化学教育研究的十个视角

万延岚+毕华林

摘要：介绍美国亚利桑那大学维森特·塔兰克（Vicente Talanquer）教授提出的化学教育研究的十个视角——大观念、基本问题、核心概念、概念维度、知识类型、空间尺度、推理模式、情境问题、哲学考量、历史观点。这十个视角有利于丰富化学教育者对化学学科的思考和理解，为化学课程内容分析和课程开发的多样化拓展渠道。

关键词：化学教育；课程内容；多维视角

文章编号：1005–6629（2014）6–0008–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

过去40年的化学教育研究显示，很多学生在完成中学甚至是大学化学课程学习之后，在对化学学科的理解和认识以及从化学的视角去审视和解决生活中的相关问题方面并没有得到很好的发展。为此，很多化学教育者呼吁改革这种教育现状，建议设计和使用不同的方式来进行化学教学，然而令人沮丧的是，这些努力改革的呼声和行动往往被很多因素制约，无法转化成集体行动。

在众多限制因素中，美国亚利桑那大学维森特·塔兰克（Vicente Talanquer）教授认为，最主要的一个限制因素是教师对化学教学内容缺乏反思和质疑，通常用一种线性、单维的教学方式进行化学教学。塔兰克教授指出，很多化学教师根据自身对学科主题的理解和教学经验，往往认为化学课程内容就是一些结构牢固的主题集合，例如化学计量学、原子结构、周期性、化学键等，即使是那些具备很强的知识背景或者是拥有丰富教学经验的教师，他们在讲授化学知识时，也很少超出教科书中所呈现的范畴。

对此，塔兰克教授认为，丰富化学教师思考课程内容的方式是化学教育改革的重要策略。基于化学教育理论和实践研究、化学历史和哲学研究以及化学课程标准领域的相关研究成果，塔兰克教授提出了化学教育研究的十个视角，并结合现行的课程计划和课程举措进行了阐释。下面对这十个视角进行相应介绍。

1 大观念（big ideas）

“大观念”这一术语在课程设计中，通常指的是一种总结学科核心知识的陈述，这些核心知识是我们希望学生理解的，例如“所有物质在本质上都是由微粒构成的”这一陈述可以认为是化学中的一个大观念。对化学中的大观念，已经有学者对其进行了深入研究，在一些国家课程计划和课程举措中也已经包含化学大观念。例如著名化学教育家罗纳德·吉莱斯皮（Ronald Gillespie）和彼得·阿特金斯（Peter Atkins）分别判定和讨论了化学学科的大观念；美国大学委员会（College Board）在2009年出版了一套标准，很好地总结了在高中和大学阶段化学入门课程中的一些大观念；同样，在最近的美国国家研究委员会（NRC）推出的《K-12科学教育框架》中，以及美国化学学会（ACS）审核研究开发的《抛锚概念内容地图》中也能找到这些大观念；还有一些入门的化学课程，例如化学XXI课程、CLUE（Chemistry，Life，the Universe and Everything）课程等，都明确使用大观念作为其组织原则。

这种化学“大观念”的视角能够引起人们对化学内容进行讨论和反思。在教学中，教师批判性地分析这些文件和课程计划中的大观念，能够帮助教师在不同的化学概念间建立更加有意义的联系，使教师的注意力从化学课程所包含的主题转移到学生应该发展的大观念上，从而帮助学生在科学知识之间建立起联系，最终形成一幅关于科学的全景图。

2 基本问题（essential questions）

传统的化学教学方式倾向于向学生传授大量的化学概念、化学原理以及一些实验方法论知识，但是并没有过多地讨论这些概念、原理等作为理论和实践工具，在解决与生活和社会相关问题时所发挥的重要作用。化学的目标是什么？学习化学知识能够帮助我们解决哪些基本问题？在NRC的报告《超越分子前沿》（Beyond the Molecular Frontier）中，委员会很好地总结了现代化学的中心目标和挑战，确定了四个主要活动及其相联系的基本问题（表2）。可以看出，这四种活动没有涉及任何特定的化学主题，也没有涉及学科细分（例如分析化学、有机化学或者是物理化学），但却突出了化学学科的特征。

认识到通过化学知识可以解决的这些基本问题，有利于教师重新建构对教学方式的概念，同时意识到这些化学基本问题有利于塑造更有激发性、有意义和有用的化学课程。例如，化学XXI课程中，由问题来引导研究任务，这些问题反映了化学学科的中心诉求，如：如何区分物质？如何预测它们的性质？如何控制化学反应？如何合成化学物质？如何利用化学能量？这些问题能够促使学生在探索分析现代社会问题的情境中（例如健康、环境、食物、能源问题），感受到化学概念、观点以及化学思维方式在解决各种社会问题时所发挥的重要作用。

3 交叉概念（cross-cutting concepts）

交叉概念是分布在科学、数学和技术中的一些很重要的主题，并且在不同阶段反复出现；它们是一些超越学科界限的概念，对解释、理论、观察和设计方面都有很重要的作用。一些文件，例如《科学素养的里程碑》、《美国国家科学教育标准》以及最新的《K-12科学教育框架》中已经强调了主要的交叉概念。表3中列出了《K-12科学教育框架》中确定的交叉概念。

通过确定交叉概念来分析课程内容，有助于帮助教师建立不同课程内容之间更加清晰的联系。同时，思考上述交叉概念有利于重新塑造化学课程，使化学课程强调重要的主题而不是呈现一些孤立的话题。例如可以将课程焦点集中在使学生理解、解释和预测不同物质结构-性质之间的关系，可以通过引导学生建构模型预测、解释不同类型物质的性质来组织呈现课程内容等。对于学生来说，强调交叉概念有助于学生建立与真实生活情境之间的联系。例如由梅耶尔（Meijer）及其合作者开发的化学单元（chemistry units）关注结构-性质关系的使用，包含让学生设计一件有弹性的防弹背心，或者是开发一种无麸质面包等任务，在学生完成任务的同时，也体会到了化学知识与生活的紧密联系。另外CLUE课程的实施结果表明，关注交叉概念可以引发学生更加有意义的学习，CLUE课程遵循一个精心设计的学习进程，这个学习进程是围绕结构和功能这一交叉概念进行的。相关研究结果表明在CLUE课堂中的学生相对于在常规化学课堂的学生，获得了更高的表征水平；特别地，CLUE课堂的学生在理解那些内隐的化学信息时表现得更好。

4 概念维度（conceptual dimensions）

在化学中，通常用概念维度来分析和描述化学系统的行为。例如，延森（Jensen）提出，化学概念和模型可以分为以下三个主要的维度：组成-结构、能量、时间。这些概念维度与克莱森斯（Claesgens）设计的《化学家的视角》框架中的主要进程变量是相似的，在这个评估框架中，化学大观念和基本问题围绕着概念维度——物质、能量、变化来组织。

从概念维度的视角来思考化学内容，有利于教师在课堂上更好地判断、强调、对比化学模型和解释的范围及其局限性，例如，教师要求学生讨论物质热力学模型的优缺点，这大多是基于能量维度。另一方面，基于概念维度的视角分析研究主题能够帮助教师认清课程中那些需要更多关注的领域。例如当前化学课程倾向于注重对化学模型的讨论，而这些模型更多地是关注组成-结构和能量维度，较少关注时间维度，这或许是学生学习化学平衡部分产生困难的一个原因。

5 知识类型（knowledge types）

学校化学内容可以从学科知识类型的视角进行思考与分析。特别地，化学教育者通常区分以下三种相关的知识类型。

（1）经验（Experiences）——通过感知或者仪器，拥有或者收集到关于化学物质和过程的实证性知识。例如，铁暴露在空气中会生锈。

（2）模型（Models）——通过理论模型，化学家理解丰富的经验世界。例如，铁生锈是一个化学过程，在这一过程中，铁元素和氧元素结合生成铁的氧化物，这是一种化合物。

（3）可视化（Visualizations）——不同的视觉符号（包括从符号到图示，从静态的图表到动态的动画），用来促进化学经验和化学模型的推理和交流。例如，4Fe（s）+3O2（g）→2Fe2O3（s）。

化学教育研究指出，学生很难区分这三种类型的知识，并且很多化学教师在课堂上也经常无法明确区分经验、模型和可视化。也有研究指出，对于一个给定的化学系统，很多学生不能够在这三种知识类型之间建立有意义的联系或者实现三种类型的转换。这些研究结果强调了在进行课程设计时，从知识类型这种视角来分析化学内容的重要性。在化学教学中，教师需要有意识地让学生积极探索相关的化学系统，帮助学生利用模型和可视化作为思维工具来理解和解释真实的世界经验，建立起这三种知识类型之间的联系，进行有意义的学习。在课程项目中，为高中化学设计的创新课程“连接化学（Connected Chemistry）”就是一个很好的例子，这个教育项目致力于帮助学生通过应用和连接不同的知识类型，使学生建构一种化学系统整合的观点，结果表明参与“连接化学”课程的学生在理解物质的亚微观模型以及这些模型是如何描述、解释和预测宏观经验方面有很大收获。

6 空间尺度（dimensional scales）

化学家们经常从不同的长度、时间和能量尺度来探索、建模和建构物质的性质，因此可以从空间尺度方面来分析化学内容。

人们通常认为化学中存在着宏观水平和微观水平的分析，但是这种二分式的观点可能掩盖其他相关尺度的存在（如介观），或者导致教师对某一尺度进行过分强调。例如，在长度尺度方面，可以从以下层次建构化学模型和解释：宏观、多粒子、介观、超分子、分子和亚原子。但是现有的化学课程和教学实践往往较为关注在分子和亚原子水平的描述，学生很少被要求探索物质的介观模型，虽然介观对分析一些物质是很重要的，例如聚合物和陶瓷，教师也很少要求学生分析超分子系统，尽管超分子系统与理解生物体是息息相关的。而化学教师让学生探索含有不同能量和时间尺度的化学性质和过程，这种情况更是少见。

因此，可以从空间尺度的视角出发，设想一种创新课程，这种课程主要关注促使学生探索和建构不同长度、时间和能量尺度的化学物质和过程模型，并对其进行解释、预测和评价。学生通过深入分析和反思这些空间尺度，能够更好地理解如何运用化学模型和观点来探索多样化的化学系统，例如生物体内的一个细胞、生活中的一块塑料或者是宇宙中的一颗星星。由此，CLUE课程是一个很好的应用空间尺度来组织课程的例子，在CLUE课程中，化学概念围绕着“组成-结构”维度呈现，对化学系统从原子到分子到高分子到细胞环境等一系列复杂水平进行了分析。

7 推理模式（modes of reasoning）

化学通常被描述成一种系统的科学，化学家们通过建构、评价和修正系统模型来描述、解释和预测化学物质的性质和化学过程，这是一种基于模型的推理模式。基于模型的推理包括使用或建构与现存已有知识相一致的模型，比较和评价不同模型解释物质性质和预测新现象的能力，以及修正模型来增加模型的解释和预测能力。

同时，化学也被认为是一种“技术科学”，混合了科学追求和技术目标。化学家们不仅感兴趣于解释和预测化学物质的性质，他们也期望转换物质并且创造出新的具有潜在应用价值的化学实体。从这个角度看，建模和设计应当被看作是化学学科的中心实践。在技术研究中，利用已知类型的化学物质和反应作为范例，有助于有效地决策潜在的合成路线和分析方法，这是一种基于案例的推理模式；而正如在技术世界中经常见到的，化学家们利用各种各样的经验归纳来做出迅速的决策，这些经验归纳是启发式的或者是经验规则，这是一种基于规则的推理模式。从技术科学的角度出发，学校化学教学应该包括化学设计实践，例如确定设计标准、给定约束条件或者借助已知的案例和经验规则来确定最佳的解决方案。

上述三种化学推理模式——基于模型的推理、基于案例的推理、基于规则的推理，为化学课程内容分析提供了一种视角。学生决定何时以及如何应用基于模型的、基于案例的、基于规则的推理，则取决于学生所面临任务的本质。因此，创造一种学习任务环境来支持这三种推理类型，是值得思考和实践的。

8 情境问题（contextual issues）

化学和化学制品对现代社会的重要性不言而喻，但是学校化学教学却往往很少利用化学在现代社会的中心地位来促进学生更有意义的学习。这种教育现状可能源于对情境缺乏分析和反思，较少地思考与化学内容相关的情境以及如何利用这些情境来促进学生对知识的建构。研究表明，情境能够为学生的学习提供生长点，有助于学生有效运用化学概念和原理解决相关问题。蕴含情境的学习任务需要教师对化学内容及其应用领域进行深入分析，这样的学习任务能够使学生至少在以下三个方面运用自己所学的化学知识和化学思维方式。

（1）解释-预测：学生建构关于物体的模型和过程的模型，能够解释和预测相关现象。情境问题能够使学生分析数据、建构模型和解释、基于证据生成结论以及陈述交流观点从而达成共识。例如，大气中温室气体的影响。

（2）转变：学生设计物质或者过程来解决相关问题。情境问题能够使学生基于已有知识经验来定义标准、确定约束条件以及设计测试和修正模型。例如，净化社区污水。

（3）社会化学：学生分析、合成以及评价化学活动和化学产品使用的社会、经济、环境成本与收益。情境问题用来使学生参与社会决策，这些决策的生成需要学生非常了解化学核心概念、观念和实践，同时需要考虑道德和伦理问题。例如，消费塑料包装品。

相关研究同时指出，学生的概念理解力、学生学习化学的兴趣、态度和动机也能够通过基于情境的教学得以加强。在文章所描述的这十个视角中，情境问题可能是一个能够引起大量创新课程的方面，已经有不少国家基于情境设计出相关化学课程，例如美国为中学生推出的《社会中的化学》（Chemistry in the Community）、为非科学专业学生设计的《情境中的化学》（Chemistry in Context），以及英国的索尔特化学（Salters Chemistry）、德国的《情境中的化学》（Chemie im Kontext）以及荷兰的《实践中的化学》（Chemistry in Practice）等。

9 哲学考量（philosophical considerations）

在过去的20年里，关于化学哲学的出版物大量增加。化学哲学领域的研究揭示了化学和化工企业的关键特征，使化学与其他学科区分开来，认识和思考这些特征有助于加深教师对化学学科的理解。从化学哲学的视角，对化学内容的分析和反思主要包括以下四个重要领域。

（1）化学概念：化学被归类为是一门物质科学，人们通常认为化学概念可以根据基本的物质原理被简化或解释。然而，对于许多核心化学概念的可简化性仍存在相当大的争论，例如组成、结构、化学键以及芳香族化合物等。理解这场争论的本质可以帮助化学教育者更好地认识化学概念和化学解释的力量、范围和局限性。

（2）化学定律：虽然一些主要的物理定律被认为是准确的，例如能量守恒定律，但是化学哲学指出，很多化学定律是近似的、例外的和不精确的。因此，为了让学生更好地判定和使用这些定律、原理和经验法则的解释力和预测力，教师在教学中应认真分析这些指导化学思维的定律、原理和经验法则。

（3）化学模型：化学家们建构和使用模型的方式不同于其他的科学学科。例如，他们可以使用不同的（如阿伦尼乌斯、Brфnsted-Lowry质子理论、路易斯酸模型）、相互矛盾的（化学键的价键理论或者是分子轨道模型）模型来描述同一现象，可以根据自己的研究选择更适合自己研究目的的模型。这种“多重性”的建模方式对学生的化学学习是一种极大的困扰，因此应该引起教师对这方面的反思。

（4）化学用语：化学思维在很大程度上依赖于一个相当复杂的符号和图示系统，这些符号和图示不仅有助于信息交流，而且对建构解释和开发新产品都很重要。化学家们如何利用这些符号语言来建构经验世界和分子模型世界是很多哲学分析的主题。

10 历史观点（historical views）

很多教科书在进行内容呈现时是从一个与历史无关的角度进行的，教科书中尽管会涉及很多重要的化学历史人物，但是对其中能够推动化学观念和实践发展的中心问题、困境和关注点却较少地予以讨论和分析，也没有清晰地描述化学学科作为一种人类的努力，其所扮演的角色和化学观念是如何随着时间而进行发展的。

从历史的角度审视化学有助于帮助化学教育者认识到化学家们在理解学科中心概念和大观念时所做的努力，而这些努力很多都与学生在课堂上面对的挑战相似；也可以使我们开阔眼界，从化学家的研究中了解贯穿于时代的潜在主题、基本问题、分析尺度、概念维度、情境问题和哲学考量等。例如，延森（Jensen）对化学历史中的主要“变革”进行了分析，在化学发展的重要历史阶段和化学系统（在组成-结构概念维度，从宏观到分子再到亚原子水平）之间建立了相应的联系。奈特（Knight）遵循化学进化的思想，从另外一个角度，揭示了化学在不同时期所扮演的不同角色：从神秘的到机械化的科学、从归纳到演绎的科学、从描述性的到简化的科学、从有用的到服务性的科学。关于在化学教学中如何运用历史和哲学的视角，已经有很多研究者提出相关建议。

上述十个视角在帮助教师理解化学课程内容方面是互相补充的，而不是竞争性的。在化学教育中，同时关注化学知识的所有方面是一项极为艰巨的任务，本文的目的不是阐述如何详尽地分析不同阶段的化学内容，而是旨在揭示化学内容丰富、多维的本质及其复杂性，从而引起更多的化学教育者从更加深入的视角来思考和反思化学教育。为此，塔兰克教授建议化学教师从以下行动做起：

（1）承认这些视角的存在；

（2）在繁忙的日程中抽出时间来探索、分析和反思至少其中的一个视角；

（3）在教学中敢于做出改变，积极反思对化学内容更加多维的理解。