例談化學認識思路的結構化設計

練小紅

摘要：應用結構化思維理論和金字塔原理，以化學核心概念和大單元的認識思路的結構化設計為例，闡述認識思路的結構化設計對于學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展的重要性及設計的原理和方法。

關鍵詞：認識思路;結構化設計;學科視野;學科核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2022）10x-0002-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》在實施建議中提出：“教師在組織教學內(nèi)容時應高度重視化學知識的結構化設計，充分認識知識結構化對于學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展的重要性，尤其是應有目的、有計劃地進行‘認識思路和‘核心觀念的結構化設計，逐步提升學生的化學知識結構化水平，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)。[1]”在人民教育出版社出版的普通高中教科書《化學選擇性必修1化學反應原理》第三章的“整理與提升”就出現(xiàn)了“水溶液中的離子反應與平衡”的認識思路結構化圖示（見圖1），[2]該認識思路的結構化設計基于“弱電解質(zhì)的電離與平衡”“鹽類的水解與平衡”“難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡”，提示從“粒子”“反應”“平衡”三個認識視角來認識“水溶液中的離子反應與平衡”，從而促進“粒子觀”“變化觀”“平衡觀”觀念的發(fā)展?！罢J識思路的結構化”伴隨著新課標新課程實施走進了我們的視野，引起了大家的關注，筆者聚焦在“化學認識思路的結構化”進行了思考和探索，嘗試更深入地去理解其含義，在教學過程中踐行新課程的理念，促使化學學科的核心素養(yǎng)落地、生根、發(fā)芽、開花、結果。

一、化學認識思路的結構化的內(nèi)涵

認識就是認識知識，即人腦反映客觀事物的特性與聯(lián)系，并揭露事物對人的意義與作用的思維活動。從廣義上講，認識包含人的所有認知活動，即為感知、記憶、思維、想象、語言的理解和產(chǎn)生等心理現(xiàn)象的統(tǒng)稱。認識是一種信息加工過程，可以分為刺激的接收、編碼、存儲、提取和利用等一系列階段。從狹義上來講，認識有時候等同于記憶或思維。這里講的認識是指狹義的認識。

所謂化學認識思路，是指對物質(zhì)及其變化的特征及規(guī)律進行認識的程序、路徑或框架。[3]化學認識思路的結構化，就是將認知化學環(huán)節(jié)按照一定的邏輯線索有機地組織起來，是從學科本原對物質(zhì)及其變化的認識過程的一種概括。例如：“離子反應”的化學認識思路隱藏在人教版教材《化學必修第一冊》第二章第二節(jié)[4]的字里行間，經(jīng)結構化、顯性化設計呈現(xiàn)見圖2。

問題和假設、實驗和證據(jù)、分析和推理、結論和應用是科學探究的四要素，按照這樣的順序組織就構成了科學探究過程的認識思路?；诳茖W探究的化學核心概念的認識思路都可以科學探究四要素進行設計。這里選用科學探究的認識思路來說明化學認識思路還有另外一層含義，就是人的一切認識都來自于實踐。化學實驗是研究和學習物質(zhì)及其變化的基本方法，是科學探究的一種重要途徑，在化學認識過程中發(fā)揮了獨特的作用。

二、化學認識思路的結構化的地位和功能

圖3是化學學科理解的圈層模型[5]。三個圈層的內(nèi)涵由小變大，既互相關聯(lián)又層層遞進。化學認識思路作為化學的思維方式和方法，處于化學學科理解中間圈層關鍵地位，發(fā)揮其重要的認識功能。化學認識思路的形成以化學知識為基礎，而又超越了具體的化學知識，具有一般的方法論意義和價值。

例如：“弱電解質(zhì)的電離”的認識思路的結構化，可遷移到“水的電離”“鹽類的水解”及“沉淀溶解平衡”。而對“水溶液中的離子反應與平衡”的認識思路的結構化的一般思路（見圖4）為“宏觀現(xiàn)象—微觀粒子—變化與平衡—平衡規(guī)律”，進一步進行概括就形成了科學表征的“宏—微—符—圖四重表征模型”，再進一步概括就形成“粒子觀、變化觀、平衡觀”等化學觀念。

三、化學認識思路的結構化的價值

化學認識思路的結構化具有非常重要的素養(yǎng)發(fā)展價值。化學認識思路是對認識過程的化學思維方式和方法進行概括，能促進化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

例如：“原子結構模型的演變”是科學家們認識原子的認識思路（見圖5），其中蘊含著豐富的化學學科素養(yǎng)發(fā)展價值。我們用“原子結構模型的演變”作導航，追隨科學家探索原子的腳步，體驗一次次偉大的發(fā)現(xiàn)，享受一場思維的饕餮盛宴。

19世紀初，英國科學家道爾頓提出原子是微小的不可分割的實心球體，第一次將原子從哲學帶入化學研究中，化學真正從古老的煉金術中擺脫出來。約瑟夫·約翰·湯姆生在發(fā)現(xiàn)電子的基礎上提出了原子的葡萄干蛋糕模型。盧瑟福完成的α粒子轟擊金箔實驗（散射實驗），否認了葡萄干蛋糕式模型的正確性，提出行星模型。為了解釋氫原子線狀光譜這一事實，玻爾在行星模型的基礎上提出了核外電子分層排布的原子結構模型。

縱觀對原子的探索過程，不難發(fā)現(xiàn)科學家建構思維模型在人類認識原子結構過程中的重要作用，建立原子結構模型背后的思路大致是：問題—證據(jù)—假說—理論（模型），科學的新實踐和新發(fā)現(xiàn)為一次次的原子結構的建構和修改提供了強大有力的支撐。原子結構量子化歷程是一代代科學家曲折而漫長探索的結果，從哲學原子（古典原子論）—化學原子（道爾頓實心球式原子模型）—物理原子（湯姆生原子模型、盧瑟福原子模型、玻爾原子模型、現(xiàn)代電子云模型），就是批判創(chuàng)新的過程，在否定之否定中發(fā)展。通過“原子結構模型的演變”的內(nèi)容教學可以發(fā)展學生的“證據(jù)推理和模型認知”“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”等化學學科的核心素養(yǎng)。

四、化學認識思路的結構化設計

1.化學認識思路的結構化設計的理論依據(jù)

（1）結構化思維

我們應用了結構化思維理論[6]，進行化學認識思路的結構化設計。結構化思維理論從關聯(lián)程度把思維分為：點狀思維、線狀思維和結構化思維。對信息只是單個處理加工，單點思考問題，就是點狀思維。點狀思維就是在學習和思考的過程中，信息點沒有發(fā)生連接，而是一座座的孤島，單獨存在于大腦中。線狀思維就是將兩件事、兩個概念串聯(lián)起來，彼此關聯(lián)，相互連接。結構化思維由A推導出B，由B聯(lián)想到C，建立起一個清晰、穩(wěn)定的思考結構，將各個思考部分系統(tǒng)有序地搭配或者排列組合，使知識體系從零散到系統(tǒng)化，從無序到有序。從化學學科的本原來說，元素的“位”“構”“性”就是結構化思維的A、B、C三個點，用結構化思維的方式把三者關聯(lián)起來，可以表示為圖6。

根據(jù)元素在周期表的位置和原子結構，可以分析、解釋和預測元素的性質(zhì)，下面用Fe3+的“位”“構”“性”關系為例（見圖7）進行說明。

要建立關聯(lián)，選好關聯(lián)點是關鍵。課標中“模塊3有機化學基礎”提出：“引導學生建立‘組成、結構決定性質(zhì)的基本觀念，形成基于官能團、化學鍵與反應類型認識有機物的一般思路”。

例如：選擇醛基中的碳原子成鍵特點來認識“乙醛”的化學性質(zhì)，見圖8a。再來觀察圖8b，顯然沒選擇到最佳關聯(lián)點。

（2）金字塔原理

芭芭拉·明托在《金字塔原理》一書中提出了金字塔結構的概念。[7]金字塔結構是結構化思維具象化的表現(xiàn)。用圖形（見圖9）展示其邏輯關系，有三個要點：①內(nèi)在結構：縱向和橫向兩個關系;②思維邏輯：演繹推理和歸納推理;③搭建方法：自上而下和自下而上。

金字塔結構具有完美的邏輯性和結構性，金字塔結構的4個原則：結論先行、以上統(tǒng)下、歸類分組、邏輯遞進。金字塔結構可用于層次較多、關聯(lián)復雜的分析過程（圖15和圖16結構化的認識思路就是具象化的金字塔結構）。

2.化學認識思路的結構化設計的邏輯方法

（1）演繹法

根據(jù)亞里士多德的論述，三段式演繹法包含大前提、小前提和結論三部分。如果大前提和小前提都是真的，那么結論不可能為假，必然是真的（見圖10）。

最為人們所熟悉的典型例子是：

凡人（A）都會死（B）（大前提）。

蘇格拉底（C）是人（A）（小前提）。

所以：蘇格拉底（C）是會死（B）的（結論）。

三段式基本規(guī)則是：第一，它只能有三個概念（C、A、B）;第二，每個概念分別在兩個判斷中出現(xiàn);第三，大前提是一般性的結論，小前提是一個特殊陳述。

人教版《化學反應原理》第二章第一節(jié)“影響化學反應速率的因素”提出：“如何解釋濃度、壓強、溫度及催化劑等因素對化學反應速率的影響呢？下面通過活化能和簡單碰撞理論對這個問題進行討論?！憋@然教材用了三段式演繹推理的方法，該內(nèi)容的認識思路的結構化設計見圖11。碰撞理論（A）與反應速率（B）就構成了大前提，外界條件（C）與簡單碰撞理論（A）構成小前提，得出外界條件（C）與反應速率（B）的結論。

三段式可以融入因果關系里，三段式與因果關系常見的邏輯是：大前提是因，小前提和結論是果，當大前提被省略時，小前提是因，結論是果。所以“影響化學反應速率的因素”的認識思路的結構化用因果邏輯來演繹也是一樣的。

（2）歸納法

歸納法是由特殊推論出一般的邏輯推理方法。如果要給“歸納”找一個替換詞的話，“總而言之”就是最恰當?shù)牧恕?/p>

例如：人教版《選擇性必修1化學反應原理》第二章第一節(jié)中提到：“綜上所述，改變濃度、壓強、溫度等因素可以提高反應產(chǎn)率或者抑制反應進行的程度。法國化學家勒夏特列（H.-L.LeChatelier，1850-1936）曾就此總結出一條經(jīng)驗規(guī)律：如果改變影響平衡的一個因素（如溫度、壓強及反應物的濃度），平衡就向著能夠減弱這種改變的方向移動，這就是勒夏特列原理，也稱化學平衡移動原理”?？梢娎障奶亓杏玫木褪菤w納法，用歸納法設計“化學平衡原理”認識思路見圖12。

演繹法和歸納法是最常用的進行認識思路的結構化設計的兩種邏輯方法，“從一般到特殊”的推導過程采用演繹法，“從特殊到一般”的推導過程就用歸納法，應該根據(jù)教學內(nèi)容和學生學習情況來選擇。在學習新知識時，采用較多的是歸納法，在復習知識時，采用較多的是演繹法。

3.化學認識思路的結構化設計中的認識視角

化學認識思路的結構化設計的直接結果是認識思路的顯性化和可視化。如果標注認識視角，認識思路的可視化就不僅僅是“看得見”，還能“看得清”和“看得明”?！皬哪膬合搿本褪钦J識視角，“怎么想”就是認識思路，[2]能深刻揭示學科本質(zhì)，促進化學學科觀念形成。

4.化學認識思路的結構化設計中的大視野

單元學習和模塊學習的認識思路的結構化設計，情況就復雜多了，每一節(jié)學習小概念有思路，單元學習也有思路，這就用透徹的洞察力抽象認識的視角，凝練學科大觀念。其認識思路搭建成金字塔結構可呈現(xiàn)學科大概念的大視野。

例如：圖14是“物質(zhì)結構”認識思路按章節(jié)進行的結構化設計，在此基礎上，搭建“物質(zhì)的組成和構成”認識思路的金字塔結構。橫向往右展開小概念（如：物質(zhì)的聚集狀態(tài)、物質(zhì)種類、元素種類、元素價態(tài)、微粒種類、微粒大小、微粒間作用力、微粒的空間排布等），縱向往上概括和提煉出物質(zhì)觀、元素觀、微粒觀等學科觀念，最后凝練學科大概念，從而設計出“物質(zhì)的組成和構成”金字塔認識思路，形成學科大視野（見圖15）。

又如：對“化學反應原理”的認識思路進行結構化設計，凝練出變化觀和平衡觀等學科核心觀念，形成“化學反應”的“金字塔”認識思路的學科大視野（見圖 16）。

“如果你有一把錘子，那么在你看來，無論什么看起來都像釘子”。我們在教材解讀、教學設計、課堂組織、論文寫作和課題研究等各項工作中，可以自覺地運用結構化思維這把“錘子”去思考和解決問題，增進對化學學科的理解，提升課堂教學能力和教學研究能力。在教學過程中有目的、有計劃地引導學生概括核心概念和大單元的認識思路，形成基于“認識思路”的結構化，進而提高核心觀念的結構化水平，形成結構化系統(tǒng)思維和學科大視野，進行舉一反三、遷移應用，發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書（化學選擇性必修1）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[3]鄭長龍.核心素養(yǎng)導向的化學教學設計[M].北京：人民教育出版社，2021.

[4]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書（化學必修第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[5]肖忠榮.基于學科深度理解的教學設計思考——從高級教師課堂教學能力測評說起（J）.中學化學教學參考，2020（8）：64-66.

[6]黎甜.結構化思維[M].北京：文化發(fā)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.