化学概念性知识的学习策略

江敏

【摘 要】化学概念性知识是化学课程知识体系中最基础性的知识，教学时教师要注意运用学习策略的有关理论进行相应的设计，以通过实验揭示本质、通过比较概括规律或通过归纳形成结论等方式，使学生在习得化学概念性知识的同时掌握相应的学习策略，并形成超越学科教学边界而有助于学生发展的科学素养。

【关键词】化学教学 概念性知识 学习策略

当科学技术越来越成为引领和影响社会文化发展的重要因素之后，教育工作者也逐渐改变了对原有学科教学的理解。教育已不再满足于使学生在化学学习中了解“世界是怎样的”命题，而是更期待使学生在了解世界的基础上，进一步理解人们“怎样认识世界是这样的”历程。虽然经历数百年的发展，化学概念已经成为化学知识体系的基础，然而学生在化学学习中的目的，不仅仅只是了解这些相关的化学基本概念，更重要的是在学习的过程中，感知和体验化学概念性知识的形成过程，同时在形成概念的过程中学习科学的、理性的思维方法。所以，对于化学概念性知识的教学，教师要注意运用学习策略的有关理论进行相应的教学设计，使学生在习得化学概念性知识的同时掌握相应的学习策略，并形成超越学科教学边界而有助于学生发展的科学素养。

一、通过实验揭示本质

作为从原子、分子的层面上认识、改造和保护世界的自然科学的一个分支，化学学科对世界的认识大多是建立在实验的基础之上。化学概念性知识表述了人们对自然界的基本结论性的认识，如果学生只是从这些结论性的知识中认识世界，这样的认识将是机械的、僵化而片面的。因而教师应努力创造条件，使学生能够有机会通过简单的或有层次的实验进行揭示，感受概念的形成过程乃至其本质内涵。

以《离子反应》为例。传统的教学过程的立足点是要求学生将熟悉的化学方程式中涉及的电解质，根据其在溶液中的溶解性改写成离子形式，学生的学习就在文字表达的方程式中不断纠结于是否改写，完全忽略了反应的现象和反应实际。追溯概念性知识形成过程的教学理念，《离子反应》的教学可以围绕以下三个层次的实验展开。

第一，完成BaCl2和CuSO4反应的实验。其中观察到沉淀的生成，以及已有的对电解质在溶液中存在形态的认识，学生可以直达离子反应的本质，用Ba2++SO42-=BaSO4↓表示出反应的实质。

第二，完成Ba（OH）2和H2SO4反应的实验。基于现象的观察和对离子反应的认识，学生可能会写出以下表示反应过程的离子方程式：①Ba2++SO42-=BaSO4↓；②Ba2++SO42-=BaSO4↓，H++OH-=H2O；③Ba2++OH-+H++SO42-=BaSO4↓+H2O；④Ba2++2OH-+2H++SO42-=BaSO4↓+2H2O。这些不同的表达方式反映了学生对实验现象和反应过程认知的不同层次：①关注了实验中呈现的显性现象；②不仅关注了实验中的显性现象，而且关注了实验中隐性的反应过程；③和④都能够同时将显性现象和隐性反应相关联，并且使两组离子反应之间形成了定量关系。从Ba（OH）2出发，③式预示当Ba2+和SO42-反应完全时，溶液中尚剩余OH-；④式则表明Ba2+与SO42-反应完全时，溶液中的OH-恰好与H+反应完全。如果用导电性实验追踪溶液中离子浓度的变化，用酸碱指示剂表征H+和OH-之间的反应，此时无论是小灯泡与酚酞指示剂的组合（表征溶液中离子存在的实物形态），还是用电导传感器与pH传感器的组合（表征两种物理量的变化过程和相互联系），无一例外地都揭示了在Ba（OH）2和H2SO4的反应过程中，Ba2+和SO42-以及H+和OH-之间的反应均同时抵达反应的终点，因而正确的离子方程式应该是④式。此处的离子方程式不仅表示了Ba（OH）2和H2SO4反应过程中存在着两组彼此独立的离子反应（分别与显性现象和隐性行为关联），而且这两组独立的离子方程式之间存在着确定的定量关系，这里蕴含着对Ba（OH）2和H2SO4反应过程表达的最大内涵。

第三，完成Na2CO3、CaCO3分别与盐酸反应的实验。将约1g的Na2CO3固体置于试管中，加约5mL水，再加入少量2mol/L盐酸；取一小块CaCO3固体置于另一试管中，加约5mL水，再加入少量2mol/L盐酸。完成实验以后，许多学生不约而同地将反应的离子方程式表示为CO32-+2H+=CO2↑+H2O。对于其中离子方程式不当表达的矫正，可以让学生再次向试管中分别加入盐酸并观察现象，在装Na2CO3的试管中，气泡可从盐酸与溶液接触的各个局部产生，从气泡产生的空间变化，可以想象CO32-在溶液中的游弋，因而Na2CO3溶液与盐酸的反应，就是自由的CO32-和H+的反应；而在装CaCO3的试管中，因CaCO3难溶于水，因而气泡只是在CaCO3的表面产生，此时与盐酸反应的物质是CaCO3，而不是游弋在溶液中的自由的CO32-。

在以上的教学过程中，学生眼中的离子反应是对电解质在溶液中发生反应的真实情形的观察与想象，离子方程式是对反应过程中物质存在形态的真实表达。因此对离子方程式书写的评价就始终与反应的真实性和表达的准确性相关联。这样学生在以后的学习中，遇到诸如澄清石灰水与CO2、石灰乳与氯气、浓硫酸与Cu等反应时，离子方程式的书写就不再囿于物质的溶解性或相关物质是否可以拆分，而是与反应过程中物质的存在形态直接关联，从而正确表达出相应反应的离子反应式。

二、通过比较概括规律

实验的观察和数据的处理，固然是形成对化学概念认知的基本途径，然而从直观的现象及庞杂的数据中将人们对自然的感性认知上升到理性的抽象概念或理论过程中，必然会涉及某些具有一般哲学意义的科学方法的运用。以创立坐标系而著名的数学家、哲学家笛卡尔曾经说过：一切问题都可以转化为数学问题，一切数学问题都可以转化为代数问题，而一切代数问题又都可转化为方程问题，因此一旦解决了方程问题，一切问题将迎刃而解。笛卡尔所谓将问题转化为代数问题，其实质就是研究一个事件在另一事件的有序变化中发生变化的方式，亦即将原先彼此独立的两个事件产生关联。这实际上就包含着人们看世界的一种眼光或理解世界的一种基本的科学观念——“有序”。

“有序”首先需要通过比较事物的异同，从而使事物形成关联，并从中发现变化和形成系统。如果说“三元素组”是对元素性质共性的研究，而元素周期律的真正价值，就在于发现在元素的核电荷数（或相对原子质量）的排序中元素的性质随之呈现的周期性递变规律。当“有序”成为学生学习化学的基本意识之后，就会发现周围的世界发生了细微的变化。

例如在学习“淀粉和纤维素组成的表示形式一样，但是它们彼此不是同分异构体”这一概念时，基于知识的学习就是记忆，也是学习这一概念的最直接的方法。如果是基于学科观念和科学方法的学习，应该将水解条件与分子的聚合度加以关联，这时学生对概念的感知程度就发生了改变。因为已知麦芽糖是二糖、淀粉是多糖，它们完全水解后得到的单糖均为葡萄糖。如果设想将淀粉的水解过程分为两步进行：首先淀粉水解得到二糖，此二糖即为麦芽糖；随后麦芽糖进一步水解得到葡萄糖。通过与麦芽糖水解过程的比较，可以理解麦芽糖和淀粉水解条件的差异，就在于分子中葡萄糖的聚合度的不同。如果糖类化合物的水解条件与分子中葡萄糖的聚合度具有相关性的结论为真，依据纤维素水解条件远比淀粉苛刻，就可以推测纤维素分子中葡萄糖的聚合度比淀粉更高。这样淀粉和纤维素就不能是同分异构体。在以上水解条件的比较和排序中，学生经历的是对淀粉和纤维素分子中聚合度差异的推理过程，很快就能从他们自身的生活经验中得到证实，因为从淀粉和纤维素呈现的宏观形态上也可感受到它们微观结构之间的变化和差别。

当然，以后的学习，学生会进一步了解到淀粉和纤维素的水解过程是有差异的。因而可以说明纤维素水解条件的苛刻，一是与聚合度有关，另一还与单糖聚合过程中糖苷键的稳定性有关。也就是说，在将水解条件进行排序的过程中，聚合度的相对大小，不是水解条件的唯一归因，但是在这样的思维、推理过程中建立起的对知识的认知，是可以随着时间的推移，将知识的细节遗忘而留存下认识知识的方法。

又如在等电子体丁酮（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实验事实，可以推测乙酰甲胺也可以水解，但是水解较酯困难（实验表明，这一推理是正确的）。蛋白质分子中的肽键（即酰胺键）水解较为困难的事实，既保证了蛋白质结构的延续和稳定，同时又为生物个体的生长、器官的修复等奠定了结构基础。同时也使学生在化学学习中看到了自然界在物质进化过程中的选择性。这些跨越学科边界的体现哲学意味的科学方法或科学观念，对化学概念的形成不仅具有工具性的价值，而且在更高的层面上改变了学生对问题的认知方式和认知空间。

三、通过归纳形成结论

虽然实验是学生理解化学概念性知识的重要认知途径，但是限于学习的效率以及条件的局限性，并不是所有的化学概念性知识都需要或能够从实验开始起步的。利用他人的实验数据，对相关数据进行分析和归纳，也是形成化学概念性知识的重要方法。

以《分子间作用力》为例。“在结构相似的条件下，相对分子质量越大，分子间作用力越大，物质的沸点越高”是用以说明分子与分子聚集形成的物质沸点变化规律的基本概念。在实际教学过程中，学生对这一概念的认识和理解，是从寻找开始的。寻找在常温常压下呈气态、液态和固态的物质，从对这些物质分子组成的比较中，学生首先发现物质的状态变化与分子中所含原子数的多少有关。然后进一步观察发现，一般情形下呈气态的物质分子中含有的原子数比较少，但是在呈现固态的物质中也有含有原子数较少的分子（如I2等）。因此直觉使他们以为物质的状态变化会比较多地与分子的核电荷数或分子的相对分子质量有关。

在具体物质的熔沸点收集以及列表分析的过程中，学生可以直观地发现物质的熔沸点在相对分子质量坐标上的分布与离散存在着一种基本的变化趋势，在这种大尺度的相关性分析中，以相对分子质量或核电荷数作为变量，研究物质的熔沸点或状态与之的相互关联，应该没有太大的本质区别。如果对随机选取的物质按照“结构相似”的原则进行分组，就会发现物质的熔沸点和相对分子质量之间会表现出明确的相关性而少有反例。在这相对分子质量的排序中发现物质的熔沸点与之的相关性，进而推理出分子间作用力变化的趋势，实际也是比较概括的过程。

通过相关事实或数据归纳化学规律时，经常运用的是不完全归纳法，而不完全归纳法往往可能存在例外，例外的出现又是学习新知识的起点。若以为上述分析发现了物质的熔沸点与相对分子质量之间的相互依赖关系，而当类似的分析方法用于分析氢化物熔沸点的变化趋势时，第二周期N、O、F的氢化物熔沸点的反常升高，又会使学生从内心感到惊奇，产生探究形成这种特殊性的内在原因，由此引发的对氢键的认识在学生的知识体系中不是通过记忆堆砌而成的，而是通过具有逻辑关系的认知过程，与原有的知识体系产生结构性的联系。

虽然相对分子质量与物质熔沸点之间的关系只是化学概念性知识中的一个基本的经验常识，但是以上的分析过程，使得学生顺应了前人形成以上经验的认知过程，经历数据处理过程中的“去芜存真”、设定前提下的数据选择等思维过程，这样的学习经历将鼓励学生在以后的学习中不断主动拓展认知空间，并有能力对已有知识进行质疑。

如学生可以在查阅到单质S和I2的熔点较为接近的数据，大胆设想S单质分子的相对分子质量可与I2相当，这样S单质分子的分子式可能是S8（资料表明，这是对的）。实验室长期保存的甲醛溶液中存在大量白色固体物质，实验说明其成分是多聚甲醛，学生可以用多聚甲醛近似等电子体——直链烷烃作为参照系，进而估算出多聚甲醛的链节数应在8个以上（资料表明，固态粉末状的多聚甲醛的链节一般在8～20之间）。又如学生可以从一系列氧化物熔沸点数据的分析中发现NO2的沸点较为反常，文献资料表明在气态条件下，NO2有聚合形成N2O4的反应过程存在，在质疑中形成对NO2双聚反应过程的认识远比接受式习得知识来得深刻。

总之，教师的教学设计对学生学习策略的发展具有重要的引领作用。基于学习策略的化学概念性知识的教学设计，要逐渐摆脱原有化学知识孤立的、点到点的呈现方式，表现出以化学概念为载体，以物质的自然属性为认知对象，以物质的相互联系为存在形态的具有结构性的框架体系，乃至在学习中感知人与自然的和谐。这都是现今化学教学中值得关注的教育价值之所在。

（作者系江苏省特级教师，现为南京市金陵中学教师）