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朱玉军-中学化学的基本观念探讨

2016-02-29 10:10

中学化学的基本观念探讨

朱玉军

中学化学教与学G372014年01期《中国教育学刊》2013年11期第70～74页朱玉军，北京师范大学化学学院教师、博士研究生，《化学教育》副主编、编辑部主任。

    化学是科学的重要分支之一，而且和学习者的生活息息相关，被称为一门中心的、实用的和创造性的科学。然而，无论是在国内还是在国外，化学都被很多学生视为一门难学的学科。很多学生认为：化学是一门肮脏的学科；具有难以理解的核心概念和规则；理科中的文科，可以记住化学式，但难以理解其含义；需要记忆的事实性知识和材料太多，逻辑结构不清晰；化学知识太抽象，难以应用到真实世界中，学习动机不足等。这不仅是学生的学习困难，也给教师的教学提出了挑战。那么，这种化学教育的困境是如何造成的呢？巫香娟指出，学生难以理解某些化学概念或许是因为教师对化学基本观念的强调不够。[1]彼得·阿特金斯也认为，要克服学生学习化学的困难，需要让学生明白化学的核心只是几个简单的基本观念；大千世界看起来很复杂，但如果我们透过纷繁芜杂的表面现象就会发现其核心问题其实很简单，科学就是要讨论世界的核心问题。[2]我国《义务教育化学课程标准》指出：“引导学生认识物质世界的变化规律，形成化学的基本观念。”[3]1“教材在编选概念原理知识内容时，应重视以化学基本观念为线索，将化学基本观念渗透在教材内容中。”[3]51《普通高中化学课程标准》也指出：“认识常见的化学物质，学习重要的化学概念，形成基本的化学观念和科学探究能力。”[4]翻阅初中化学课程标准和高中化学课程标准，发现“化学基本观念”被多次强调。基于此，很有必要对中学化学的基本观念进行深入探讨。    一、国内外对化学基本观念的界定    国内对化学基本观念的界定    我国《义务教育化学课程标准》提到：“初步建立科学的物质观：世界是物质的，物质是变化的”[3]7“课程内容侧重体现了对化学基本观念的下列学习要求：认识物质的多样性，认识物质是由微粒构成的，用元素的观点，转化的观点，，定量的观点，能量的观点认识物质的变化及关系，认识化学与社会发展的相互作用和影响。”[3]51“了解化学、技术、社会、环境的相互关系”。[3]6初中化学课程标准虽然没有明确指出化学基本观念的内涵，也没有单独而明确地列出初中化学应该具有的基本观念，但是从字里行间可以分析出其中包含的化学基本观念包括：物质世界的变化观念，物质世界的多样性观念，有关物质构成的微粒观念，有关物质变化及关系的元素观念、转化观念、定量观念、能量观念，化学—技术—社会—环境相互作用的观念。王磊等提出了新课程中基于核心观念建构的教学设计理念，并在进行高中化学“元素与物质的分类”教学设计时提出了“元素观”“分类观”“转化观”三个核心观念。其界定的元素观的内涵是：所有的物质都是由化学元素组成的，物质的千变万化只是化学元素的重新组合，在化学反应中元素不变；分类观的内涵是：对物质进行科学的分类，把握物质的本质属性和内在联系，分门别类地研究物质是科学研究的基本方法。[5]对该文的内容进一步分析发现，作者肯定了化学基本观念建构教学的价值，但只是从高中化学一节内容的教学设计层面提到了上述三个化学核心观念，并未对化学基本观念的内涵进行深入探讨，也未从整个高中化学课程内容的角度来探讨化学的基本观念。    毕华林和卢巍认为，化学基本观念是指学生通过化学学习，在深入理解化学学科特征的基础上所获得的对化学的总观性的认识，其中包括元素观、微粒观、变化观、实验观、分类观、化学价值观，并探讨了这些基本观念的内涵。他们还将这些化学基本观念分为三类：元素观、微粒观和变化观为化学知识类的基本观念；实验观和分类观为化学方法类的基本观念；化学价值观为化学情意类的基本观念。[6]梁永平认为，化学科学的基本问题是“物质及其转化”；化学科学的认识活动包括两大基本任务：探寻“物质及其转化”的基本规律，建构“物质及其转化”的科学理论；化学科学的核心观念是在化学科学认识活动中形成并指导化学科学认识活动的基本观念，化学核心观念的抽象和概括应该紧紧围绕化学学科认识的基本问题和基本任务，它的认识水平高于“物质及其转化”的具体事实、化学概念、物质及其转化规律及化学科学理论；化学科学的核心观念包括元素观、能量观和科学本质观，元素观是从元素视角认识“物质及其转化”，能量观是从分子论、原子论、原子结构理论、化学键理论、有效碰撞理论、碳共价键理论等有关“物质及其转化”的微观认识理论中提取的，科学本质观是基于化学科学认识活动的认识论维度的概括。[7]    综上所述，国内对化学基本观念的界定主要是从化学学科的基本特征及其与其他自然科学的区别来考虑的，主要是针对中学化学来界定的，其中包括：化学学科的研究对象——物质及其转化，由此得出元素观、变化观、能量观等基本观念；化学学科的研究层次——原子、分子、离子等，由此得出微粒观；化学学科的研究方法和认识活动——化学家利用实验、分类、定量等研究方法对“物质及其转化”的探索，由此得出实验观、分类观、定量观和科学本质观等基本观念；化学学科的研究目的——促进人类社会的进步和可持续发展，由此得出STSE观念、化学价值观等基本观念。    国外对化学基本观念的界定    加拿大著名化学家吉利斯皮提出了6个化学基本观念，其中包括：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；化学动力学理论；化学反应；能和熵。“化学反应”被认为是其中最重要的基本观念，因为各种各样的化学反应是化学的核心。每一所高中和大学的初级化学课程，都应当包含这些基本观念，整个课程应该围绕着它们而构建。[8]    美国加利福尼亚州立大学的化学课程，也提出了6种化学基本观念，其中包括：分子的几何构型决定分子的性质、反应活性和稳定性等；原子和分子的电子结构，决定化学键的类型等；分子间的作用力；化学热力学；化学动力学；化学反应。[9]    美国AP化学课程框架中也提出了6种基本观念，其中包括：化学元素是构成物质的基础材料，物质的组成可以被理解为原子的排列，原子在化学反应中保持守恒；物质的化学性质和物理性质可以通过原子、离子或分子的结构、排列及它们之间的作用力来解释；物质的变化涉及原子的重新排列或组合，或电子的转移；化学反应的速率取决于分子碰撞的具体细节；热力学定律说明了能量的本质作用，解释和预测物质发生变化的方向；化学键或分子间的引力可以形成也可以被打破，形成与打破之间是动态竞争的，容易受到初始条件和外部条件的干扰。[10]    美国化学会在给中学化学的教学指导建议中提出的化学基本观念包括：宏观世界其实是原子相互作用的结果；物质和能量守恒，涵盖原子在化学反应中的重新排列、能量的形式及变化、化学反应的配平及计量等主题；物质的状态和性质，涵盖元素周期表，气体定律，单质、化合物和混合物，化学键，分子间作用力等主题；物质的微粒性，涵盖分子运动理论，原子、离子和分子的结构等主题；平衡和驱动力，涵盖勒夏特列原理、化学反应速率、化学热力学、酸碱反应、氧化还原反应、燃烧等主题。[11]    综上所述，国外对化学基本观念的界定主要是对化学学科基本内容和基本概念之间关系的提炼，以及对化学学科思想的提炼，概括起来主要包括：化学反应；化学动力学；化学热力学；物质的组成及其微粒性—元素、原子、分子、离子；物质的结构决定性质——化学键、分子间作用力、原子结构、分子构型等。可以看出，国外对化学基本观念的界定同上述国内的相关界定一样，都是围绕化学学科本身的内容和特征，只是国外的界定既有针对大学化学课程的表述，也有针对中学化学课程的表述，其用词和表达主要是利用化学学科的专业术语，大都是具有更广的解释力和统摄性的化学学科的核心概念。从化学学科本体的视角来说，这样的界定是没有问题的。但是，如果从科学教育尤其是基础教育阶段的科学教育视角来说，过分地强调化学学科的排他性内容和特征，过分地强调化学学科与其他自然科学的区别，是不利于科学教育整体发展和进步的。因此，需要对确定中学化学基本观念的基本视角进行探讨。    二、中学化学基本观念的确定    确定中学化学基本观念的视角    中学化学的基本观念究竟该如何来选择和确定呢？笔者认为，选择和确定中学化学基本观念的视角应该包括：    第一，化学学科本体的视角，即化学学科的研究对象、研究层次、研究方法、研究目的，化学学科的基本内容和基本特征，化学家探索“物质及其转化”的历程——化学史。化学作为一门相对独立的学科，且被认为是一门中心的自然学科，必然有其自身独特的一面，化学学科的本体是选择和确定中学化学基本观念必须要考虑的最根本的视角，这在上述国内外有关化学基本观念的界定中已经被体现得淋漓尽致，不再赘述。    第二，辩证唯物主义哲学及科学哲学的视角，这主要是由哲学与自然科学的普遍性与特殊性的辩证关系决定的，也是落实我国《基础教育课程改革纲要》提出的“逐步形成正确的世界观、人生观、价值观”培养目标的必然要求。哲学的根本问题是“思维和存在、意识和物质的关系问题”。原子、分子、元素、无机物、有机物等是对世界本原及物质世界图景的回答，使得人类对物质世界的认识从物体推进到原子、分子层次，并推进到对生命的起源及本质的认识。化学学科的发展受哲学思想的指导，同时也为人类的思想意识和思维方式产生了重要作用，即便是在无科学可言的炼金术时期也使得人们从思想上追求世界的本原回归到能触、能闻、能嗅、能尝的物质；科学的元素概念正是波义耳脱下蒙在化学身上的唯心主义的外衣，在唯物主义基础上建立的；恩格斯在评价道尔顿的原子论时认为“它能给整个科学创造一个中心”；对科学来说，存在某种预先假设的、本质的和必然的东西，像证据、观察、理论、解释、证实等，即那些被称为科学的本质的东西。[12-13]    第三，世界科学教育的发展趋势。我国的化学教育课程改革是我国科学教育改革的一部分，也是世界科学教育改革大潮的一股细流，不可避免地要审视世界科学教育的发展趋势。从上述国内外对化学基本观念的研究可以看出，国内外的化学教育都在强调基本观念的建构。从国际科学教育的角度来看，也都在强调提高学生的科学素养、培养学生的科学本质观、注重学生的科学观念的建构，《美国K-12科学教育框架》更是在书名中就提出了“Crosscutting Concepts and Core Ideas”，并在内容中列出了七个跨学科概念和四个学科领域的核心观念。[14]    第四，化学与其他自然学科的联系。在基础教育阶段，化学、物理、生物、地理等自然科学共同构成完整的科学教育课程体系，不能过分强调化学与其他自然学科的区别，反而应该注重化学与物理、生物、地理等学科的联系，这样才能更好地实现化学教育的目标和科学教育的目标。事实上，在16世纪之前是没有独立的化学科学的，现在的化学、物理、生物统归于自然哲学；20世纪以来，化学与物理学特别是量子力学结合起来，促进了量子化学的发展，使得化学成为了实验与理论并重的学科；现在各自相对独立的化学、物理、生物、地理等又相互交叉渗透得越来越密切，产生了物理化学、生物化学、化学生物学、地球化学、天体化学等学科领域，化学学科的中心地位日益显现。因此，不得不在中学化学教学中注重化学与其他自然学科的联系。    第五，我国中学化学教学的理论基础和实践基础。选择和确定中学化学的基本观念，不得不考虑我国中学化学的理论基础和实践基础，不得不考虑我国基础教育的特色，不得不考虑初中化学课程标准和高中化学课程标准的有关表述，不得不考虑我国学者对化学基本观念的研究，不得不考虑我国化学教师在课堂教学实践中的语言习惯。    中学化学的基本观念及其与课程内容的关系    基于上述五个方面的视角，结合国内外对化学基本观念的界定，笔者认为中学化学的基本观念应该包括：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，其对上述五个视角的体现及与中学化学课程内容的关系如下。    第一，元素观和微粒观是对世界本原的回答，同时体现了化学学科有别于其他学科的独特的元素视角和在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及变化的具有定义作用的特征，可以涵盖化学元素，元素周期表，原子、分子、离子，化学键和分子间作用力，物质的多样性取决于构成的微粒及其结合方式，生命的化学元素基础等主题。    第二，化学变化观体现了物质是运动的、变化的，变化是有层次的，体现了化学的核心是各种各样的化学变化，同时与物理变化和核变化相区分，可以涵盖各种类型的化学反应及其发生的条件，化学反应的宏观现象，化学反应原理，生命体内的物质变化等主题。    第三，能量观可以和物理、生物中的能量概念相联系，这不仅体现了学科间的联系，还可以让学生对能量观的理解更加丰满，化学中的能量观可以涵盖原子、分子、电子等微观粒子的能量，化学键的键能，物质的稳定性，化学反应的能量效应，化学能与热能、光能和电能的转换，化石燃料等主题。    第四，实验观会出现在物理、化学、生物等学科的学习中，体现了自然科学的共性，体现了人类活动的本质是实践的，实践具有直接现实性、自觉能动性和社会历史性。化学实验是人类实践活动的基本形式之一，全面观察和记录实验现象、基于实验证据说话体现了直接现实性；提出问题、猜想与假设、制定方案、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流等探究过程体现了自觉能动性；实验器材、实验技术和实验方法的发展体现了社会历史性等。    第五，分类观也会出现在物理、化学、生物等学科的学习中，因为分类是一种基本的思维方式和研究方法，在不同学科中强调不仅体现了自然科学的共性，还可以使学生对这种思维方式掌握得更好。在中学化学学习中，有对研究领域的分类、有对化学物质的分类、有对化学反应的分类。总之，分类观的提出对化学学习是很重要的。    第六，科学本质观是需要在物理、化学、生物等理科教育中都被强调的重要基本观念，这样才能有效落实提高学生科学素养的科学教育主旨，科学教育的完整性才能得到彰显，自然科学发展的基本特征才能得以体现。另外，科学教育的研究表明，学生很难在“做科学”和探究活动中理解科学本质和科学探究，教师必须采用外显的方法帮助学生反思他们的活动，这是学生理解科学本质和科学探究的最好方法。[15]基于此，在中学化学中提出和外显科学本质观是很有必要的。    第七，化学价值观是为了解决当前化学面临的信任危机、为化学科学的未来发展而特别提出的，化学是科学、技术和工业的基石，是生命科学、材料科学、环境科学、能源科学、信息科学等的重要基础，然而在很多人心中化学意味着“有毒、有害和污染”。要让学生体会到，对于个人来说，化学与每个人的生活和生命息息相关；对于社会和经济发展来说，需要化学知识、化学家和化学工程师参与社会决策、提振经济增长；对于文化发展来说，化学为现代文明做出了突出贡献，有其自身的学习价值；对于人类社会的可持续发展来说，绿色化学能够提供必要的保障。[16]    需要指出的是，上述这些基本观念之间并不是彼此孤立的，而是具有一定的联系，例如，在讨论化学反应时除了涉及化学变化观，还会涉及元素观、微粒观、分类观、实验观、能量观等。中学化学课程在于让学生认识化学、了解化学、对化学产生兴趣，在于与其他学科一起来提高学生的科学素养，因此除了要体现化学学科的特征，还要展现科学本质的内涵，还要关注化学与其他学科之间的联系。

        [1]Boo Hong Kwen. Teaching the Big Ideas in    Chemistry[J]. Teaching and Learning, 2001,22:43-47.        [2]沈理明，杨怡，陆小燕.化学教育的目标、学习困难及其对策[J].化学教育，2006，27：63-64.        [3]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2012.        [4]中华人民共和国教育部制订.普通高中化学课程标准[S].北京：人民教育出版社，2003：4.        [5]王磊，范晓琼，宋万琚等.在新课程中如何进行基于核心观念建构的教学设计[J].化学教育，2005，26：17-20，58.        [6]毕华林，卢巍.化学基本观念的内涵及其教学价值[J].中学化学教学参考，2011，：3-6.        [7]梁永平.化学科学理解的基本视角及其核心观念[J].化学教育，2011，32：4-6.        [8]Gillespie R J. The Big Ideas in Chemistry[J].    Journal of Chemical Education, 1997,:862-864.        [9]The “Big Ideas” in Chemistry[EB/OL].[2013-09-16].            [10]College Board. AP         Chemistry Curriculum    Framework2013-2014[EB/OL].[2013-09-16]        [11]American Chemical Society Committee on    Education. ACS Guidelines         and Recommendations for the Teaching of High School    Chemistry[EB/OL].[2013-09-16].            [12]中国自然辩证法研究会化学化工专业组，化学哲学基础编委会.化学哲学基础[M].北京：科学出版社，1986：5，34-40.        [13][美]达德利·夏佩尔著.理由与求知[M].褚平，周文彰译.上海：上海译文出版社，2006：447-448.        [14]National Research Council. A Framework for K-12    Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core    Ideas[EB/OL].[2013-09-16]. ?record_id=13165.        [15]王晶莹.科学本质观与科学探究的意义及实践——美国李德曼教授访谈录[J].全球教育展望，2008，37：3-6.        [16]Price W S, Hill J 0. Raising the Status of    Chemistry Education[J]. University Chemistry Education, 2004,    8:13-20.^NU1

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