中学化学基本概念体系的重构--以中学化学的定义为视角_有机化学基础论文

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      近年来，关于中学化学基本观念的教学及其研究受到了人们的广泛关注和普遍重视。2012年和2014年的江苏省高中化学优秀课评比暨观摩活动，连续以“基于学科观念的高中化学课堂教学”为主题；2014年，《中学化学教学参考》和《化学教学》两本杂志先后发表了有关国内化学观念教学研究的综述文章，分别综述了1999—2013年和2003—2013年间的有关文献[1][2]。但是，人们对中学化学基本观念体系的构成没有形成统一的认识，而且有关中学化学基本观念体系还没有涵盖“结构观”这一要素。本文拟在梳理关于中学化学基本观念体系现有观点的基础上，从中学化学的定义出发，重构中学化学基本观念体系，并着重论述“结构观”在中学化学基本观念体系中的应有地位及其培养策略。

      一、中学化学基本观念体系的现有观点

      化学是科学的一个分支，化学观念隶属于科学观念。从“中国知网”收录的信息来看，国内最早关于科学观念教学研究的文献，是郭思乐于1995年发表在《教育研究》上的《论科学观念教育在学科教育中的地位》。该文在论述科学观念对于学科教育的意义的同时，强调“对于教师来说，更重要的是发现教材中的科学观念体系”[3]。之后，武永兴翻译了曾对价层电子对互斥理论作出重要贡献的加拿大著名化学家吉利斯皮（R.J.Gillespie）关于化学中主要观念的论述。吉利斯皮的论述是针对大学一年级普通化学教学的，他认为应该让大学一年级学生明确“原子，分子，离子”“化学键：是什么使原子在分子和晶体中结合在一起”“分子的几何形状：三维化学”以及“动力学理论”“化学反应”“能和熵”，并且认为“应将大学一年级化学建立在主要观念的基础之上”。[4]宋心琦和胡美玲在思考“化学的任务是什么”“什么是一般人所应具有的最基本的化学观点或观念”等问题时，对分类法、元素论、物质的静态和动态、化学计量关系和浓度等在中学化学教学和教材中的地位与作用进行了论述。[5]然而，他们都只从各自的角度提出了一些化学基本观念的要素，而没有形成相应的体系。

      21世纪初，何彩霞在编写小学《科学》教材的过程中认识到，“科学主题”和“科学观念”是选取和组织科学课程内容的两个制约要素，其中，“科学主题”是科学课程内容的“脉络”，“科学观念”是科学课程内容的“浓缩和提炼”。“科学主题所揭示的内容是通过一系列科学观念来体现的，科学观念比科学主题较具体地反映科学领域中一些观念性的原理，是对科学本质的概括与提炼。”[6]受到“科学观念”与“科学主题”存在一定对应关系的启发，笔者围绕“能量”“演化”“变化的形式”“尺度与结构”“稳定性”“系统与相互作用”等科学主题，分析了现行高中化学课程中的学科观念体系，其对应关系如下页表1所示。[7]其间，王磊引介了美国课程专家艾里克森（H.Lynn Erickson）所提出的“观念为本的课程与教学”（也称“超越事实的课程与教学”），相应的文献虽然提到了山东科技版高中化学必修教材在渗透“观念为本”方面的特点，具体是将物质、结构、反应三大核心概念作为教材的主体内容，将元素观、分类观、转化观三大核心观念作为理论基础，但阐述的重点是化学课程如何进行基于核心观念建构的教学设计，对化学基本观念的内容体系没有具体论述。[8]

      

      2012年江苏省高中化学优秀课评比暨观摩活动所选定的课题是单一的元素化合物知识，包括“碳酸钠的性质与应用”“镁的提取及应用”“铝的氧化物和氢氧化物”“铁、铜及其化合物的应用”，笔者在点评这些课例时，由于感觉“与‘科学主题’对应的化学基本观念体系”的有关表述与中学化学教学实践之间存在较大的距离，难以被广大中学教师所接受，便选择了毕华林和卢巍于2011年建立的化学基本观念体系作为理论依据。[9]毕华林和卢巍认为，在学校教学中，“化学基本观念主要来自于三个方面：一方面来自于学生对化学学科知识的反思概括，主要形成化学知识类的基本观念，如元素观、微粒观、变化观；另一方面来自于学生对化学探究过程、学习方法的反思，主要形成化学方法类的基本观念，如实验观、分类观；再一方面来自于学生对化学科学在社会生活中价值的认识和反思，主要形成化学情意类的基本观念，如化学价值观”[10]。这样，毕华林和卢巍就把化学基本观念分成了三个维度六个具体方面（如图1），这个“三维度的中学化学基本观念体系”较为简明，容易被广大中学教师所理解。

      二、重构中学化学基本观念体系的思考

      2014年江苏省高中化学优秀课评比暨观摩活动所选定的课题分别是“溶液的配制与分析”“氮肥的生产和使用”“微粒之间的相互作用”，这与2012年相比，课题的内容变得丰富起来，除了保留元素化合物知识以外，分别增加了以实验和结构为主题的内容，如果再以“三维度的中学化学基本观念体系”作为理论依据点评全部课例，笔者感觉少了某些支撑，特别是对于结构主题的教学内容，因为“三维度的中学化学基本观念体系”中没有“结构观”。这时笔者注意到了新近几篇关于化学基本观念的文献。其中，毕华林和万延岚通过对国内外有关学科观念研究的梳理，在对学科思想与学科观念、学科基本观念与大概念等术语进行辨析的基础上，论述了化学基本观念的含义和内容体系，并进一步阐释了化学基本观念是否可教以及实施“观念建构”的化学教学的意义。[11]该文献所论述的化学基本观念的内容体系与之前毕华林和卢巍的观点完全相同，都是三个维度六个具体方面的结构体系。吴俊明和吴敏在关于科学观念教育的论述中，从关于化学具体问题的观念，关于化学理论问题的观念，关于化学科学的观念，关于科学、技术以及“科学技术与社会”的观念，更高更广层次的观念等角度，给出了化学科学中蕴含的科学观念的主要类型。[12]这一从不同角度对化学科学观念进行分类的思想，为在中学化学教学范畴构建化学基本观念体系提供了“应该选准自己角度”的启示。

      

      众所周知，观念是客观事物在人脑里留下的概括性认识，所以，化学基本观念就是化学在人脑里留下的基本的概括性认识。要构建化学基本观念体系，首先要回答的问题就是“什么是化学”，只有弄清楚了化学的定义，才能确定它在人脑里该留下怎样的概括性认识。关于化学的定义，在不同时期或对于不同的认识主体而言可以有不同的表述。世纪之交，中国科学院院士徐光宪教授给现代化学下了一个定义。他认为，“化学是主要研究原子，分子片，分子，原子分子团簇，原子分子的激发态、过渡态、吸附态，超分子，生物大分子，分子和原子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态，直到分子材料，分子器件和分子机器的合成和反应，分离和分析，结构和形态，物理性能和生物活性及其规律和应用的自然科学”[13]。这个定义应该是当今关于化学的最准确的表述，但是，鉴于中学生的认知结构，在构建中学化学基本观念体系的时候，应该从中学化学教学的实际出发。像笔者在思考中学生化学学科能力的构成要素时，就选择了中学化学教学的层面，将中学生的化学学科能力视作化学学习能力，也就是与化学知识性质相对应的获取与运用化学知识的能力，并“将化学学科能力的核心要素归结为观察能力、实验能力、问题解决能力和思维能力四个方面”[14]。

      现行中学化学课程标准对化学有一个统一的定义，那就是“化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的一门基础自然科学”[15]。从这个定义出发，化学的研究对象包括物质的组成、结构、性质和应用四个方面，中学生在这个层面学习化学之后就会留下与之相对应的概括性认识。换言之，中学化学基本观念体系应该与中学化学的定义相对应。按照这个思路，笔者构建了如表2所示的“中学化学定义”视角的中学化学基本观念体系。

      由表2我们可知，“‘中学化学定义’视角的中学化学基本观念体系”包括元素观、微粒观、结构观、变化观、化学价值观以及分类观和实验观七个具体方面，其中，元素观和微粒观、结构观、变化观、化学价值观与化学研究对象中的物质组成、结构、性质、应用相对应，而分类观和实验观则覆盖全部的研究对象。比较表2“‘中学化学定义’视角的中学化学基本观念体系”和图1所示“三维度的中学化学基本观念体系”，我们可以发现，虽然笔者与毕华林和卢巍构建时的出发点不完全相同，但由于都切合中学化学教学实践的实际情况，所以具体内容非常一致，而且都简洁明了，便于在中学化学教学实践中推广。朱玉军曾构建了一个包括“元素观、微粒观、化学变化观、能量观、实验观、分类观、科学本质观、化学价值观”的中学化学基本观念体系，由于是“基于化学学科的特征、科学教育的发展、化学与其他学科的联系、化学与哲学的关系、我国化学教学实践”[16]，所以，其出发点有超越中学教育的化学学科而趋于科学领域的化学学科的倾向。由于学科有科学领域层面、课程专家层面、课程实施层面等三个层面[17]，如果从科学领域层面观察课程实施层面的问题，就可能让中学教师有高深莫测的感觉。

      

      对比表2和图1我们还可以发现，由于笔者与毕华林和卢巍的出发点存有差异，所以各自的中学化学基本观念体系中相同要素的排序也不完全相同，同时，“‘中学化学定义’视角的中学化学基本观念体系”比“三维度的中学化学基本观念体系”还多了一个“结构观”的要素。广义的结构是指各个组成部分的搭配和排列，化学基本观念中的“结构观”，其含义是不同物质中的组成微粒之间有不同的组合方式或不同的作用力，这也决定了不同的物质具有不同的性质。前文所提及的江苏省优秀课评比暨观摩活动的课题“微粒之间的相互作用”，其侧重点不是“微粒”，而是“相互作用”，其中的离子键、共价键以及分子间作用力、氢键是形成“结构观”的基础，所以，只有从“结构观”的角度评判这一课例才是最合适的。另外，中学化学中的同素异形体、同分异构体等化学知识，更是建立“结构观”的最好素材。所有这些都表明，“结构观”是中学化学基本观念体系中不可或缺的重要组成部分。而吉利斯皮要让学生明确“化学键：是什么使原子在分子和晶体中结合在一起”“分子的几何形状：三维化学”以及“与‘科学主题’对应的化学基本观念体系”中包括“化学中的相互作用”等观点，都是对“结构观”属于中学化学基本观念体系中重要组成部分这一结论的有力证明。

      三、中学化学基本观念体系中“结构观”的培养策略

      在关于中学化学基本观念的教学及其研究的探索历程中，毕华林的“三维度的中学化学基本观念体系”受到了广大中学化学教师的普遍认同，所以，关于元素观、微粒观、变化观、实验观、分类观和化学价值观的培养策略已经积累了许多成功的案例，这里不再赘述。下面，笔者就中学化学基本观念体系中“结构观”的培养策略作一些探讨。

      就现行高中化学课程的八个模块而言，《物质结构与性质》中的化学键与物质的性质、分子间作用力与物质的性质等主题，能够让学生认识到物质中微粒之间组合方式或作用力的多样性，体会到这些组合方式或作用力对物质性质的决定作用，因此，这个模块是帮助学生建构“结构观”的主阵地。除此之外，《有机化学基础》是物质结构与性质结合得相对比较密切的模块，这也是由有机化合物本身的特点决定的。因为，虽然有机化合物种类繁多，但每类有机物都有其特定的官能团，官能团所具有的性质，决定了各类有机物的特征反应。所以，在有机化合物的教学中，教师要重视各类代表物的教学，让学生清楚地认识到相关官能团的结构和性质；对那些与必修模块有衔接关系的内容，在必修模块的教学中就应该作好铺垫。如，“乙酸”是《化学2》中介绍的一种有机物，同时又是《有机化学基础》中“羧酸”的学习基础，对于“乙酸”的教学，教师可以按照表3中的设计，实现相应化学基本观念的学习目标，其中，“结构观”范畴的学习目标，对于在后续《有机化学基础》模块学习中“结构观”的进一步建构，具有重要的奠基作用。

      

      受有关知识之间的逻辑关系或课程标准安排的限制，现行高中化学课程体系必须按《化学1》到《化学2》的顺序完成必修模块的教学任务，然后才能进入选修模块的教学环节。而对于《化学1》中元素化合物的新授课教学，由于没有物质结构等知识基础，只能通过在社会生活情境中、以核心概念为指导、在已有知识基础上、按研究的一般思路等途径认识物质的性质[18]，到复习阶段才可以综合运用物质结构的知识解释物质的性质，让学生深化理解《化学1》中的元素化合物知识，同时巩固在《物质结构与性质》中形成的“结构观”。如，对于“氨”的新授课和复习课，就可以有不同的教学设计（如下页表4），其中，新授课在学习《化学1》的阶段完成，复习课则在完成《物质结构与性质》模块的学习后进行，所以，在复习教学时就应该用结构的观念，从原子的核外电子排布、分子的空间构型、分子中的孤对电子等角度帮助学生理解和巩固氨的性质，同时强化相应的“结构观”。所以，中学化学教学要培养学生的“结构观”，就应该用好《物质结构与性质》模块这一主阵地，同时充分利用教学过程中能够实现物质结构与性质相结合的可能机会。

      

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