中学化学知识的思维角度和思维路径探析

李鹏鸽 窦信心 王祺胜

摘要

学科知识是学科能力和素养的基础，知识转化为素养的前提是在教学中挖掘和外显学科知识蕴含的思维角度和思维路径。不同知识提供的思维角度和思维路径不同，素养发展功能价值也不同。对化学学科不同领域知识的思维角度进行了归纳分析，对化学学科中物质组成、物质分类、氧化还原等重要知识的思维路径进行了探析。

关键词

化学知识 思维角度 思维路径

2017年修订后的高中化学课程标准凝练了化学学科核心素养。在教学层面，如何从基于知识传授、概念定义解析为本的教学，向核心素养导向、关键能力提升为本的教学转变，教师们比较茫然，找不到落实学科核心素养的契入点和突破口。学科能力是学科核心素养的实质内涵，个体具有学科核心素养的关键表现就是在面临陌生复杂的真实问题时，具有依托学科知识而产生的解决问题的思维角度和思维路径[1]，即学科能力。学科核心知识除了具有重要的生产生活应用价值外，还有重要的促进学生认识和智慧发展的功能价值。教学中如何彰显和发挥知识的这些价值，需要以知识学习为载体，挖掘和外显知识所隐含的思维角度和思维路径，引导学生将其迁移，创新性地去解决真实问题，这是提升学生学科核心素养的重要突破口。

一、教学外显知识获得时的思维角度和思维路径

学科知识的产生是科学家针对某一研究对象，产生了与学科有关的特定好奇性问题，在问题驱动下，科学家选取某种特定思维角度，按照特定的认识思维路径，利用特定的推理判据，经历了特定的逻辑推理过程，形成了特定的学科认识结果，也就是获得了相应的知识结论。比如，在面对同一事物水这一研究对象时，不同学科的科学家关注的问题不同，解决问题的角度思路也不同。物理学家是从水的密度、浮力等角度提出本源性问题的;地理学家关注的是水的分布形态、水量是否丰沛等问题;化学家则关心水的元素组成、水的微观分子结构等角度和问题。不同的科学家围绕本源性问题，采取了不同的思维路径和探究方法，经过推理建模得到了其不同的学科知识。然而，学校教学更多地关注了某一学科的知识结论，对知识本身进行关键字词解析，采取解题等强化训练的方式帮助学生理解知识结论。但知识产生时所关注的本源性问题，以及科学家的思维角度、思维路径、推理判据等在教学中被忽略了。而经历知识获得的过程才对学习者进一步发现新问题、解决新问题的能力形成起到关键作用，才最具有迁移应用的素养发展价值。

学科知识是学科能力和素养的基础，但并不是拥有了学科知识就一定具有了学科能力和素养，从知识转化成为学科能力素养还得将学科知识蕴含的思维角度、思维路径也教给学生。因此，核心素养导向、关键能力提升为本的教学就应该首先挖掘和外显知识所附带的思维角度、思维路径、推理判据、特定推理过程等。

二、化学学科不同领域知识的思维角度探析

不同学科有其特定的认识对象和研究领域，每个领域需要独特的分析问题的角度、思路和方法。特定领域的思维角度和思维路径与学科知识相互匹配，具有稳定性和可教育性的特点。化学学科的一级核心认识对象是物质、反应和能量。围绕物质的核心思维角度包括物质类别、物质中核心元素的化合价、核心元素在周期表中的位置、物质中微粒间相互作用力等;围绕化学反应的核心思维角度包括化学反应的方向、限度、反应速率、反应条件;围绕能量的核心思维角度包括能量的类型、能量如何改变、能量间相互转化的途径、装置等。核心的一级思维角度之下，针对不同知识还会有二级或三级具体的思维角度。

通过对普通高中化学课程标准（2017年版）进行研究分析，中学阶段化学学科的认识领域主要包括无机元素化合物、有机化合物、化学反应与能量、水溶液、物质结构等[2]。可以归纳出每个不同认识领域在中学阶段包含的核心知识，这些核心知识能带给学生思考的本源性问题和思维角度归纳（见表1）。在表1的“认识对象与核心知识”栏中，认识对象在前，其后括号中列举了该认识对象所包含的核心知识。由于本源性问题与思维角度有一定的重合，所以在表中把它们整合到一栏中。

以表1中无机元素化合物这一认识领域为例，初中阶段是化學学习的入门阶段，要引导学生学会基于物质的元素组成这一宏观视角认识物质。通过元素、原子、分子等概念的学习，理解从微观层面看物质都是由原子、分子构成的，逐步构建宏微符相联系的思维视角;在拿到一种物质时，化学家认识它的方法就是让它发生化学反应，所以要引导学生学习基于化学反应认识物质世界的视角;对于一个陌生物质，在让它发生化学反应时，学生可能会从与其组成相似的已经学过的物质去对比着认识新物质。

步入高中阶段，学生已经学习了大量的元素化合物知识，如何将知识进行有效整合，让元素化合物知识变得有序、形成系统，就需要对物质进行分类，而后按照不同的物质类别认识物质的性质，这就是基于物质类别的思维视角：学习过氧化还原反应等概念原理后学生应该学会基于核心元素化合价视角认识物质;学完元素周期律表后要学会基于周期表的位、构、性视角认识物质;学习化学反应原理内容后学生得会从“电离平衡常数”“溶度积”“焓变、熵变、自由能”等视角认识物质;学习“物质结构与性质”这一模块后，又要建立从化学键、微粒间的相互作用与物质性质间关系的视角认识物质。

三、部分化学知识的思维路径探析

学科知识是学科能力和素养的基础，知识是否转化成为学科能力素养，其表现是学生通过学科学习逐渐建立起了学科特定的思维角度和思维路径。在面对复杂陌生的情境时，学生会沿着学科特定角度去科学地分析解释，能符合逻辑地进行推理判断，能提出解决问题的有效策略，也就是学生具有了科学的程序性经验和图式，而程序性经验和图式就是思维路径。在化学学科五大核心素养中实验探究与创新意识是实践基础，其他四个素养都可以在探究中得到落实。而探究的过程，以及探究中预测和验证物质性质、解释造成现象的原因等环节都需要有科学的思维路径。素养导向、关键能力提升为本的学科教学，在外显知识附带思维角度的同时，还应该让学生学习和体验程序性知识，积累程序性经验，在教学中展现合理的思维路径，这就需要我们把知识附带的思维路径提炼出来、外显出来。不同知识的产生过程和应用其解决问题时的思维路径不尽相同，下面分析、提炼几种重要知识学习时能够外显的思维路径。

1.研究物质组成需要的思维路径

物质组成是认识物质的重要视角，中学化学应该引导学生入门，让他们学会基于组成认识物质。而研究物质组成的重要手段就是让物质发生化学反应[3]，如何发生反应，反应过程中如何推理得出物质的组成，以初中化学“水的组成”一课为例进行阐释。

以科学家研究水的元素组成的过程为例，18世纪60年代，英国化学家普利斯特里在空试管中装着氢气，将试管口移近火焰，松开拇指。试管口冲出火舌，瞬间又熄灭了，观察试管壁上有雾出现。卡文迪许证明了该雾的液滴就是水，但受到当时元素观念的束缚，并没有得出水组成的正确结论。拉瓦锡追踪该实验才揭示出了水是由氢、氧元素组成的。科学家借助了氢气燃烧的实验来研究水的组成，这为我们的研究提供了两条思路。思路一：用化合的方法来研究物质的组成。氢气燃烧实验的反应物是氧气和氢气，根据化学反应前后元素种类不变的思想，氢气中只含有氢元素，氧气中只含有氧元素，说明在反应物中只含有氢元素和氧元素。而氢气燃烧的生成物只有水一种物质，所以生成物中也就只含有氢元素和氧元素，所以结果就是水是由氢和氧两种元素组成的。思路二：用分解方法探究水的组成。1800年，英国化学家尼科尔森做了电解水的实验，给水通直流电会出现气体，研究负极玻璃管中产生的气体与正极玻璃管中产生的气体，其体积比为2∶1，对产生的气体进行验证，证明正极的气体是氧气、负极的气体是氢气，再次验证了水由氢、氧元素组成。利用电解水的方法不仅证明了水是由氢和氧两种元素组成，还证明了水的化学式应该是H2O，用水分解的实验定量证明了化学式中的2和1的问题。

用分解的方法探究物质的元素组成，是将一种物质通过化学反应分解成多种物质的分解反应，只要证明分解后物质中所含元素有哪些，也就可以证明反应物中含有那些元素，这就是研究物质组成思路二。现代分析化学中的元素分析仪，虽然高端大气复杂，但其工作原理无非也是用到上述两条思维路径，且用到的主要是分解的方法。

2.利用物质分类思想研究物质性质需要的思维路径

化学知识琐碎繁杂，化学物质种类众多，如果只是注重對某种物质知识点记忆的学习，那学生思考问题的角度与思维路径将很难建立，学生在遇到陌生物质时对物质进行探索的能力也很难得到提高。物质分类思想有着重要的功能即指导学生预测物质性质，但是很多教师教授物质分类时，只是把物质分类作为一个知识结论，让学生记住有交叉分类、树状分类，仅仅只是把它作为了一个独立的知识点让学生记住，这就很难把物质分类这一重要知识转化为学生的学科能力素养。

人们把物质分类以后，是为了研究物质的化学性质，基于分类可以更好的认识物质的化学性质，这才是学习物质分类真正的落脚点和能力的发展点。要让学生学会基于物质分类去认识陌生物质的化学性质，需要让学生经历的学习程序和思维路径是：教给学生分类的概念性知识——知道分类的标准和方法——学习某类物质具有的类别通性——基于类别和类别通性去预测和证明一个新物质的性质，这就是通过学习“物质分类”这一课要教给学生的思路和方法。

以预测二氧化硫的性质为例，进一步说明最后一个环节——如何基于类别和类别通性去预测和证明一个新物质的性质。面对二氧化硫这种新物质，学习完物质分类知识后，学生应该会利用类别通性知识去预测它具有什么性质，能够发生什么化学反应。学生应该会想，二氧化硫是酸性氧化物，酸性氧化物应该能跟碱、碱性氧化物、水等不同类别的物质起反应。学生就可以假设二氧化硫也应该跟碱、碱性氧化物和水等物质反应，要想验证这种假设，学生就应该能找一个碱或碱性氧化物来做实验，比如氢氧化钠或氧化钙等，应该能说出证据，证明它发生了反应，并能说明其生成了什么，还得会描述现象，归纳出物质性质的结论。这就是学生的思维路径，这样就将陈述性知识转化成了具有功能价值的程序性知识了，他没有随意的在实验室用一些药品瞎碰，他经过了一定的思考，进行了合理的假设，利用了物质分类的知识和类别通性的知识来指导自己探究陌生物质的性质。这样知识就活了起来，就变成了思维路径，变成了能力素养。

如果再进行提炼，用分类思想研究某物质性质时的思维路径就是：明确此物质所属物质类别——抓住探究物质性质的重要手段是化学反应——在分类思想基础上做出合理的假设——让此物质依次与不同类别物质进行反应——反应后收集证据证明假设——得出科学的结论说明此物质所具有的性质。在此条思维路径中，同学们既有探究的意识，可以进行合理的假设和实验，收集证据得出结论，又很好地运用了物质分类的思想，并对反应规律、方程式的理解也更加深入。

3.利用氧化还原思想研究物质性质需要的思维路径

氧化还原反应带给我们对化学反应的一种新的认识角度，这个角度就是基于化合价看化学反应、基于化合价看物质，这是对认识角度的一个重要扩展。由于人们认识到了化合价是否有改变，并认识到了化合价改变是由电子转移或偏移引起的这个角度，不仅发现了不一样的反应分类，而且发现了非常重要的学科功能。比如可以开发电化学，可以丰富对于物质转化路径的设计，可以丰富同学们对物质性质研究的认识角度，所以氧化还原反应概念成为重要的核心概念，具有普适的迁移价值。这个知识点的重要性就在于它贡献了非常重要的看待物质及化学反应的角度，即化合价和电子转移的角度。

在化合价和电子转移的重要视角下，氧化还原反应的功能和价值还表现在，能帮助学生对相应领域问题思维路径和思维程序的形成和内化。比如学生学习过氧化还原反应知识后，他应该建立起这样的程序性知识，即：发生氧化反应物质中的某个元素化合价升，它具有还原性，它本身被氧化，它自身充当还原剂，具有了这样的一套概念之间的自推理的功能。所以只看到一个物质的核心元素的价态的时候，就可以形成由于概念推进的这一套自推理程序，这套推理就形成了我们去认识物质氧化性、还原性的重要的思维路径和思维程序。氧化还原反应知识就变成了预测和研究新的陌生物质的能力和素养。

知识转化为素养的前提，是教师在教学中要充分挖掘和外显学科知识蕴含的思维角度、思维路径，充分发挥学科知识的这些功能价值，以适应化学学科核心素养背景下的教学要求。

参考文献

[1] 王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017：15-18.

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：7-9.

[3] 李鹏鸽，左玉.高考制度改革视野下化学课堂认识物质的价值与维度[J].教学与管理，2014（34）：64-65.

[作者：李鹏鸽（1963-），女，山西绛县人，太原师范学院化学系，教授，硕士生导师;窦信心（1996-），女，山东潍坊人，太原师范学院教育学院，硕士生;王祺胜（1998-），男，山西太原人，太原师范学院教育学院，硕士生;郭蓉蓉（1996-），女，山西原平人，太原师范学院教育学院，硕士生;纪录条（1995-），女，山西洪洞县人，太原师范学院教育学院，硕士生。]

【责任编辑  郭振玲】