化学科学理解的基本视角及其核心观念，本文主要内容关键词为：视角论文,观念论文,核心论文,化学论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
培养学生的科学素养是科学教育的一个永恒目标[1]，也是化学教育的一个永恒目标。认识科学、理解科学是科学素养的重要内涵之一。作为科学教育的一个重要组成部分，化学教育的一个重要目标就是使学生认识化学科学、理解化学科学[2]。认识化学科学、理解化学科学必须对以下几个问题形成基本的理解：化学科学有别于物理学、生物学的独特视角是什么？化学科学认识的基本任务及其方法论是什么？化学科学的核心观念是什么？化学教师对于这些问题的理解水平反映了其对化学科学整体把握的水平，是学生认识化学科学、理解化学科学的前提条件。没有对学科知识广泛而深入的理解，教师难以对学生的问题与想法作出反应，难以为学生创造一个积极探索与交流的学习环境[3]。教师本身的学科知识影响着教师的教学内容与如何教学，进而影响着学生的学习。正如舒尔曼所说，教师不可能教他们不理解的东西[4]。化学教师能否从整体上把握化学科学，既影响着学生认识化学科学、理解化学科学的水平，也影响着教师自身的专业发展水平。理解化学科学是化学教师专业发展的核心内容。有了高质量的化学科学理解，才会有相应的化学科学观念及其教学行为。近年来，笔者对化学科学的基本观念如元素观、能量观、科学本质观等进行了探讨[5～7]，围绕这些观念的形成与发展，在教师教育方面也做了相关的理论探索和实践性研究。本文是对已有研究的进一步整合和提升，以形成较为系统的认识。
一、物质及其转化：化学科学认识的基本问题
任何一门学科都有其自身的研究对象和基本问题。搞清楚一门学科的研究对象和基本问题是把握该门学科特征的关键。笔者在“国培计划”骨干教师培训中，就“学科特征”与物理学老师、化学老师和生物学老师进行交流，老师们基本的回答取向是一致的，物理学老师说：“物理学科的基本特征是实验”，化学老师说：“化学学科的基本特征是实验”，生物学老师说，“生物学的基本特征是实验”。按照老师们这样的理解，物理学、化学、生物学3个学科就没有自己的特征了。“学科特征”应该是有别于其他学科而独自具有的特点。实验是科学认识活动的基本手段和途径，是物理学、化学、生物学科学认识活动共同具有的特征，而不是学科的特征向度。学科的基本问题是厘清学科特征的重要向度。物理学研究的对象是“物体”，研究的基本问题是“力与物体运动的基本关系”，化学研究的对象是“物质”，研究的基本问题是“物质及其转化”，生物学研究的对象是“物种”，研究的基本问题是“物种及其演进”。在研究的问题中，涉及对象性问题的静态性方面和动态性方面。“物质”、“物体”、“物种”是基本问题的静态性方面，“转化”、“运动”、“演进”是基本问题的动态性方面。研究学科的基本问题，既要研究静态性方面，又要研究动态性方面，还要关注静态性方面和动态性方面的联系。3个学科是以“物”为中心，展开各自研究的，“三物”的整合性研究与认识，构成了对自然“物”世界的全面认识（见表1）。化学学科是“三物”之一，研究对象是“物质”，基本问题是物质及其转化。
一个学科的基本问题可以称为该学科教学的回归性问题。化学学科教学中有不同的教学内容，如事实性内容、概念性内容、规律性内容、理论类内容等。如何把这些内容形成一个有机的整合性理解呢？化学学科的基本问题“物质及其转化”可以起到“回归性”作用，将似乎“无关”的内容很好地联系起来，如下页图1所示。下页表2中列出了“物质及其转化”对若干内容的“回归性”联系。教师围绕回归性问题“物质及其转化”所形成的知识间的本质联系可以帮助教师进行有意义的教学设计。
二、探寻规律和解释规律：化学科学认识的两大基本任务
科学认识活动有两大基本任务：一是探寻自然现象及其之间的基本联系，即探寻科学规律，二是对自然现象及其规律进行解释，即建构科学理论。从问题性质来说，科学规律是回答“有什么”或“是什么”的问题，科学理论是回答“为什么”的问题。只描述自然中“有什么”或“是什么”，只是完成了科学认识活动的一个部分，还必须回答“为什么”。只有从这两个角度的结合上认识自然，才算得上较为完整的科学认识活动。从方法论上来说，将无序化的现象进行有序化认识的时候，一般是将复杂现象进行简单化处理。从认识论上来说，科学规律的认识是对大量相关事实关系的归纳，科学理论是在事实基础上，通过建构的方式形成的认识。科学规律的产生方式是归纳式，科学理论的产生方式是建构式。在谈论科学规律的时候，使用的话语是“归纳”、“发现”，在谈论科学理论的时候，使用的话语是“提出”、“建构”。
化学科学认识活动对其基本问题“物质及其转化”的认识也有两大基本任务：一是探寻“物质及其转化”的基本规律，一是建构“物质及其转化”的科学理论。从问题性质来说，既要探讨“物质及其转化”有什么规律，又要探讨“物质及其转化”为什么会呈现这样的规律。从方法论上来说，为了对复杂的物质及其转化世界形成有序的认识，化学学科采取了独特的认识视角——元素视角。物质是由元素组成的，物质世界是巨大的、丰富的，从元素的视角认识物质，物质世界就显得非常简单，即种类浩繁的物质世界只是由一百多种元素组合而成的。物质按照元素组成可以进行分类，物质按组成可以分为单质、化合物；单质可以分为金属单质和非金属单质；化合物可以分为无机化合物和有机化合物；无机化合物可以分为氧化物、酸、碱、盐等；有机化合物可以分为烃、烃的衍生物等。组成相似的物质，其化学性质具有相似性，这种相似性就是物质及其转化的规律所在。例如，金属单质的相似性可以归纳为：与氧气的反应（与非金属单质的反应），与水的反应，与酸的反应，与盐的反应。非金属单质性质的相似性可以归纳为：与氧气的反应（与非金属单质的反应），与金属单质的反应，与氢气的反应。金属氧化物的性质相似性可以归纳为：与水的反应，与酸的反应，还原为单质。非金属氧化物的性质相似性可以归纳为：与水的反应，与碱的反应，部分发生氧化还原反应。酸的性质相似性可以归纳为：与金属单质的反应，与碱的反应，氧化性等。碱的性质相似性可以归纳为：与酸的反应，转化为氧化物等。盐的性质相似性可以归纳为：形成沉淀、气体，氧化还原反应。各类物质的相似性，也可以叫做各类物质的性质研究模型。一旦在认识活动中形成这些模型，就会进一步指导物质性质的研究。从元素的角度认识物质及其转化，就可以转化为“元素及其化合物”的研究。已发现的元素之间在性质上具有相似性和递变性，即元素性质随原子序数的递增呈周期性变化——元素周期律。可以从元素的角度对元素及其化合物进行有序的研究，首先列出该元素的类别物质，然后按照该元素的类别物质的性质模型研究该元素的单质及其相关化合物的性质。从元素的角度看，物质转化过程中元素是守恒的。上述规律性认识的形成是以元素为基本视角的，因此可以说，元素视角是认识化学科学及其基本问题“物质及其转化”规律性的独特视角。
为了解释“物质及其转化”的事实和规律性，化学科学在认同分子、原子等微观粒子存在的基础上建构了相关的化学科学理论。从内容上来说，化学科学理论有分子论、原子论、原子结构理论、化学键理论、有效碰撞理论和碳共价键理论等。一般来说，一个科学理论包含3个基本要素：科学理论的名称、科学理论的主张或基本要点、科学理论的解释对象。以分子论为例，其理论的名称为“分子论”，“分子论”的基本要点是：物质是由肉眼看不见的其相应微粒——分子构成的；物质的分子是不断运动的；物质的分子之间存在着间隙；物质的分子之间存在着作用。“分子论”的解释对象是：物质的物理性质及其相关现象，物质的化学变化（化学变化是一个有新分子生成的过程）。原子论的解释对象是分子的可分性以及化学变化过程中新分子是如何形成的。原子结构理论可以解释：元素的化合性、元素的化合价、元素的原子是如何形成分子或物质的、元素性质的周期性变化等。化学键理论是建立在原子结构理论基础之上提出的解释原子间作用的理论，可以解释化学反应的本质以及化学反应中的能量变化。有效碰撞理论是在分子论和化学键理论基础上提出的解释影响化学反应速率因素的理论。碳共价理论是在原子结构基础上提出的解释有机化合物丰富性以及有机物结构的理论。从认识论的角度来看，化学科学理论的形成有其自身的特点：化学科学理论是在解释物质及其转化相关事实或规律的驱动下形成和发展的；化学科学理论是以一定的物质及其转化事实或规律为基础的；在所观察到的物质及其转化的事实和所形成的物质及其转化的微观认识之间是有区别的；化学科学理论是在事实基础上借助想象建构的；化学科学理论的合理性是通过其产生方式的基础性以及解释功能的满意性两个方面得到认同的。概括而言，化学科学理论是以事实为基础，在分子、原子水平上提出的解释物质及其转化事实和规律的解释系统。微观认识是化学科学理解或解释其基本问题“物质及其转化”规律性的独特思维方式。
从认识的思维水平来看，对于化学科学认识的两大基本任务可以分为宏观水平和微观水平。对于物质及其转化规律的探寻属于宏观水平，对于物质及其转化事实和规律进行解释的化学科学理论属于微观水平。所以作为完整的化学科学认识，既要从宏观上认识物质及其转化的基本规律，也要从微观水平上建构化学科学理论来解释物质及其转化的事实和规律，两种认识活动是在不断的交替互动中形成和发展的，如图2所示。
三、元素观、能量观和科学本质观：化学科学的核心观念
化学科学的核心观念是在化学科学认识活动中形成并指导化学科学认识活动的基本观念。化学核心观念的抽象和概括应该紧紧围绕化学科学认识的基本问题和两大基本任务，它的认识水平高于物质及其转化的具体事实、化学概念、物质及其转化规律以及化学科学理论。
元素视角是认识化学科学及其基本问题“物质及其转化”规律性的独特视角。由此可以认为，从元素视角来认识物质及其转化所形成的相关认识的概括性观念——“元素观”应该成为化学科学的核心观念之一。微观认识是理解或解释化学科学及其基本问题“物质及其转化”规律性的独特思维方式。在微观认识理论中，从分子论、原子论、原子结构理论、化学键理论、有效碰撞理论、碳共价键理论要点的共同要义和实质进一步可以提取出核心含义——“作用”与“能量”，因此，“能量观”是化学科学的核心观念之一。探寻规律和建构理论在问题性质、认识的方法论和认识论方面既有共同的基础，又有根本不同的认识特点，这就涉及科学本质的问题。因此，“科学本质观”更应成为化学科学的核心观念。
由上分析可以得出，元素观、能量观、科学本质观是化学科学的3个核心观念。如前言所提，已对元素观、能量观、科学本质观进行过专论，限于篇幅，这里只简要说明元素观、能量观和科学本质观的基本内涵。
元素观的基本内涵是：元素是同一类原子的总称；物质都是由元素组成的；物质的元素组成可以用化学式来表示；元素的化合性和化合价与元素原子的最外层电子有关；物质可以按照元素组成进行分类；组成相似的物质性质上具有相似性；物质间的转化本质是元素原子间的重新组合，具有守恒性。
能量观的基本内涵是：物质的分子或原子具有热能；核外电子按照能量高低分层运动，核外电子能量比其在原子中的位置重要得多；原子之间的强烈作用使原子处于能量较低的稳定状态；物质转化过程伴随有能量转化；物质分子发生有效碰撞是物质转化的必要条件；物质转化过程中能量是守恒的；原子核内贮存有巨大的能量。
化学科学中的科学本质观内涵需要以当代科学本质观的内涵为基础，结合化学科学对其基本问题“物质及其转化”的两大认识活动来概括。当代科学本质观的基本内涵可以概括为[8]：科学认识的对象是客观的；科学认识活动的过程不是一个简单的“拷贝”或“反映”过程，而是一个认识主体对客体的作用过程。在这个作用过程中，认识主体的已有经验或背景起着重要的作用；科学认识活动是以事实为基础的，但事实本身并不是科学。换句话说，知道的并不都是看到的。在观察和推论之间存在着区别，从观察到推论的认识过程并不是一个连续的认识序列；科学定律和科学理论是科学认识的两种形式，它们各自的产生范式是不同的。科学定律的产生范式是归纳式，科学理论的产生范式是建构式；科学认识的结果，并不是纯粹客观的，包含有人的想象性和创造性。正因为在认识的成分中，不完全是客观的，其中含有人的主观性，所以科学认识是相对合理的，有时甚至是错误的，所以科学知识具有暂定性本质。从科学本质观的角度考察，化学科学认识中的科学本质观的基本内涵可以概括为：物质及其转化的认识是以一定的观察事实或规律为基础的；在宏观事实和微观推论认识之间存在着区别；化学科学规律是对物质及其转化事实进行归纳的基础上形成的规律性认识，化学科学理论是以物质及其转化的事实或规律为基础，在分子、原子水平上提出的相关解释系统；在化学微观认识理论中包含有人的想象性和创造性。
元素观、能量观、科学本质观3者之间是一种什么关系呢？元素观是在探寻物质及其转化规律的认识维度概括而来，能量观主要是在建构解释物质及其转化的化学科学理论的认识维度概括而来。科学本质观是在对化学科学的基本问题“物质及其转化”的两大认识活动的认识论思考基础上概括而来。3个核心观念与化学知识间的基本关系可以用图3表示。
总之，化学教师应该以化学科学的基本问题“物质及其转化”作为教学的回归性问题，围绕化学科学认识的两大基本任务——探寻规律和建构理论解释规律，以元素观、能量观和科学本质观为核心观念，实施基于化学科学理解的教学，以促进学生对化学科学的认识和理解。