化学的魅力与化学教育的挑战

摘要：在化学科学漫长的发展过程中，不仅积累了丰富的化学知识，更积淀了化学家们认识物质、改造物质和应用物质的思想观点、科学方法、思维方式等，这些思想、观点、方法对促进学生化学核心素养的发展具有重要价值。通过对化学学科特征的分析，提出化学学科思想、化学思维方式和化学科学实验三个主题体现了化学科学的魅力，并从化学教育的角度分析了化学基本观念、化学三重表征和化学实验探究教学所面临的问题与挑战。

关键词：化学基本观念；化学三重表征；化学实验探究

文章编号：1005-6629（2015）5-0003-05

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

两千多年前，古希腊科学家阿基米德在发现了杠杆原理之后曾说：“给我一个支点，我就能撬动地球。”由此，“阿基米德支点”常被用来比喻成功解决问题、能够把理论与事实统筹起来的关键点和最佳切人点。在化学教育领域，是否存在这样的“阿基米德支点”？如果存在，它义是什么呢？众所周知，化学是一门中心的、实用的和创造性的科学[1]，同时，化学也是一门历史悠久的自然科学，在漫长的发展过程中，化学科学积累了丰富知识的同时，也积淀了化学家们认识物质、改造物质和应用物质的思想观点、科学方法、思维方式等。这些丰富的思想、观点、方法彰显了化学的伟大魅力，成就了化学科学在促进社会发展中的强大力量，是化学科学的精髓。很显然，化学科学承载着丰富的教育价值，化学教育根植于化学科学，必须彰显化学科学的魅力和特征，只有这样，化学教育才有生命力，才能促进学生化学核心素养的发展。那么，对化学科学而言，最能展示化学科学魅力的主题是什么？这些主题如何转变为促进学生科学素养全面发展的“阿基米德支点”？

1 化学学科思想与观念建构教学

如前所述，化学科学在漫长的发展过程中积累了大量知识，而任何知识的发展和形成过程都承载着丰富的内涵，知识的意义绝不仅限于其字面所表达的含义[2]。化学知识是化学家运用一定的科学方法，经历艰难曲折的探索过程而获得的，这一过程倾注了化学家的智慧，体现了化学家的思想、观点和方法，这些思想方法的集合构成了化学学科思想。可以看出，化学学科思想反映了化学学科的特征和化学知识的形成和本质，它是科学共同体对化学学科特征、规律、方法的概括性认识，对化学科学研究和人类认识发展都具有重要价值[3]。因此，化学教育在引导学生学习化学知识的基础上，必须向学生传授化学学科思想。

在化学教学中，通过引导学生对化学知识的学习和对化学学科思想的理解，学生能够建构起从化学的视角认识事物和解决问题的思想、观点和方法，我们称其为“化学基本观念”。如果说化学学科思想是化学家们对化学学科特征的高度概括性认识，那么化学基本观念则是化学学习者对化学学科思想的不同认识和理解，是学生通过化学课程的学习所获得的对化学的总观性认识[4]。不同的学习者学习化学知识的内容和过程不同，对化学学科思想的认识和理解深度不一样，形成的化学基本观念就有较大差别。因此，要体现化学学科思想的魅力，必须要认真研究化学基本观念的内涵及其教学建构，通过实施“观念建构”的化学教学，实现对学生化学学科思想的教育。

那么，在化学教育中应帮助学生建构哪些化学基本观念呢？在化学教育中教授的化学基本观念应该反映化学科学中的学科思想，并需要以适合于学生不同认知发展阶段的方式来表达[5]。因此，我们可以从化学学科和学生学习两个视角来探讨化学基本观念的内容。从学科的视角看，化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的一门基础自然科学；化学实验是化学科学研究的基本方法和途径；分类是人类认识物质的一种重要思维方法和手段；而科学地改造物质、应用物质，实现自然与社会的和谐、可持续发展则是化学科学的终极目的。从学习的视角出发，化学基本观念是学生对化学学习进行深入反思和体验的结果，这种反思和体验包括对物质的组成、结构和变化规律等知识的概括性认识、对化学探究过程和方法的反思、对化学科学本质及其在社会发展中作用的认识和反思。基于以上分析，我们认为在中学阶段引导学生形成的化学基本观念主要应包括元素观、变化观、微粒观、分类观、实验观和化学价值观[6]。这些化学基本观念能够指导人们更好地认识、改造和应用物质，例如，如果学生建立了“物质是由元素组成的，在化学反应中元素不变”等化学基本观念，就会自觉地从元素组成的角度来认识物质和变化，而像“水变油”这样的伪科学闹剧也就不会上演。宋心琦教授曾精辟地指出：“学生能否牢固地、准确地、哪怕只是定性地建立起基本的化学观念，应当是中学化学教学的第一目标。[7]中学化学教学必须超越传授具体知识的层面，从“知识为本”的教学走向“观念建构”的教学[8]。

在过去的十几年里，化学基本观念作为化学科学魅力的一种教学体现，因其对学生科学素养的发展具有重要意义而受到国内外研究者越来越广泛的关注与实践。一些国家的课程改革文件，如美国的《K-12科学教育框架》[9]和《下一代科学教育标准》[10]中，都突出强调对学科思想观念的理解。我国从2000年开始关注并提倡培养学生的化学基本观念，研究者们无论在理论上还是在实践中都对化学基本观念进行了深入的研究和探索，尤其可喜的是，不少学校和一线教师开始关注化学基本观念，并进行了一系列“观念建构”的化学教学尝试，取得了良好的实践效果[11-12]。然而，任何理论的完善和实践的超越都依赖于对其自身的不断反思，通过对近十年来化学基本观念的相关研究和教学实践进行批判性地审视，我们发现还有许多需要深入思考和探索的具体问题。

例如：（1）化学基本观念的建构遵循怎样的学习进阶？化学基本观念的形成不是一蹴而就的，而是不断丰富发展的，具有阶段性、层次性和渐进性的特点[13]。科学教育研究认为，围绕少数核心观念进行深入探究的进阶学习，能够更好地促进学生科学素养的形成[14]。在不同的年级阶段，化学基本观念的内涵和外延有哪些发展变化，哪些化学知识和核心概念是形成基本观念所必需的？这些问题需要立足于课程编排的整体进行深入研究。（2）强调观念建构是否会弱化了对化学知识的掌握？一些教师因为对化学基本观念的内涵和形成过程缺乏深入了解，从而表达出了这样的担忧。其实，“观念建构”的化学教学实现的是化学知识与基本观念双向建构的共赢过程，教师要深入分析和挖掘教材内容，深刻理解化学基本观念与具体知识、核心概念间的内在联系，引导学生通过对化学知识的理解反思促进基本观念的形成，死记硬背式的学习难以形成化学基本观念。（3）当一节课的内容能够体现不同学科观念的时候，是面面俱到，还是突出核心观念？我们认为，化学基本观念的建构在于深入、系统，而不在于泛泛而谈，如何选择和把握一节课中最本质的核心观念，并且围绕这一核心观念统筹相关知识和其他观念，系统地组织和设计教学，则需要教师的教学经验和智慧。可以说，上述问题对化学教育研究和教师教学提出了更高的挑战和要求。

2 化学思维方式与化学三重表征

化学科学在漫长的发展过程中，所积累的不仅仅是丰富的化学知识，更积淀了一种强有力的认识和思考世界的方式，即化学思维方式。那么，化学科学拥有怎样独特的思维方式？或者说，化学家们是如何思考和表征物质世界的？对此，苏格兰格拉斯哥大学的约翰斯顿（ Johnstone）教授进行了一系列的思考。1982年，约翰斯顿在论文《宏观和微观化学》中提出化学专家至少在三种不同的水平上对化学物质进行思考：描述的和功能的、表征的、解释说明的[15]。1993年，约翰斯顿提出现代化学包含三个基本成分：可触及的、可视的宏观化学；分子、原子等的微观化学；符号、方程式、计量学、数学的表征化学[16]。2009年在为《化学教育中的多水平表征》一书撰写书评时，约翰斯顿再次表示：化学以可以触摸的形态（宏观）存在，其性质和反应可重复观测；为了解释宏观行为，人们提出了分子、原子、结构等微观的视角；两者同时义可以用符号和可视化方式（包括数学）加以表达[17]。可以看出，在化学科学的发展过程中，化学家们不仅从宏观上对物质的性质和变化进行观察和描述，更重要的是从微观结构上对其进行解释，以深刻把握物质变化的本质规律，而化学符号作为宏观物质和微观世界的抽象表达方式，是化学家进行化学思维的工具。因此，从宏观、微观和符号三种水平上认识和理解化学知识，并建立三者之间的内在联系，已成为国际上公认的化学科学不同于其他科学最特征的思维方式，即化学的三重表征思维方式。

化学的三重表征思维方式体现了化学科学的特点和化学科学独特的魅力，它具有较强的可迁移性和强大的解释力量，能够使人们在认识和解决不同情境的问题时，用化学的语言进行简化和表达，从宏观与微观相联系的视角去审视和思考，而这正是具有科学素养的现代公民所应具备的能力。美国在1996年发布的《国家科学教育标准》中明确要求学生通过化学学习应能“在思维的三大领域中漫游：可观察现象的宏观世界；分子、原子和亚原子微粒构成的微观世界；化学式、方程式和符号等构成的符号与数学世界”[18]。因此，化学教学应充分重视学生化学思维方式的培养，引导学生从“掌握作为一种知识的化学”转移到“理解作为一种思维方式的化学”[19]。学生的化学学习，实质上就是建构化学的三种表征，以及能在三种表征之间自由、灵活地转换。

化学三重表征不仅是化学学科特有的思维方式，而且逐渐成为最有影响力、最富有创造性的思想之一，其在化学教育研究领域已经成为一种理论框架，指导着世界范围内的化学教育者、课程和软件开发者以及教科书编制者等的工作。然而，思维是人类认识活动的高级过程，化学思维方式作为一种思维的方法和形式，本身充满着抽象性和复杂性。因此，无论是化学思维方式的教学还是对化学思维方式本身的研究，目前都存在很多问题和挑战。

在化学三重表征教学中，研究者发现很多学生不能建立良好的化学思维方式，他们或许因为宏观经验的限制、微观世界的抽象不可见、贫乏的空间可视能力以及难以理解符号表征中相对复杂的规定等原因[20]，无论是宏观表征，还是微观表征和符号表征，都存在着不恰当的理解或各种各样的困难和障碍，尤其突出的是学生难以建立同一现象的多种表征以及不同表征之间的相互联系和转换[21-22]。这意味着化学三重表征思维方式的形成不能完全依靠学生自己形成，需要教师在教学中给予引导和培养。然而，有研究表明，很多教师在教学中并没有联系化学的三重表征，在不同表征间转换时并没有很好地向学生点明它们之间的内在联系[23]。这是需要引起重视的，教师应充分认识三重表征对学生化学学习的重要性，采用合适的教学策略和手段（如实验教学、微观模拟等）来克服化学知识的抽象性和学生认知限制等因素，从而帮助学生更好地完成三重表征的意义建构。

同时，对化学三重表征的内涵及其外延的研究也存在一些需要探索的问题。例如，宏观水平到底包含哪些内容；宏观水平是否比微观水平更“具体”；一些半符号、半图示的可视化表征（例如甲烷的分子几何构型），到底应该被认为是符号水平还是微观水平等[24]。国内对化学三重表征的研究尚处于起步阶段，一些研究主题，如三重表征的可视化研究、化学思维方式与问题解决的关系、化学思维方式与化学基本观念的联系、不同类型化学知识对学生化学思维深度的要求等，在国内尚少有研究。可以说，化学三重表征研究领域还存在很多挑战，任重而道远。

3 化学科学实验与实验探究教学

化学是一门以实验为基础的自然科学，正如著名化学家傅鹰先生所说：“化学是实验的科学，只有实验才是最高法庭。”纵观化学科学发展的历史，几乎每一项科学发现都离不开实验，实验是化学科学赖以产生和发展的基础，这已成为学界共识。所谓化学实验，是指化学科学研究者根据一定的实验目的，运用一定的实验仪器、设备和装置等物质手段，在人为的实验条件下，改变实验对象的状态或性质，从而获得各种化学实验事实的一种科学实践活动[25]。化学实验体现了化学科学的特色，不仅能够充分发挥人的主观能动性，使人们充分认识和探索物质世界及其变化规律，而且实验本身承载着丰富的方法论，蕴含着丰富的科学精神和科学信念。因此，在化学教学中开展化学实验教学、引导学生进行实验探究是体验化学科学魅力、促进学生科学素养全面发展的义一重要主题。

那么，在中学化学教学中开展的实验与化学科学研究中进行的实验有何异同？因为教学中的实验来源于科学实验，首先二者存在着一致性，如都具有目的性、探索性、现实性和可感知性；都需要经过实验的准备、实施和处理等阶段；都是认识的来源和发展动力，同时义都是检验认识真理性的标准[26]。但科学研究中的实验属于科学实践，而教学活动中的实验属于教学实践，二者所属范畴不同，因此必定存在差异。科学研究中的化学实验，通常是科学工作者运用比较先进和复杂的实验T具，对未知的自然事物和现象进行系统探索的过程，这一过程可能要经历成百上千次的失败才能获得成功；而教学活动中的化学实验，通常是学生（演示实验时是教师）为了获得（使学生获得）相关知识和实验技能，运用相对简单、易操作的实验工具，对一些人类已知但学生未知的原理或现象进行探索的过程，这一过程因为有教师或教科书的引导和简化而在较短时间内就能取得比较显著的实验结果。通过上述分析，我们就可以充分体会布鲁纳所说的那种实验课堂一一“孩子们在教室里所为和科学家在实验室所为只有程度不同，没有本质区别”[27]。而认识到化学实验在化学科学和化学教学中的异与同，也可以让教师从新的视角充分认识化学实验教学体系的三要素：作为实验对象的物质体系、适当的仪器装置和必要的安全措施、合理的实验步骤和规范的操作技术[28]。教师在进行化学实验教学时，应努力从化学科学的角度设计这三个要素，同时要考虑学生的认知发展和实际实验条件对教学的影响，从而更好地引导学生完成化学实验。

在化学教学中，化学实验是进行科学探究的重要方式。化学实验探究可以促进学生理解科学概念、激发兴趣与动机、培养实验操作技能和问题解决能力、养成科学思维习惯和理解科学本质[29]。要实现上述功能，化学实验探究应突出以下三个方面：（1）提出具有探究价值的化学问题。问题是实验探究的起点，也是实验探究的核心，实验探究是围绕问题而不断展开的，提出一个科学的、真实的、可检验的化学问题对实验探究的开展至关重要。（2）“动手”和“动脑”紧密结合。学生在化学实验探究中既需要有各种实践活动的直接体验，更需要有积极的思维参与，主动地发现问题、建立假设、作出推理和解释等，实验探究活动需要“手”“脑”并用，“动手”是由“动脑”驱动，为“动脑”服务的[30]。（3）过程和结果并重。化学实验探究不仅引导学生亲身经历和体验科学探究活动，同时更重视学生通过探究活动获得知识、技能和情感态度价值观的收获，即实验探究的结果。那种认为实验探究只重过程、不重结果的认识和做法是片面的，不利于学生科学素养的全面发展。

近年来，随着新课程改革的深入实施，化学实验探究教学在各地如火如荼地开展着，呈现出一派欣欣向荣的景象。但是，相比于常规的课堂教学，化学实验探究教学无论是对人力、财力、物力的需求，还是对教师自身专业素养的要求都比较高，在化学教学中，成功实施实验探究教学还存在很多问题和挑战。（1）化学实验探究的内容和指导思想需要进一步明确。目前的化学实验探究仍然以验证原理和培养实验基本操作为主线，化学实验探究的其他功能尚未充分挖掘，如忽视引导学生对实验条件的认识等[31]。（2）化学实验探究应避免只“探”不“究”。在实验探究过程中学生要承担各种任务，通常会遭遇“信息超载”[32]，在这种情况下，很多学生只是简单地按照实验步骤进行操作，集中于实验的一个方面而不顾其他方面，或者环顾四周照搬他人的做法，处于忙忙碌碌的状态，不理解实验操作和实验设计之间的关系[33]。即在实验探究中，学生虽然“动手”了，完成了操作目标，却没有积极“动脑”进行思考，这是目前实验探究教学中出现的较普遍现象。（3）化学实验探究应融入现代技术。现代化学的发展和进步，对实验技术的依赖已成为不争的事实，实验方法和实验技术得到了高度重视[34]，2014年诺贝尔化学奖就授予了超高分辨率荧光显微镜的贡献者。这要求在化学实验探究中，应不断提高化学实验的技术含量，增加现代技术在中学化学实验中的应用。

化学是一门历史悠久的基础科学，化学也是一门富有魅力的现代科学。化学科学为人类社会积累了丰富的知识文化遗产，将这些宝贵的经验传授给年轻的下一代是化学教育的责任和使命，而化学基本观念、化学三重表征、化学实验探究正是化学科学与化学教育有机结合的“阿基米德支点”。加强这三个方面的研究和教学，无论对基础化学教育，还是对高师院校的化学教师教育都有重要意义。相信在化学教育者的努力下，通过化学基本观念、化学三重表征、化学实验探究所构成的“阿基米德支点”，必能促进学生化学核心素养的全面发展，为社会培养合格的未来公民。

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