学科核心素养视域下的化学学科本质理解： 意义与视角

王伟王后雄

摘要： 理解化学学科本质，有利于对化学学科核心素养的内涵和培养的理解。从化学学科的形成与发展史入手，分析得出化学学科本质理解的三个视角，分别是化学学科价值、化学学科方法、化学学科知识。分析这三个视角本质的内涵，以及与当前化学学科核心素养的关系，以期为化学学科理解以及教学提供参考。

关键词： 化学学科本质; 核心素养; 化学史; 学科理解

文章编号： 1005-6629（2019）11-0003-06            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

追求科学本质理解是促进科学素养发展的重要组成部分，对于包括化学在内的科学课程而言，学科教学强调对学科本质（科学本质的进阶版本）的教学，但学科本质究竟是什么，从已有研究来看，不管在学科的课程标准，还是相关的研究论文中，都言语不详，更没有达成一致。学科本质不是一个新名词，2017年版高中各科课程标准的“修訂内容与主要变化”部分都明确提出“各学科基于学科本质凝练了本学科的核心素养……”。当然学校教育中的化学学科与自然形成的化学学科并不完全一样[1]，从学校教育的角度理清化学学科本质，有利于教师透过化学学科知识背后理解学科核心素养和学科教学。

1  化学学科本质价值诉求

学科，有两种涵义，一种是学术的分类，如化学是自然科学的分支;另一种是课程和教学科目的简称，如初中化学、高中化学。本质，是指事物的根本性质[2]。化学学科本质就是指化学学科的根本性质，基于发展学科核心素养和中学化学立场研究化学学科本质，和从科学的立场是不同的。前者既要聚焦中学化学，也要跳出中学化学的“圈子”，从化学学科整体发展来审视化学学科本质。化学学科本质的形成不是一蹴而就的，其形成必蕴含于化学学科的形成与发展的历史中，并随着化学学科的发展而赋予新的价值。化学史的研究对探寻学科本质有重要价值，Matthews认为科学史是理解科学本质所必需的[3];陆军认为通过对化学史的适当设计加工，让学生亲历适合自己的研究，并生产出属于自己的科学知识，有利于形成对科学本质正确的理解[4];王保强认为将化学史融入课堂教学，有利于学生从历史的角度把握化学的本质[5];Irwin发现通过化学史的教学，可以显著增进学生对科学本质的理解[6]。当前化学教学缺少从化学史角度对化学本质的探寻与追问，事物现象与本质是对立统一的，现象是本质的外在体现，本质决定现象[7]。因此，从化学史中探寻和理解学科本质既是合理的，也是必要的。

2  理解化学学科本质的视角

如何从化学史中得出其学科本质？通过对化学发展史上的关键事件的分析，可以得出化学学科研究对象、方法、特点等，也为化学学科究竟需要培养什么样的人的分析（即素养）奠定基础。通过对化学学科形成与发展的梳理，从价值论、方法论、认识论、本体论等视角分析化学学科本质，其主要体现以下三个视角。

2.1  化学学科价值视角

一切价值都是人的价值[8]，通过人（主要是化学家）的推动，化学学科价值是化学学科本质的首要体现。化学学科关注的不仅仅是机械的和变化发展的自然现象、科学探究，还包括扩展学科知识，这样人们就用它通过创造和发现物质来满足他们的需求[9]。

社会价值： 首先来看社会价值，在古代化学发展时期，无论是满足多数人们生产生成需要的制盐、酿酒等技术，还是满足特殊需求的炼丹术、炼金术等，都是古代化学技术价值的彰显。在近代化学发展时期，随着欧洲文艺复兴的思想解放，化学研究方法的逐渐成熟，化学推动着工业技术的不断革新，例如以煤焦油为原料的有机合成工业，染料、医药、炸药等化学产品在生产生活中广泛使用，化学在生活所起的作用和价值得到进一步彰显。进入到现代化学时期以来更是如此，化学学科与STSE的联系愈发紧密了。

育人价值： 其次来看育人价值，化学学科对于化学家的培养也具有重要的个人教育价值。例如在从事化学研究之前，普利斯特里是名牧师，舍勒是名药店学徒，二人都是自学化学成才。通过系统地培养学习，位于德国的吉森大学公共化学实验室（李比希创建）直接或间接培养了一批批研究富有成效的化学家（多人获诺贝尔奖）。育人价值体现在通过自学、师徒传承、专业学习来培养化学专业人才;通过对学生化学知识传授，化学科学伦理、科学精神与人文精神的熏陶，来形成公民基本的科学素养。总体来看，化学学科育人价值要以立德树人的根本宗旨，体现培养化学专业人才、培养具备科学素养的公民和传承化学知识等。

学科价值： 最后来看化学的学科价值，化学学科通过对物质的研究，对其他学科的发展也起着重要的推动作用。从学科发展史来看，从物理学科脱胎而出的化学学科，是一门中心学科，它对生命科学（如有机官能团与生物医药研制）、材料科学（如化学新材料的研制与改进）、能源科学（如化学能量的转化）、信息科学（如二氧化硅与光导纤维）的学科发展起着重要作用。

纵观历史，化学家更关心的是新化合物的合成和分析转化物质的新工艺的设计，而不是揭开自然界的深层秘密[10]。他们研究科学的方法从根本上讲是务实的，既把理论和模型作为操纵物质的工具，也把它们作为预测和解释的工具。分子、官能团等化学结构既有知识价值，又有经验价值;它们既是思考的工具，又是改造物质世界的工具。也就是说，追求化学学科对个人、社会和学科的价值，是促进化学学科方法创新、规律探寻、物质创造等的源泉。化学学科对于其他学科发展、社会发展以及对个人学习具有重要的价值，这种价值是其他学科无法代替的，因此化学学科价值是理解化学学科本质的视角之一，这也是将其第一个论述的原因。

2.2  化学学科方法视角

化学家们对化学的研究需要一定的方法。从科学学科方法来看，既有具象的学科方法，如化学实验，也有抽象的学科方法，如学科思维。

化学实验： 从化学学科发展来看，实验探究是化学学科研究的基本方法，化学学科的飞速发展离不开实验的技术革新与使用。虽然实验是物理、化學、生物等学科科学认识的基本手段与途径[11]，但化学学科是在原子和分子这种独特视角研究化学物质的组成及其变化，化学是“变化”之学。古代化学之所以没有形成近代化学学科，在于其研究还停留在经验操作和以直觉、臆测为代表的朴素思维层面，没有用科学方法对化学规律进行揭示。拉瓦锡对氧的发现与燃烧氧化学说之所以作为近代化学形成的标志性事件，原因之一就是将定量研究引入实验;物理化学中的放射法对新元素的发现功不可没，其通过α粒子穿透金箔实验验证了原子的结构;戴维利用了“伏打电池”44年里发现了31种元素，并在电解盐酸的过程中发现了氯气，否证了拉瓦锡提出的“酸中都含有氧”的错误说法;X射线对发现新元素、测定晶体结构、材料分析等都有着重要的应用。以上例子证实化学实验是体现化学学科本质的基本工具，实验工具的创造革新与使用是促进化学理论更新、化学物质发现创造的最强有力手段。

化学实验法区别其他科学实验，从学科本体论来看，化学实验具有独特的研究对象和视角： 近代化学学科之所以能从物理学科中剥离开来，有几个重要特点，一是在化学中，动力的基本单位是反应，而物理相应的是相互作用力;二是化学关注的是不同物质作为整体是如何相互作用的，而不是类似的物质在微小尺度上如何作用（这是物理所关注的）;三是化学反应有相应的时间维度，因此化学关注时间尺度、特征尺度，而这个问题对物理来说则没有。化学学科关注的是特定尺度上的物质，即反应和转变[12]。以上三点集中体现为化学学科方法的特征。进入现代化学时期，随着X射线和原子、分子微观结构的使用和探明，研究对象从宏观走向微观、从描述走向推理，随着化学家们对化学物质性质、合成、创造、内在规律（如元素周期律）等的连续探索，化学研究基于原子、分子、基团等微观粒子的结构、性质逐渐被探明，化学学科因研究领域不同而进一步地分化，放射化学、高分子化学、生物无机化学、金属有机化学、金属原子簇化学、有机合成化学、材料化学、环境化学等化学分支学科领域研究，这正是化学在不同层面描述、创造物质的典型体现。因此化学实验方法是基于对化学学科本体的研究，即从分子、原子层面去研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用;研究目的是在微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质[13]。

化学思维： 思维是人们认识世界、改造世界最重要的主观来源，化学学科研究与学习具有独特的思维方法。例如化学知识很大一部分被组织在一系列相互关联的分类系统中，这些分类系统浓缩和系统化了大量化学物质和化学性质。因此化学分类是一种强大的工具，这包括它的预测、决策功能，它允许我们在分析物质性质的基础上推断其潜在的性质、组成、结构[14]。化学家们结合了实验方法的学科研究基本思维，如大胆质疑，谨慎探究、建模等，也是促进化学学科不断发展进步的重要原因。在近代化学发展时期，受传统燃素说的影响，虽然布拉克、卡文迪什、普利斯特里、舍勒等人都做了燃烧实验，只有拉瓦锡建立了科学的燃烧学说，其原因是拉瓦锡创造性地透过现象看本质，通过实验验证、质疑燃素学说，最终在进一步实验的基础上提出了科学的燃烧学说;又例如虽然拉瓦锡、贝莱纳、尚古多、迈尔、纽兰兹等人都曾对元素和物质进行了分类，但只有门捷列夫科学地发现元素周期律，并根据规律大胆地对预测出的碲、金等原子量表示怀疑，也预测了某些未发现的元素，这些都通过实验得以证实（如将铀的原子量由116修正为240，预言了未知金属Ga的原子量与性质），凯库勒“梦中”发现苯环结构亦是如此。

化学学科的发展就是人们利用实验与思维作为证据，共同作用碰撞的结果，化学研究的不断推进，化学学科的不断成熟完善，以化学实验和思维为主的化学学科方法功不可没。鉴于化学思维的重要作用，有关化学思维、化学高阶思维的研究是当前的研究热点[15～17]。因此，化学学科方法是理解化学学科本质的视角之一。

2.3  化学学科知识视角

国际著名科学教育家马修斯（Matthews， 1991）认为科学教育的目的有两个方面，对科学事实、规律以及具体学科（如化学）相关知识的传播是其中的目的之一[18]。化学学科知识结构、来源是两种重要的从化学学科知识认识学科本质的视角。化学知识结构是从认识论角度认识化学学科的结果导向产物，即knowthat，化学知识经验的简单集合，即形成了化学知识。化学知识来源是从认识论角度认识化学学科知识的过程导向产物，即knowhow[19]。

化学知识结构： 化学家们通过实验得出大量丰富的化学知识，这些化学知识之间不是孤立存在的，由于化学物质之间的反应、合成、转化，对应化学知识也拥有自在的逻辑关联，形成一定的结构。孤立的化学知识支撑不了一个学科的形成，化学学科的形成需要学科知识结构化。例如拉瓦锡在发现氧气之后，通过电解水发现了氢气（道尔顿称之为成水元素，hydrogen）;道尔顿原子学说与盖·吕萨克分子学说和阿伏伽德罗之间的关系;元素周期律的发现与新元素发现之间的关系;凯库勒提出碳四价与有机物结构、合成等化学知识之间的结构关联;拉瓦锡提出的氧化学说在燃烧、缓慢氧化、电化学、有机物反应等多个层面的关系等，都体现了化学知识内部之间的结构特点。随着现代化学学科发展逐渐成熟完善，化学知识的关系与结构也基本探明、成型，这种关系和结构较明晰地以结果的形式表现在现行化学课程的课程标准与教科书中，表现为文本上的符号、文字、编排体例和编排顺序。站在中学化学的立场来看，有限的课程容量与近乎无限的科学知识之间存在天然的冲突，化学课程不应成为化学孤立知识的“仓库”。总体来看，理解化学学科知识结构，要基于三个维度（结构、能力、时间）和三个水平（宏观、分子、电子）的角度[20]，理解化学基本概念（包括概念、原理、事实）之间关系，理解其与化学观念的联系，理解化学不同学段间的联系，理解其在学科和课程中的地位，理解其跨学科联系等，这都是理解学科知识结构的重要内容。

化学知识来源： 如果把化学学科知识结构当做是明确的知识（explicit knowledge），那么化学知识来源就是默会性知识（tacit knowledge），默会性知识意味着必须要体验其产生来源的过程。化学学习不仅需要正确的客观性知识，还需要从化学知识的产生与来源中去发掘争议和论证性问题，探寻学科本质。科学史的一种重要作用就是通过教师在讲授科学知识的同时，以实证的方式向学生展示概念、原理发现的全部历史，指明其中遇到的各种困难以及如何决策的过程[21]。例如，燃素说是化学史上第一个统一的理论，几乎解释了当时所知的绝大多数化学现象，化学就是借助燃素说从炼金术中解放独立出来的[22]。而随着社会的不断发展，燃素说并不能解释所有实验现象，从1703年斯塔尔提出燃素说开始，到1777年拉瓦锡发表《燃烧概论》，科学燃烧学说的建立历经70多年。拉瓦锡自己对燃烧学说建立也很谨慎，从1772年到1777年，历经5年大量的实验才得出结论。化学家们的认识与学生的学习阶段具有相似性，学生的认识与化学史的发展具有相似之处[23]，科学家与儿童的认知具有相似性[24]，科学学科的概念理解与科学史上的发展是平行的[25]。当今化学学科正在快速发展，化学知识更新速度也在加快，正确地认识和发展化学科学技术是擺在人们面前的迫切问题[26]。感受化学家们在其中的艰辛探索、研究方法等，将有利于科学的品格、态度的养成。丹麦的科学史学家卡拉夫（Kragh， 2003）认为科学史具以下功能： 科学史是一种批判性评价科学方法和概念的工具;科学史研究提升科学本身的价值和威望;科学史作为科学研究的背景材料，可以展示科学知识的本质[27]。总体来看，从学科知识来源视角理解学科知识（如燃烧的定义、条件），有利于理解其背后的科学态度（如实事求是、勇于创新、科学伦理）、科学过程（如探究、推理、证实与证伪、决策）以及相应的教学方式（如将化学知识的历史发展脉络梳理清楚，挑选其中有关争论、暂定、决策等历史素材，将之作为促进学生学习的载体），这亦是化学学科本质的价值所在。

3  化学学科本质理解的内容剖析

综上所示，总结得出化学本质三个视角的内容表述，如表1所示。

表1  化学学科本质理解内容表述

学科本质内容内容表述

化学学科价值社会价值;育人价值;学科价值

化学学科方法化学实验： 特定视角（原子、分子水平）对物质（组成、结构、性质、转化及应用）进行的研究;化学思维

化学学科知识知识结构;知识来源

因此，理解化学学科本质，就是要从化学学科价值、方法和知识三个视角去具体把握学科不同层面的本质内涵。理解化学学科本质，还需要澄清以下两个问题。

3.1  化学学科本质理解三个视角的关系

从事物之间的内部联系来看，化学学科本质理解的三个视角反映了其本质的不同侧面，基于价值论视角的化学学科价值是其学科发展的内在动力，学科发展体现对社会和育人的巨大价值，这种价值是推动着化学学科发展进步的最强大动力;而化学家们之所以能取得如此大的成就，其基于方法论视角的研究方法是推动其研究的基本手段;随着化学学科的不断形成与完善，外在认识论视角的化学知识之间的内部关系与结构也日趋完善，这也是学生化学学科学习的显性目标所在。图1是化学学科本质三个视角的内在关系图。

图1  化学学科本质理解三个视角的内在关联

从图1看出化学本质理解的三个视角之间的关联，图中的箭头表示本质不同维度之间的相互促进作用。例如化学学科价值作为“内在驱动”，对“研究手段”的更新、“外在体现”的揭示起着促进作用。就“研究手段”而言，其不断革新和使用有利于学科价值的彰显。因此，这三个维度是不同侧面理解化学学科本质的关键，缺一不可，直接将化学学科本质理解成化学学科的定义，不利于其学科本质的理解和表征。

3.2  化学学科本质与核心素养

学科本质与学科核心素养具有天然的内在联系。学科核心素养不是凭空得出，其形成有其内在逻辑，基于学科本身发展形成的化学本质和时代发展需求是其重要的考量因素。总的来看，理解学科本质是发展学生学科核心素养的基础和条件，教师理解了学科的本质，就有利于发展学生的学科核心素养。二者的关系如图2所示。

图2  化学学科本质与学科核心素养的关系

如图2的“冰山模型”，核心素养是表现出来的结果（水面之上），学科本质位于水面之下[28]。化学学科核心素养表述侧重于培养的结果导向，是化学教育教学需要达成的目标。这些目标的实现，离不开化学学科知识载体，化学学科方法引领，化学学科价值驱动。课堂教学只有统筹好三者的关系，才有可能实现学生化学学科核心素养的发展。值得提出的是，化学学科核心素养突出化学学科方法层面的培养（如宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学态度与创新意识），皆因化学学科方法是研究与学习的工具和手段。例如从分子水平看，生命活动本质上就是一个化学过程，生物学家其实是在用化学领域的思维，进行改变生命科学的研究。迄今颁发的105次诺贝尔化学奖中，42%的研究成果“跨界”属于物理、生物、医学等领域，新世纪颁发的18次奖项中，有12次与生命科学相关[29]。因此培养新时代拔尖化学专业人才和高素质公民，其具备化学学科方法，特别是创新意识，是十分重要的，这也就不难理解化学学科核心素养中化学学科方法所占比例高的原因了。

在教育理论层面，较有影响力的观点是将学科知识的形态作为学科的核心，是学科的本质所在[30]。这种认识虽然简洁明了，但难以把握具体学科知识背后的本质特点。从价值论、方法论、认识论与本体论视角有利于全方位、多角度理解化学学科本质，有利于加深对化学学科核心素养的理解与教学。对学科本质的理解有利于加深对学科理解的认识[31]，不管学校课程改革目标如何变化，从“双基”到“三维目标”，再到学科核心素养，多视角理解学科本质，是加深化学学科核心素养内涵理解，以及理解拓宽培养途径的有效方式。

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