化學(xué)概念性知識(shí)的學(xué)習(xí)策略

江敏

【摘 要】化學(xué)概念性知識(shí)是化學(xué)課程知識(shí)體系中最基礎(chǔ)性的知識(shí)，教學(xué)時(shí)教師要注意運(yùn)用學(xué)習(xí)策略的有關(guān)理論進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，以通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示本質(zhì)、通過(guò)比較概括規(guī)律或通過(guò)歸納形成結(jié)論等方式，使學(xué)生在習(xí)得化學(xué)概念性知識(shí)的同時(shí)掌握相應(yīng)的學(xué)習(xí)策略，并形成超越學(xué)科教學(xué)邊界而有助于學(xué)生發(fā)展的科學(xué)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)教學(xué) 概念性知識(shí) 學(xué)習(xí)策略

當(dāng)科學(xué)技術(shù)越來(lái)越成為引領(lǐng)和影響社會(huì)文化發(fā)展的重要因素之后，教育工作者也逐漸改變了對(duì)原有學(xué)科教學(xué)的理解。教育已不再滿足于使學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中了解“世界是怎樣的”命題，而是更期待使學(xué)生在了解世界的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步理解人們“怎樣認(rèn)識(shí)世界是這樣的”歷程。雖然經(jīng)歷數(shù)百年的發(fā)展，化學(xué)概念已經(jīng)成為化學(xué)知識(shí)體系的基礎(chǔ)，然而學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中的目的，不僅僅只是了解這些相關(guān)的化學(xué)基本概念，更重要的是在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，感知和體驗(yàn)化學(xué)概念性知識(shí)的形成過(guò)程，同時(shí)在形成概念的過(guò)程中學(xué)習(xí)科學(xué)的、理性的思維方法。所以，對(duì)于化學(xué)概念性知識(shí)的教學(xué)，教師要注意運(yùn)用學(xué)習(xí)策略的有關(guān)理論進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生在習(xí)得化學(xué)概念性知識(shí)的同時(shí)掌握相應(yīng)的學(xué)習(xí)策略，并形成超越學(xué)科教學(xué)邊界而有助于學(xué)生發(fā)展的科學(xué)素養(yǎng)。

一、通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示本質(zhì)

作為從原子、分子的層面上認(rèn)識(shí)、改造和保護(hù)世界的自然科學(xué)的一個(gè)分支，化學(xué)學(xué)科對(duì)世界的認(rèn)識(shí)大多是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上?；瘜W(xué)概念性知識(shí)表述了人們對(duì)自然界的基本結(jié)論性的認(rèn)識(shí)，如果學(xué)生只是從這些結(jié)論性的知識(shí)中認(rèn)識(shí)世界，這樣的認(rèn)識(shí)將是機(jī)械的、僵化而片面的。因而教師應(yīng)努力創(chuàng)造條件，使學(xué)生能夠有機(jī)會(huì)通過(guò)簡(jiǎn)單的或有層次的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行揭示，感受概念的形成過(guò)程乃至其本質(zhì)內(nèi)涵。

以《離子反應(yīng)》為例。傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程的立足點(diǎn)是要求學(xué)生將熟悉的化學(xué)方程式中涉及的電解質(zhì)，根據(jù)其在溶液中的溶解性改寫成離子形式，學(xué)生的學(xué)習(xí)就在文字表達(dá)的方程式中不斷糾結(jié)于是否改寫，完全忽略了反應(yīng)的現(xiàn)象和反應(yīng)實(shí)際。追溯概念性知識(shí)形成過(guò)程的教學(xué)理念，《離子反應(yīng)》的教學(xué)可以圍繞以下三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)展開。

第一，完成BaCl2和CuSO4反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。其中觀察到沉淀的生成，以及已有的對(duì)電解質(zhì)在溶液中存在形態(tài)的認(rèn)識(shí)，學(xué)生可以直達(dá)離子反應(yīng)的本質(zhì)，用Ba2++SO42-=BaSO4↓表示出反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。

第二，完成Ba（OH）2和H2SO4反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?；诂F(xiàn)象的觀察和對(duì)離子反應(yīng)的認(rèn)識(shí)，學(xué)生可能會(huì)寫出以下表示反應(yīng)過(guò)程的離子方程式：①Ba2++SO42-=BaSO4↓；②Ba2++SO42-=BaSO4↓，H++OH-=H2O；③Ba2++OH-+H++SO42-=BaSO4↓+H2O；④Ba2++2OH-+2H++SO42-=BaSO4↓+2H2O。這些不同的表達(dá)方式反映了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和反應(yīng)過(guò)程認(rèn)知的不同層次：①關(guān)注了實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)的顯性現(xiàn)象；②不僅關(guān)注了實(shí)驗(yàn)中的顯性現(xiàn)象，而且關(guān)注了實(shí)驗(yàn)中隱性的反應(yīng)過(guò)程；③和④都能夠同時(shí)將顯性現(xiàn)象和隱性反應(yīng)相關(guān)聯(lián)，并且使兩組離子反應(yīng)之間形成了定量關(guān)系。從Ba（OH）2出發(fā)，③式預(yù)示當(dāng)Ba2+和SO42-反應(yīng)完全時(shí)，溶液中尚剩余OH-；④式則表明Ba2+與SO42-反應(yīng)完全時(shí)，溶液中的OH-恰好與H+反應(yīng)完全。如果用導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)追蹤溶液中離子濃度的變化，用酸堿指示劑表征H+和OH-之間的反應(yīng)，此時(shí)無(wú)論是小燈泡與酚酞指示劑的組合（表征溶液中離子存在的實(shí)物形態(tài)），還是用電導(dǎo)傳感器與pH傳感器的組合（表征兩種物理量的變化過(guò)程和相互聯(lián)系），無(wú)一例外地都揭示了在Ba（OH）2和H2SO4的反應(yīng)過(guò)程中，Ba2+和SO42-以及H+和OH-之間的反應(yīng)均同時(shí)抵達(dá)反應(yīng)的終點(diǎn)，因而正確的離子方程式應(yīng)該是④式。此處的離子方程式不僅表示了Ba（OH）2和H2SO4反應(yīng)過(guò)程中存在著兩組彼此獨(dú)立的離子反應(yīng)（分別與顯性現(xiàn)象和隱性行為關(guān)聯(lián)），而且這兩組獨(dú)立的離子方程式之間存在著確定的定量關(guān)系，這里蘊(yùn)含著對(duì)Ba（OH）2和H2SO4反應(yīng)過(guò)程表達(dá)的最大內(nèi)涵。

第三，完成Na2CO3、CaCO3分別與鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。將約1g的Na2CO3固體置于試管中，加約5mL水，再加入少量2mol/L鹽酸；取一小塊CaCO3固體置于另一試管中，加約5mL水，再加入少量2mol/L鹽酸。完成實(shí)驗(yàn)以后，許多學(xué)生不約而同地將反應(yīng)的離子方程式表示為CO32-+2H+=CO2↑+H2O。對(duì)于其中離子方程式不當(dāng)表達(dá)的矯正，可以讓學(xué)生再次向試管中分別加入鹽酸并觀察現(xiàn)象，在裝Na2CO3的試管中，氣泡可從鹽酸與溶液接觸的各個(gè)局部產(chǎn)生，從氣泡產(chǎn)生的空間變化，可以想象CO32-在溶液中的游弋，因而Na2CO3溶液與鹽酸的反應(yīng)，就是自由的CO32-和H+的反應(yīng)；而在裝CaCO3的試管中，因CaCO3難溶于水，因而氣泡只是在CaCO3的表面產(chǎn)生，此時(shí)與鹽酸反應(yīng)的物質(zhì)是CaCO3，而不是游弋在溶液中的自由的CO32-。

在以上的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生眼中的離子反應(yīng)是對(duì)電解質(zhì)在溶液中發(fā)生反應(yīng)的真實(shí)情形的觀察與想象，離子方程式是對(duì)反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)存在形態(tài)的真實(shí)表達(dá)。因此對(duì)離子方程式書寫的評(píng)價(jià)就始終與反應(yīng)的真實(shí)性和表達(dá)的準(zhǔn)確性相關(guān)聯(lián)。這樣學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中，遇到諸如澄清石灰水與CO2、石灰乳與氯氣、濃硫酸與Cu等反應(yīng)時(shí)，離子方程式的書寫就不再囿于物質(zhì)的溶解性或相關(guān)物質(zhì)是否可以拆分，而是與反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)的存在形態(tài)直接關(guān)聯(lián)，從而正確表達(dá)出相應(yīng)反應(yīng)的離子反應(yīng)式。

二、通過(guò)比較概括規(guī)律

實(shí)驗(yàn)的觀察和數(shù)據(jù)的處理，固然是形成對(duì)化學(xué)概念認(rèn)知的基本途徑，然而從直觀的現(xiàn)象及龐雜的數(shù)據(jù)中將人們對(duì)自然的感性認(rèn)知上升到理性的抽象概念或理論過(guò)程中，必然會(huì)涉及某些具有一般哲學(xué)意義的科學(xué)方法的運(yùn)用。以創(chuàng)立坐標(biāo)系而著名的數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家笛卡爾曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：一切問(wèn)題都可以轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題，一切數(shù)學(xué)問(wèn)題都可以轉(zhuǎn)化為代數(shù)問(wèn)題，而一切代數(shù)問(wèn)題又都可轉(zhuǎn)化為方程問(wèn)題，因此一旦解決了方程問(wèn)題，一切問(wèn)題將迎刃而解。笛卡爾所謂將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為代數(shù)問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)就是研究一個(gè)事件在另一事件的有序變化中發(fā)生變化的方式，亦即將原先彼此獨(dú)立的兩個(gè)事件產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。這實(shí)際上就包含著人們看世界的一種眼光或理解世界的一種基本的科學(xué)觀念——“有序”。

“有序”首先需要通過(guò)比較事物的異同，從而使事物形成關(guān)聯(lián)，并從中發(fā)現(xiàn)變化和形成系統(tǒng)。如果說(shuō)“三元素組”是對(duì)元素性質(zhì)共性的研究，而元素周期律的真正價(jià)值，就在于發(fā)現(xiàn)在元素的核電荷數(shù)（或相對(duì)原子質(zhì)量）的排序中元素的性質(zhì)隨之呈現(xiàn)的周期性遞變規(guī)律。當(dāng)“有序”成為學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的基本意識(shí)之后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)周圍的世界發(fā)生了細(xì)微的變化。

例如在學(xué)習(xí)“淀粉和纖維素組成的表示形式一樣，但是它們彼此不是同分異構(gòu)體”這一概念時(shí)，基于知識(shí)的學(xué)習(xí)就是記憶，也是學(xué)習(xí)這一概念的最直接的方法。如果是基于學(xué)科觀念和科學(xué)方法的學(xué)習(xí)，應(yīng)該將水解條件與分子的聚合度加以關(guān)聯(lián)，這時(shí)學(xué)生對(duì)概念的感知程度就發(fā)生了改變。因?yàn)橐阎溠刻鞘嵌?、淀粉是多糖，它們完全水解后得到的單糖均為葡萄糖。如果設(shè)想將淀粉的水解過(guò)程分為兩步進(jìn)行：首先淀粉水解得到二糖，此二糖即為麥芽糖；隨后麥芽糖進(jìn)一步水解得到葡萄糖。通過(guò)與麥芽糖水解過(guò)程的比較，可以理解麥芽糖和淀粉水解條件的差異，就在于分子中葡萄糖的聚合度的不同。如果糖類化合物的水解條件與分子中葡萄糖的聚合度具有相關(guān)性的結(jié)論為真，依據(jù)纖維素水解條件遠(yuǎn)比淀粉苛刻，就可以推測(cè)纖維素分子中葡萄糖的聚合度比淀粉更高。這樣淀粉和纖維素就不能是同分異構(gòu)體。在以上水解條件的比較和排序中，學(xué)生經(jīng)歷的是對(duì)淀粉和纖維素分子中聚合度差異的推理過(guò)程，很快就能從他們自身的生活經(jīng)驗(yàn)中得到證實(shí)，因?yàn)閺牡矸酆屠w維素呈現(xiàn)的宏觀形態(tài)上也可感受到它們微觀結(jié)構(gòu)之間的變化和差別。

當(dāng)然，以后的學(xué)習(xí)，學(xué)生會(huì)進(jìn)一步了解到淀粉和纖維素的水解過(guò)程是有差異的。因而可以說(shuō)明纖維素水解條件的苛刻，一是與聚合度有關(guān)，另一還與單糖聚合過(guò)程中糖苷鍵的穩(wěn)定性有關(guān)。也就是說(shuō)，在將水解條件進(jìn)行排序的過(guò)程中，聚合度的相對(duì)大小，不是水解條件的唯一歸因，但是在這樣的思維、推理過(guò)程中建立起的對(duì)知識(shí)的認(rèn)知，是可以隨著時(shí)間的推移，將知識(shí)的細(xì)節(jié)遺忘而留存下認(rèn)識(shí)知識(shí)的方法。

又如在等電子體丁酮（CH3COCH2CH3）、乙酰甲胺（CH3CONHCH3）、乙酸甲酯（CH3COOCH3）的有序排列中，由丁酮不能水解而乙酸甲酯可以水解的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，可以推測(cè)乙酰甲胺也可以水解，但是水解較酯困難（實(shí)驗(yàn)表明，這一推理是正確的）。蛋白質(zhì)分子中的肽鍵（即酰胺鍵）水解較為困難的事實(shí)，既保證了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的延續(xù)和穩(wěn)定，同時(shí)又為生物個(gè)體的生長(zhǎng)、器官的修復(fù)等奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。同時(shí)也使學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中看到了自然界在物質(zhì)進(jìn)化過(guò)程中的選擇性。這些跨越學(xué)科邊界的體現(xiàn)哲學(xué)意味的科學(xué)方法或科學(xué)觀念，對(duì)化學(xué)概念的形成不僅具有工具性的價(jià)值，而且在更高的層面上改變了學(xué)生對(duì)問(wèn)題的認(rèn)知方式和認(rèn)知空間。

三、通過(guò)歸納形成結(jié)論

雖然實(shí)驗(yàn)是學(xué)生理解化學(xué)概念性知識(shí)的重要認(rèn)知途徑，但是限于學(xué)習(xí)的效率以及條件的局限性，并不是所有的化學(xué)概念性知識(shí)都需要或能夠從實(shí)驗(yàn)開始起步的。利用他人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和歸納，也是形成化學(xué)概念性知識(shí)的重要方法。

以《分子間作用力》為例?！霸诮Y(jié)構(gòu)相似的條件下，相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大，物質(zhì)的沸點(diǎn)越高”是用以說(shuō)明分子與分子聚集形成的物質(zhì)沸點(diǎn)變化規(guī)律的基本概念。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)這一概念的認(rèn)識(shí)和理解，是從尋找開始的。尋找在常溫常壓下呈氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的物質(zhì)，從對(duì)這些物質(zhì)分子組成的比較中，學(xué)生首先發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的狀態(tài)變化與分子中所含原子數(shù)的多少有關(guān)。然后進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，一般情形下呈氣態(tài)的物質(zhì)分子中含有的原子數(shù)比較少，但是在呈現(xiàn)固態(tài)的物質(zhì)中也有含有原子數(shù)較少的分子（如I2等）。因此直覺使他們以為物質(zhì)的狀態(tài)變化會(huì)比較多地與分子的核電荷數(shù)或分子的相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)。

在具體物質(zhì)的熔沸點(diǎn)收集以及列表分析的過(guò)程中，學(xué)生可以直觀地發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的熔沸點(diǎn)在相對(duì)分子質(zhì)量坐標(biāo)上的分布與離散存在著一種基本的變化趨勢(shì)，在這種大尺度的相關(guān)性分析中，以相對(duì)分子質(zhì)量或核電荷數(shù)作為變量，研究物質(zhì)的熔沸點(diǎn)或狀態(tài)與之的相互關(guān)聯(lián)，應(yīng)該沒有太大的本質(zhì)區(qū)別。如果對(duì)隨機(jī)選取的物質(zhì)按照“結(jié)構(gòu)相似”的原則進(jìn)行分組，就會(huì)發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的熔沸點(diǎn)和相對(duì)分子質(zhì)量之間會(huì)表現(xiàn)出明確的相關(guān)性而少有反例。在這相對(duì)分子質(zhì)量的排序中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的熔沸點(diǎn)與之的相關(guān)性，進(jìn)而推理出分子間作用力變化的趨勢(shì)，實(shí)際也是比較概括的過(guò)程。

通過(guò)相關(guān)事實(shí)或數(shù)據(jù)歸納化學(xué)規(guī)律時(shí)，經(jīng)常運(yùn)用的是不完全歸納法，而不完全歸納法往往可能存在例外，例外的出現(xiàn)又是學(xué)習(xí)新知識(shí)的起點(diǎn)。若以為上述分析發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的熔沸點(diǎn)與相對(duì)分子質(zhì)量之間的相互依賴關(guān)系，而當(dāng)類似的分析方法用于分析氫化物熔沸點(diǎn)的變化趨勢(shì)時(shí)，第二周期N、O、F的氫化物熔沸點(diǎn)的反常升高，又會(huì)使學(xué)生從內(nèi)心感到驚奇，產(chǎn)生探究形成這種特殊性的內(nèi)在原因，由此引發(fā)的對(duì)氫鍵的認(rèn)識(shí)在學(xué)生的知識(shí)體系中不是通過(guò)記憶堆砌而成的，而是通過(guò)具有邏輯關(guān)系的認(rèn)知過(guò)程，與原有的知識(shí)體系產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的聯(lián)系。

雖然相對(duì)分子質(zhì)量與物質(zhì)熔沸點(diǎn)之間的關(guān)系只是化學(xué)概念性知識(shí)中的一個(gè)基本的經(jīng)驗(yàn)常識(shí)，但是以上的分析過(guò)程，使得學(xué)生順應(yīng)了前人形成以上經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)知過(guò)程，經(jīng)歷數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的“去蕪存真”、設(shè)定前提下的數(shù)據(jù)選擇等思維過(guò)程，這樣的學(xué)習(xí)經(jīng)歷將鼓勵(lì)學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中不斷主動(dòng)拓展認(rèn)知空間，并有能力對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行質(zhì)疑。

如學(xué)生可以在查閱到單質(zhì)S和I2的熔點(diǎn)較為接近的數(shù)據(jù)，大膽設(shè)想S單質(zhì)分子的相對(duì)分子質(zhì)量可與I2相當(dāng)，這樣S單質(zhì)分子的分子式可能是S8（資料表明，這是對(duì)的）。實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期保存的甲醛溶液中存在大量白色固體物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明其成分是多聚甲醛，學(xué)生可以用多聚甲醛近似等電子體——直鏈烷烴作為參照系，進(jìn)而估算出多聚甲醛的鏈節(jié)數(shù)應(yīng)在8個(gè)以上（資料表明，固態(tài)粉末狀的多聚甲醛的鏈節(jié)一般在8～20之間）。又如學(xué)生可以從一系列氧化物熔沸點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析中發(fā)現(xiàn)NO2的沸點(diǎn)較為反常，文獻(xiàn)資料表明在氣態(tài)條件下，NO2有聚合形成N2O4的反應(yīng)過(guò)程存在，在質(zhì)疑中形成對(duì)NO2雙聚反應(yīng)過(guò)程的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)比接受式習(xí)得知識(shí)來(lái)得深刻。

總之，教師的教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)策略的發(fā)展具有重要的引領(lǐng)作用?；趯W(xué)習(xí)策略的化學(xué)概念性知識(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)，要逐漸擺脫原有化學(xué)知識(shí)孤立的、點(diǎn)到點(diǎn)的呈現(xiàn)方式，表現(xiàn)出以化學(xué)概念為載體，以物質(zhì)的自然屬性為認(rèn)知對(duì)象，以物質(zhì)的相互聯(lián)系為存在形態(tài)的具有結(jié)構(gòu)性的框架體系，乃至在學(xué)習(xí)中感知人與自然的和諧。這都是現(xiàn)今化學(xué)教學(xué)中值得關(guān)注的教育價(jià)值之所在。

（作者系江蘇省特級(jí)教師，現(xiàn)為南京市金陵中學(xué)教師）