進行抽象和概括的基礎(chǔ)上形成的，其中具體事物或概念、事實等稱為“下位知識”，如過濾、萃取、結(jié)晶、蒸餾是“物質(zhì)分離與提純”的下位知識，相應(yīng)地，“物質(zhì)分離和提純”是上位知識（見圖2）。橫向聯(lián)系是指具有相同抽象層次的知識點之間的關(guān)系，即知識的并列或同位關(guān)系，如過濾、萃取、結(jié)晶、蒸餾之間屬于同位關(guān)系。又如，“化合物中某元素的質(zhì)量分數(shù)”與“混合物中某純凈物的質(zhì)量分數(shù)”是同位關(guān)系，而“溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)”是“混合物中某純凈物的質(zhì)量分數(shù)”的下位知識。

分析知識間的縱橫聯(lián)系，可以明確新知識學(xué)習(xí)中的思維類型，有利于確定合理的學(xué)習(xí)活動。對具體知識進行抽象概括、一般化或系統(tǒng)化等思維加工活動，可以幫助學(xué)生形成知識間縱向向上的聯(lián)系，讓學(xué)生能夠從中獲得更有普遍意義的概念和方法，實現(xiàn)知識的拓展和知識結(jié)構(gòu)的改造。將抽象概括獲得的知識或方法用來指導(dǎo)或運用于解決具體問題，是知識縱向向下聯(lián)系的過程，也是促進學(xué)生將知識轉(zhuǎn)化為能力的重要途徑。

3.3 化學(xué)觀念統(tǒng)領(lǐng)下的知識結(jié)構(gòu)

探尋物質(zhì)宏觀性質(zhì)和變化的內(nèi)在本質(zhì)和原因是化學(xué)學(xué)科的核心任務(wù)之一。物質(zhì)的性質(zhì)是由其內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)決定的，這是關(guān)于物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的化學(xué)觀念。物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的這種關(guān)系可以認為是因果關(guān)系，即物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的變化（原因）會引起物質(zhì)性質(zhì)的變化（結(jié)果）。

以上述化學(xué)觀念為統(tǒng)領(lǐng)，從組成（組分或元素）的角度來看混合物和純凈物的性質(zhì)，可以將上述化學(xué)觀念進一步具體化（在此稱為“具體理解”），如純凈物的性質(zhì)受組成物質(zhì)的元素種類、元素形態(tài)（化合價、相鄰元素的結(jié)合方式、分子中元素間的相互作用等）等的影響[8]。對于簡單的化合物或單質(zhì)，組成物質(zhì)的元素種類甚至起著決定性的作用。與之類似，混合物的性質(zhì)受組分的種類、數(shù)量及相互作用的影響。這些“具體理解”是基于對大量具體物質(zhì)的性質(zhì)與其組成關(guān)系的抽象概括，可以通過具體概念、事實或?qū)嵗齺眢w現(xiàn)。如合金和純金屬相比較，其性質(zhì)上存在著較大的差異。在純金屬鐵中熔合一定量的碳、錳或碳、鉻、鎳等，這種組成的改變，使得鐵合金性能隨之發(fā)生改變。利用這種方法，人們可以制得一些符合特殊需要的金屬材料。

知識間的不同關(guān)系，構(gòu)成了推理及解決問題的基礎(chǔ)，有的可以用來分析、概括或解釋一些具體問題，有的可以揭示分析和解決問題的思考角度和思維過程。

化學(xué)觀念具有思維引領(lǐng)作用，以化學(xué)觀念為統(tǒng)領(lǐng)，將事實、概念與普適性更高的概念性知識（具體理解）及化學(xué)觀念之間建立縱向向上的聯(lián)系[9]（如圖3所示），不僅能溝通相關(guān)知識間的內(nèi)在聯(lián)系，提升知識的概括化程度和包容性，而且體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科獨特的認識視角與思維方式，能讓學(xué)生從中領(lǐng)悟更有普遍意義、具有持久遷移價值的學(xué)科思想和解決問題的思路方法，這將對促進學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的改造和思維水平的發(fā)展帶來積極影響。

4 “物質(zhì)組成”知識的認識思路

化學(xué)觀念是化學(xué)知識體系中最深層或最上位的知識，用化學(xué)觀念統(tǒng)領(lǐng)具體知識可以促進對學(xué)科的基本思路及其知識間內(nèi)在聯(lián)系的把握[10]。但是，學(xué)生對化學(xué)觀念的理解是以具體的事實、概念等具體知識為載體經(jīng)過思維加工而逐步形成的，教學(xué)中需要尊重化學(xué)觀念的形成規(guī)律，即需要結(jié)合相關(guān)具體知識的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)視角對知識進行思維加工，幫助學(xué)生形成相應(yīng)的認識思路與方法。

化學(xué)學(xué)科是在原子、分子和離子層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的，宏觀-微觀-符號相聯(lián)系是化學(xué)學(xué)科獨特的認識視角和思維方式，因此對物質(zhì)組成的認識既包括宏觀層面，也包括微觀和符號層面。

如前所述，物質(zhì)組成涉及組成成分（組分或元素）的種類、存在形態(tài)（微?；蛟貎r態(tài)）及其相互關(guān)系（包括數(shù)量關(guān)系、相互作用）等要素，以此為依據(jù)，將“常見物質(zhì)的組成”作為認識和研究的對象，可以從物質(zhì)、元素、微粒的視角從定性和定量兩方面梳理相應(yīng)的認識思路，將知識內(nèi)容轉(zhuǎn)化為如表1所示的認識框架，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和認識發(fā)展指引思維的方向和路徑。

依據(jù)表1中的基本框架，按照學(xué)習(xí)進程依據(jù)知識發(fā)展的邏輯關(guān)系，在教學(xué)中需要結(jié)合相關(guān)知識內(nèi)容的教學(xué)，將知識及知識間的聯(lián)系與認識思路方法統(tǒng)一到具體的學(xué)習(xí)活動中，將知識及知識間的聯(lián)系、認識思路與具體的問題情境建立關(guān)聯(lián)，通過學(xué)生的比較、分析、抽象概括、建立聯(lián)系等思維活動，將學(xué)習(xí)引向深入。

總之，化學(xué)觀念是化學(xué)教育中的重要內(nèi)容。教學(xué)中需要注意突破孤立地傳授具體知識這一局限，要把學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科的重要概念、化學(xué)觀念與學(xué)科獨特的認識事物的視角和思維方式作為重要的教學(xué)目標(biāo)，圍繞重要概念或化學(xué)觀念組織教學(xué)內(nèi)容，關(guān)注知識的形成過程以及知識間的區(qū)別和聯(lián)系，幫助學(xué)生逐步形成較為系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)以及看待事物的化學(xué)視角，并使之轉(zhuǎn)化為解決具體問題的思路與方法，這對于促進學(xué)生知識、思維與能力的協(xié)調(diào)發(fā)展不僅必要，且尤為重要。

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