化学思维及其能力培养

陆 军

（江苏省南通中学，江苏 南通 226001）

在“落实立德树人根本任务”使学生形成正确的价值观念、必备品格和关键能力的背景下，笔者通过思维能力与核心素养、思维结构、学科性质等关系的梳理，对思维能力形成了三点基本理解。具体包括：（1）思维能力是智力结构的核心，对学科能力的有关要素特别是心智范畴的要素具有统摄作用；（2）学科教学议题中思维能力类型的多样性呈现，主要是由于考察视角的不同，常用的视角主要对应思维的内容、方法与品质等几个维度；（3）不同学科的思维能力具有同一性、互通性和差异性，差异性主要取决于学科的性质。[1]本文拟从化学学科出发，在梳理我国化学思维相关研究的基础上，形成关于化学思维含义的基本认识，以帮助广大化学教师认清培养学生化学思维能力的相关策略。

一、我国化学思维的相关研究

截至2017年12月31日，中国知网收录篇名中含有“化学思维”的文献共有451条，其中，最早的记录是丁文楚发表在1992年第3期《教学与管理》上的《试论化学思维呆板性》。相关文献对化学思维的论述，基本都指向研究者所选择的某一维度。

1.基于思维品质的研究

丁文楚在《试论化学思维呆板性》一文的开篇时指出，“思维灵活性和思维呆板性是一种思维素质的正反两个方面，所谓思维呆板性，是指墨守成规、一成不变的僵化思维，它是培养思维灵活性、独创性的最大障碍……”[2]。谭建民将培养思维能力的策略归结为“运用猜测假设，培养探究性思维；运用质疑，培养创新思维；运用对比，培养归纳思维；运用类比，培养迁移思维；运用挖掘，培养发散性思维”[3]。之后，张逵、钱华等认为，中学生的思维障碍主要表现为“直觉思维的表面性、定式思维的消极性、求同思维的局限性”，矫正这些障碍的主要策略有“应用开放性试题，培养学生思维的广阔性；利用题目的变式，培养学生思维的深刻性；展现教师的思维过程，培养学生思维的严密性；抓住问题的本质，培养学生思维的敏捷性”[4][5]。显然，这些论述基本都属于思维品质的范畴。

2.基于思维模型的研究

时为贵州省教育学院化学系学生的陈茂林于1994年对化学思维模型进行了尝试建构。陈茂林认为，化学思维模型“就是学生在化学学习过程中，表现出来的那种既反映学科思维方法，又体现学生思维特征的相对稳定的思维风格”，同时建立了“知识点线型，实验程序型，数学模拟型，规律、原理型”等几种思维模型。陈茂林还认为“思维模型不光反映具体的思路，更重要的是表明应该怎样去寻找这些思路”[6]。之后，骆仁新又针对需要运用数学方法解决的化学问题，构建了解决“数学—化学”问题的“数学—化学”思维。[7]这些所谓的化学思维模式，本质上就是解决有关化学问题的思路或模型。

3.基于思维方法的研究

廖正衡于1996年认为，化学方法包括“具有哲学、逻辑学、心理学特征的化学思维方法”和“以物质仪器为基础的化学操作方法”两个方面。其中，化学思维方法包括“化学观察方法、化学实验方法、化学比较方法、化学归纳方法、化学演绎方法、化学分析方法、化学综合方法、化学模型方法、化学直觉思维、化学假说方法、化学移植方法和化学系统方法等”。从这些具体方法的名称上看，虽然被冠以“化学”二字，其实是一般思维过程的具体表现或是思维的形式，作者所赋予的含义也表明了这一点。如“化学观察方法是化学家利用人的感官或感官的延长——仪器，直接从化学现象中获取感性认识的方法，以提供化学研究的初步信息和资料”[8]，将其中的“化学”用“物理学”等其他学科的具体名称或直接用“科学”替代，仍然成立。

4.基于唯物辩证法和哲学观的研究

21世纪以来，科学技术的迅猛发展促进了学科之间的融合与渗透，唯物辩证法和哲学观对化学思维的促进作用也得到了化学教师的认同。有认为“实验是检验、评判化学问题的唯一标准；对立统一规律是化学世界的根本规律；透过现象看本质是认识化学世界的基本方法；抓主要矛盾是解决化学问题的关键”[9]。还有认为，化学学科存在着“普遍性与特殊性、整体与局部、主与次、质与量、可能性与现实性、因与果、本质与现象、运动与静止”等对立统一的规律。[10]这些融合的观点也表明，化学是科学的一个分支，遵循着科学的一般规律，所以唯物辩证法和哲学观都有助于化学思维，能促进化学问题的解决。

5.基于学科属性的研究

在20世纪的有关论述中，也有涉及学科特征的观点。喻祖伦最先在文章中认为化学思维由化学学科特点决定，是“人们在学习和研究化学问题时所运用的、有别于其他学科思维的一些思维方式和方法”，化学思维包括“结构决定性质”“性质决定用途和制法”和“实验是学习和研究化学的重要手段”等三个方面，其中“结构决定性质”又包括“原子结构决定元素的性质”和“分子结构决定物质的性质”两个方面。[11]盛云林也认为，化学思维“是由化学学科本身的特点决定的、在学习和研究化学问题时所运用的，有别于其他学科的思维方式和方法。例如化学教学中，结构决定性质，性质反映结构的思想；量变到质变的思想；以实验为基础的思想等等。”[12]这些“结构—性质—用途和制法—实验”的思维路线反映了化学学科的基本属性，也是化学学科所特有的逻辑关系。

6.基于两个维度的研究

“中国知网”中唯一明确从两个维度论述化学思维的期刊文献发表于1998年，对应的两个维度是学科能力和思维品质。其中，学科能力包括知识的再现能力、知识的运用能力、知识的创造能力、方案的评价能力、数学的建模能力等五个层次，思维品质包括敏捷性、严密性、整体性、创造性等四个方面。[13]其实，早在20世纪80年代末，林崇德及其研究团队，就形成了“学科能力的结构，应有思维品质参与”的观点，以及语文能力和数学能力分别是“听、说、读、写能力”或“运算能力、空间想象能力、逻辑思维能力”与“思维的深刻性、灵活性、独创性、批评性、敏捷性”所组成的开放性动态系统的结论。[14]由时间的相对先后与内容的相似程度进行推理，这个二维的化学思维能力结构可能受到了林崇德学科能力结构的影响。但值得注意的是，学科思维能力与学科能力之间不应该是全同关系。

关于对我国化学思维研究情况的判断，毕华林在分析国际化学课程改革发展动向与启示时指出，“国内化学课程改革对化学思维方式缺乏足够的重视”，不仅“在化学课程标准中没有关于化学思维方式的明确阐述，在化学教科书中也很少体现出对化学思维方式的培养”，教师更是“在化学教学中忽视，甚至并没有意识到化学思维方式对促进学生科学素养发展的重要性”。[15]而培养学生化学思维的前提，是对化学思维含义的准确建构。

二、化学思维含义的初步建构

普通心理学认为，思维是人脑对客观现实的概括的、间接的反映，分析和综合是思维的基本过程。[16]思维过程具体表现为比较、抽象与概括、具体化与系统化。思维有概念、判断和推理三种互相联系的主要形式，其中，概念是脑对现实的对象和现象的一般特征及本质特征的反映形式，判断是肯定或否定事物之间的某些关系，推理是从一个或数个已知判断推出新的判断。概念的形成往往要通过一定的判断和推理过程，判断是肯定或否定概念之间的联系关系，而判断的获得通常又需要通过推理。在推理层面上，从一般到具体的推理是演绎推理，从具体到一般的推理是归纳推理，从具体到具体的推理是类比推理。思维的品质包括广阔性和深刻性、敏捷性和灵活性、独立性和批判性、逻辑性和创造性等几个方面。从已有的研究和实践体验来看，普通心理学中有关思维的这些描述都适用于包括化学在内的所有学科。

“化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。”[17]也就是说，化学学科既研究物质微观上的组成与结构，也研究物质宏观上的性质与应用，并且还能用自身特有的符号形式对物质的组成、结构、性质等进行解释或描述。美国1996年颁布的《国家科学教育标准》就明确要求学生通过化学学习能够在思维的“可观察现象的宏观世界；分子、原子和亚原子微粒构成的微观世界；化学式、方程式和符号等构成的符号与数学世界”三大领域中“漫游”。[18]所以，化学学科独特的思维形式，是从宏观、微观、符号三个视角认识与理解物质，并建立三者之间的内在联系。综合已有研究和学科特点并参照其他学科的建构方式可以认为，化学思维是在哲学和辩证唯物主义的指导下，以物质为中心，由动作思维、形象思维和逻辑思维，经验思维和理论思维相结合，从原子、分子层面上认识物质的微观结构，揭示其宏观现象的本质，并用相应的化学及数学符号表达对微观结构和宏观现象认识的特种思维。化学思维的要素及其关系，如图1所示。

图1 化学思维的要素及其关系

在化学思维结构中，物质与其宏观现象、微观结构、符号表达之间，或同一物质的宏观现象、微观结构、符号表达之间存在着特定的对应关系，这些关系都可以借助于动作（实验）思维、形象思维和逻辑思维以及经验思维和理论思维进行推演与转化，从而实现在宏观、微观、符号三大领域中的“漫游”。其中，宏观现象可以通过感知器官或者借助于仪器获得，包括与物质物理性质相对应的颜色、状态、气味，以及物质在化学变化过程中生成沉淀、产生气体或者是反应物的消失、体系颜色的改变等等，这些宏观现象具有生动、直观、可重现的特点；微观结构是指构成物质的微观粒子及其相互作用，如物质由分子、原子、离子组成，原子由质子、中子、电子组成，描述原子核外电子的运动状态主要有能层、能级、原子轨道和自旋方向四个方面，粒子之间的作用有离子键、共价键、金属键、范德华力，等等；符号表达是指用有关符号表示与物质组成、结构、性质相对应的宏观现象或微观结构，如用原子结构示意图、电子式、电子排布式或轨道表示式表示原子结构，用分子式、电子式、结构式或结构简式表示分子组成，用化学方程式、离子方程式、热化学方程式或电极方程式表示化学反应，用数形结合的方式表示化学反应进程中物质浓度、体系温度、反应速率等方面的变化，或元素原子半径、电离能、电负性等性质随原子序数递增呈现的周期性变化，等等。

此时再考察我国化学思维的有关研究成果可以发现，其中许多都限于一般思维活动，主要是思维品质、思维过程或思维形式，而且还将思维过程中的分析、综合、比较、抽象、概括等具体表现与判断、推理、演绎、归纳、类比等思维形式相互并列，统称思维方法。但凡能从一定程度上体现化学学科本质属性的思维逻辑，都可以纳入以物质为中心的“宏观—微观—符号”化学思维结构之中。如“结构—性质—用途和制法—实验”的思维路线，可以归属“宏微结合”，其中，“结构”属于微观层面，“性质—用途和制法—实验”是物质宏观现象之间的联系及其实现路径。元素周期表中的“位置—结构—性质”的关系，对应着化学思维结构中的符号、微观和宏观，元素周期表是化学学科特有的符号，元素周期表中的位置对应元素原子的微观结构，原子的微观结构以及周期表所反映的元素性质周期性变化规律可以作为元素宏观性质的判断依据，元素的宏观性质又是原子微观结构或元素周期律的外在具体表现。

对于以物质为中心的“宏观—微观—符号”化学思维结构，毕华林曾用如图2所示的以知识为中心的化学学习三重表征结构图表示，并称其为三重表征思维方式。[19]在毕华林明确表述三重表征的化学思维形式之后不久，有人提出“宏观—曲线—微观—符号”四重表征的说法。[20]认为由于曲线与符号的意义相差甚远，所以应该在宏观、微观和符号的基础上引入“曲线”这一表征形式，构成“宏观—曲线—微观—符号”的四重表征。四重表征的建立，是以高中《化学反应原理》模块中“水溶液中的电离、中和、水解”为研究对象，其中涉及一元酸（碱）稀释过程中的pH曲线、酸碱中和滴定曲线、弱酸与弱酸盐混合溶液中加入有关物质时的浓度与时间关系图等。由于研究对象的特殊性，便有了“曲线”表征的存在依据。其实，许多适合“宏观—微观—符号”三重表征的对象，不一定有“曲线”相对应，而且“符号”在美国《国家科学教育标准》中的原意除了化学符号以外，还包含“数学世界”的成分，“数学世界”的含义相当宽泛，“曲线”所对应的“数”与“形”都是“数学世界”的重要组成部分。所以，“宏观—微观—符号”的三重表征是化学学科不同于其他学科最具特征的思维方式，或者说，化学思维具有以物质为中心的“宏观—微观—符号”三重表征的独特结构。

图2 化学学习的三重表征

三、化学思维能力的培养策略

化学思维能力在化学学习活动中处于统摄地位，直接影响观察、实验和问题解决等其他能力的实践效果。[21]化学思维的含义决定了化学思维能力的培养，应该加强一般思维的训练，重视三重表征的教学，同时还要注意学段或课程知识的递进关系。

1.加强一般思维的训练

由于一般思维是一切学科思维的基础，所以学科教学首先要加强一般性思维的训练。就化学学科而言，实验是学科的基础，许多化学概念和原理都可以通过实验中的有关现象进行揭示或验证。也就是说，化学知识大多是基于对实验现象的分析，或通过对感性材料的比较、抽象和概括，从而建立起有关的化学概念、判断与推理，形成相应的理性认识。清晰的理性认识又有助于对化学知识的深化理解，并便于运用这些知识，实现化学问题的解决同时获得新的知识。这其中涉及的思维过程中的分析、综合、比较、抽象、概括等具体表现，以及判断、推理、演绎、归纳、类比等思维形式，包括唯物辩证法和哲学观对思维过程的适时指导，都是培养学生化学思维能力不可或缺的基本内容。实践表明，“激发学生的学习动机和学习兴趣是培养思维能力的前提，培养学生的思维品质是发展思维能力的突破口，教给学生科学的方法是培养思维能力的关键”[22]。化学教学要注意创设相应的情境，激发学生的学习兴趣，将思维训练贯穿于化学教学的始终，促使学生在获取化学知识的同时不断提升自身的思维能力。

2.重视三重表征的教学

化学思维具有以物质为中心的“宏观—微观—符号”三重表征的独特结构，要提高学生的化学思维能力，除了一般性思维训练以外，应该重视三重表征的教学，帮助他们完成三重表征的意义建构。关于三重表征的教学策略与宏观、微观、符号有着基本对应的关系[23]：（1）切实加强实验教学，增强对宏观现象的体验。化学教学通常是用化学实验呈现物质的宏观现象，进而从物质组成与结构的角度进行解释，并揭示其中蕴含的原理和规律，宏观现象是微观认知的基础，所以化学教学要尽可能借助化学实验增强学生对宏观现象的体验。（2）合理使用微观模拟，实现微观结构的可视化。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构与性质，而原子、分子是肉眼见不到的微观粒子，为了不让学生对化学微观结构的认知停留在文字上，可以利用多种手段进行微观模拟，实现微观结构的可视化。（3）深化理解符号意义，发挥符号表达的中介作用。符号是连接宏观现象与微观结构的桥梁，为了使学生能更好学会化学思维，应该充分发挥符号的中介作用，将符号学习与宏观现象和微观结构紧密联系在一起，必要时还应该借助数学手段以增进对化学知识的理解。（4）强化三者相互联系，形成自动转化的意识和能力。化学思维教学的最终目标是使学生能自动化地实现“宏观—微观—符号”的信息转换，教师要创造性地使用教材，创建有利于学生运用和掌握化学思维的学习情境，让学生在实践中不断增强自动识别与转化的意识和能力。

3.注意学段或课程知识的递进

处于不同学习阶段的学生，因学习内容与水平的差异，其与三重表征对应的化学思维水平也有不同，并遵循学习越深入、思维水平越高的总体递进趋势。从化学知识的教育价值和学生心智的发展历程来看，中学生化学思维的建立与发展过程大致需要经历奠基（九年级上学期）、初建（九年级下学期）、完善（高一学年）、深化（高二学年开始）四个阶段[24]，并且与有关学段或课程知识之间存在明显的对应关系。

就高中阶段而言，学生在高一学年的必修课程中，通过氧化还原反应、电离与离子反应、原子结构与元素周期律、化学键等的学习，较大程度地丰富了关于物质及其变化的微观知识，学生能够从氧化还原反应与离子反应的角度理解化学反应的本质，从原子结构的角度认识物质的性质，从化学键的角度看待物质结构、化学反应和能量变化的关系，这样学生就能建立起比较完善的三重表征的化学思维，实现三重表征之间的联系与转化。进入高二学年的选择性必修课程学习以后，学生将在教师的引导下，自觉运用“三重表征”思维进行化学学习与研究。如在“化学反应原理”模块，从化学反应与能量，化学反应的方向、限度和速率，以及水溶液中的离子反应与平衡等方面，探索化学反应的规律及其应用；在“物质结构与性质”模块，又以微粒之间不同的作用力为线索，研究不同类型物质的有关性质，进一步认识物质构成的规律，丰富物质结构的知识，等等。化学教学应该注意学段或课程知识的递进关系，并结合相应的学段或课程知识开展三重表征的教学，促进学生形成对应的“宏观—微观—符号”信息转换水平，同时获得化学思维能力的逐级提升。

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