化學觀念體系及其教學研究

吳晗清 王連璉

摘要： 化學觀念表征著學生對化學學科的認知。從本體論、認識論、方法論、價值論四個維度建構了化學觀念體系，具體包括元素觀、微粒觀、相互作用觀、變化觀、實驗觀、價值觀等。以變化觀為例，深度分析了教材中“變化觀”的內容架構與層級進階，并提出觀念建構的相關教學建議。

關鍵詞： 化學觀念; 化學哲學; 化學認識論; 變化觀

文章編號： 10056629（2022）01000306

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

學生在化學學習中所獲得的具體知識是非常容易遺忘的，而蘊含其中的學科思想和方法等則會根植于學生的頭腦中，形成從化學視角認識事物和處理問題的思維習慣，即化學觀念[1]。因此，學生能否牢固地、準確地、哪怕只是定性地建立起基本的化學觀念，應當是中學化學教學的第一目標[2]。本研究從哲學視角出發，梳理化學觀念的相關研究，重構化學觀念體系，并以其中最為典型的“變化觀”作為案例，試圖討論化學觀念的教學問題。

1 化學觀念的哲學基礎與相關研究

1.1 化學觀念的哲學基礎

化學哲學，即以化學為研究對象的哲學[3]。一般來說，化學哲學主要研究和探討以下幾個基本問題： 化學哲學的本體論問題、認識論問題、化學科學的方法論問題、化學與技術革命和社會進化的關系問題[4]。本文結合教育理論與教學實踐，將其整合為“四論”，即本體論、認識論、方法論及價值論。首先，關于本體論問題，研究化學究竟是什么，化學運動的基本矛盾、化學運動的形式及其特點等內容;其次，關于認識論問題，主要是通過化學史的哲學分析，探究化學的發展規律，化學家的科學思想和哲學思想，化學知識和理論的演化等問題;再次，關于方法論問題，就是化學研究的手段和重要途徑，包含不同時期化學研究的主要方法，著名化學家的典型研究方法，化學工程工藝研究的一般方法，方法論的研究對化學發展的意義等問題;最后，關于價值論問題[5]，主要關涉化學對于個體成長、社會進步、人類文明發展等維度的意義和價值。

1.2 化學觀念體系相關研究述評

縱觀化學觀念體系建構的相關研究，發現它們大多是基于《現代漢語詞典》對“觀念”的理解而演繹出來的，即觀念就是“客觀事物在人腦里留下的概括的形象”[6]。但是演繹的角度不同，主要有學科視角、學生視角和科學視角。首先是學科角度，比如認為化學觀念體系應與中學化學的定義相對應，以物質的組成、性質、結構和應用為建構角度，分別對應元素觀和微粒觀、變化觀、結構觀、化學價值觀等[7];其次是學生角度，比如認為觀念是抽象思維的結果，并以學生的反思結果作為建構角度，分為知識類、方法類、情意類，其中元素觀、微粒觀、變化觀屬于知識類的基本觀念，實驗觀、分類觀屬于方法類的基本觀念，化學價值觀屬于情意類的基本觀念[8];再次是科學角度，比如從基本化學觀念和科學世界觀維度建構化學觀念體系，前者包含化學觀、物質觀、變化觀和過程方法觀，后者包含科學世界觀和科學社會觀[9]。

可見，已有化學觀念體系建構的角度較為豐富，但是也存在一些有待完善之處。一是部分觀念認知偏差問題，比如分類并沒達到較深層次的概括性認識，因此“分類”僅屬于方法、策略，并非一種觀念[10]。二是部分分類標準不太固定，如《普通高中化學課程標準》（2017年版2020年修訂）[11]中指出，化學研究“物質的組成、結構、性質、轉化及其應用”，較之以前增添了“轉化”這一項，使得依據以前概念演繹的觀念體系不夠全面。三是觀念分類標準不夠上位，主要分別從化學學科、學生、科學等角度出發，沒有很好地統籌學科與人的關系。

2 化學觀念體系的建構

基于上面的分析，本研究從化學哲學的角度，對化學觀念體系進行建構。一方面，哲學視角比較上位且相對固定。涉及的本體論、認識論、方法論及價值論，全面涵蓋了化學研究的各個維度。另一方面，較好地統整了學科與人的關系，本體論研究化學是什么，認識論和方法論的主體是人，價值論討論學科與人的關系?？偟膩碚f，以化學研究對象“物質”為出發點，運用哲學“四論”為分析框架來建構化學觀念體系，內容緊密結合了最新版本的義務教育和高中階段的課程標準。具體而言，本體論主要對應物質組成和結構方面的元素觀、微粒觀及相互作用觀，認識論對應變化觀，方法論對應實驗觀，價值論對應價值觀。需要提及的是，它們之間并非完全割裂的一對一的關系。如實驗觀除了與研究物質性質相關，也涉及物質的結構和組成等。為了表明它們之間相對清晰的主要關系，用圖1呈現。

2.1 本體論視角下的化學觀念

本體論問題，即研究物質是什么的問題，主要從物質的組成及其結構兩個角度來討論。物質從宏觀視角來看是由元素組成的，從微觀視角來看則是由分子、原子等微觀粒子構成的;物質的結構受到微粒間相互作用的影響。因此，本體論視角下的化學觀念主要包括元素觀、微粒觀及相互作用觀。具體來說，元素觀可以表述為，物質都是由具有不同價態的元素組成的，且在化學反應中物質的組成元素不變。微粒觀，即物質是由分子、原子、離子等不斷運動的微粒構成的，其中分子可以分為原子、原子可以結合成分子，同一元素的原子和離子可以通過得失電子相互轉化，原子核和核外電子構成的原子是化學變化中的最小粒子。相互作用觀，也就是構成物質的微粒之間存在相互作用，其中包括了使離子相結合或原子相結合的離子鍵、共價鍵、配位鍵和分子間作用力（即范德華力和氫鍵），而這些相互作用決定了物質的結構和性質。

2.2 認識論視角下的化學觀念

認識論問題，即物質研究的發展歷程問題。物質是在化學變化中被認識的，化學變化的理論發展也影響對物質的認識，二者既相互促進又相互制約。所謂變化觀，即化學變化的本質特征就是有新物質生成并伴有能量變化，因此在反應過程中必然遵循質量守恒和能量守恒定律，同時在反應過程中可以通過改變條件從而改變化學變化的快慢、反應進行的限度，甚至改變反應方向，還可以通過控制條件使化學變化朝著人們期望的方向進行。由于本研究以變化觀念為例來進行深入探討，因此此處僅對近代化學中化學變化與物質認識的發展進行較為詳細的梳理。

十六世紀以前，人們對物質及化學變化的認識比較淺顯。十七世紀以波義耳較為科學的元素概念為代表，打開了“質性”認識物質組成的大門。十八世紀拉瓦錫的氧化學說，推翻了燃素說，是化學反應理論的革命性進步。十九世紀原子、分子等方面的學說，是微觀層面對物質組成的深度探索。元素周期律的發現，是對物質系統認識的成果，體現了“質”與“量”的統一。到了二十世紀，人們已經深入認識了物質的微觀動態結構?？梢钥闯鑫镔|的認識與化學變化的認識猶如DNA的兩條鏈，相互影響，螺旋上升。

一方面，物質的認識對化學變化的認識產生革命性的影響，如氧化學說誕生的關鍵就是氧氣的發現。拉瓦錫之前，人們普遍認同燃素說。拉瓦錫做金屬燃燒的實驗，發現煅灰的質量增加，于是懷疑燃燒與燃素無關，而是與空氣中的“有用氣體”化合的緣故。直到后來用聚光鏡加熱氧化汞，才確定這種“有用空氣”是氧。從而提出了氧化學說，即“燃燒的本質是物質與氧的化合”。另一方面，化學變化的研究促進人們對物質的認識，如倍比定律與化合物的認識。道爾頓在研究沼氣和油氣（乙烯）時，發現前者中氫的含量是后者的二倍，因此提出倍比定律，即每一種化合物，它的組分元素的質量都有一定的比例關系。繼而認為，物質以原子為單位結合，在一切化學反應中其本性保持不變。不同元素原子的性質及重量不同，它們以簡單數目的比例相結合，形成化合物。

2.3 方法論視角下的化學觀念

研究物質的方法論問題，即研究物質的一般方法是什么。其中實驗是化學研究的重要方法，主要應用于探究物質的組成、結構及其性質。實驗觀，也就是實驗是測定物質組成、結構或探索其性質的重要途徑，可以依據物質的性質、檢驗等選取相應實驗活動。為此，要能夠進行基本的實驗操作，并具有控制實驗條件的意識及安全意識，同時能夠認識解決實驗任務的一般思路和常用方法。要認識實驗在化學科學中的地位和對化學學習的重要作用，并了解化學實驗方法受到技術發展的限制。

2.4 價值論視角下的化學觀念

價值論問題，即化學對于人類的有用性問題，需討論物質應用的重要意義。價值觀的主要內容包括，認識物質及其變化對環境的影響，能夠依據物質的性質及其變化認識環境污染的成因、主要危害及其防治措施，并體會化學對環境保護的作用。還需要了解元素對人體健康的作用、對生命活動具有重要意義的有機物，辯證地看待化學物質對人體的影響，最后需要了解通過化學反應可以探索物質性質、實現物質轉化，認識物質及其轉化在促進社會文明進步、自然資源綜合利用和環境保護中的重要價值。

3 教材中“變化觀”的內容構架與層級進階

“變化觀”作為中學化學觀念體系的重點之一，涉及內容貫穿整個中學階段。認識化學變化有助于學生認識物質、認識化學對社會發展的影響。但建構化學變化觀所需要的知識點零散分布于教材各個主題中，學生若僅依靠機械記憶而非積極建構來習得知識，那么難以形成結構化的知識體系，更談不上對變化觀的全面認識。因此整合教材內容，引導“變化觀”的合理建構是重要的教學命題。以初中人教2012年版、高中人教2019年版教材為例，將其中涉及“變化觀”的內容進行比對分析。

3.1 義務教育階段： 初步認識化學變化的基本特征

義務教育階段主要是對身邊常見的物質及其變化進行研究。主要涉及從物質變化和能量變化兩個一級維度認識化學變化，其中物質變化在宏觀特征層面表現為有新物質生成，微觀本質層面表現為分子分成原子、原子重新組合成分子，并分為定性和定量兩個方面，具體是從反應類型、反應條件角度定性認識化學變化，通過質量守恒定律定量地認識化學變化;能量變化涉及從現象角度認識化學變化，形成初步的化學變化觀念。

在本階段的學習中，學生最先注意到的是化學反應的宏觀表現，能夠從顏色、狀態等明顯的現象變化認識到反應的發生。當現象不明顯的時候，則需要從有其他物質生成這一基本特征來確定反應的發生，并指明化學變化會伴隨能量變化，其宏觀表現為吸熱、放熱、發光等。在實驗操作和氧氣性質的學習后，學生能夠認識到化學反應的發生需要一定的條件，同時反應受到條件影響，因此可以通過調控外界條件來控制反應快慢。學生能夠認識到化學反應是有規律的，可以從反應類型的角度對化學反應進行初步歸納。在前兩個單元的學習中，學生對化學反應的基本認識是孤立且表面的，對反應類型的認識也非常有限。自第三單元分子原子的學習完成后，學生對化學的認識進入微觀世界，學生能從微觀角度對化學反應中的物質變化進行解釋，并關注物質變化中的定量關系;同時化學方程式的教學，使學生進一步認識了反應條件的重要性;最后聯系生活實際，讓學生體會可以利用化學變化獲得所需物質與能量。

綜上分析，初中階段的“變化觀”相關內容較為淺顯，主要圍繞化學反應的基本特征進行。僅從實驗中讓學生體會反應條件會影響反應的快慢，但“反應條件”如何影響反應沒有涉及;認識原子是化學變化的最小粒子，但化學反應中分子是如何分成原子、原子又是如何結合成新分子未有涉及;僅從能量角度初步認識化學變化，但化學反應為何會伴有能量變化未有涉及。要想解決這些問題，就需要后續學習化學反應的本質、化學鍵等內容。

3.2 高中必修階段： 循序理解化學反應的實質

高中必修階段主要對化學反應進行定性研究，從化學鍵的角度體會化學反應中原子間的重新組合和能量變化，并以認識化學反應的實質為標志。同樣主要以物質變化和能量變化兩個一級維度認識化學反應，其中物質變化在微觀層面進階為舊化學鍵斷裂和新化學鍵形成，具體從反應類型、反應條件兩個角度定性認識化學反應;能量變化進階到微觀層面，從化學鍵斷裂吸收熱量、形成放出能量，涉及從途徑、形式角度定性認識化學反應，實現化學變化觀念的進階。

在本階段的學習中，學生對化學反應的認識從宏觀現象階段進入到微觀實質階段。如能夠認識酸堿鹽在水溶液中的反應實質上是離子間的反應，氧化還原反應的實質是電子轉移，并能從化學鍵的角度認識化學反應中物質變化、能量變化的實質。在化學反應與能量變化的學習中，豐富了學生對能量變化形式和途徑的認識，知道化學能能通過化學反應轉化為熱能、化學能能通過原電池轉化為電能。最后發展了學生對反應條件的認識，能夠定性地認識影響反應速率的條件，并知道化學反應有限度，能夠通過調節反應條件控制反應的發生。

可見，本階段學習已經進入到了微觀階段，主要圍繞化學反應的本質進行教學。但對于反應過程的認識還處于較淺層階段，僅從反應條件的角度定性認識影響反應速率的因素，但反應條件是如何影響化學反應速率未有涉及。僅知道可以通過改變條件調控反應的限度，但如何定量地表示化學反應的限度、化學反應的限度如何調控并未涉及。要想解決這些問題，就需要后續學習化學反應原理、反應規律等內容。

3.3 高中選擇性必修階段： 深入把握化學反應的原理

高中選擇性必修階段主要是對化學反應進行定性和定量的研究，從化學熱力學和動力學的角度了解化學反應并以認識化學變化的原理和能量轉化的規律為標志。依舊以物質變化和能量變化兩個一級維度認識化學反應，其中物質變化分為定性和定量兩個方面，具體是從速率、限度的原理角度定性認識化學變化，通過化學反應速率、化學平衡常數、焓變熵變定量地認識化學變化。能量變化發展到認識化學反應體系中內能的變化，并能從原理角度定性地認識電化學體系中能量的轉化途徑和形式，同時通過焓變的計算定量認識反應中的能量變化，最終形成中學階段的化學“變化觀”。

在本階段學習中，學生首先從內能的角度認識了化學變化中的能量變化，并能運用焓變定量地表述化學反應體系中能量的轉化。在化學反應速率與化學平衡一章中，學生能夠從原理角度認識反應條件對化學反應速率、化學平衡的影響。具體從活化能和有效碰撞理論來解釋濃度、溫度、催化劑對化學反應速率影響，從化學平衡移動原理解釋濃度、壓強、溫度對化學平衡的影響。并能通過化學反應速率定量認識化學反應的快慢，通過化學平衡常數認識化學反應的限度，并運用焓變和熵變綜合判斷反應進行的方向。最后綜合運用速率和平衡的原理調控實際生活中的化學反應。在水溶液的離子反應與平衡一章中，能夠從原理角度認識鹽類的水解反應，并認識該反應受到溫度、濃度等條件的影響。難溶電解質在水溶液中也存在動態平衡，并可以運用溶度積定量地表述這種平衡狀態且可以通過平衡移動原理進行沉淀的生成、溶解和轉化。在化學反應與電能的章節中，發展了學生從原電池、電解池的原理角度認識化學能與電能的相互轉化。

結合三個階段的分析發現，變化觀主要從物質變化和能量變化兩個一級維度來進行認識，其中每個一級維度又包含定性和定量兩個二級維度，且這種認識具有進階性。定性認識，可以從化學反應類型和影響化學反應的反應條件兩個角度定性地認識物質變化，從能量間的轉化形式及其轉化途徑兩個角度定性地認識能量變化。定量認識，可以從化學反應表達式及其遵循的規律等角度定量地認識物質和能量變化。另外，探討反應條件對化學反應的影響，總結得出反應規律，形成化學平衡的移動等原理?！白兓^”的內容結構與進階路徑，如表1所示。

4 促進學生變化觀建構的教學建議

化學教育要結合人類探索物質及其變化的歷史與化學科學發展的趨勢，引導學生進一步學習化學的基本原理和方法，形成化學學科的核心觀念[12]。本文從觀念建構的手段、過程、策略等方面，提出以下教學建議。

4.1 以實驗探究促進變化觀的主體建構

化學觀念從內容的文字表達來講，它屬于知識。然而它并不能通過講授獲得，需要經歷較長時間的探索，如在實驗中通過發現問題、猜想與假設、設計方案、進行實驗并收集數據、結果分析和評估等，才能形成一定水平的從化學角度解決問題的整體思維和實踐能力[13]。因此，實驗探究是觀念建構必要而有效的方法和手段。以化學平衡的探究為例，學生往往不清楚“平衡只與體系的狀態有關，與建立的途徑無關”[14]，不了解化學平衡的本質。因此，可以讓學生自主設計并探究“條件對化學平衡的影響”。

以濃度為例，首先教師準備所需的實驗藥品（0.05mol/L的FeCl3溶液，0.15mol/L及1mol/L的KSCN溶液）和必備儀器，并引導學生明確實驗探究的目的。其次，設計實驗過程。這一關鍵環節，體現了學生對化學平衡的認識偏差。事實上，很多學生錯誤地將實驗設計為FeCl3與不同濃度KSCN的反應，即觀測濃度對化學反應速率的影響。此時，要強調探究“濃度對化學平衡的影響”，顯然需要預先建立起兩個完全相同的平衡體系，然后控制變量，改變某一物質的濃度，而后觀測平衡移動的差異。再次，實驗操作，發現其他條件不變時，加入物質的濃度越高，促進平衡移動的程度越大。濃度如此，那么壓強、溫度、催化劑等對平衡移動又有什么影響呢？均以自主實驗的方式來探究，學生就會在實踐活動中不斷加深對化學平衡的認識。

4.2 以歷史重演促進變化觀的時空鏈接

學生化學觀念建構的過程，類似于化學史上這些觀念的發展歷程。教學中若以歷史重演的方式，讓學生在探究活動中，重走化學家之路，體驗科學知識的動態生成過程，不僅有利于調動學生的主動性，獲得扎實的知識基礎，更重要的是水到渠成地實現觀念的建構[15]。例如，學習催化劑時，絕大多數教師都只是強調了催化劑的相關性質和特點，但對于催化劑參與反應過程很少提及，導致學生形成諸多錯誤的認識。

教學中，可以引入化學史中發現并定義催化劑的故事。貝采里烏斯在某次聚會上喝酒，不料喝出了一種醋酸的味道。原來，粘在他手上的鉑金粉掉入酒杯中，導致酒迅速變酸。這一偶然的發現，促使他多次進行實驗驗證，發現鉑金粉末的確可以變酒為醋。同時鉑金粉末的質量并未改變，也沒有生成可溶物進入酒溶液或產生什么氣體。后來，他就提出了“催化”與“催化劑”的概念。在這則故事中，生動、自然地將催化劑在化學反應前后質量和化學性質都沒有發生改變的知識呈現給了學生，有利于學生認識催化劑的性質。然而，不能到此為止，還要揭秘“變酒為醋”背后的原因。必須強調催化劑雖然不是反應物也不是生成物，但反應過程中它和反應物相互作用，其作用就在于“活化”反應分子，降低活化能，從而加快反應速率。因而讓學生認識到，催化劑是一種能夠改變化學反應速率，卻不改變化學反應熱力學平衡位置，本身在化學反應中不被明顯消耗的化學物質。

4.3 以深度學習促進變化觀的螺旋進階

正如前面所談到的，化學觀念的形成需要主體經歷循序漸進的體驗過程。因此，深度學習策略契合了觀念的螺旋進階。在深度學習的過程中，學生需要思考知識點之間內在聯系，發展高階思維，學以致用、靈活遷移。以能量變化這一觀念為例，初中只要求學生了解化學變化伴隨著能量變化，并認識常見的吸、放熱現象，如生石灰與水反應放熱，并不涉及抽象概念的構建。

高中必修模塊，在“化學反應與熱能”方面，學生需要認識吸、放熱反應，還要了解化學反應中能量改變與化學鍵的斷裂和形成之間的關系。在“化學反應與電能”方面，以原電池為例，認識化學能向電能的轉化，掌握轉化的原理和過程。在選擇性必修中，在“熱能”與“電能”兩個方面又有進階?！盁崮堋辈糠?，除了要認識能量守恒定律，知道焓變的概念，還要了解蓋斯定律及其簡單應用;“電能”部分，要了解原電池及常見化學電源、電解池的工作原理，認識電解在實現物質轉化和儲存能量中的應用，還要認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用?？梢?，觀念的構建貫穿于整個學習過程。教師要不斷地強化，并引導學生基于已有觀念，架構新觀念，一以貫之地深化整個觀念體系，不斷趨于完善。

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