化學(xué)學(xué)習(xí)中洞察力的培養(yǎng)

吳晗清 張霄

氧化還原反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)的重要內(nèi)容，筆者在北京一所著名的中學(xué)調(diào)研時(shí)，實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生對(duì)這樣一道題竟然全都束手無策：甲苯（C6H5CH3）能使酸性高錳酸鉀（KMnO4）溶液褪色，已知甲苯被氧化成苯甲酸（C6H5COOH），高錳酸根離子被還原成二價(jià)錳離子（Mn2+）。請(qǐng)寫出該反應(yīng)的離子方程式。

筆者對(duì)此感到很吃驚，氧化還原反應(yīng)究竟應(yīng)該如何學(xué)，化學(xué)應(yīng)該如何學(xué)？筆者認(rèn)為教師應(yīng)通過有效地引導(dǎo)，讓學(xué)生主體參與到知識(shí)的形成過程中，深刻理解知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，把握整體知識(shí)的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)，從而形成敏銳的洞察力，以便高效準(zhǔn)確地解決新情境中的問題。

一、何謂洞察力

洞察力指深刻把握事物或問題的能力，是一種綜合能力。黑格爾指出，“自然所表現(xiàn)給我們的是個(gè)別形態(tài)和個(gè)別現(xiàn)象的無限量的雜多體，我們有在此雜多體中尋求統(tǒng)一的要求……力求認(rèn)識(shí)每一事物的普遍?！盵1]為了把握這種未知的普遍，必然的統(tǒng)一，當(dāng)然要對(duì)研究的對(duì)象進(jìn)行分析綜合，特別是當(dāng)發(fā)現(xiàn)自然界基本規(guī)律的時(shí)候，對(duì)研究對(duì)象本質(zhì)的科學(xué)洞察力常常起著主導(dǎo)作用。

那么什么是科學(xué)洞察力呢？中科院院士王梓坤教授認(rèn)為，“科學(xué)的洞察力，就是俗話所說的‘一眼看穿的能力，它表現(xiàn)在能迅速地透過現(xiàn)象抓住本質(zhì)，表現(xiàn)在對(duì)一些表面上似乎不同的事物，能迅速地找出它們共同的原因或彼此的聯(lián)系”?！岸床炝Σ皇翘焐模情L期在實(shí)踐中鍛煉培養(yǎng)的產(chǎn)物?！盵2]我們認(rèn)為化學(xué)學(xué)習(xí)中的洞察力，就是學(xué)生通過不斷思考、總結(jié)、凝練以及反思化學(xué)知識(shí)、概念等，在深刻把握化學(xué)原理本質(zhì)的基礎(chǔ)上，快速發(fā)現(xiàn)新情境中陌生問題的原型，從而將問題瞬間解決的能力。

二、洞察力培養(yǎng)案例——氧化還原反應(yīng)

為了了解學(xué)生氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)情況，我們對(duì)北京市某中學(xué)172名高二理科生進(jìn)行了調(diào)查和訪談?？疾轫?xiàng)目及主要結(jié)果見表1。

表1 學(xué)生考查項(xiàng)目及主要結(jié)果

我們發(fā)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)學(xué)習(xí)的三個(gè)層次，即基本概念、氧化還原反應(yīng)的變式以及新情境中的問題解決，難度依次增大，學(xué)生掌握的百分比分別是64%、36%、9%，幾乎是直線下降；相應(yīng)地，由于難度的增加，無從下手的人數(shù)也近乎直線上升。圖1為形象的折線圖。

圖1 學(xué)生對(duì)氧化還原反應(yīng)掌握情況的折線圖

基于上述的調(diào)查研究，我們認(rèn)為，要培養(yǎng)學(xué)生“一眼看穿”氧化還原反應(yīng)的洞察力，需要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段。

1.通過整體性學(xué)習(xí)準(zhǔn)確把握化學(xué)概念

在義務(wù)教育化學(xué)教材中，氧化還原反應(yīng)被定義為：與氧氣的反應(yīng)叫做氧化反應(yīng)，與氫氣的反應(yīng)叫做還原反應(yīng)。進(jìn)入高中后，氧化還原反應(yīng)被界定為：凡有元素化合價(jià)升降的化學(xué)反應(yīng)就是氧化還原反應(yīng)。在判斷一個(gè)反應(yīng)是否為氧化還原反應(yīng)時(shí)不是簡單地看有無氫氣氧氣參加反應(yīng)，而是看元素有無化合價(jià)的升降，實(shí)質(zhì)是看有無電子發(fā)生轉(zhuǎn)移。

在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中氧化劑不只是氧氣，而變成了具有氧化性的物質(zhì)。訪談時(shí)，教師表示在講授新課以及復(fù)習(xí)氧化還原反應(yīng)時(shí)，往往會(huì)總結(jié)一些常見的氧化劑等，但是常常是教師越俎代庖，學(xué)生并不積極參與其中；另外在學(xué)習(xí)元素和化合物知識(shí)的時(shí)候較少強(qiáng)化相關(guān)概念，導(dǎo)致學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)較為松散。因此，要注意教學(xué)的整體性，新知識(shí)的教學(xué)不應(yīng)孤立進(jìn)行，而應(yīng)將新知識(shí)納入到原有的認(rèn)知系統(tǒng)中進(jìn)行整體考慮，以建立新、舊知識(shí)的聯(lián)系，從而豐富學(xué)生頭腦中原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。比如，一提到HNO3，學(xué)生就應(yīng)條件反射出：強(qiáng)氧化劑，氮元素化合價(jià)下降，生成NO、NO2等。這樣既減輕了學(xué)生的記憶負(fù)擔(dān)，又優(yōu)化了學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，為化學(xué)問題的解決提供更廣闊的途徑。

2.通過變式深刻把握氧化還原反應(yīng)的類型

氧化還原反應(yīng)最常見的形式是：氧化劑+還原劑=還原產(chǎn)物+氧化產(chǎn)物。但是我們發(fā)現(xiàn)，如果學(xué)生僅止于此，無疑難以把握本質(zhì)。應(yīng)通過反復(fù)思考、凝練氧化還原反應(yīng)的多種變式，如歸中反應(yīng)、歧化反應(yīng)、部分氧化還原反應(yīng)、自身氧化還原反應(yīng)，還有三種及以上元素化合價(jià)變化的反應(yīng)等。如：

6HCl+KClO3=3Cl2↑+KCl+3H2O

2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑

Fe+4HNO3（?。?Fe（NO3）3+NO↑+2H2O

2KMnO4=K2MnO4+MnO2+O2↑

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2

通過變式的凝練，可以更好地把握豐富類型背后的本質(zhì)。教學(xué)實(shí)踐中的誤區(qū)是，學(xué)習(xí)時(shí)往往找一些中學(xué)很難見到的氧化還原反應(yīng)，為了訓(xùn)練而訓(xùn)練，而不是深刻把握中學(xué)化學(xué)的重要案例，使得原理的學(xué)習(xí)與物質(zhì)性質(zhì)的學(xué)習(xí)脫離，破壞學(xué)習(xí)的整體性。優(yōu)秀學(xué)生表示，他們不但熟悉常見的變式，甚至能產(chǎn)生一些條件反射，如Na2O2一般集氧化劑與還原劑于一身，硝酸溶液中S2-、I-、Fe2+、SO32-等離子均不能大量存在。可見，洞察力的養(yǎng)成不是一蹴而就的，而需深厚的基礎(chǔ)積淀。

3.返璞歸真，洞察氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)

為了探究本文開頭案例出現(xiàn)的原因，筆者訪談了大量學(xué)生。學(xué)生表示，一般不考有機(jī)化學(xué)的氧化還原反應(yīng)，教師也不要求他們掌握。教師的訪談也證實(shí)了這一點(diǎn)，不對(duì)學(xué)生作要求，因?yàn)橛袡C(jī)物化學(xué)的氧化還原反應(yīng)化合價(jià)不好判斷，也不是有機(jī)化學(xué)的重要反應(yīng)類型。其實(shí)這是錯(cuò)誤的偏見，筆者做過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生深刻把握有機(jī)氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)后，其應(yīng)試能力、化學(xué)學(xué)科能力均有顯著提升[3]。烴的衍生物是有機(jī)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如果深刻把握它們之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，則有利于系統(tǒng)地掌握這一知識(shí)模塊。例如：醇、醛、酸的轉(zhuǎn)化如下。

從化學(xué)式可以看出，醇與醛、醛與酸在分子組成上相差1個(gè)O原子或2個(gè)H原子，從化合價(jià)可以看出，在轉(zhuǎn)化過程中轉(zhuǎn)移電子數(shù)目均為2mol。即可以歸納為：醇被氧化（去氫）成醛，醛被氧化（加氧）成酸；酸被還原（去氧）成醛，醛被還原（加氫）成醇，且4種轉(zhuǎn)化過程中轉(zhuǎn)移電子數(shù)目均為2mol。這非常有利于學(xué)生洞察力的形成，如怎樣正確、快速地書寫C6H5CHO發(fā)生銀鏡反應(yīng)、以及與新制Cu（OH）2反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式？醛與酸之間的氧化還原轉(zhuǎn)移電子數(shù)目為2e-，通過抓住這一本質(zhì)來演繹醛的銀鏡反應(yīng)，就可以瞬間完成了，1molAg（NH3）2OH生成1molAg，轉(zhuǎn)移1mole-；1molCu（OH）2反應(yīng)生成0.5molCu2O，轉(zhuǎn)移1mole-，因此可以迅速確定醛與Ag（NH3）2OH、Cu（OH）2分別反應(yīng)的物質(zhì)的量之比皆為1∶2，而醛被氧化成相應(yīng)的酸，方程式迎刃而解。

基于對(duì)氧化還原反應(yīng)本質(zhì)的深刻洞察，文章開頭案例中的問題解決就輕而易舉了。從分子組成上觀察，產(chǎn)物苯甲酸較之反應(yīng)物甲苯，加了2個(gè)O原子，同時(shí)去掉2個(gè)H原子，即1mol甲苯被氧化轉(zhuǎn)移6mole-，而1molMnO4-被還原成Mn2+，轉(zhuǎn)移5mole-，因此瞬間得出氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為6：5，再根據(jù)電荷守恒、氫氧原子個(gè)數(shù)守恒，可以高效精準(zhǔn)地寫出該反應(yīng)的離子方程式：

三、洞察力培養(yǎng)的教學(xué)策略

1.珍惜學(xué)生的好奇心、探究欲

沒有好奇心，就沒有洞察力。筆者曾對(duì)全國341名高中化學(xué)教師進(jìn)行調(diào)查，93%的認(rèn)為教學(xué)中能珍惜學(xué)生的好奇心；而720名學(xué)生中只有48%表示對(duì)學(xué)習(xí)懷有好奇心，僅有17%的學(xué)生認(rèn)為他們的好奇心、探究欲能得到教師的支持。教師往往自以為珍惜了學(xué)生的好奇心，事實(shí)上扼殺學(xué)生好奇心的例子比比皆是，例如：學(xué)生非常激動(dòng)、急切地中斷教師講課，大聲問道“催化劑為什么就能加快反應(yīng)的速率？”教師制止一次兩次學(xué)生依然，直至第三次生氣地警告學(xué)生別搗亂時(shí)，學(xué)生才悲憤地耷拉下腦袋。

好奇心是個(gè)體學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)之一，是個(gè)體尋求知識(shí)的動(dòng)力，是創(chuàng)造性人才的重要特征。誠如教育家洛克指出，“好奇心不過是一種追求知識(shí)的欲求，因此應(yīng)該給予鼓勵(lì)。給予鼓勵(lì)，不僅因?yàn)樗且环N良好的現(xiàn)象，而且因?yàn)樗亲匀毁x予他們的一種絕好的工具，可以祛除他們生來的無知?！盵4]沒有神圣的好奇心，學(xué)生就沒有探究的欲望，難以培養(yǎng)其懷疑精神與批判意識(shí)。在課堂教學(xué)中，如果不能激發(fā)學(xué)生的好奇心、求知欲，也千萬不要扼殺學(xué)生已有的神圣好奇心，那樣只會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的興趣下降，阻滯其可持續(xù)發(fā)展。

2.基于化學(xué)事實(shí)，構(gòu)建概念、原理體系

當(dāng)代學(xué)習(xí)科學(xué)研究表明，要培養(yǎng)學(xué)生的洞察力，學(xué)生必須（1）具有深厚的事實(shí)性知識(shí)基礎(chǔ)；（2）在一個(gè)概念框架內(nèi)理解事實(shí)和觀點(diǎn)；（3）對(duì)知識(shí)加以組織以便提取和運(yùn)用[5]。基于此，首先要構(gòu)建正確的概念。概念是反映對(duì)象的本質(zhì)屬性的思維形式，是事物共同本質(zhì)特點(diǎn)的抽象、概括，它隨著學(xué)習(xí)的深入而不斷變化和發(fā)展。通過概念之間的聯(lián)結(jié)，而后掌握化學(xué)的一般規(guī)律、原理。

具體來說，首先，基于化學(xué)事實(shí)來建構(gòu)正確的化學(xué)概念、原理等。其次，掌握體現(xiàn)規(guī)律、原理的重要典型變式。再次，通過變式相關(guān)的問題解決來重新建構(gòu)完善的化學(xué)概念、原理等。最后，自主建構(gòu)體現(xiàn)規(guī)律、原理的問題情境，比如學(xué)生自己編制試題、評(píng)價(jià)試題、講解試題，根據(jù)原理地理解進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)，或者解決生活中的實(shí)際問題等，從而高屋建瓴地形成對(duì)原理的上位把握。

3.注意教學(xué)的整體性，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)、原理本質(zhì)的探究

奧蘇貝爾認(rèn)為有意義的學(xué)習(xí)必須以學(xué)習(xí)者原來的認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)能否獲得新知識(shí)關(guān)鍵在于學(xué)習(xí)者已經(jīng)知道了什么。教師要了解學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)?shù)氖侄魏蛢?nèi)容進(jìn)行教學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)科各個(gè)知識(shí)點(diǎn)不是孤立存在的，各知識(shí)點(diǎn)之間都有嚴(yán)密的邏輯性和完備的系統(tǒng)性。因此，新知識(shí)的教學(xué)不應(yīng)孤立進(jìn)行，而應(yīng)將新知識(shí)納入到原有的認(rèn)知系統(tǒng)中進(jìn)行整體考慮，以建立新、舊知識(shí)的聯(lián)系，從而豐富和優(yōu)化學(xué)生頭腦中的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

教學(xué)實(shí)踐中，教學(xué)模塊往往比較分散，缺乏整體性。比如，必修1中介紹了氧化還原反應(yīng)的基本概念，而后學(xué)習(xí)了常見化合物的一些重要氧化還原反應(yīng)；必修2中簡單介紹了化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化；選修4中深入探討了電化學(xué)基礎(chǔ)；選修5中研究了有機(jī)化合物的氧化還原反應(yīng)等。教師如果不能高屋建瓴地把握化學(xué)原理的層次與分布，學(xué)生則會(huì)茫然不知所措，抱怨“化學(xué)要記的東西太多了”！因此，教師需要對(duì)化學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行重組，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)、原理本質(zhì)的探究，比如“氧化還原的本質(zhì)究竟是什么”，“能不能言簡意賅地把某某知識(shí)原理說清楚”等，如此不僅降低了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的洞察力、創(chuàng)造力。

總之，好奇心是洞察力養(yǎng)成的驅(qū)動(dòng)；概念、原理的深刻把握是洞察力養(yǎng)成的智力基礎(chǔ)；而基于整體性學(xué)習(xí)的對(duì)化學(xué)本質(zhì)的探索則是洞察力形成的重要途徑。

參考文獻(xiàn)

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[5] 孫智昌.學(xué)生是如何學(xué)習(xí)的.桂林：廣西師范大學(xué)出版社，2011.