关于化学学科核心素养培育的微观思考

摘要：重点分析了“宏观辨识与微观探析”与“证据推理与模型认识”要素的学习行为表现，以及两者之间学习行为的关联性，在此基础上提出了化学学习活动中“思想实验”的概念，并通过对体现化学学科教学特点的“思想实验”作进一步的微观剖析，以期促进一线教师对化学学科核心素养的再认识。

关键词：核心素养;学习行为;关联分析;思想实验;微观思考

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）提出包含五个要素的高中化学学科核心素养。这五个要素“立足高中学生化学学习过程，各有侧重，相辅相成”[1]。要将化学学科核心素养的培育真正落实于课堂教学，需要我们进一步研究各要素之间的相互联系，并将这种联系与学科教学的具体内容予以关联，从教学活动的微观层面赋予实践操作的方案与流程，使化学核心素养的培育与鲜活的知识、灵动的教学紧密结合。

为此，本文就体现化学基本学科观念、内容和最具特征思维视角的“宏观辨识与微观探析”，以及体现化学学科探究形成结论的特征思维方法的“证据推理与模型认知”两要素的学习行为以及两者间的关联性进行分析，并对体现化学学科教学特点的“思想实验”作微观剖析，分析高中化学实际教学中的某些相关问题，以期促进一线教师对化学学科核心素养更为深刻的认识。

1 “宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”学习行为的关联性分析

作为“从原子、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”[2]，化学学科的最大特点在于从微观层面剖析物质的宏观性质，以证据（逻辑）推理方式得出相关结论，并以符号形式构架起宏微观结合的模型。因此，高中化学学科核心素养之“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”两要素间自然存在特定联系，在实际教学中也必然存在关联性。

1.1 “宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”学习行为简述

对于“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”素养培养的学习行为，可以从两要素培养目标以及《课程标准》中关于学科素养的评价依据中去发现。

第一，“宏观辨识与微观探析”素养的培育目标在于希望学生通过相关化学学习活动，自觉利用宏微观联系的观念研究物质世界的变化，进而形成物质结构与性质相联系、宏观与微观相结合的思维习惯[3]。《课程标准》对“宏观辨识与微观探析”的目标达成提出了以下四个方面的学习行为以及评价依据[4]：

（1） 通过观察能辨识一定条件下物质的形态及变化的宏观现象，初步掌握物质及其变化的分类方法;

（2） 能运用符号表征物质及其变化;

（3） 能从物质的微观层面理解其组成、结构和性质的联系，形成“结构决定性质，性质决定应用”的观念;

（4） 能根据物质的微观结构预测物质在特定条件下可能具有的性质和发生的变化，并解释其原因。

因此，“宏观辨识与微观探析”学习行为更多指向的依据是化学学科的探究内容，以宏微观结合的方式，构建化学问题解决的思维视角[5]并以此形成学科观念的过程。

第二，“证据推理与模型认知”素养的培育目标在于通过物质性质研究进行比较、分析、归纳、概括等能力的培养，帮助学生建立依据物质变化的内在规律，做出模型假设与模型构建并实现解决化学问题的基本框架。《课程标准》对“证据推理与模型认知”如何落实于具体的学习过程，提出了以下五个方面的表现行为[6]：

（1） 初步学会收集各种证据，对物质的性质及其变化提出可能的假设;

（2） 基于证据进行分析推理，证实或证伪假设;

（3） 能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径;

（4） 能认识化学现象与模型之间的联系，能运用多种模型来描述和解释化学现象，预测物质及其变化的可能结果;

（5） 能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架。

因此，“证据推理与模型认知”学习行为更多指向基于观察和实验等方法获取物质及其变化的事实，并进行分析推理、抽象概括、建构模型的过程。体现了化学学科探究、形成结论的思想方式[7]。

1.2 “宏观辨识与微观探析”“證据推理与模型认知”关联性学习行为的分析

无论是化学问题解决的思维视角或是思想方式，都必须通过一定的行为（活动）方式与目标指向而逐步达成的。尽管上述两种素养学习行为方式不尽相同，作用指向也各有侧重，但它们并非互为排斥或独立存在，而是相互关联并统一于化学学习认知活动过程中。其关系如图1所示。

具体而言，两者之间的关联应该包括以下两个方面：

其一，“宏观辨识”为“证据推理”提供了感官认知或基本假说，与此同时，“证据推理”又必须对这种感官认知或基本假说进行证实或证伪，并由此构建观点、结论、证据三者间的关联性，形成问题解决模型。

其二，“模型认知”为“微观探析”提供微观言说与表征方式，与此同时，“微观探析”又从原子、分子水平为“构建言说物质性质与变化”的模型提供了特有的思维视角，最后达到认知物质世界的基本方法。

基于以上对两要素的关联性分析，我们认为在高中化学课程学习中的教学指向，就在于要求学生能通过事实收集物质及其变化的证据，基于证据进行分析推理形成结论，能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径;能依据物质及其变化的信息进行抽象概括并建构模型，用模型思想认识物质及其变化的一般规律。

2 “宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”关联性学习中的“思想实验”

化学学科中的“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”均强调“从微观粒子及其相互作用的视角认识物质世界，根据物质微观结构预测物质性质及其反应，运用多种模型描述和解释化学现象、预测物质性质，构建用‘宏观—微观—符号三重表征表示物质及其变化的思维框架”[8]。

2.1 “宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”关联性学习的两种形态比较

“宏观辨识”与“证据推理”之间的联系更多地体现在对于对物质性质的探究，它们都强调了如何引导学生获取化学现象与事实，发现并提出有探究价值的问题，开展基于证据层面的分析推理并形成科学结论。

而“微观探析”与“模型认知”之间的联系则更多地关注于复杂化学问题的解决，关注于从微观层面理解物质性质与结构间的联系，根据微观结构构建模型与假说，从而实现对物质性质、变化及现象进行解释并预测。

由此，我们认为高中化学学习活动中存在两种学习方式（见图2）。

学习方式一：由宏观实验现象进入到微观分析，并由此积累宏观实证形成学科理论，并以此进行宏观现象的深刻理解。

学习方式二：对微观世界进行宏观（认知）假设，并结合这种（认知）假设作证据推理得到思想模型，并以此进行微观结构的解释表达。

其中，第二种学习方式中所提出的“思想模型”，就其概念而言就是指人们“通过对客观事物进行形象、近似与扼要摹写的高度抽象，进而揭示客观事物本质与规律”[9]。

这种高度抽象并言说化学微观世界本质的学习方式，可能更接近现代化学研究的发展方向，即由“宏观现象的描述化学转入微观研究的理论化学”，凸显理论思维的物质微观结构研究，以及由微观模型改造宏观世界。

与此同时，作为一种高度抽象的非物质的理想客体的“思想模型”，它的构建必须依赖于一种被称为“思想实验”的方式而实现。因此，我们有必要关注现代高中化学理论教学中引入“思想实验”的教学方式。

2.2 “宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”关联性学习中的“思想实验”

所谓的“思想实验”，就是“一种只能在科学家头脑中进行的纯粹想象的实验，通常是因为它所涉及的过程无法在现实世界中实现，虽然属于一种思想上的理论构建，但思想实验通常会导致对现实世界的深刻理解”[10]。

因此，作为科学研究中一种重要的思维方法，“思想实验”是将实验条件、过程在思维中以理想化的方式表现出来，其最大特点在于“跨界式”的深层次思维概括与逻辑论证。高中化学课程尤其是《物质结构与性质》模块的教学，对“思想实验”尤为强调，如关于“电子云”及“原子轨道”概念的形成、反应体系中的“碰撞理论”、物质结构中的“化学键”的形成与断裂、分子的空间构型等等，都需要我们具有一定的宏、微观之间的“跨界”联想，以及宏观抽象与微观想象之间的思辨意识与能力。

我们通过“电子云及原子轨道”概念的学习，分析基于“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”学科素养培育，并以两者相互关联所表达的“思想实验”学习认知过程：

（1） 首先由“思想实验”提出了对微观世界的“宏观假设”，形成了“无数张照片叠加”之想象;

（2） 然后对宏观假设及现象进行“类比和新图式”，形成了统计意义上的电子出现几率之描述;

（3） 进而建立思想场景并逻辑推理，形成“电子云”概念的认知;

（4） 对电子云概念进一步重构，由此形成“原子轨道模型”;

（5） 继续深化到对微观世界更为深刻的认知，并进入到“推广应用与解决问题”。

具体学习过程见图3“电子云及原子轨道”模型学习过程的“思想实验”。

当然，关于原子核外电子运动状态描述的学习，我们必须遵循原子结构模型发展轨迹，结合原子光谱事实作为证据进行推理，但是，当学生缺乏量子化概念以及数学统计知识的时候，以上述的“思想实验”帮助学生建立“电子云及原子轨道”的概念还是具有非常现实的教学意义的。

3 关于核心素养两要素关联性学习活动中“思想实验”的再思考

提出化学学习中的“思想实验”，是基于对“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”关联性分析，以及当代化学发展已深入到微观领域的研究，并由此带来的高中化学教学目标指向中一个更为深层次的问题，这就是：现代科学发展不仅需要更为高精尖的实验技术支撑，同时需要人们自身的思维实验加以验证，而且这种思维过程将越来越多地呈现在其他学科的研究领域。同时，它也更为深刻地体现了化学核心素养的培育是通过大量感性材料的积累，不断思考、质疑和探析，并进行抽象提炼形成理性经验的过程而实现的。

3.1 高中化学学习活动中“思想实验”教学基本流程的思考

高中化学学习活动中的这种“跨界式”的思想实验，其过程就是借助于学生已有的经验事实（或宏观现象）进行微观假设，并以此得到相关的理论模型（或结论），之后对其他与之相关的现象做出解释，当这种解释对当下的许多问题是合情合理的，那么这种理论模型就被认为在现有条件下是合理的，反之，我们就必须不断加以修订与完善。化学微观层面的许多研究所借助的就是这样的一种思维方式进行的。

正如我们前面所谈，高中化学学习活动中多涉及微观模型的分析过程，许多情况下我们是在不知不觉中采取了“思想实验”的思维活动方式组织教学的。分析并综合实际教学情况及相关研究[11]，我们力图尝试构建起了如图4所示的高中化学学习活动“思想实验”的基本流程。

3.2 关于学习活动中“思想实验”教学基本流程的几点说明

针对图4所示“思想实验”教学基本流程，我們提出了以下几个观点：

第一，一个完整的思想实验必须具备以下三个要素：首先要建立思想场景，即在大脑中构建起一个符合公认原理的思考空间;其次提出对问题解决的假设（或假说）;最后需要对这种假设（或假说）在大脑构建起的思考空间进行逻辑推理。

第二，新问题或新情景必须要激发起认知结构中已有的经验事实或图式：这里的“图式”指的是人脑中已有的知识经验的网络，是一种认知结构的单元;而我们所说的激发“图式”是指能够引发原有认知经验的纽带或桥梁。

第三，必须对已有概念进行逻辑重构：具体而言，就是学生按照问题所遵循的公认原理，运用逻辑推理的方式，在假想真实（或似真条件）下进行的逻辑重构。

第四，对“自洽”的说明：简单地说就是按照自身的逻辑推演，自己可以证明自己至少不是矛盾或者错误的。

3.3 关于“思想实验”与宏观化学实验相关性的思考

化学学科核心素养是学生在化学认知活动中发展起来，并在解决与化学相关问题中表现出来的关键素养，反映了学生从化学视角认识客观事物的方式与结果的水平[12]。因此，无论传统意义上的化学宏观实验或是本文所提出的“思想实验”，其最终目标指向是殊途同归的，即学生通过一系列的化学认知活动逐步培育与沉淀以“化学视角认识客观事物”的一种内在品质，并使之成为学生当下学习和今后工作或生活中能主动从化学视角分析、看待问题的自觉意识和思维习惯。

然而，两者之间存在较大的差异性，尤其是高中阶段的传统宏观化学实验，一般是“尽可能排除外界的一些次要因素，突出主要变量，力争在观察到各种现象之间相互关系的條件下，利用仪器、设备，人为地控制使某一事物或过程重演”[13]，其关注的是通过对宏观现象的抽取引发思考问题，从而形成模型认知;而“思想实验”则是“研究客体的思想模型，主要是借助于表象和逻辑思维来进行一系列‘操作，体现了形象思维和逻辑思维的有机结合”[14]，其思维过程是通过宏观假设的形象启发，通过联想类比而形成的。

但是，我们必须要明确的是：化学上的“思想实验”必须是以化学宏观实验为根据和前提，从一定意义上来说，我们目前所谈论的化学“思想实验”大量的还是对宏观实际现象更为深入的抽象分析，其推理过程也以宏观现象为背景。

因此，上述关于“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”关联性思维活动中“思想实验”的论述，我们只是一个思考，许多问题尚待同行一起研讨。在此我们还是有必要重申一个问题，这就是：我们不能以“思想实验”之名，把应该做的或应该呈现的传统化学实验变为大脑“现象实验”而取而代之了。

从现代化学的发展史看，化学理论与化学实验的关系更为复杂，更为密切。人们可以从更精密、更准确的化学实验宏观现象的抽取中建立起新的化学理论，而理论又反过来指导新的实验，又促使人们提出更新的理论。如在新课程（教材）中引入诸如“核磁共振波谱仪”“红外光谱仪”“质谱仪”等简单谱图的介绍，这不仅是对传统实验的一个提升，更是显现了从“宏观数据或图谱”的识别中认知未知物质的“微观结构与性质推理”，使我们的化学教学变得更富有内涵，让化学学习真正体现具有提升学生核心素养不可或缺的价值意义，这可能也是新课程（教材）引入这些实验的目的所在。

参考文献：

[1][2][4][6]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018：5，1，65.

[3]顾建辛. 关于化学核心素养培育的微观思考[J]. 化学教学，2019，（1）：5.

[5]吴星. 对高中化学核心素养的认识[J]. 化学教学，2017，（5）：5～6.

[7]顾建辛. 关于化学核心素养培育的微观思考[J]. 化学教学，2017，（11）：35.

[8]杨梓生. 研究学科核心素养内涵特性应有的三种基本视角[J]. 福建基础教育研究，2016，（8）：69.

[9]高达生. 略论模型法[J]. 哲学研究，1981，（7）：38～45.

[10][英]西蒙﹒辛格. 王文浩译. 大爆炸简史[M]. 湖南：湖南科技出版社. 2017. 84～85.

[11]陶杰，卢一卉，李远蓉. 化学实验教学中的“思想实验”及其教学价值研究[J]. 化学教育，2017，（19）：51.

[12]杨梓生. 对高中化学核心素养的认识[J]. 中学化学教学参考，2016，（8）：1～2.

[13][14]涂向阳. 论思想实验[J]. 学理论，2011，（12）：67.