化学观念体系及其教学研究

吴晗清 王连琏

摘要： 化学观念表征着学生对化学学科的认知。从本体论、认识论、方法论、价值论四个维度建构了化学观念体系，具体包括元素观、微粒观、相互作用观、变化观、实验观、价值观等。以变化观为例，深度分析了教材中“变化观”的内容架构与层级进阶，并提出观念建构的相关教学建议。

关键词： 化学观念; 化学哲学; 化学认识论; 变化观

文章编号： 10056629（2022）01000306

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

学生在化学学习中所获得的具体知识是非常容易遗忘的，而蕴含其中的学科思想和方法等则会根植于学生的头脑中，形成从化学视角认识事物和处理问题的思维习惯，即化学观念[1]。因此，学生能否牢固地、准确地、哪怕只是定性地建立起基本的化学观念，应当是中学化学教学的第一目标[2]。本研究从哲学视角出发，梳理化学观念的相关研究，重构化学观念体系，并以其中最为典型的“变化观”作为案例，试图讨论化学观念的教学问题。

1 化学观念的哲学基础与相关研究

1.1 化学观念的哲学基础

化学哲学，即以化学为研究对象的哲学[3]。一般来说，化学哲学主要研究和探讨以下几个基本问题： 化学哲学的本体论问题、认识论问题、化学科学的方法论问题、化学与技术革命和社会进化的关系问题[4]。本文结合教育理论与教学实践，将其整合为“四论”，即本体论、认识论、方法论及价值论。首先，关于本体论问题，研究化学究竟是什么，化学运动的基本矛盾、化学运动的形式及其特点等内容;其次，关于认识论问题，主要是通过化学史的哲学分析，探究化学的发展规律，化学家的科学思想和哲学思想，化学知识和理论的演化等问题;再次，关于方法论问题，就是化学研究的手段和重要途径，包含不同时期化学研究的主要方法，著名化学家的典型研究方法，化学工程工艺研究的一般方法，方法论的研究对化学发展的意义等问题;最后，关于价值论问题[5]，主要关涉化学对于个体成长、社会进步、人类文明发展等维度的意义和价值。

1.2 化学观念体系相关研究述评

纵观化学观念体系建构的相关研究，发现它们大多是基于《现代汉语词典》对“观念”的理解而演绎出来的，即观念就是“客观事物在人脑里留下的概括的形象”[6]。但是演绎的角度不同，主要有学科视角、学生视角和科学视角。首先是学科角度，比如认为化学观念体系应与中学化学的定义相对应，以物质的组成、性质、结构和应用为建构角度，分别对应元素观和微粒观、变化观、结构观、化学价值观等[7];其次是学生角度，比如认为观念是抽象思维的结果，并以学生的反思结果作为建构角度，分为知识类、方法类、情意类，其中元素观、微粒观、变化观属于知识类的基本观念，实验观、分类观属于方法类的基本观念，化学价值观属于情意类的基本观念[8];再次是科学角度，比如从基本化学观念和科学世界观维度建构化学观念体系，前者包含化学观、物质观、变化观和过程方法观，后者包含科学世界观和科学社会观[9]。

可见，已有化学观念体系建构的角度较为丰富，但是也存在一些有待完善之处。一是部分观念认知偏差问题，比如分类并没达到较深层次的概括性认识，因此“分类”仅属于方法、策略，并非一种观念[10]。二是部分分类标准不太固定，如《普通高中化学课程标准》（2017年版2020年修订）[11]中指出，化学研究“物质的组成、结构、性质、转化及其应用”，较之以前增添了“转化”这一项，使得依据以前概念演绎的观念体系不够全面。三是观念分类标准不够上位，主要分别从化学学科、学生、科学等角度出发，没有很好地统筹学科与人的关系。

2 化学观念体系的建构

基于上面的分析，本研究从化学哲学的角度，对化学观念体系进行建构。一方面，哲学视角比较上位且相对固定。涉及的本体论、认识论、方法论及价值论，全面涵盖了化学研究的各个维度。另一方面，较好地统整了学科与人的关系，本体论研究化学是什么，认识论和方法论的主体是人，价值论讨论学科与人的关系。总的来说，以化学研究对象“物质”为出发点，运用哲学“四论”为分析框架来建构化学观念体系，内容紧密结合了最新版本的义务教育和高中阶段的课程标准。具体而言，本体论主要对应物质组成和结构方面的元素观、微粒观及相互作用观，认识论对应变化观，方法论对应实验观，价值论对应价值观。需要提及的是，它們之间并非完全割裂的一对一的关系。如实验观除了与研究物质性质相关，也涉及物质的结构和组成等。为了表明它们之间相对清晰的主要关系，用图1呈现。

2.1 本体论视角下的化学观念

本体论问题，即研究物质是什么的问题，主要从物质的组成及其结构两个角度来讨论。物质从宏观视角来看是由元素组成的，从微观视角来看则是由分子、原子等微观粒子构成的;物质的结构受到微粒间相互作用的影响。因此，本体论视角下的化学观念主要包括元素观、微粒观及相互作用观。具体来说，元素观可以表述为，物质都是由具有不同价态的元素组成的，且在化学反应中物质的组成元素不变。微粒观，即物质是由分子、原子、离子等不断运动的微粒构成的，其中分子可以分为原子、原子可以结合成分子，同一元素的原子和离子可以通过得失电子相互转化，原子核和核外电子构成的原子是化学变化中的最小粒子。相互作用观，也就是构成物质的微粒之间存在相互作用，其中包括了使离子相结合或原子相结合的离子键、共价键、配位键和分子间作用力（即范德华力和氢键），而这些相互作用决定了物质的结构和性质。

2.2 认识论视角下的化学观念

认识论问题，即物质研究的发展历程问题。物质是在化学变化中被认识的，化学变化的理论发展也影响对物质的认识，二者既相互促进又相互制约。所谓变化观，即化学变化的本质特征就是有新物质生成并伴有能量变化，因此在反应过程中必然遵循质量守恒和能量守恒定律，同时在反应过程中可以通过改变条件从而改变化学变化的快慢、反应进行的限度，甚至改变反应方向，还可以通过控制条件使化学变化朝着人们期望的方向进行。由于本研究以变化观念为例来进行深入探讨，因此此处仅对近代化学中化学变化与物质认识的发展进行较为详细的梳理。

十六世纪以前，人们对物质及化学变化的认识比较浅显。十七世纪以波义耳较为科学的元素概念为代表，打开了“质性”认识物质组成的大门。十八世纪拉瓦锡的氧化学说，推翻了燃素说，是化学反应理论的革命性进步。十九世纪原子、分子等方面的学说，是微观层面对物质组成的深度探索。元素周期律的发现，是对物质系统认识的成果，体现了“质”与“量”的统一。到了二十世纪，人们已经深入认识了物质的微观动态结构。可以看出物质的认识与化学变化的认识犹如DNA的两条链，相互影响，螺旋上升。

一方面，物质的认识对化学变化的认识产生革命性的影响，如氧化学说诞生的关键就是氧气的发现。拉瓦锡之前，人们普遍认同燃素说。拉瓦锡做金属燃烧的实验，发现煅灰的质量增加，于是怀疑燃烧与燃素无关，而是与空气中的“有用气体”化合的缘故。直到后来用聚光镜加热氧化汞，才确定这种“有用空气”是氧。从而提出了氧化学说，即“燃烧的本质是物质与氧的化合”。另一方面，化学变化的研究促进人们对物质的认识，如倍比定律与化合物的认识。道尔顿在研究沼气和油气（乙烯）时，发现前者中氢的含量是后者的二倍，因此提出倍比定律，即每一种化合物，它的组分元素的质量都有一定的比例关系。继而认为，物质以原子为单位结合，在一切化学反应中其本性保持不变。不同元素原子的性质及重量不同，它们以简单数目的比例相结合，形成化合物。

2.3 方法论视角下的化学观念

研究物质的方法论问题，即研究物质的一般方法是什么。其中实验是化学研究的重要方法，主要应用于探究物质的组成、结构及其性质。实验观，也就是实验是测定物质组成、结构或探索其性质的重要途径，可以依据物质的性质、检验等选取相应实验活动。为此，要能够进行基本的实验操作，并具有控制实验条件的意识及安全意识，同时能够认识解决实验任务的一般思路和常用方法。要认识实验在化学科学中的地位和对化学学习的重要作用，并了解化学实验方法受到技术发展的限制。

2.4 价值论视角下的化学观念

价值论问题，即化学对于人类的有用性问题，需讨论物质应用的重要意义。价值观的主要内容包括，认识物质及其变化对环境的影响，能够依据物质的性质及其变化认识环境污染的成因、主要危害及其防治措施，并体会化学对环境保护的作用。还需要了解元素对人体健康的作用、对生命活动具有重要意义的有机物，辩证地看待化学物质对人体的影响，最后需要了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化，认识物质及其转化在促进社会文明进步、自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。

3 教材中“变化观”的内容构架与层级进阶

“变化观”作为中学化学观念体系的重点之一，涉及内容贯穿整个中学阶段。認识化学变化有助于学生认识物质、认识化学对社会发展的影响。但建构化学变化观所需要的知识点零散分布于教材各个主题中，学生若仅依靠机械记忆而非积极建构来习得知识，那么难以形成结构化的知识体系，更谈不上对变化观的全面认识。因此整合教材内容，引导“变化观”的合理建构是重要的教学命题。以初中人教2012年版、高中人教2019年版教材为例，将其中涉及“变化观”的内容进行比对分析。

3.1 义务教育阶段： 初步认识化学变化的基本特征

义务教育阶段主要是对身边常见的物质及其变化进行研究。主要涉及从物质变化和能量变化两个一级维度认识化学变化，其中物质变化在宏观特征层面表现为有新物质生成，微观本质层面表现为分子分成原子、原子重新组合成分子，并分为定性和定量两个方面，具体是从反应类型、反应条件角度定性认识化学变化，通过质量守恒定律定量地认识化学变化;能量变化涉及从现象角度认识化学变化，形成初步的化学变化观念。

在本阶段的学习中，学生最先注意到的是化学反应的宏观表现，能够从颜色、状态等明显的现象变化认识到反应的发生。当现象不明显的时候，则需要从有其他物质生成这一基本特征来确定反应的发生，并指明化学变化会伴随能量变化，其宏观表现为吸热、放热、发光等。在实验操作和氧气性质的学习后，学生能够认识到化学反应的发生需要一定的条件，同时反应受到条件影响，因此可以通过调控外界条件来控制反应快慢。学生能够认识到化学反应是有规律的，可以从反应类型的角度对化学反应进行初步归纳。在前两个单元的学习中，学生对化学反应的基本认识是孤立且表面的，对反应类型的认识也非常有限。自第三单元分子原子的学习完成后，学生对化学的认识进入微观世界，学生能从微观角度对化学反应中的物质变化进行解释，并关注物质变化中的定量关系;同时化学方程式的教学，使学生进一步认识了反应条件的重要性;最后联系生活实际，让学生体会可以利用化学变化获得所需物质与能量。

综上分析，初中阶段的“变化观”相关内容较为浅显，主要围绕化学反应的基本特征进行。仅从实验中让学生体会反应条件会影响反应的快慢，但“反应条件”如何影响反应没有涉及;认识原子是化学变化的最小粒子，但化学反应中分子是如何分成原子、原子又是如何结合成新分子未有涉及;仅从能量角度初步认识化学变化，但化学反应为何会伴有能量变化未有涉及。要想解决这些问题，就需要后续学习化学反应的本质、化学键等内容。

3.2 高中必修阶段： 循序理解化学反应的实质

高中必修阶段主要对化学反应进行定性研究，从化学键的角度体会化学反应中原子间的重新组合和能量变化，并以认识化学反应的实质为标志。同样主要以物质变化和能量变化两个一级维度认识化学反应，其中物质变化在微观层面进阶为旧化学键断裂和新化学键形成，具体从反应类型、反应条件两个角度定性认识化学反应;能量变化进阶到微观层面，从化学键断裂吸收热量、形成放出能量，涉及从途径、形式角度定性认识化学反应，实现化学变化观念的进阶。

在本阶段的学习中，学生对化学反应的认识从宏观现象阶段进入到微观实质阶段。如能够认识酸碱盐在水溶液中的反应实质上是离子间的反应，氧化还原反应的实质是电子转移，并能从化学键的角度认识化学反应中物质变化、能量变化的实质。在化学反应与能量变化的学习中，丰富了学生对能量变化形式和途径的认识，知道化学能能通过化学反应转化为热能、化学能能通过原电池转化为电能。最后发展了学生对反应条件的认识，能够定性地认识影响反应速率的条件，并知道化学反应有限度，能够通过调节反应条件控制反应的发生。

可见，本阶段学习已经进入到了微观阶段，主要围绕化学反应的本质进行教学。但对于反应过程的认识还处于较浅层阶段，仅从反应条件的角度定性认识影响反应速率的因素，但反应条件是如何影响化学反应速率未有涉及。仅知道可以通过改变条件调控反应的限度，但如何定量地表示化学反应的限度、化学反应的限度如何调控并未涉及。要想解决这些问题，就需要后续学习化学反应原理、反应规律等内容。

3.3 高中选择性必修阶段： 深入把握化学反应的原理

高中选择性必修阶段主要是对化学反应进行定性和定量的研究，从化学热力学和动力学的角度了解化学反应并以认识化学变化的原理和能量转化的规律为标志。依旧以物质变化和能量变化两个一级维度认识化学反应，其中物质变化分为定性和定量两个方面，具体是从速率、限度的原理角度定性认识化学变化，通过化学反应速率、化学平衡常数、焓变熵变定量地认识化学变化。能量变化发展到认识化学反应体系中内能的变化，并能从原理角度定性地认识电化学体系中能量的转化途径和形式，同时通过焓变的计算定量认识反应中的能量变化，最终形成中学阶段的化学“变化观”。

在本阶段学习中，学生首先从内能的角度认识了化学变化中的能量变化，并能运用焓变定量地表述化学反应体系中能量的转化。在化学反应速率与化学平衡一章中，学生能够从原理角度认识反应条件对化学反应速率、化学平衡的影响。具体从活化能和有效碰撞理论来解释浓度、温度、催化剂对化学反应速率影响，从化学平衡移动原理解释浓度、压强、温度对化学平衡的影响。并能通过化学反应速率定量认识化学反应的快慢，通过化学平衡常数认识化学反应的限度，并运用焓变和熵变综合判断反应进行的方向。最后综合运用速率和平衡的原理调控实际生活中的化学反应。在水溶液的离子反应与平衡一章中，能够从原理角度认识盐类的水解反应，并认识该反应受到温度、浓度等条件的影响。难溶电解质在水溶液中也存在动态平衡，并可以运用溶度积定量地表述这种平衡状态且可以通过平衡移动原理进行沉淀的生成、溶解和转化。在化学反应与电能的章节中，发展了学生从原电池、电解池的原理角度认识化学能与电能的相互转化。

结合三个阶段的分析发现，变化观主要从物质变化和能量变化两个一级维度来进行认识，其中每个一级维度又包含定性和定量两个二级维度，且这种认识具有进阶性。定性认识，可以从化学反应类型和影响化学反应的反应条件两个角度定性地认识物质变化，从能量间的转化形式及其转化途径两个角度定性地认识能量变化。定量认识，可以从化学反应表达式及其遵循的规律等角度定量地认识物質和能量变化。另外，探讨反应条件对化学反应的影响，总结得出反应规律，形成化学平衡的移动等原理。“变化观”的内容结构与进阶路径，如表1所示。

4 促进学生变化观建构的教学建议

化学教育要结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，引导学生进一步学习化学的基本原理和方法，形成化学学科的核心观念[12]。本文从观念建构的手段、过程、策略等方面，提出以下教学建议。

4.1 以实验探究促进变化观的主体建构

化学观念从内容的文字表达来讲，它属于知识。然而它并不能通过讲授获得，需要经历较长时间的探索，如在实验中通过发现问题、猜想与假设、设计方案、进行实验并收集数据、结果分析和评估等，才能形成一定水平的从化学角度解决问题的整体思维和实践能力[13]。因此，实验探究是观念建构必要而有效的方法和手段。以化学平衡的探究为例，学生往往不清楚“平衡只与体系的状态有关，与建立的途径无关”[14]，不了解化学平衡的本质。因此，可以让学生自主设计并探究“条件对化学平衡的影响”。

以浓度为例，首先教师准备所需的实验药品（0.05mol/L的FeCl3溶液，0.15mol/L及1mol/L的KSCN溶液）和必备仪器，并引导学生明确实验探究的目的。其次，设计实验过程。这一关键环节，体现了学生对化学平衡的认识偏差。事实上，很多学生错误地将实验设计为FeCl3与不同浓度KSCN的反应，即观测浓度对化学反应速率的影响。此时，要强调探究“浓度对化学平衡的影响”，显然需要预先建立起两个完全相同的平衡体系，然后控制变量，改变某一物质的浓度，而后观测平衡移动的差异。再次，实验操作，发现其他条件不变时，加入物质的浓度越高，促进平衡移动的程度越大。浓度如此，那么压强、温度、催化剂等对平衡移动又有什么影响呢？均以自主实验的方式来探究，学生就会在实践活动中不断加深对化学平衡的认识。

4.2 以历史重演促进变化观的时空链接

学生化学观念建构的过程，类似于化学史上这些观念的发展历程。教学中若以历史重演的方式，让学生在探究活动中，重走化学家之路，体验科学知识的动态生成过程，不仅有利于调动学生的主动性，获得扎实的知识基础，更重要的是水到渠成地实现观念的建构[15]。例如，学习催化剂时，绝大多数教师都只是强调了催化剂的相关性质和特点，但对于催化剂参与反应过程很少提及，导致学生形成诸多错误的认识。

教学中，可以引入化学史中发现并定义催化剂的故事。贝采里乌斯在某次聚会上喝酒，不料喝出了一种醋酸的味道。原来，粘在他手上的铂金粉掉入酒杯中，导致酒迅速变酸。这一偶然的发现，促使他多次进行实验验证，发现铂金粉末的确可以变酒为醋。同时铂金粉末的质量并未改变，也没有生成可溶物进入酒溶液或产生什么气体。后来，他就提出了“催化”与“催化剂”的概念。在这则故事中，生动、自然地将催化剂在化学反应前后质量和化学性质都没有发生改变的知识呈现给了学生，有利于学生认识催化剂的性质。然而，不能到此为止，还要揭秘“变酒为醋”背后的原因。必须强调催化剂虽然不是反应物也不是生成物，但反应过程中它和反应物相互作用，其作用就在于“活化”反应分子，降低活化能，从而加快反应速率。因而让学生认识到，催化剂是一种能够改变化学反应速率，却不改变化学反应热力学平衡位置，本身在化学反应中不被明显消耗的化学物质。

4.3 以深度学习促进变化观的螺旋进阶

正如前面所谈到的，化学观念的形成需要主体经历循序渐进的体验过程。因此，深度学习策略契合了观念的螺旋进阶。在深度学习的过程中，学生需要思考知识点之间内在联系，发展高阶思维，学以致用、灵活迁移。以能量变化这一观念为例，初中只要求学生了解化学变化伴随着能量变化，并认识常见的吸、放热现象，如生石灰与水反应放热，并不涉及抽象概念的构建。

高中必修模块，在“化学反应与热能”方面，学生需要认识吸、放热反应，还要了解化学反应中能量改变与化学键的断裂和形成之间的关系。在“化学反应与电能”方面，以原电池为例，认识化学能向电能的转化，掌握转化的原理和过程。在选择性必修中，在“热能”与“电能”两个方面又有进阶。“热能”部分，除了要认识能量守恒定律，知道焓变的概念，还要了解盖斯定律及其简单應用;“电能”部分，要了解原电池及常见化学电源、电解池的工作原理，认识电解在实现物质转化和储存能量中的应用，还要认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。可见，观念的构建贯穿于整个学习过程。教师要不断地强化，并引导学生基于已有观念，架构新观念，一以贯之地深化整个观念体系，不断趋于完善。

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