中學(xué)化學(xué)知識的思維角度和思維路徑探析

本文格式為Word版，下載可任意編輯——中學(xué)化學(xué)知識的思維角度和思維路徑探析李鵬鴿竇信心王祺勝

摘要

學(xué)科知識是學(xué)科能力和素養(yǎng)的基礎(chǔ)，知識轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的前提是在教學(xué)中挖掘和外顯學(xué)科知識蘊(yùn)含的思維角度和思維路徑。不同知識提供的思維角度和思維路徑不同，素養(yǎng)發(fā)展功能價(jià)值也不同。對化學(xué)學(xué)科不同領(lǐng)域知識的思維角度進(jìn)行了歸納分析，對化學(xué)學(xué)科中物質(zhì)組成、物質(zhì)分類、氧化還原等重要知識的思維路徑進(jìn)行了探析。

關(guān)鍵詞

化學(xué)知識思維角度思維路徑

2022年修訂后的高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)凝練了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。在教學(xué)層面，如何從基于知識傳授、概念定義解析為本的教學(xué)，向核心素養(yǎng)導(dǎo)向、關(guān)鍵能力提升為本的教學(xué)轉(zhuǎn)變，教師們對比茫然，找不到落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的契入點(diǎn)和突破口。學(xué)科能力是學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵，個(gè)體具有學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵表現(xiàn)就是在面臨陌生繁雜的真實(shí)問題時(shí)，具有依托學(xué)科知識而產(chǎn)生的解決問題的思維角度和思維路徑[1]，即學(xué)科能力。學(xué)科核心知識除了具有重要的生產(chǎn)生活應(yīng)用價(jià)值外，還有重要的促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識和聰慧發(fā)展的功能價(jià)值。教學(xué)中如何彰顯和發(fā)揮知識的這些價(jià)值，需要以知識學(xué)習(xí)為載體，挖掘和外顯知識所隱含的思維角度和思維路徑，引導(dǎo)學(xué)生將其遷移，創(chuàng)新性地去解決真實(shí)問題，這是提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要突破口。

一、教學(xué)外顯知識獲得時(shí)的思維角度和思維路徑

學(xué)科知識的產(chǎn)生是科學(xué)家針對某一研究對象，產(chǎn)生了與學(xué)科有關(guān)的特定好奇性問題，在問題驅(qū)動(dòng)下，科學(xué)家選取某種特定思維角度，依照特定的認(rèn)識思維路徑，利用特定的推理判據(jù)，經(jīng)歷了特定的規(guī)律推理過程，形成了特定的學(xué)科認(rèn)識結(jié)果，也就是獲得了相應(yīng)的知識結(jié)論。譬如，在面對同一事物水這一研究對象時(shí)，不同學(xué)科的科學(xué)家關(guān)注的問題不同，解決問題的角度思路也不同。物理學(xué)家是從水的密度、浮力等角度提出來源性問題的;地理學(xué)家關(guān)注的是水的分布形態(tài)、水量是否豐沛等問題;化學(xué)家則關(guān)心水的元素組成、水的微觀分子結(jié)構(gòu)等角度和問題。不同的科學(xué)家圍繞來源性問題，采取了不同的思維路徑和探究方法，經(jīng)過推理建模得到了其不同的學(xué)科知識。然而，學(xué)校教學(xué)更多地關(guān)注了某一學(xué)科的知識結(jié)論，對知識本身進(jìn)行關(guān)鍵字詞解析，采取解題等加強(qiáng)訓(xùn)練的方式幫助學(xué)生理解知識結(jié)論。但知識產(chǎn)生時(shí)所關(guān)注的來源性問題，以及科學(xué)家的思維角度、思維路徑、推理判據(jù)等在教學(xué)中被忽視了。而經(jīng)歷知識獲得的過程才對學(xué)習(xí)者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新問題、解決新問題的能力形成起到關(guān)鍵作用，才最具有遷移應(yīng)用的素養(yǎng)發(fā)展價(jià)值。

學(xué)科知識是學(xué)科能力和素養(yǎng)的基礎(chǔ)，但并不是擁有了學(xué)科知識就一定具有了學(xué)科能力和素養(yǎng)，從知識轉(zhuǎn)化成為學(xué)科能力素養(yǎng)還得將學(xué)科知識蘊(yùn)含的思維角度、思維路徑也教給學(xué)生。因此，核心素養(yǎng)導(dǎo)向、關(guān)鍵能力提升為本的教學(xué)就應(yīng)當(dāng)首先挖掘和外顯知識所附帶的思維角度、思維路徑、推理判據(jù)、特定推理過程等。

二、化學(xué)學(xué)科不同領(lǐng)域知識的思維角度探析

不同學(xué)科有其特定的認(rèn)識對象和研究領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域需要獨(dú)特的分析問題的角度、思路和方法。特定領(lǐng)域的思維角度和思維路徑與學(xué)科知識相互匹配，具有穩(wěn)定性和可教育性的特點(diǎn)?；瘜W(xué)學(xué)科的一級核心認(rèn)識對象是物質(zhì)、反應(yīng)和能量。圍繞物質(zhì)的核心思維角度包括物質(zhì)類別、物質(zhì)中核心元素的化合價(jià)、核心元素在周期表中的位置、物質(zhì)中微粒間相互作用力等;圍繞化學(xué)反應(yīng)的核心思維角度包括化學(xué)反應(yīng)的方向、限度、反應(yīng)速率、反應(yīng)條件;圍繞能量的核心思維角度包括能量的類型、能量如何改變、能量間相互轉(zhuǎn)化的途徑、裝置等。核心的一級思維角度之下，針對不同知識還會有二級或三級具體的思維角度。

通過對普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）進(jìn)行研究分析，中學(xué)階段化學(xué)學(xué)科的認(rèn)識領(lǐng)域主要包括無機(jī)元素化合物、有機(jī)化合物、化學(xué)反應(yīng)與能量、水溶液、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等[2]。可以歸納出每個(gè)不同認(rèn)識領(lǐng)域在中學(xué)階段包含的核心知識，這些核心知識能帶給學(xué)生思考的來源性問題和思維角度歸納（見表1）。在表1的“認(rèn)識對象與核心知識〞欄中，認(rèn)識對象在前，其后括號中列舉了該認(rèn)識對象所包含的核心知識。由于來源性問題與思維角度有一定的重合，所以在表中把它們整合到一欄中。

以表1中無機(jī)元素化合物這一認(rèn)識領(lǐng)域?yàn)槔?，初中階段是化學(xué)學(xué)習(xí)的入門階段，要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會基于物質(zhì)的元素組成這一宏觀視角認(rèn)識物質(zhì)。通過元素、原子、分子等概念的學(xué)習(xí)，理解從微觀層面看物質(zhì)都是由原子、分子構(gòu)成的，逐步構(gòu)建宏微符相聯(lián)系的思維視角;在拿到一種物質(zhì)時(shí)，化學(xué)家認(rèn)識它的方法就是讓它發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)基于化學(xué)反應(yīng)認(rèn)識物質(zhì)世界的視角;對于一個(gè)陌生物質(zhì)，在讓它發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，學(xué)生可能會從與其組成相像的已經(jīng)學(xué)過的物質(zhì)去比較著認(rèn)識新物質(zhì)。

步入高中階段，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了大量的元素化合物知識，如何將知識進(jìn)行有效整合，讓元素化合物知識變得有序、形成系統(tǒng)，就需要對物質(zhì)進(jìn)行分類，而后依照不同的物質(zhì)類別認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)，這就是基于物質(zhì)類別的思維視角：學(xué)習(xí)過氧化還原反應(yīng)等概念原理后學(xué)生應(yīng)當(dāng)學(xué)會基于核心元素化合價(jià)視角認(rèn)識物質(zhì);學(xué)完元素周期律表后要學(xué)會基于周期表的位、構(gòu)、性視角認(rèn)識物質(zhì);學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)原理內(nèi)容后學(xué)生得會從“電離平衡常數(shù)〞“溶度積〞“焓變、熵變、自由能〞等視角認(rèn)識物質(zhì);學(xué)習(xí)“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)〞這一模塊后，又要建立從化學(xué)鍵、微粒間的相互作用與物質(zhì)性質(zhì)間關(guān)系的視角認(rèn)識物質(zhì)。

三、部分化學(xué)知識的思維路徑探析

學(xué)科知識是學(xué)科能力和素養(yǎng)的基礎(chǔ)，知識是否轉(zhuǎn)化成為學(xué)科能力素養(yǎng)，其表現(xiàn)是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)漸漸建立起了學(xué)科特定的思維角度和思維路徑。在面對繁雜陌生的情境時(shí)，學(xué)生會沿著學(xué)科特定角度去科學(xué)地分析解釋，能符合規(guī)律地進(jìn)行推理判斷，能提出解決問題的有效策略，也就是學(xué)生具有了科學(xué)的程序性經(jīng)驗(yàn)和圖式，而程序性經(jīng)驗(yàn)和圖式就是思維路徑。在化學(xué)學(xué)科五大核心素養(yǎng)中試驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識是實(shí)踐基礎(chǔ)，其他四個(gè)素養(yǎng)都可以在探究中得到落實(shí)。而探究的過程，以及探究中預(yù)計(jì)和驗(yàn)證物質(zhì)性質(zhì)、解釋造成現(xiàn)象的原因等環(huán)節(jié)都需要有科學(xué)的思維路徑。素養(yǎng)導(dǎo)向、關(guān)鍵能力提升為本的學(xué)科教學(xué)，在外顯知識附帶思維角度的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生學(xué)習(xí)和體驗(yàn)程序性知識，積累程序性經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)中呈現(xiàn)合理的思維路徑，這就需要我們把知識附帶的思維路徑提煉出來、外顯出來。不同知識的產(chǎn)生過程和應(yīng)用其解決問題時(shí)的思維路徑不盡一致，下面分析、提煉幾種重要知識學(xué)習(xí)時(shí)能夠外顯的思維路徑。

1.研究物質(zhì)組成需要的思維路徑

物質(zhì)組成是認(rèn)識物質(zhì)的重要視角，中學(xué)化學(xué)應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生入門，讓他們學(xué)會基于組成認(rèn)識物質(zhì)。而研究物質(zhì)組成的重要手段就是讓物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[3]，如何發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)過程中如何推理得出物質(zhì)的組成，以初中化學(xué)“水的組成〞一課為例進(jìn)行闡釋。

以科學(xué)家研究水的元素組成的過程為例，18世紀(jì)60年代，英國化學(xué)家普利斯特里在空試管中裝著氫氣，將試管口移近火焰，松開拇指。試管口沖出火舌，瞬間又熄滅了，觀測試管壁上有霧出現(xiàn)?？ㄎ牡显S證明白該霧的液滴就是水，但受到當(dāng)時(shí)元素觀念的束縛，并沒有得出水組成的正確結(jié)論。拉瓦錫追蹤該試驗(yàn)才透露出了水是由氫、氧元素組成的?？茖W(xué)家借助了氫氣燃燒的試驗(yàn)來研究水的組成，這為我們的研究提供了兩條思路。思路一：用化合的方法來研究物質(zhì)的組成。氫氣燃燒試驗(yàn)的反應(yīng)物是氧氣和氫氣，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后元素種類不變的思想，氫氣中只含有氫元素，氧氣中只含有氧元素，說明在反應(yīng)物中只含有氫元素和氧元素。而氫氣燃燒的生成物只有水一種物質(zhì)，所以生成物中也就只含有氫元素和氧元素，所以結(jié)果就是水是由氫和氧兩種元素組成的。思路二：用分解方法探究水的組成。1800年，英國化學(xué)家尼科爾森做了電解水的試驗(yàn)，給水通直流電會出現(xiàn)氣體，研究負(fù)極玻璃管中產(chǎn)生的氣體與正極玻璃管中產(chǎn)生的氣體，其體積比為2∶1，對產(chǎn)生的氣體進(jìn)行驗(yàn)證，證明正極的氣體是氧氣、負(fù)極的氣體是氫氣，再次驗(yàn)證了水由氫、氧元素組成。利用電解水的方法不僅證明白水是由氫和氧兩種元素組成，還證明白水的化學(xué)式應(yīng)當(dāng)是H2O，用水分解的試驗(yàn)定量證明白化學(xué)式中的2和1的問題。

用分解的方法探究物質(zhì)的元素組成，是將一種物質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)分解成多種物質(zhì)的分解反應(yīng)，只要證明分解后物質(zhì)中所含元素有哪些，也就可以證明反應(yīng)物中含有那些元素，這就是研究物質(zhì)組成思路二?，F(xiàn)代分析化學(xué)中的元素分析儀，雖然高端大氣繁雜，但其工作原理無非也是用到上述兩條思維路徑，且用到的主要是分解的方法。

2.利用物質(zhì)分類思想研究物質(zhì)性質(zhì)需要的思維路徑

化學(xué)知識瑣碎繁雜，化學(xué)物質(zhì)種類眾多，假如只是重視對某種物質(zhì)知識點(diǎn)記憶的學(xué)習(xí)，那學(xué)生思考問題的角度與思維路徑將很難建立，學(xué)生在遇到陌生物質(zhì)時(shí)對物質(zhì)進(jìn)行摸索的能力也很難得到提高。物質(zhì)分類思想有著重要的功能即指導(dǎo)學(xué)生預(yù)計(jì)物質(zhì)性質(zhì)，但是好多教師教授物質(zhì)分類時(shí)，只是把物質(zhì)分類作為一個(gè)知識結(jié)論，讓學(xué)生記住有交錯(cuò)分類、樹狀分類，僅僅只是把它作為了一個(gè)獨(dú)立的知識點(diǎn)讓學(xué)生記住，這就很難把物質(zhì)分類這一重要知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生的學(xué)科能力素養(yǎng)。

人們把物質(zhì)分類以后，是為了研究物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，基于分類可以更好的認(rèn)識物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，這才是學(xué)習(xí)物質(zhì)分類真正的落腳點(diǎn)和能力的發(fā)展點(diǎn)。要讓學(xué)生學(xué)會基于物質(zhì)分類去認(rèn)識陌生物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，需要讓學(xué)生經(jīng)歷的學(xué)習(xí)程序和思維路徑是：教給學(xué)生分類的概念性知識——知道分類的標(biāo)準(zhǔn)和方法——學(xué)習(xí)某類物質(zhì)具有的類別通性——基于類別和類別通性去預(yù)計(jì)和證明一個(gè)新物質(zhì)的性質(zhì)，這就是通過學(xué)習(xí)“物質(zhì)分類〞這一課要教給學(xué)生的思路和方法。

以預(yù)計(jì)二氧化硫的性質(zhì)為例，進(jìn)一步說明最終一個(gè)環(huán)節(jié)——如何基于類別和類別通性去預(yù)計(jì)和證明一個(gè)新物質(zhì)的性質(zhì)。面對二氧化硫這種新物質(zhì)，學(xué)習(xí)完物質(zhì)分類知識后，學(xué)生應(yīng)當(dāng)會利用類別通性知識去預(yù)計(jì)它具有什么性質(zhì)，能夠發(fā)生什么化學(xué)反應(yīng)。學(xué)生應(yīng)當(dāng)會想，二氧化硫是酸性氧化物，酸性氧化物應(yīng)當(dāng)能跟堿、堿性氧化物、水等不同類別的物質(zhì)起反應(yīng)。學(xué)生就可以假設(shè)二氧化硫也應(yīng)當(dāng)跟堿、堿性氧化物和水等物質(zhì)反應(yīng)，要想驗(yàn)證這種假設(shè)，學(xué)生就應(yīng)當(dāng)能找一個(gè)堿或堿性氧化物來做試驗(yàn)，譬如氫氧化鈉或氧化鈣等，應(yīng)當(dāng)能說出證據(jù)，證明它發(fā)生了反應(yīng)，并能說明其生成了什么，還得會描述現(xiàn)象，歸納出物質(zhì)性質(zhì)的結(jié)論。這就是學(xué)生的思維路徑，這樣就將陳述性知識轉(zhuǎn)化成了具有功能價(jià)值的程序性知識了，他沒有隨便的在試驗(yàn)室用一些藥品瞎碰，他經(jīng)過了一定的思考，進(jìn)行了合理的假設(shè)，利用了物質(zhì)分類的知識和類別通性的知識來指導(dǎo)自己探究陌生物質(zhì)的性質(zhì)。這樣知識就活了起來，就變成了思維路徑，變成了能力素養(yǎng)。

假如再進(jìn)行提煉，用分類思想研究某物質(zhì)性質(zhì)時(shí)的思維路徑就是：明確此物質(zhì)所屬物質(zhì)類別——抓住探究物質(zhì)性質(zhì)的重要手段是化學(xué)反應(yīng)——在分類思想基礎(chǔ)上做出合理的假設(shè)——讓此物質(zhì)依次與不同類別物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)——反應(yīng)后收集證據(jù)證明假設(shè)——得出科學(xué)的結(jié)論說明此物質(zhì)所具有的性質(zhì)。在此條思維路徑中，同學(xué)們既有探究的意識，可以進(jìn)行合理的假設(shè)和試驗(yàn)，收集證據(jù)得出結(jié)論，又很好地運(yùn)用了物質(zhì)分類的思想，并對反應(yīng)規(guī)律、方程式的理解也更加深入。

3.利用氧化還原思想研究物質(zhì)性質(zhì)需要的思維路徑

氧化還原反應(yīng)帶給我們對化學(xué)反應(yīng)的一種新的認(rèn)識角度，這個(gè)角度就是基于化合價(jià)看化學(xué)反應(yīng)、基于化合價(jià)看物質(zhì)，這是對認(rèn)識角度的一個(gè)重要擴(kuò)展。由于人們認(rèn)識到了化合價(jià)是否有改變，并認(rèn)識到了化合價(jià)改變是由電子轉(zhuǎn)移或偏移引起的這個(gè)角度，不僅發(fā)現(xiàn)了不一樣的反應(yīng)分類，而且發(fā)現(xiàn)了十分重要的學(xué)科功能。譬如可以開發(fā)電化學(xué)，可以豐富對于物質(zhì)轉(zhuǎn)化路徑的設(shè)計(jì)，可以豐富同學(xué)們對物質(zhì)性質(zhì)研究的認(rèn)識角度，所以氧化還原反應(yīng)概念成為重要的核心概念，具有普適的遷移價(jià)值。這個(gè)知識點(diǎn)的重要性就在于它貢獻(xiàn)了十分重要的對待物質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的角度，即化合價(jià)和電子轉(zhuǎn)移的角度。

在化合價(jià)和電子轉(zhuǎn)移的重要視角下，氧化還原反應(yīng)的功能和價(jià)值還表現(xiàn)在，能幫助學(xué)生對相應(yīng)領(lǐng)域問題思維路徑和思維程序的形成和內(nèi)化。譬如學(xué)生學(xué)習(xí)過氧化還原反應(yīng)知識后，他應(yīng)當(dāng)建立起這樣的程序性知識，