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化学思想的内涵及其对化学教育的启示

发布时间:2021-02-26 11:07

  摘要作为化学教育的重要组成部分,化学思想具有重要的价值和意义。鉴于长期以来化学思想教育研究薄弱,有必要建构化学教育的结构,厘清化学思想的内涵,这对于进一步完善化学教育理论,促进对化学学科核心素养的认识,具有重要的启示意义。


  关键词化学思想化学教育结构化学学科核心素养


  化学思想是在化学发展过程中由化学共同体对化学知识、化学方法进一步概括而形成的对于化学本质的深层认识。作为化学教育的重要组成部分,化学思想能够为学生发展化学学科核心素养汲取营养,具有独特的教育价值和实践意义。遗憾的是,化学思想却长期存在泛化现象,在一定程度上影响了化学教育的持续发展。本文通过建构化学教育结构,厘清化学思想的内涵,希冀为我国化学教育的发展提供有益的启示。


  一、化学教育结构的理论建构


  长期以来,化学思想一直存在着边缘化倾向,已有研究虽然能够意识到化学思想与化学方法既有区别又有联系,二者抽象概括程度不同,但却认为化学思想和化学方法没有明确的界限,进而将二者混为一谈,并统称为“化学思想方法”[1]。因此,厘清化学思想的内涵,就成为化学教育研究中亟须解决的重要问题。完整意义上的化学教育包括化学知识教育、化学方法教育、化学思想教育、化学观念教育、化学精神教育。它们相辅相成,共同构筑起化学教育的结构(见图1)。


  1.化学知识教育


  在化学教育中,人们对化学知识内涵的认识最为统一,也最为清晰。当前,化学教育须要在化学知识的选择方面精选核心知识,凸显化学学科核心素养,紧密结合社会生活实际,联系科学技术发展趋势,促进科学精神与人文精神的深度融合。因此,《普通高中化学课程标准》(2017版)对化学知识进行了增补、删减和调整,其目的是为了使学生建立新的认识化学世界的视角,从而彰显化学知识教育的重要价值。


  2.化学方法教育


  化学方法是人们在认识和改造化学世界的实践活动中总结出来的正确的思维以及行为方式,是人们认识和改造化学世界的有效工具。通过化学方法揭示化学知识的获得和应用过程,并对化学知识在化学发展中的作用进行解读,从而实现学生智力发展与知识体系建构之间的平行和同步。我国教学目标从“双基”教学到“三维目标”,将化学方法作为课程目标,这具有显著的进步意义,但化学方法的内容却一直未明确给出,因此,化学方法教育研究还有待进一步深入。


  3.化学思想教育


  当前,对化学思想与化学方法及化学观念的认识之所以不甚清晰,是由于化学思想的内涵尚不明确。虽然化学思想随着科学技术和社会发展不断变化,但化学思想作为化学现象反映在人的意识中经过思维活动而产生的结果并没有改变,作为对化学事实进行高度概括而形成对化学的概括认识没有改变,作为在化学发展过程中由化学共同体对化学知识、化学方法进一步概括而形成的关于化学本质的深层认识没有改变。因此,化学教育有必要厘清化学思想的本质,清晰界定化学思想的内涵,努力探索化学思想的构成。


  4.化学观念教育


  《普通高中化学课程标准》(2017版)把化学思想观念作为化学学科核心素养的重要构成部分[2]。关于化学观念的内涵,代表性的观点有:化学观念是居于学科中心,具有超越课堂之外的持久价值和迁移价值的关键性概念、原理或方法[3];化学基本观念,既不是具体的化学知识,也不是化学知识的简单组合,而是学生学习化学后在头脑中留存的,在考察化学问题时所具有的基本的观念性的东西,是学生对化学的总观性认识[4]。因此,化学观念是对化学问题的概括性认识,它源于化学知识又超越化学知识,对学生的化学学习和发展具有重要的作用。


  5.化学精神教育


  化学精神是化学教育的行为规范和价值标准,要求学生具有安全意识及生态文明意识;不迷信权威,具有探索未知、敢于批判、崇尚真理的意识以及严谨求实的科学态度;深刻认识化学对人类社会进步做出的重要贡献;具有节约资源、热爱自然、保护环境的意识,形成简约适度、绿色低碳的生活方式;能对垃圾处理、环境保护等与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断,提出降低化学在应用于实践的过程中可能带来不良影响的建议,强化学生的社会责任意识,促使其积极参与有关化学问题的社会决策,认识化学对社会可持续发展的贡献。


  二、化学思想的理论内涵


  由化学教育的结构可知,化学思想作为下接化学知识、化学方法,上承化学观念、化学精神的关键环节,对化学教育理论的发展和完善至关重要。基于理论与文献研究,归纳出体现化学学科本质的化学思想,以期对化学教育理论的发展有所裨益。


  1.反应思想


  化学反应是化学研究的中心问题,判断一个反应是否为化学反应的依据是看是否有新物质生成。根据反应物与生成物的类型及反应前后物质种类的多少,化学反应分为化合反应、分解反应、置换反应与复分解反应;根据电子得失,化学反应可分为氧化还原反应、非氧化还原反应;根据化学反应的可逆性,化学反应可分为可逆反应与不可逆反应。化学反应的发生是需要一定条件的,从化学反应速率的角度来认识化学反应进行的快慢,从化学平衡角度来认识化学反应进行的方向和程度。前者属于动力学研究的范畴,后者属于热力学研究的范畴。在实际生产应用中,会从这两个方面考虑化学反应的可行性,而这恰恰是化学反应思想的核心内容。


  2.催化思想


  通常认为在化学反应中能改变其他物质的反应速率,而本身的质量和化学性质在反应前后都不发生变化的物质就是催化剂,催化剂在化学反应中所起的作用被称为催化作用[5]。在现代化学工业中,重要的成就都与催化剂的应用密切相关。不仅如此,催化对生命科学也有重要的潜在意义。例如,绿色植物的光合作用过程极难模仿,麻省理工学院的安吉拉·贝尔切等人运用催化思想成功模拟出光合作用的第一部分。催化作用的发现与应用,不仅对社会的发展具有重要意义,而且赋予一种催化思想,即通过寻找并利用那些既不直接参与、又能产生重要作用的物质来改变化学反应速率的思想。


  3.转化思想


  转化思想是指在较为复杂的存在竞争反应的化学反应体系中,依照一定逻辑,分析、判断并促成各反应发生先后顺序的思想。在化学反应过程中,旧化学键的断裂,势必会形成离子、原子、自由基等新的微观粒子,使原来的有序态逐渐变成无序态;之后,这些新的微粒通过相互碰撞和吸引,重新形成新的化学键,生成新物质,此时短暂的无序态便转化成了有序态。从无序转化为有序的过程中,有序化的方向不止一个,有多种可能性会产生,因此,多种副反应便会相伴而生。例如,在30℃时,甲苯可以与浓硫酸以及浓硝酸的混合物发生取代反应,主产物是领硝基甲苯和对硝基甲苯,副产物是间硝基甲苯。在一个存在多种“竞争反应”的化学反应体系中,若能合理运用这一思想便可以通过改变条件调控主、副反应,使化学反应向着有利的方向进行。


  4.平衡思想


  物质和物质变化体系都有向平衡状态变化的趋势。在同一化学反应体系中,不改变化学反应的条件,如果体系中所有的反应物以及生成物的质量或浓度保持不变,那么,化学反应就达到了平衡状态。平衡思想适用于化学平衡、沉淀溶解平衡、水解平衡、电离平衡等体系中。比如,对于化学平衡体系而言,当正反应速率等于逆反应速率且都不等于零时,该体系中所有反应物和生成物的浓度保持不变,此时体系就处于平衡状态,温度一定时,化学平衡常数也是一定的。根据勒夏特列原理,如果改变影响该平衡体系的条件,如温度、浓度、压强等,则平衡向减弱这种改变的方向移动。平衡思想作为化学思想之一,有助于使学生认识到化学反应具有一定的限度和速率,可以根据实际需求来改变不同的条件,从而对化学反应加以调节和控制。


  5.守恒思想


  守恒思想是人们对化学反应过程中的某些不变属性概括后,提炼升华而成的一种化学思想。其特点是忽略中间过程,把握化学变化的始态和终态,利用其中某物理量守恒的原则,从而达到避繁就简的目的。一般来说,守恒思想主要包括以下内容:质量守恒(参加化学反应的反应物总质量等于生成物总质量)、电子守恒(氧化剂得电子总数等于还原剂失电子总数)、元素守恒(化学反应前后元素的种类和数目保持不变)、能量守恒(化学反应过程中,旧键断裂吸收的能量、新键形成释放的能量以及反应的能量变化三者之间的总能量保持不变)、物料守恒(溶液中某一组分的原始浓度等于它在溶液中各种存在形式的浓度之和)以及化合价守恒(化合价升、降总数保持相等)。


  6.假说思想


  化学假说是科学假说的一种类型,是以观察化学实验现象为事实依据,以化学思维形式为框架来反映物质的组成、结构、性质及其变化规律的一种化学思想。化学假说自产生之日起往往会经历漫长的演变过程,也要经历非常复杂的系统思维过程,化学假说本身就意味着具备某种不完备性和有待验证性,它有可能上升为化学思想,也有可能被淘汰,正如恩格斯所言,只要自然科学在思维着,它的发展形式就是假说[6]。整体来看,对假说进行探索的过程本身就在不断推动化学的发展。例如苯环结构假说的形成和发展就经历过一系列的假设、推理及验证过程,使研究逐渐逼近真理,最终苯分子结构的庐山真面目得以揭晓。这是科学家们不懈探索的结果,也是化学假说思想对化学发展促进作用的缩影。


  7.价键思想


  化学反应发生的原因是化学键的断裂与生成或价电子的重新排列,这一变化可以通过价键结构的变化来表征。1927年,海特勒和伦敦用量子力学,揭示了化学键的本质问题,使共价键理论发展成为现代价键理论[7]。价键理论是在经典的化学键理论基础上形成的,在其诞生发展的百余年中,一直有力地影响着化学界的思维方式,并已成为说明化学结构和化学键本质最有影响的化学理论[8]。基于价键思想,学生可以认识多种类型微粒间的相互作用,并了解不同类型微粒间的相互作用对物质性质的影响,将这一思想历程适当融入到化学教学中,有助于学生深入理解价键理论,从而更好地体现价键理论的内在价值。


  8.结构思想


  结构思想是指在研究和学习化学过程中所形成的有关物质的组成、结构和性质之间相互联系的思想[9],即物质的结构决定性质,物质的性质反映结构。该思想最早由布特列洛夫于19世纪60年代提出,他认为可以从分子的化学结构去了解或预测它的许多化学性质;反过来,也可以从化学性质去确定分子的化学结构[10],他本人依据此思想成功合成了预言的叔丁醇。化学是在分子、原子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科,所以物质的结构与性质是化学最基本的研究对象之一,物质的性构关系是化学学科最基本的关系之一。因此,结构思想被视作化学学科的核心思想之一,并对其他化学思想具有支撑和统领作用,贯穿于化学研究与学习过程的始终。


  9.永恒思想


  永恒思想即物质不灭思想,是宇宙发展运行的重要法则,也是化学思想中的重要思想之一,有着非常悠久的发展历史。如战国时期《庄子·至乐》中提到:“万物皆出于机,皆入于机”。“机”是万物之始,亦为万物之终,万物在发展演变过程中含有某种不变的东西,这种思想严格意义上尚未触及永恒思想的根本,但却有助于人们认识物质不灭的思想。明末学者王夫之以沸水的蒸发、水银的升华等变化过程说明了物质的不灭性,并高度概括了物质的不灭性,他认为,在宇宙万物的生灭变化过程中,“生非创生,死非消灭,阴阳自然之理也”。西方在18世纪末期由俄国科学家罗蒙诺索夫和法国化学家拉瓦锡等人通过化学实验发现了物质不灭的原理。永恒思想认为任何物质都不是从“无”中产生的,而是从其他物质转化而来的,事物的灭亡也并非从此变为“无”,而是转化成了别的物质形态。


  10.绿色思想


  “绿色化学”又称清洁化学、环境友好化学,是利用化学学科方法和有关原理来降低或消除对人类生存和发展不利的物质的一门新兴科学。目前,绿色化学思想教育开展的还不充分,这是因为绿色化学思想不仅仅涉及到理念问题、教育问题和技术问题,而且涉及社会、经济、政策乃至政治问题,是一个巨大的社会系统工程,需要全社会的广泛参与。化学学科无疑需要背负起这一重任,从节约资源、开发新能源以及防治污染的视角做出自己特有的贡献。例如学生学习化学反应与能量这一内容时,可以从研发新型燃料电池、提高燃料燃烧效率、开发高能清洁燃料等角度逐步渗透绿色化学思想。


  三、化学思想对化学教育研究的启示


  化学方法、化学思想以及化学观念教育属于化学教育结构的中心环节,三者依次递进,逐渐逼近化学教育的本质。只有当这三个环节的内涵及分类体系都得以明确,化学教育结构体系才可以被系统地建构起来,才能够促进人们对化学学科核心素养的理解与认识,并为化学教育的发展提供一种新的视角。


  1.有助于促进化学教育理论的发展


  化学思想作为独立存在的化学教育理论,既能够引领化学方法的形成和运用,也能够为化学观念的形成和发展提供支撑。因此,化学思想对化学教育理论的发展起着重要的作用。刘知新教授曾指出,化学教育学科建设的关键环节是学界同仁努力提高学科自身的建构与研究水平[11]。随着教育理论的不断丰富与发展,化学教育理论面临诸多挑战,如化学教育理论学术话语大多来源于其他学科,包括心理学、哲学、社会学等,很少有化学教育理论内生性的话语存在。因此,化学教育的发展亟需内生性的理论,而化学思想作为化学教育的一部分,完全有理由被纳入化学教育理论大厦之中,并为化学教育理论的发展提供支撑。


  2.有助于促进对化学教育本质的认识


  化学思想研究不仅丰富了化学思想本身的理论内涵,而且有助于促进对化学教育的认识。化学思想由化学方法生成,但只有最能反映化学普适价值的化学方法才能上升为化学思想;只有能代表化学本质规律,反映化学普遍性价值的思想才能上升为化学观念。《普通高中化学课程标准》(2017版)并没有明确指出化学观念的具体内容。但《普通高中物理课程标准》(2017版)不仅将“物理观念”列为物理核心素养之一,而且明确指出物理观念主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等[12]。相比于物理学科,化学学科关于化学观念的研究还不够。因此,化学思想就可以为化学观念的完善提供借鉴,从而有助于建构完整的化学教育结构。


  3.有助于促进对化学学科核心素养的认识


  化学学科核心素养作为学生发展核心素养的重要组成部分,是化学课程的重要目标,也是衡量化学课堂教学效果的重要指标。《普通高中化学课程标准》(2017版)提出化学学科核心素养包括宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任[2]。由化学学科核心素养的构成可知,化学思想作为化学学科核心素养的重要组成部分,明确厘清化学思想的内涵有助于发展学生的化学学科核心素养。例如,基于结构思想,学生可以推断物质所具有的性质及用途,甚至构建相应的模型,进而预测化学反应体系中可能进行的化学反应,并且对他人提出的问题解决方案进行有效评估,这些思维过程都可以促进学生“证据推理与模型认知”素养的发展。显然,展开对化学思想的研究,无疑有助于促进人们对化学学科核心素养的认识。

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