化学观念统领下的知识结构及认识思路

2015-10-15何彩霞

化学教学 2015年8期

摘要：基于“物质组成”知识内容特点的分析，结合知识间的多重关系，就化学观念统领下的知识结构及认识思路进行了探讨。以化学观念为统领，把具体的事实、概念与学科中普适性更高的重要概念和方法建立关联，能让学生从中领悟更有普遍意义、具有持久迁移价值的学科思想和解决问题的思路方法，这将对促进学生知识结构的改造和思维水平的发展产生积极影响。

关键词：物质组成；知识结构；认识思路；化学观念

文章编号：1005–6629（2015）8–0010–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

“物质的组成、结构与反应”是化学学科的基本问题[1]，认识常见物质的组成、结构、性质及变化等是中学化学课程的重要内容。与“物质组成”相关的知识（简称为“物质组成”知识）涉及混合物与纯净物这两大类物质，分散在不同学段、不同主题或单元中，如以人教版教科书为例，初中阶段有关混合物的知识先后有空气、溶液等，有关混合物的分离与提纯的知识先后出现在初中（第四单元课题2“水的净化”）、高中必修1（第一章第一节“化学实验基本方法”）、高中必修2（第四章第一节“开发利用金属矿物和海水资源”）、高中选修5有机化学基础（第一章第四节“研究有机化合物的一般步骤和方法”）等多个学段中。这样的安排是基于关注学生的认知规律，希望通过螺旋上升的方式来逐渐拓展、丰富和深化学生的理解。对于散在的相关内容，若处理得不好，就会使教学内容显得割裂、零散，容易使学生停留在对具体知识的简单学习上，难以发现知识间的关系，产生理解上的困难。为此在教学中，如何能顾及相对独立的具体内容，又不忽略它们之间的联系是值得探讨的。鉴于目前对“物质组成”知识的讨论较少，笔者以化学观念为统领，就“物质组成”知识的内容、结构及其认识思路展开探讨。

1 对“物质组成”的认识

一般来讲，“组成”有两层意思[2]：一是成分、组分，指组合在整体中的部分、个体。二是指部分、个体组合成为整体。前者侧重整体中的个别，后者强调基于个别的整体，即先要知道组成才能研究物质是如何构造起来的。

从化学的角度看，人们一般是用两大思路或方法来研究物质的，既研究物质究竟是由哪些最基本的物质或成分所构成的，如把复杂的事物通过分析、分解和综合，还原成为构成它们的基本组元的方法；也研究由一些基本成分或简单物质如何变成较复杂的物质。不仅如此，化学学科是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的，且注重宏观与微观相结合，把外在的性质、现象归因于物质内在的组成和结构的特点。因此，化学学科独特的视角之一是从物质的组成来认识物质并将其分类、归纳[3，4]。

在化学中，物质组成包括组分（对混合物而言）和元素（对纯净物而言）组成2个层次。依据物质是否由同一种组分组成，可以将物质分为混合物和纯净物。对于纯净物，按其组成元素的种类是否单一，可以分为单质和化合物。从组成的角度对形形色色的物质进行分析和归类，找出它们的共性和差异，可以达到深入了解和利用物质的目的。

物质的组成与结构特点是物质所具有的决定物质性质的基本属性。结构是指系统内部各个组成要素的搭配和排列[5]，以此类推，物质的结构涉及物质的组成成分（组分或元素）、存在形态（微粒或元素价态）及其相互关系（可以是数量关系、排列方式、位置分布、相互作用）等。由此可见，物质的组成是物质结构的重要组成部分，是决定物质性质的主要因素，进而影响着物质的用途。

物质组成与物质分类、物质组成与结构、物质组成与性质及其用途等相互关联，分析和把握它们之间的关系，并形成对这种关系的理解或解释，可以丰富和发展学生对物质的认识，可以更好地了解和利用物质。

2 “物质组成”知识的内容特点

中学阶段，“物质组成”知识涉及混合物与纯净物这两大类物质，对人教版教科书中的相关内容进行分析，大致可归纳为两大方面（见图1）：一是认识和研究常见物质的组成，具体包括：（1）常见物质由什么组成，如空气的组成、水的组成、溶液的组成，一些常见单质及化合物的组成等；（2）物质组成的表示，如纯净物的化学式表示其组成；（3）物质中各成分之间的数量关系，如纯净物中元素间的质量关系（化合物中各元素质量比、化合物中某元素的质量分数）、混合物中某组分的质量分数（溶液中溶质的质量分数、溶液的酸碱性与pH等）；（4）物质中各成分之间的相互作用，如水溶液中溶质与溶剂之间的相互作用、水溶液中离子间的相互作用、由分子构成的纯净物中相邻元素原子之间的化学键等；（5）对物质组成的测定，具体有混合物中某成分的含量或浓度的测定，如空气中氧气含量的测定、溶液酸碱性与pH的测定、酸碱中和滴定，也包括纯净物元素组成的分析，如水的组成、有机物的元素定性和定量分析等。二是从组成角度深入认识物质，具体有：依据物质组成将物质分类，如混合物与纯净物、单质与化合物、氧化物等；依据混合物中各组分性质进行物质的分离与提纯等，涉及过滤、萃取、结晶、蒸馏等方法，如水的净化、粗盐提纯、海水淡化等；依据物质组成推测、解释或调控物质性质，如CO和CO2的性质不同；铁合金与纯铁的性质不同，水溶液与纯水的性质不同等。

从内容特点看，中学阶段“物质组成”知识以事实性知识和技能性知识居多，而概念性知识和方法性知识偏少。其中概念性知识包括混合物与纯净物、单质与化合物、合金、溶液（溶质与溶剂）等概念，方法性知识主要是“依据物质组成的物质分类”和“物质的分离和提纯”，缺少“依据组成推测或解释或调控物质性质”等方面的知识，缺乏关于物质组成与结构、性质之间关系的概括程度较高的化学观念与方法。从课程编排看，“物质组成”知识分散在不同学段、不同主题或单元中，不同阶段学生关于“物质组成”知识及其承载的化学观念与方法的认识要求并没有清晰的界定。由此不难理解，在日常教学中，教师往往集中于具体知识与技能的教学，对学生思维过程与认知发展的重视不够，尽管“结构决定性质、性质决定用途”等学科思想观念为教师所熟悉，但有关“物质的组成与结构、性质及用途的关系”的内容常常被忽略。

3 “物质组成”知识间的关系与结构

知识结构由知识及其相互关系所构成。知识间的关系有包含关系、上下位关系、因果关系等。不同的关系，其意义不同。教学中需要立足整体的高度，将新知识的学习与学生已有的知识联系起来，帮助学生分析和把握知识间的区别和关系，进而形成较为系统的知识结构。

3.1 知识间的异同关系

对知识间异同关系的把握，既需要“同中见异”，也离不开“异中见同”。通过比较、分类等方法可以找出事物或知识之间的异同点。通过比较，根据事物的特征分析它们的异同点，根据相似点可以对事物或知识进行分类。

从元素组成的视角认识纯净物，可以对元素与物质性质的关系有深入的了解[6，7]：一是从元素视角认识物质的“个性”，即物质元素组成（元素种类、元素价态、分子中元素间的结合方式及相互作用）上的细微差别，会引起物质性质上的巨大差异；二是从元素视角认识物质的“共性”，即基于物质元素组成可以将纯净物进行分类，基于物质类别认识同类物质具有相似的性质。基于物质类别可以深入了解物质性质与变化的规律。

鉴于课程内容分散编排的特点，“同中见异”较为显性，在此强调要重视“异中见同”，需要注意通过比较和分析表面上不同事物之间的相同点或相似之处，来把握知识间的相似本质和规律。如物质的分离与提纯，有过滤、萃取、蒸馏、结晶等不同方法，其原理各不相同，但它们的共同之处在于“利用混合物中各组分性质的差异来分离和提纯物质”。这种知识间的相似性，特别是从个别事物抽象概括出的规律性知识（概括程度较高的一般性知识）具有统摄功能，可帮助学生学会利用某一知识去同化新知识或陌生知识，让学习变得容易。又如，以“物质中某种成分的质量分数”为统摄，可以帮助学生较好地认识和理解化合物中某元素的质量分数、混合物中某纯净物的质量分数（如溶液中溶质的质量分数）等问题。

化学知识间的相似关系有多种，如宏观性质相似、物质组成相似、微观构成或结构相似、实验原理与方法相似等，教学中需要注意对学生进行启发和引导，以发展学生的认知策略。

3.2 知识间的纵横联系

知识间的层级关系包括横向联系和纵向联系。纵向联系是指不同抽象层次知识点之间的关系，又称知识的上下位关系。“上位知识”是在对大量具体事物或知识进行抽象和概括的基础上形成的，其中具体事物或概念、事实等称为“下位知识”，如过滤、萃取、结晶、蒸馏是“物质分离与提纯”的下位知识，相应地，“物质分离和提纯”是上位知识（见图2）。横向联系是指具有相同抽象层次的知识点之间的关系，即知识的并列或同位关系，如过滤、萃取、结晶、蒸馏之间属于同位关系。又如，“化合物中某元素的质量分数”与“混合物中某纯净物的质量分数”是同位关系，而“溶液中溶质的质量分数”是“混合物中某纯净物的质量分数”的下位知识。

分析知识间的纵横联系，可以明确新知识学习中的思维类型，有利于确定合理的学习活动。对具体知识进行抽象概括、一般化或系统化等思维加工活动，可以帮助学生形成知识间纵向向上的联系，让学生能够从中获得更有普遍意义的概念和方法，实现知识的拓展和知识结构的改造。将抽象概括获得的知识或方法用来指导或运用于解决具体问题，是知识纵向向下联系的过程，也是促进学生将知识转化为能力的重要途径。

3.3 化学观念统领下的知识结构

探寻物质宏观性质和变化的内在本质和原因是化学学科的核心任务之一。物质的性质是由其内部组成和结构决定的，这是关于物质组成、结构与性质关系的化学观念。物质的组成、结构与性质之间的这种关系可以认为是因果关系，即物质组成与结构的变化（原因）会引起物质性质的变化（结果）。

以上述化学观念为统领，从组成（组分或元素）的角度来看混合物和纯净物的性质，可以将上述化学观念进一步具体化（在此称为“具体理解”），如纯净物的性质受组成物质的元素种类、元素形态（化合价、相邻元素的结合方式、分子中元素间的相互作用等）等的影响[8]。对于简单的化合物或单质，组成物质的元素种类甚至起着决定性的作用。与之类似，混合物的性质受组分的种类、数量及相互作用的影响。这些“具体理解”是基于对大量具体物质的性质与其组成关系的抽象概括，可以通过具体概念、事实或实例来体现。如合金和纯金属相比较，其性质上存在着较大的差异。在纯金属铁中熔合一定量的碳、锰或碳、铬、镍等，这种组成的改变，使得铁合金性能随之发生改变。利用这种方法，人们可以制得一些符合特殊需要的金属材料。

知识间的不同关系，构成了推理及解决问题的基础，有的可以用来分析、概括或解释一些具体问题，有的可以揭示分析和解决问题的思考角度和思维过程。

化学观念具有思维引领作用，以化学观念为统领，将事实、概念与普适性更高的概念性知识（具体理解）及化学观念之间建立纵向向上的联系[9]（如图3所示），不仅能沟通相关知识间的内在联系，提升知识的概括化程度和包容性，而且体现了化学学科独特的认识视角与思维方式，能让学生从中领悟更有普遍意义、具有持久迁移价值的学科思想和解决问题的思路方法，这将对促进学生知识结构的改造和思维水平的发展带来积极影响。

4 “物质组成”知识的认识思路

化学观念是化学知识体系中最深层或最上位的知识，用化学观念统领具体知识可以促进对学科的基本思路及其知识间内在联系的把握[10]。但是，学生对化学观念的理解是以具体的事实、概念等具体知识为载体经过思维加工而逐步形成的，教学中需要尊重化学观念的形成规律，即需要结合相关具体知识的学习，引导学生从化学视角对知识进行思维加工，帮助学生形成相应的认识思路与方法。

化学学科是在原子、分子和离子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的，宏观-微观-符号相联系是化学学科独特的认识视角和思维方式，因此对物质组成的认识既包括宏观层面，也包括微观和符号层面。

如前所述，物质组成涉及组成成分（组分或元素）的种类、存在形态（微粒或元素价态）及其相互关系（包括数量关系、相互作用）等要素，以此为依据，将“常见物质的组成”作为认识和研究的对象，可以从物质、元素、微粒的视角从定性和定量两方面梳理相应的认识思路，将知识内容转化为如表1所示的认识框架，为学生的学习和认识发展指引思维的方向和路径。

依据表1中的基本框架，按照学习进程依据知识发展的逻辑关系，在教学中需要结合相关知识内容的教学，将知识及知识间的联系与认识思路方法统一到具体的学习活动中，将知识及知识间的联系、认识思路与具体的问题情境建立关联，通过学生的比较、分析、抽象概括、建立联系等思维活动，将学习引向深入。

总之，化学观念是化学教育中的重要内容。教学中需要注意突破孤立地传授具体知识这一局限，要把学习化学学科的重要概念、化学观念与学科独特的认识事物的视角和思维方式作为重要的教学目标，围绕重要概念或化学观念组织教学内容，关注知识的形成过程以及知识间的区别和联系，帮助学生逐步形成较为系统的知识结构以及看待事物的化学视角，并使之转化为解决具体问题的思路与方法，这对于促进学生知识、思维与能力的协调发展不仅必要，且尤为重要。