化学学习中洞察力的培养

吴晗清 张霄

氧化还原反应是中学化学的重要内容，笔者在北京一所著名的中学调研时，实验班的学生对这样一道题竟然全都束手无策：甲苯（C6H5CH3）能使酸性高锰酸钾（KMnO4）溶液褪色，已知甲苯被氧化成苯甲酸（C6H5COOH），高锰酸根离子被还原成二价锰离子（Mn2+）。请写出该反应的离子方程式。

笔者对此感到很吃惊，氧化还原反应究竟应该如何学，化学应该如何学？笔者认为教师应通过有效地引导，让学生主体参与到知识的形成过程中，深刻理解知识点之间的内在关联，把握整体知识的结构与系统，从而形成敏锐的洞察力，以便高效准确地解决新情境中的问题。

一、何谓洞察力

洞察力指深刻把握事物或问题的能力，是一种综合能力。黑格尔指出，“自然所表现给我们的是个别形态和个别现象的无限量的杂多体，我们有在此杂多体中寻求统一的要求……力求认识每一事物的普遍。”[1]为了把握这种未知的普遍，必然的统一，当然要对研究的对象进行分析综合，特别是当发现自然界基本规律的时候，对研究对象本质的科学洞察力常常起着主导作用。

那么什么是科学洞察力呢？中科院院士王梓坤教授认为，“科学的洞察力，就是俗话所说的‘一眼看穿的能力，它表现在能迅速地透过现象抓住本质，表现在对一些表面上似乎不同的事物，能迅速地找出它们共同的原因或彼此的联系”。“洞察力不是天生的，而是长期在实践中锻炼培养的产物。”[2]我们认为化学学习中的洞察力，就是学生通过不断思考、总结、凝练以及反思化学知识、概念等，在深刻把握化学原理本质的基础上，快速发现新情境中陌生问题的原型，从而将问题瞬间解决的能力。

二、洞察力培养案例——氧化还原反应

为了了解学生氧化还原反应的学习情况，我们对北京市某中学172名高二理科生进行了调查和访谈。考查项目及主要结果见表1。

表1 学生考查项目及主要结果

我们发现氧化还原反应学习的三个层次，即基本概念、氧化还原反应的变式以及新情境中的问题解决，难度依次增大，学生掌握的百分比分别是64%、36%、9%，几乎是直线下降；相应地，由于难度的增加，无从下手的人数也近乎直线上升。图1为形象的折线图。

图1 学生对氧化还原反应掌握情况的折线图

基于上述的调查研究，我们认为，要培养学生“一眼看穿”氧化还原反应的洞察力，需要经历以下几个阶段。

1.通过整体性学习准确把握化学概念

在义务教育化学教材中，氧化还原反应被定义为：与氧气的反应叫做氧化反应，与氢气的反应叫做还原反应。进入高中后，氧化还原反应被界定为：凡有元素化合价升降的化学反应就是氧化还原反应。在判断一个反应是否为氧化还原反应时不是简单地看有无氢气氧气参加反应，而是看元素有无化合价的升降，实质是看有无电子发生转移。

在高中化学学习中氧化剂不只是氧气，而变成了具有氧化性的物质。访谈时，教师表示在讲授新课以及复习氧化还原反应时，往往会总结一些常见的氧化剂等，但是常常是教师越俎代庖，学生并不积极参与其中；另外在学习元素和化合物知识的时候较少强化相关概念，导致学习环节较为松散。因此，要注意教学的整体性，新知识的教学不应孤立进行，而应将新知识纳入到原有的认知系统中进行整体考虑，以建立新、旧知识的联系，从而丰富学生头脑中原有的认知结构。比如，一提到HNO3，学生就应条件反射出：强氧化剂，氮元素化合价下降，生成NO、NO2等。这样既减轻了学生的记忆负担，又优化了学生的认知结构，为化学问题的解决提供更广阔的途径。

2.通过变式深刻把握氧化还原反应的类型

氧化还原反应最常见的形式是：氧化剂+还原剂=还原产物+氧化产物。但是我们发现，如果学生仅止于此，无疑难以把握本质。应通过反复思考、凝练氧化还原反应的多种变式，如归中反应、歧化反应、部分氧化还原反应、自身氧化还原反应，还有三种及以上元素化合价变化的反应等。如：

6HCl+KClO3=3Cl2↑+KCl+3H2O

2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑

Fe+4HNO3（稀）=Fe（NO3）3+NO↑+2H2O

2KMnO4=K2MnO4+MnO2+O2↑

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2

通过变式的凝练，可以更好地把握丰富类型背后的本质。教学实践中的误区是，学习时往往找一些中学很难见到的氧化还原反应，为了训练而训练，而不是深刻把握中学化学的重要案例，使得原理的学习与物质性质的学习脱离，破坏学习的整体性。优秀学生表示，他们不但熟悉常见的变式，甚至能产生一些条件反射，如Na2O2一般集氧化剂与还原剂于一身，硝酸溶液中S2-、I-、Fe2+、SO32-等离子均不能大量存在。可见，洞察力的养成不是一蹴而就的，而需深厚的基础积淀。

3.返璞归真，洞察氧化还原反应的本质

为了探究本文开头案例出现的原因，笔者访谈了大量学生。学生表示，一般不考有机化学的氧化还原反应，教师也不要求他们掌握。教师的访谈也证实了这一点，不对学生作要求，因为有机物化学的氧化还原反应化合价不好判断，也不是有机化学的重要反应类型。其实这是错误的偏见，笔者做过试验，发现学生深刻把握有機氧化还原反应的本质后，其应试能力、化学学科能力均有显著提升[3]。烃的衍生物是有机学习的重点和难点，如果深刻把握它们之间的转化关系，则有利于系统地掌握这一知识模块。例如：醇、醛、酸的转化如下。

从化学式可以看出，醇与醛、醛与酸在分子组成上相差1个O原子或2个H原子，从化合价可以看出，在转化过程中转移电子数目均为2mol。即可以归纳为：醇被氧化（去氢）成醛，醛被氧化（加氧）成酸；酸被还原（去氧）成醛，醛被还原（加氢）成醇，且4种转化过程中转移电子数目均为2mol。这非常有利于学生洞察力的形成，如怎样正确、快速地书写C6H5CHO发生银镜反应、以及与新制Cu（OH）2反应的化学反应方程式？醛与酸之间的氧化还原转移电子数目为2e-，通过抓住这一本质来演绎醛的银镜反应，就可以瞬间完成了，1molAg（NH3）2OH生成1molAg，转移1mole-；1molCu（OH）2反应生成0.5molCu2O，转移1mole-，因此可以迅速确定醛与Ag（NH3）2OH、Cu（OH）2分别反应的物质的量之比皆为1∶2，而醛被氧化成相应的酸，方程式迎刃而解。

基于对氧化还原反应本质的深刻洞察，文章开头案例中的问题解决就轻而易举了。从分子组成上观察，产物苯甲酸较之反应物甲苯，加了2个O原子，同时去掉2个H原子，即1mol甲苯被氧化转移6mole-，而1molMnO4-被还原成Mn2+，转移5mole-，因此瞬间得出氧化剂与还原剂的物质的量之比为6：5，再根据电荷守恒、氢氧原子个数守恒，可以高效精准地写出该反应的离子方程式：

三、洞察力培养的教学策略

1.珍惜学生的好奇心、探究欲

没有好奇心，就没有洞察力。笔者曾对全国341名高中化学教师进行调查，93%的认为教学中能珍惜学生的好奇心；而720名学生中只有48%表示对学习怀有好奇心，仅有17%的学生认为他们的好奇心、探究欲能得到教师的支持。教师往往自以为珍惜了学生的好奇心，事实上扼杀学生好奇心的例子比比皆是，例如：学生非常激动、急切地中断教师讲课，大声问道“催化剂为什么就能加快反应的速率？”教师制止一次两次学生依然，直至第三次生气地警告学生别捣乱时，学生才悲愤地耷拉下脑袋。

好奇心是个体学习的内在动机之一，是个体寻求知识的动力，是创造性人才的重要特征。诚如教育家洛克指出，“好奇心不过是一种追求知识的欲求，因此应该给予鼓励。给予鼓励，不仅因为它是一种良好的现象，而且因为它是自然赋予他们的一种绝好的工具，可以祛除他们生来的无知。”[4]没有神圣的好奇心，学生就没有探究的欲望，难以培养其怀疑精神与批判意识。在课堂教学中，如果不能激发学生的好奇心、求知欲，也千万不要扼杀学生已有的神圣好奇心，那样只会导致学生的兴趣下降，阻滞其可持续发展。

2.基于化学事实，构建概念、原理体系

当代学习科学研究表明，要培养学生的洞察力，学生必须（1）具有深厚的事实性知识基础；（2）在一个概念框架内理解事实和观点；（3）对知识加以组织以便提取和运用[5]。基于此，首先要构建正确的概念。概念是反映对象的本质属性的思维形式，是事物共同本质特点的抽象、概括，它随着学习的深入而不断变化和发展。通过概念之间的联结，而后掌握化学的一般规律、原理。

具体来说，首先，基于化学事实来建构正确的化学概念、原理等。其次，掌握体现规律、原理的重要典型变式。再次，通过变式相关的问题解决来重新建构完善的化学概念、原理等。最后，自主建构体现规律、原理的问题情境，比如学生自己编制试题、评价试题、讲解试题，根据原理地理解进行探究性实验，或者解决生活中的实际问题等，从而高屋建瓴地形成对原理的上位把握。

3.注意教学的整体性，激发学生对化学知识、原理本质的探究

奥苏贝尔认为有意义的学习必须以学习者原来的认知结构为基础，学习能否获得新知识关键在于学习者已经知道了什么。教师要了解学生原有的认知结构，选择适当的手段和内容进行教学。化学学科各个知识点不是孤立存在的，各知识点之间都有严密的逻辑性和完备的系统性。因此，新知识的教学不应孤立进行，而应将新知识纳入到原有的认知系统中进行整体考虑，以建立新、旧知识的联系，从而丰富和优化学生头脑中的认知结构。

教学实践中，教学模块往往比较分散，缺乏整体性。比如，必修1中介绍了氧化还原反应的基本概念，而后学习了常见化合物的一些重要氧化还原反应；必修2中简单介绍了化学能与电能的转化；选修4中深入探讨了电化学基础；选修5中研究了有机化合物的氧化还原反应等。教师如果不能高屋建瓴地把握化学原理的层次与分布，学生则会茫然不知所措，抱怨“化学要记的东西太多了”！因此，教师需要对化学课程内容进行重组，激发学生对化学知识、原理本质的探究，比如“氧化还原的本质究竟是什么”，“能不能言简意赅地把某某知识原理说清楚”等，如此不仅降低了学生的认知负担，更重要的是培养了学生的洞察力、创造力。

总之，好奇心是洞察力养成的驱动；概念、原理的深刻把握是洞察力养成的智力基础；而基于整体性学习的对化学本质的探索则是洞察力形成的重要途径。

参考文献

[1] [德]黑格尔.小逻辑.贺麟译.北京：商务印书馆，1980.

[2] 王梓坤.科学发现纵横谈.北京：北京师范大学出版社，2006.

[3] 吴晗清，郑冬梅，李远蓉.化学问题解决中的科学方法教育.化学教育，2010（3）.

[4] [英]约翰·洛克.教育片论.熊春文译.上海：上海人民出版社，2005.

[5] 孙智昌.学生是如何學习的.桂林：广西师范大学出版社，2011.