化学教育的十个辩证问题

卢姗姗+毕华林

摘要：本文介绍了美国亚利桑那大学维森特·塔兰克（Vicente Talanquer）教授提出的当前化学教育研究者普遍争论的十个教育问题：抽象和具体、微观和符号、错误概念和科学概念、算法和概念、记忆和理解、广度和深度、严谨和相关、讲课和实验、验证和探究、教师中心和学生中心。化学教育研究者只有辩证地去分析和看待这些问题，才能保证化学教育研究良好地开展下去。

关键词：化学教育；理论研究；辩证关系

文章编号：1005–6629（2014）7–0006–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

辩证的思想不仅体现在化学学科本体上，如酸和碱、氧化剂和还原剂等科学概念的建立，而且存在于化学教育研究中。当前有些研究者，尤其是初涉化学教育研究领域的教师在描述和分析化学教学或学习现象时，容易片面地理解一些研究术语，将化学教育引向极端，在对一些教育问题的看法上出现了非此即彼的态度。这是一种缺乏辩证思维的表现，不利于研究者交流彼此的观点和产生新的想法。美国亚利桑那大学维森特·塔兰克（Vicente Talanquer）教授辩证地论述了近几年国际化学教育研究者普遍争论的十个问题，以帮助化学教师更加清晰地认识化学教育问题，并能够批判地分析被认为是理所当然的现象。

1 抽象（abstract）和具体（concrete）

抽象和具体反映的是化学学习对象的特征。化学知识在某些程度上被划分为具体的和抽象的，例如分子、原子通常被认为是抽象的化学概念，而元素及其化合物的相关性质则被认为是具体的知识。研究者认为学生学习具体的或抽象的知识所需要的认知水平是不同的，在过去半个世纪里，对学生认知水平的划分以著名心理学家皮亚杰（Piaget J）提出的认知发展理论为权威。

根据皮亚杰对儿童认知发展阶段的描述，研究者普遍认为学生在6、7岁之后其认知水平达到“具体运算阶段”就可以学习具体的化学知识，但是无法学习抽象的化学知识，只有12岁之后认知水平发展到“形式运算阶段”才具备了学习抽象化学知识的能力。在这一理论指导下，研究者认为学生出现化学学习困难，是由于他们的认知水平还未发展到形式运算阶段。之后对大学化学专业的学生进行研究的结果显示，当大学生面对一些抽象的化学概念时，他们很难采用形式运算的推理获得理解。一些研究者指出大学生这一类学习群体的认知水平显然已经达到了皮亚杰界定的形式运算阶段，但是大多数学生仍旧出现化学学习的困难，于是研究者将学生出现化学学习的困难归结于教学中提供给他们的化学知识太抽象而导致的。

研究者对学生化学学习产生困难的原因看法不一，是由于化学知识的抽象水平决定的，还是学生的认知水平或推理方式造成的？虽然化学知识的特征和学生的推理方式都会影响学生学习化学的表现，但是最近的教育研究并不赞同化学知识的抽象性与学习困难之间存在着直接联系，学生的推理方式也并不依赖于化学知识的具体或抽象的特征，学生在学习具体的知识时遇到的学习困难与学习抽象知识遇到的学习困难可能是一样的。学生化学学习的困难应当是由提供给他们的问题或知识所需要的认知及推理方式的复杂性所导致的。

2 微观（submicroscopic）和符号（symbolic）

自从约翰斯顿（Johnstone A）提出化学知识能够以三种主要的方式进行表征，分别是宏观的、微观的和符号的，化学知识三重表征的观点便成为化学教育中的一种典范，被用作指导教科书设计、课程材料编制和教师课堂教学。在这三者之间，研究者最常讨论的是宏观和微观、微观和符号的关系。当研究者讨论宏观和微观之间的关系时所持有的观点基本与具体和抽象的关系是一致的，因为宏观的往往被当作是具体的，而微观的通常被认为是抽象的。微观和符号之间的辩证关系是化学教育研究中的另一个重要问题。

微观的表征要求学生理解科学家描述、解释和预测物质性质或反应过程所使用的微观模型；符号的表征要求学生应用化学符号表示物质，并通过不同符号之间的演算关系将微观模型所展示的化学物质结构或者化学反应过程表示出来。化学教育研究的结果显示学生能够使用符号表示物质或者化学反应，但是并不理解化学符号所代表的微观模型。也就是说学生能够建立起符号的表征，但是难以建立起微观的和符号的表征之间的联系。这一研究结果反映了实践的化学教学局限在化学符号的操作上，缺少了对化学符号所代表的微观模型的有意义分析。很多研究者将微观和符号的学习对立起来的，事实上在化学学科中要清楚地区分化学符号及所代表的微观模型是比较困难的，因为微观的模型本身就具有符号的特征。

那么在化学教育研究中所讨论的符号代表的是什么，微观代表的又是什么？研究者指出虽然用物质的微观模型替代化学符号表示化学反应的过程更加明确，然而仍然需要使用化学符号系统来简化这些过程，符号是对微观模型的特征更加精炼的表示。从这一视角来看，研究者所讨论的化学符号只代表了微观模型中很少的信息，不能完全表达微观模型所代表的物质结构或者反应过程。因此符号的表征和微观的表征不是对立的，但是化学教育也不是期望学生能够在两者之间建立联系这么简单，而是要培养学生从经验调查中产生证据，在对事物或现象的解释过程中，学会使用科学家的微观模型，而符号的作用是学生之间表达观点及交流想法的重要工具。

3 错误概念（misconception）和科学概念（scientific conception）

错误概念的提出以及在此基础上发展的概念转变的研究在近几十年渗透到科学教育的各个领域。就化学学科来说，这项研究覆盖了大部分化学概念，如原子和分子、物质结构、化学键、氧化还原反应、化学平衡、酸碱理论、热力学、动力学等，揭示了学生几乎在所有的化学主题上都存在错误概念。研究者普遍认为这是由于学生进入课堂前已经具有了对自然界的事物或现象的看法，其中那些错误的概念阻碍了科学概念的理解。由此将学生的错误概念和科学概念对立起来，并且认为科学教育是让学生从错误概念到科学概念的概念转变过程。

错误概念和科学概念的对立虽然让研究者认识到在课堂中引出和转变学生观念的重要性，但是对于引出的观念在化学学习中所发挥的作用，研究者产生了争论。一些研究者反对转变学生的观念，他们认为将学生已有的观念全部归为错误概念在实践中容易导致教师将学生的已有观念去除，而不是建立在学生已有观念的基础上帮助他们建立科学的理解。学生的观念并不都是错误的，一些对物质及其性质变化所具有的最初观念是学生理解科学概念的基础，科学的学习须在此基础上展开。

化学教育研究的结果显示了学生的一些观念是零散的、动态的，在不同的任务或情境下呈现不同的形式。从这一视角看，很难判定哪些才是学生真实的错误概念。因此化学教学不是将具体的错误概念（如铜原子有金属光泽）消除，而是要把这些错误概念背后学生潜在的推理方式引发出来，以此教学才会对学生的化学学习是有益的。

4 算法（algorithmic）和概念（conceptual）

在对学生概念学习和问题解决的研究中，努任伯恩（Nurrenbern S. C.）和皮克林（Pickering M）区别了学生两种不同的推理方式，分别是算法的（algorithmic）和概念的（conceptual）。算法的推理是指学生通过记忆一系列程序来解决问题，而概念的推理强调的是学生应用对核心概念的理解而解决问题。这两种推理类型的区分对化学教育所产生的意义是促进教师在课堂中关注学生不同的推理方式。

区分算法的和概念的推理方式虽然对评价学生的概念理解或问题解决能力有所帮助，但是并不表明这两种推理方式是对立的，也不存在哪种更高级之说。学生解决问题时应该使用算法的推理方式还是概念的推理方式，研究者的看法不同。有些研究者认为推理方式并不在于问题的形式，而是取决于学生对问题的表征。在很多研究案例中，教师认为解决微粒和符号之间转化的问题需要学生通过在理解概念基础上进行推理来解决，事实上很多学生是通过机械地记忆一系列的程序来解决问题的。然而专家在解决问题时通常使用一些结构良好的算法推理，这需要建立在对科学概念的深刻理解基础上，而不是通过机械记忆的方式。

因此，学生对问题的表征和概念理解的水平影响问题解决过程中的推理方式，这就需要研究者辩证地看待学生问题解决中的推理方式。例如，不同的学生使用算法推理来解决问题时，有的可能是机械记忆一系列程序，有的可能是对概念深入理解之后形成一系列具有良好结构的规则。

5 记忆（memorization）和理解（understanding）

当研究者谈论教学方法时，通常用记忆和理解来区分教学的好坏，同时反映出他们对化学课程的看法，记忆反映出课程是事实的堆积，而理解突出课程是概念的联系。他们普遍认为强调记忆事实的教学阻碍学生的学习，理解概念的教学才有利于学生的发展。在这种观念引导下，传统的化学课程被质疑为是堆积起来的事实，传统的化学教学被批判为死记硬背。

记忆和理解，或者说事实和概念是研究者对传统课程和教学的争论中出现的对立。似乎所有的化学教师和教育研究者都希望学生能够理解他们所讲授的核心概念，因此指责传统记忆事实的教学方法不利于学生发展起科学的思维方式。然而记忆和理解并不是对立的，而是化学教育研究者从不同的视角讨论化学教学所需要的或者适合的教学方法，尤其是对于初学者来说，记忆事实的教学是必须的，因为它能形成学生深入理解核心概念所需要的相互联系的知识基础。

当前研究者基本赞同有意义的理解需要广泛的知识基础，但是对于知识基础如何建立起来，换句话说教学如何协调记忆事实和理解概念两种教学方法，研究者出现了争议。一种观点认为教学首先需要建立必备的知识基础，才能保障之后学生能够顺利地参与更加复杂的认知任务。另外一些教育者认为只要那些在参与认知活动中需要的事实才可以称为是知识基础，事实的选择和记忆要通过学生在高水平的认知活动中来实现。似乎更多的研究证据显示了后一种方式在教学中的有效性。

6 广度（breadth）和深度（depth）

广度和深度是过去的半个世纪里课程概念的中心问题。研究者谈论这个问题时，对广度的看法基本一致，指课程中所包含主题或概念的数量。而对深度的描述有些模糊，有的研究者将深度当作是围绕某个特定主题的知识范围及复杂程度，还有一些研究者认为深度是提供给学生发展对核心概念连贯理解的机会。在化学教育中，区分广度和深度是课程改革首要考虑的问题，研究者对此产生不同的看法。

当研究者谈论课程的广度和深度问题时似乎透露出这样一种观点，认为课程的设置可以广泛，也可以深入。一部分研究者认为深度只有在广度的基础才能够建立起来，而在任何课程中广度都要受到时间的限制，他们认为时间越多课程的广度就会增加，深度自然就形成了。而这种想法也让一些研究者指出，如果学校教授课程的时间一定，那么关注少数几个主题的课程会让深度更加深入。

关注少数主题和核心概念的课程使得课程的深度得以实现，正如上所述，研究者对课程深度的看法存在差异，有些研究者认为深度就是给学生介绍更加高级或者复杂的模型和理论，然而这种关注学科深度的课程并不能很好地引发学生深刻的概念理解。而另外一些研究者提倡深度是给学生创造更多的参与认知活动的机会，并在不同的情境中应用核心概念，研究结果显示这种方法虽然能够促进学生有意义的学习，但是并不能帮助学生形成对该学科高级理论的理解。这种情况反映出虽然大部分化学教育研究者同意增加课程的深度，其实他们在讨论不同的事情。

7 严谨（rigor）和相关（relevance）

化学教育研究者对化学教育有着强烈的愿望，即期望化学教育能够以与所有学生都相关的方式进行。认识到化学是与学生的日常生活息息相关的，于是课程编制的过程基本遵循从学生的生活经验引入化学。由于化学学科中更为精确和复杂的理论难以与学生的经验建立起紧密联系，因此与经验相关的课程被一些研究者认为仅仅对那些不上大学或者不从事科学或工程事业的学生是合适的。这样就引起了课程编制中学术严谨与经验相关这一问题的辩论。

所有的化学教育者都认识到化学在当今社会所发挥的中心作用，并且渗透在学生日常生活中的各个方面。但是所教授的化学知识是追求学科的严谨性还是要贴近学生的经验？一些研究者认为应用化学课程中的知识来分析和解释与学生经验相关的主题时容易降低学术严谨性，主要是因为与学生经验相关的大部分问题是比较复杂的，尤其是在入门阶段讲授的化学知识仅仅是对问题的一种简单描述。然而一种对立的观点认为要理解学科更加精确和复杂的理论，需要学生以有意义的方式理解与经验相关的问题并建立牢固的知识基础。

课程设计遵循学科知识的严谨性还是贴近学生的经验，两者并非不可调和。为保障学科知识的严谨性并且兼顾学生相关的经验，需要教师转变对学生学习内容的看法，从教授我们所知道的化学学科知识到教授我们如何应用化学思维去解决相关的问题。基于情境的课程能够帮助学生理解经验相关的问题背后潜在的化学知识，既没有脱离学生的经验，还能帮助学生学习严谨的化学知识并且应用化学的思维去解决这些问题。

8 讲课（lecture）和实验（laboratory）

很多化学家认为化学是一门理论和实践相结合的科学，化学教学被明显地分为在课堂中进行的理论学习和在实验室开展的经验学习。讲课关注的是化学理论的学习以及解决定量问题时需要的计算技能的发展。实验要求学生进行观察、收集和分析数据、发展实验操作技能，能够验证课堂中所讨论的原理或理论。

讲课和实验两种教学方式是否要独立开展，研究者的观点不同。一种观点认为不同类型的知识和技能需要在不同的环境下才能够获得良好的发展，然而这被其他研究者认为是一个有限制性的假设，为什么课堂中教师的讲课就不能促使学生参与收集和分析数据，为什么实验不能够帮助学生学习科学的理论或模型？这些研究者认为两种教学方式的对立误导了教师，认为只有通过实验才能激发学生的学习动机，发展学生的合作能力及创造力。于是试图将两种教学方式联系起来，然而在实践中受到很多限制。

事实上，研究者为了将理论和经验联系起来试图将讲课和实验的教学方式结合，这种想法可能也会误导一些研究者。化学教育的重要问题不是讲课和实验能不能够在同一个内容上统一起来，而是要意识到这两种环境下的化学教学要求学生参与的认知活动及教学目标可能是不同的。

9 验证（verification）和探究（inquiry）

“探究”思想的提出作为课程改革的一项重要成就，影响了研究者对传统教学中实验的看法。虽然“探究教学”这一术语可以以多种方式理解，但通常是指为学生创造机会产生和评价对自然世界的科学解释，并且参与科学实践和对话。在这一指导思想下，探究实验作为传统的验证实验的对立而提出来，认为验证实验为了得出期望的科学结论往往是由一系列良好的步骤和程序构成的，限制了学生的行动及在实验过程中做出决策的机会；而在探究实验中学生能够全面设计方案并控制调查研究，充分发挥学生的主体性。

验证实验和探究实验之所以被认为是对立的，主要是研究者忽视了可以进行不同程度的实验探究。探究的水平取决于学生设计及参与不同调查研究部分的程度。例如，一些研究者根据学生参与科学探究环节的多少，如提出问题、设计实验、分析数据、解释结论等，区分了结构的、指导的、开放的探究实验。

化学教育研究的结果显示完全开放的探究实验并不利于学生的学习，而合适的支架式实验教学对学习具有积极的影响。这些脚手架帮助学生逐步参与到不同水平的探究活动中去。验证实验就是一个良好的脚手架，能够帮助学生发展特殊技能，保障探究实验的顺利开展。因此，验证实验和探究实验不能看成是非此即彼的关系，而应当是根据教学目标采用何种实验方式的问题。

10 教师中心（teacher-centered）和学生中心（student-centered）

化学教学是以教师为中心还是以学生为中心，其实这个问题在任何一个学科中都会被广泛谈及。以教师为中心的教学被认为是传统教学的标志，教师完全设计和控制教学，是一种消极的教学；以学生为中心的教学被当作是教学改革的新理念，关注学生的主体性和学习的主动性，是一种积极的教学。

大量的研究证据表明以学生为中心的教学对学生的学习成就具有积极的影响，因为在这种教学环境下学生可以自由表达想法、参与讨论、通过小组合作建立模型和解释、进行自我评价等，这些对学生的学习都是非常重要的。同时这些研究证据暗示了课堂中学生参与的活动都是经过教师精心计划和设计的，并且得到教师及时的反馈。事实上，如果没有以教师为中心的设计和反馈的教学就谈不上以学生为中心的课堂学习。

研究者将以学生为中心和以教师为中心对立起来，主要问题在于经常忽略了真正的教学任务，过分地简化了传统讲授的教学目标，他们认为学生的想法对于科学理解是非常有价值的，学生可以通过自己的理解形成精确的科学概念。

上述讨论的10对辩证关系并不是化学教育的全部内容，这些辩证关系也不是在所有的情境中都具有相关性。作为教育研究者，我们需要深入思考并批判性地分析那些有关教学的知识和信念，使我们能够认清复杂体系中的主要矛盾和矛盾的主要方面，更好地改进和指导我们的教学。