例谈化学认识思路的结构化设计

练小红

摘要：应用结构化思维理论和金字塔原理，以化学核心概念和大单元的认识思路的结构化设计为例，阐述认识思路的结构化设计对于学生化学学科核心素养发展的重要性及设计的原理和方法。

关键词：认识思路;结构化设计;学科视野;学科核心素养

文章编号：1008-0546（2022）10x-0002-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在实施建议中提出：“教师在组织教学内容时应高度重视化学知识的结构化设计，充分认识知识结构化对于学生化学学科核心素养发展的重要性，尤其是应有目的、有计划地进行‘认识思路和‘核心观念的结构化设计，逐步提升学生的化学知识结构化水平，发展化学学科核心素养。[1]”在人民教育出版社出版的普通高中教科书《化学选择性必修1化学反应原理》第三章的“整理与提升”就出现了“水溶液中的离子反应与平衡”的认识思路结构化图示（见图1），[2]该认识思路的结构化设计基于“弱电解质的电离与平衡”“盐类的水解与平衡”“难溶电解质的沉淀溶解平衡”，提示从“粒子”“反应”“平衡”三个认识视角来认识“水溶液中的离子反应与平衡”，从而促进“粒子观”“变化观”“平衡观”观念的发展。“认识思路的结构化”伴随着新课标新课程实施走进了我们的视野，引起了大家的关注，笔者聚焦在“化学认识思路的结构化”进行了思考和探索，尝试更深入地去理解其含义，在教学过程中践行新课程的理念，促使化学学科的核心素养落地、生根、发芽、开花、结果。

一、化学认识思路的结构化的内涵

认识就是认识知识，即人脑反映客观事物的特性与联系，并揭露事物对人的意义与作用的思维活动。从广义上讲，认识包含人的所有认知活动，即为感知、记忆、思维、想象、语言的理解和产生等心理现象的统称。认识是一种信息加工过程，可以分为刺激的接收、编码、存储、提取和利用等一系列阶段。从狭义上来讲，认识有时候等同于记忆或思维。这里讲的认识是指狭义的认识。

所谓化学认识思路，是指对物质及其变化的特征及规律进行认识的程序、路径或框架。[3]化学认识思路的结构化，就是将认知化学环节按照一定的逻辑线索有机地组织起来，是从学科本原对物质及其变化的认识过程的一种概括。例如：“离子反应”的化学认识思路隐藏在人教版教材《化学必修第一册》第二章第二节[4]的字里行间，经结构化、显性化设计呈现见图2。

问题和假设、实验和证据、分析和推理、结论和应用是科学探究的四要素，按照这样的顺序组织就构成了科学探究过程的认识思路。基于科学探究的化学核心概念的认识思路都可以科学探究四要素进行设计。这里选用科学探究的认识思路来说明化学认识思路还有另外一层含义，就是人的一切认识都来自于实践。化学实验是研究和学习物质及其变化的基本方法，是科学探究的一种重要途径，在化学认识过程中发挥了独特的作用。

二、化学认识思路的结构化的地位和功能

图3是化学学科理解的圈层模型[5]。三个圈层的内涵由小变大，既互相关联又层层递进。化学认识思路作为化学的思维方式和方法，处于化学学科理解中间圈层关键地位，发挥其重要的认识功能。化学认识思路的形成以化学知识为基础，而又超越了具体的化学知识，具有一般的方法论意义和价值。

例如：“弱电解质的电离”的认识思路的结构化，可迁移到“水的电离”“盐类的水解”及“沉淀溶解平衡”。而对“水溶液中的离子反应与平衡”的认识思路的结构化的一般思路（见图4）为“宏观现象—微观粒子—变化与平衡—平衡规律”，进一步进行概括就形成了科学表征的“宏—微—符—图四重表征模型”，再进一步概括就形成“粒子观、变化观、平衡观”等化学观念。

三、化学认识思路的结构化的价值

化学认识思路的结构化具有非常重要的素养发展价值。化学认识思路是对认识过程的化学思维方式和方法进行概括，能促进化学学科核心素养的发展。

例如：“原子结构模型的演变”是科学家们认识原子的认识思路（见图5），其中蕴含着丰富的化学学科素养发展价值。我们用“原子结构模型的演变”作导航，追随科学家探索原子的脚步，体验一次次伟大的发现，享受一场思维的饕餮盛宴。

19世纪初，英国科学家道尔顿提出原子是微小的不可分割的实心球体，第一次将原子从哲学带入化学研究中，化学真正从古老的炼金术中摆脱出来。约瑟夫·约翰·汤姆生在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干蛋糕模型。卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄干蛋糕式模型的正确性，提出行星模型。为了解释氢原子线状光谱这一事实，玻尔在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。

纵观对原子的探索过程，不难发现科学家建构思维模型在人类认识原子结构过程中的重要作用，建立原子结构模型背后的思路大致是：问题—证据—假说—理论（模型），科学的新实践和新发现为一次次的原子结构的建构和修改提供了强大有力的支撑。原子结构量子化历程是一代代科学家曲折而漫长探索的结果，从哲学原子（古典原子论）—化学原子（道尔顿实心球式原子模型）—物理原子（汤姆生原子模型、卢瑟福原子模型、玻尔原子模型、现代电子云模型），就是批判创新的过程，在否定之否定中发展。通过“原子结构模型的演变”的内容教学可以发展学生的“证据推理和模型认知”“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等化学学科的核心素养。

四、化学认识思路的结构化设计

1.化学认识思路的结构化设计的理论依据

（1）结构化思维

我们应用了结构化思维理论[6]，进行化学认识思路的结构化设计。结构化思维理论从关联程度把思维分为：点状思维、线状思维和结构化思维。对信息只是单个处理加工，单点思考问题，就是点状思维。点状思維就是在学习和思考的过程中，信息点没有发生连接，而是一座座的孤岛，单独存在于大脑中。线状思维就是将两件事、两个概念串联起来，彼此关联，相互连接。结构化思维由A推导出B，由B联想到C，建立起一个清晰、稳定的思考结构，将各个思考部分系统有序地搭配或者排列组合，使知识体系从零散到系统化，从无序到有序。从化学学科的本原来说，元素的“位”“构”“性”就是结构化思维的A、B、C三个点，用结构化思维的方式把三者关联起来，可以表示为图6。

根据元素在周期表的位置和原子结构，可以分析、解释和预测元素的性质，下面用Fe3+的“位”“构”“性”关系为例（见图7）进行说明。

要建立关联，选好关联点是关键。课标中“模块3有机化学基础”提出：“引导学生建立‘组成、结构决定性质的基本观念，形成基于官能团、化学键与反应类型认识有机物的一般思路”。

例如：选择醛基中的碳原子成键特点来认识“乙醛”的化学性质，见图8a。再来观察图8b，显然没选择到最佳关联点。

（2）金字塔原理

芭芭拉·明托在《金字塔原理》一书中提出了金字塔结构的概念。[7]金字塔结构是结构化思维具象化的表现。用图形（见图9）展示其逻辑关系，有三个要点：①内在结构：纵向和横向两个关系;②思维逻辑：演绎推理和归纳推理;③搭建方法：自上而下和自下而上。

金字塔结构具有完美的逻辑性和结构性，金字塔结构的4个原则：结论先行、以上统下、归类分组、逻辑递进。金字塔结构可用于层次较多、关联复杂的分析过程（图15和图16结构化的认识思路就是具象化的金字塔结构）。

2.化学认识思路的结构化设计的逻辑方法

（1）演绎法

根据亚里士多德的论述，三段式演绎法包含大前提、小前提和结论三部分。如果大前提和小前提都是真的，那么结论不可能为假，必然是真的（见图10）。

最为人们所熟悉的典型例子是：

凡人（A）都会死（B）（大前提）。

苏格拉底（C）是人（A）（小前提）。

所以：苏格拉底（C）是会死（B）的（结论）。

三段式基本规则是：第一，它只能有三个概念（C、A、B）;第二，每个概念分别在两个判断中出现;第三，大前提是一般性的结论，小前提是一個特殊陈述。

人教版《化学反应原理》第二章第一节“影响化学反应速率的因素”提出：“如何解释浓度、压强、温度及催化剂等因素对化学反应速率的影响呢？下面通过活化能和简单碰撞理论对这个问题进行讨论。”显然教材用了三段式演绎推理的方法，该内容的认识思路的结构化设计见图11。碰撞理论（A）与反应速率（B）就构成了大前提，外界条件（C）与简单碰撞理论（A）构成小前提，得出外界条件（C）与反应速率（B）的结论。

三段式可以融入因果关系里，三段式与因果关系常见的逻辑是：大前提是因，小前提和结论是果，当大前提被省略时，小前提是因，结论是果。所以“影响化学反应速率的因素”的认识思路的结构化用因果逻辑来演绎也是一样的。

（2）归纳法

归纳法是由特殊推论出一般的逻辑推理方法。如果要给“归纳”找一个替换词的话，“总而言之”就是最恰当的了。

例如：人教版《选择性必修1化学反应原理》第二章第一节中提到：“综上所述，改变浓度、压强、温度等因素可以提高反应产率或者抑制反应进行的程度。法国化学家勒夏特列（H.-L.LeChatelier，1850-1936）曾就此总结出一条经验规律：如果改变影响平衡的一个因素（如温度、压强及反应物的浓度），平衡就向着能够减弱这种改变的方向移动，这就是勒夏特列原理，也称化学平衡移动原理”。可见勒夏特列用的就是归纳法，用归纳法设计“化学平衡原理”认识思路见图12。

演绎法和归纳法是最常用的进行认识思路的结构化设计的两种逻辑方法，“从一般到特殊”的推导过程采用演绎法，“从特殊到一般”的推导过程就用归纳法，应该根据教学内容和学生学习情况来选择。在学习新知识时，采用较多的是归纳法，在复习知识时，采用较多的是演绎法。

3.化学认识思路的结构化设计中的认识视角

化学认识思路的结构化设计的直接结果是认识思路的显性化和可视化。如果标注认识视角，认识思路的可视化就不仅仅是“看得见”，还能“看得清”和“看得明”。“从哪儿想”就是认识视角，“怎么想”就是认识思路，[2]能深刻揭示学科本质，促进化学学科观念形成。

4.化学认识思路的结构化设计中的大视野

单元学习和模块学习的认识思路的结构化设计，情况就复杂多了，每一节学习小概念有思路，单元学习也有思路，这就用透彻的洞察力抽象认识的视角，凝练学科大观念。其认识思路搭建成金字塔结构可呈现学科大概念的大视野。

例如：图14是“物质结构”认识思路按章节进行的结构化设计，在此基础上，搭建“物质的组成和构成”认识思路的金字塔结构。横向往右展开小概念（如：物质的聚集状态、物质种类、元素种类、元素价态、微粒种类、微粒大小、微粒间作用力、微粒的空间排布等），纵向往上概括和提炼出物质观、元素观、微粒观等学科观念，最后凝练学科大概念，从而设计出“物质的组成和构成”金字塔认识思路，形成学科大视野（见图15）。

又如：对“化学反应原理”的认识思路进行结构化设计，凝练出变化观和平衡观等学科核心观念，形成“化学反应”的“金字塔”认识思路的学科大视野（见图 16）。

“如果你有一把锤子，那么在你看来，无论什么看起来都像钉子”。我们在教材解读、教学设计、课堂组织、论文写作和课题研究等各项工作中，可以自觉地运用结构化思维这把“锤子”去思考和解决问题，增进对化学学科的理解，提升课堂教学能力和教学研究能力。在教学过程中有目的、有计划地引导学生概括核心概念和大单元的认识思路，形成基于“认识思路”的结构化，进而提高核心观念的结构化水平，形成结构化系统思维和学科大视野，进行举一反三、迁移应用，发展学生的化学学科核心素养。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书（化学选择性必修1）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]郑长龙.核心素养导向的化学教学设计[M].北京：人民教育出版社，2021.

[4]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书（化学必修第一册）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[5]肖忠荣.基于学科深度理解的教学设计思考——从高级教师课堂教学能力测评说起（J）.中学化学教学参考，2020（8）：64-66.

[6]黎甜.结构化思维[M].北京：文化发展出版社有限公司.[7][美]芭芭拉·明托.金字塔原理[M].海口：南海出版公司.