化学高阶思维的内涵界定与结构建构

2019-11-29郭金花吴星

江苏教育研究 2019年28期

郭金花　吴星

摘要：通过对“思维”“高阶思维”“化学思维”等概念的分析，界定了“化学高阶思维”的内涵。在“化学高阶思维”概念以及对“思维结构”分析的基础上，构建了化学高阶思维结构系统，该系统分为三个层面：知识观念层、动力调控层和智力智慧层。这三个层面是相互联系、相互作用的有机整体。

关键词：化学高阶思维;内涵界定;思维结构;中学化学

中图分类号：G633.8 文献标志码：A 文章编号：1673-9094（2019）10A-0003-05

当下，以互联网为代表的信息技术高速发展，信息技术取代了大量的记忆性和检索性工作，人类从记住知识与信息转向学会判断、选择、重组、运用这些知识与信息并做出决策。学习者不仅仅要知道“学什么”，更需要知道“怎样学”和从“哪里学”。这些都对人类思维提出了极大的挑战：对于未来的公民而言，仅拥有详细的知识是远远不够的，学习者还必须要有完成复杂任务、解决劣构问题的能力[1]，以及创造新概念、新理论和新知识的能力，即高阶思维能力。

高阶思维的培养应从基础教育开始抓起，并落实在各门学科教育中。化学作为自然科学的重要分支，非常重视思维对科学发展的作用。在《普通高中化学课程标准（2017年版）》（下面简称“新课标”）中共有3处强调发展学生的“高级思维”能力[2]，因为它是学生获得高水平化学核心素养与高水平学业质量的关键能力[3]。

一、化学高阶思维研究的现状

国外学者对高阶思维的研究比较早。布鲁姆（B. S. Bloom）和安德森（Anderson）是最早提出“高阶思维”概念的学者。瑞斯尼克（Resnick）与恩尼斯（Ennis）系统分析了高阶思维的一般特征与标准。钟志贤、姜玉莲等人是国内对高阶思维研究比较深入的学者。但是目前对化学高阶思维的研究尚处于起步阶段，研究主要是通过分析化学学科性质和课程标准将高阶思维进行描述和表征，来确定高阶思维培养的方式。可见目前对化学高阶思维研究的内容还比较单一，主要集中在如何培养高阶思维的实践研究上;培养方式也只是停留在一般性化学课堂教学方法的尝试上。而化学高阶思维的理论研究，如内涵、思维结构、评价、发展等还缺乏系统、深入的研究。本研究旨在文献研究的基础上，结合化学学科思维的特点，嘗试界定化学高阶思维的内涵，构建化学高阶思维的结构系统，从而为化学高阶思维评价指标的构建、化学高阶思维能力的测量等做一些基础理论工作。

二、化学高阶思维的内涵

（一）思维的内涵

对于“究竟什么是思维和意识，他们是从哪里来的”，恩格斯在其《反杜林论》中指出：“他们都是人脑的产物”。思维是人脑的机能和属性，是人脑的一种特殊的高级反应形式，但不是空洞的形式，而是具有内容的形式。这种形式不是人脑生而固有的，也不是在人脑中凭空产生的，而是通过对外部客观世界对象的反映获得的，是一个包括接收、加工和储存信息以及对信息进行再创造的能动过程。因此，思维是人脑对外部客观世界对象的能动的和具有创造性的观念反映[4]。

（二）高阶思维的内涵

高阶思维起源于布鲁姆教育目标分类学对认知领域教育目标的六个分类：识记、理解、应用、分析、综合和评价。安德森（2001）对这六个教育目标进行了修订，并在此基础上提出“识记、理解、应用”为“低阶思维”，而“分析、评价和创造”为“高阶思维”[5]。由此可见，安德森是将高阶思维在学生认知水平的基础上划分出来的，并没有明确提出高阶思维的概念。瑞斯尼克认为高阶思维是复杂的、难以预测的。为避免对这一复杂概念的精确界定，他描述了高阶思维的基本特征，认为“高阶思维能力具有复杂性、不规则性、解决方法与评价标准的多样性及思维过程自我调节性，强调对看似混乱的结构进行意义建构”[6]。

国内学者大多数倾向于从能力导向角度认识高阶思维。钟志贤（2005）认为高阶思维是发生在较高认知水平层次上的心智活动或较高层次的认知能力，超越了既定信息的能力、元认知与评价能力以及问题解决能力，具有批判性态度和自主学习性，也是对事物或现象做出合理判断的能力[7]。姜玉莲（2017）认为高阶思维是思维从具体思维发展到抽象思维的高级综合能力的体现。在教学目标中主要是指完成复杂任务或解决劣构问题的重要能力，包括批判性思维能力、问题求解能力、决策能力、创新能力以及自我调节等高级综合能力[8]。因此，能力视角下的高阶思维强调学习者高水平的思维能力。

（三）化学思维的内涵

从思维的方法来看，思维可分为一般思维方法和特殊思维方法。特殊思维方法导源于个别认识对象或领域，化学思维就属于一种特殊的思维方法，是化学学科特有的思维。吴俊明、王祖浩在他们主编的《化学导论》中提出，“在化学知识的掌握过程中，逐步形成了关于物质组成、结构、性质、变化的概念、定律、原理等来间接、概括地反映化学事物、独具特色的一类思维活动，即化学思维活动。”[9]在此界定中，突出强调了化学思维内容的特殊性，即“物质的组成、结构、性质和变化”。思维内容的特殊性决定了思维方式的特殊性，如利用化学实验、化学模型、化学语言等化学学科特有的活动方式或工具进行思维。

（四）化学高阶思维的界定

根据安德森对思维的分类，思维有“低阶思维”与“高阶思维”之分，同理，化学思维也应有“化学低阶思维”与“化学高阶思维”之分。本研究在分析“思维”“高阶思维”以及“化学思维”内涵的基础上，提出对化学高阶思维的界定：化学高阶思维是指学生围绕具有挑战性或劣构性的化学问题，从宏微结合、变化守恒的视角，借助于化学实验、化学语言和化学模型，运用证据推理、分析、归纳、抽象和评价等方法，获得结构化的化学核心知识、原理，养成创新精神和实践能力的过程中形成的高水平心智活动。我们可以从以下4个维度认识化学高阶思维的内涵：第一，从思维的目的来看，化学高阶思维着重解决具有挑战性或劣构性的化学问题，简单的化学问题无须使用化学高阶思维;第二，从思维方法和思维过程来看，化学高阶思维体现了人类思维的一般特征，它同样需借助分析、综合、归纳、比较、抽象、概括等进行概念建构，完成假设、推理、判断、论证等思维过程;第三，从思维的外部工具来看，化学高阶思维需借助化学实验、化学语言和化学模型等特殊思维工具思考问题;第四，从思维的对象（或材料）来看，化学高阶思维既要思考物质的宏观世界，想象和理解分子、原子、离子等微粒构成的微观世界，又运用化学式、结构式、方程式等符号构成的符号世界来表征宏观物质和微观粒子。总之，化学高阶思维内涵中最重要的基本点是：化学高阶思维一定要以挑战性或解决劣构性的化学问题为主旨。

三、化学高阶思维的结构

（一）思维结构的内涵

现代科学技术证明，在人脑中存在思维结构[10]。一般来说，思维结构是指主体把握客体、主体和客体互相作用中的思维定式、模式、格局，是思维诸因素相对固定的联结方式、组合方式，因而是主体在认识特定客体之前的“先在框架”[11]。人的思维结构是在实践中形成的，它一旦形成就具有“先入为主”的性质。当外来的信息作用于主体时，主体就以这个“先在框架”过滤、筛选、加工、整理和组合客体的信息材料，在此基础上创造出主体所需要的精神产品。因此，对于一个具体的认识过程和认识结果来说，其中都深深地打上了主体思维结构的烙印。

（二）化学高阶思维结构的系统建构

思维结构是以一种“先在框架”存在于头脑中，根据化学高阶思维丰富的内涵，这种“框架”必然是多元化的，是多种思维要素、意识成分的有机组合，并且是一个组织有序的“框架”。因此，化学高阶思维结构是一个复杂的理论系统，我们将其分为3个层面加以论述：知识观念层、动力调控层和智力智慧层。

1.知识观念层

知识观念层包括化学概念网络和化学核心观念，它是整个化学高阶思维结构的基础系统。

（1）化学概念网络。思维是在内化于头脑中的一定量的知识和信息的基础上形成的。对于高阶思维来讲，仅有这些知识和信息是远远不够的，它们必须通过抽象形成概念，概念之间必须按照一定的逻辑关系形成相互联结的整体性网络。概念网络是以中心概念为核心而形成的概念体系，反映了人脑的思维空间的大小。内化于头脑中的概念越多，概念越丰富和结构越完善，其思维空间、思维容量也就越大。因此概念网络是人的思维能力的内部源泉，是智力及其发展的重要基础，是思维结构中必不可少的组成部分。

（2）化学核心观念。化学核心观念是化学科学的根本观点、总观点，同化学概念网络有共同的客观基础、共同的来源，都是化学世界知识大厦的组成部分。但两者又有不同，化学概念是滋长、形成化学观念的深厚土壤，是化学核心观念体系发展的科学基础;而化學核心观念是化学概念的升华，是人们对化学科学及其发展认识的最高结晶。当化学核心观念被个人接受而内化时，就转化为思维结构中最深沉的部分，更加具有稳定性、牢固性和持久性，并潜移默化地支配人的思想和行为。因此，化学核心观念对思维结构的作用和影响是极为深刻的。

2.动力调控层

动力调控层包括思维的自我监控、自我效能感和学习共同体支持，它是整个化学高阶思维结构的动力系统。

（1）思维的自我监控。思维的自我监控是传统心理学的“自我意识”在思维中的表现。它与“反思”“元认知”的概念在一定意义上具有相似性[12]。林崇德教授把“思维的自我监控”看成是思维结构中最重要的组成部分，它对思维结构的其他要素起着“调控或统领”的作用[13]。它能确保化学思维目的的方向性、搜索和选择恰当的思维策略、实施并监督思维的过程以及评价思维的结果等。

（2）自我效能感。根据班杜拉（Bandura，1997）的观点，“自我效能感是人们对自身能否利用所拥有的技能去完成某项工作行为的自信程度”。有些人之所以能够走出困境，并最终获得成功，是因为这些人具备了一种坚定不移的信念，相信自己具备取得成功的要素与潜质。积极的自我效能感是思维结构中具有活力和生气的因素，是认知活动和过程的一种推动力量。

（3）学习共同体支持。如果说思维的自我监控和自我效能感是化学高阶思维的内部调控机制的话，那么学习共同体支持就是化学高阶思维的外部（或社会）环境支持。在课堂学习环境中，学生与学生、学生与老师相互作用，形成课堂环境下的学习共同体。根据认知发展的相互作用理论：个体的高级心理过程起源于社会过程，受个体的、人际的及文化历史相互关系的影响[14]。因此，化学高阶思维这种高级的心智过程离不开学习共同体的支持。值得注意的是，化学高阶思维结构中的学习共同体支持并不是学习者被动地等待别人的支持，而是主动寻求与他人的合作，互相学习，互惠互利，形成共赢。因此，具有高阶思维能力的学习者应该善于从学习共同体中汲取他人的知识、经验和思维模式，以提高自己的思维能力。

3.智力智慧层

智力智慧层包括：化学实验思维、化学模型思维、化学微观思维、化学守恒思维、化学创新思维。它是整个化学高阶思维结构的核心系统，其中各要素思维品质的优劣直接决定了化学高阶思维能力的高低。

（1）化学实验思维。化学是一门实验科学，化学实验作为一种能动的实践活动方式，不仅是一种感性活动过程，更重要的是一种理性思维过程，本质上是理性思维的物化[15]。化学实验思维是指个体凭借已有的化学知识经验，对有关的化学实验的信息进行分析综合、抽象概括等一系列复杂的加工处理，以理解实验课题、形成实验方案、获得化学概念、认识物质性质、揭示化学规律等的内在认知过程。它贯穿化学实验的准备、实施和结果处理的全过程[16]。实验试剂、实验装置与实验方法的灵活选择，化学实验的熟练操作，控制实验变量的合理设计等都离不开化学实验思维的发展。

（2）化学模型思维。模型本身是意识（思维）活动的产物，它能够沟通科学现象与其本质，以简单、清晰的形象或意象表达直观、明确的含义。在化学学习中，模型通常有两个作用。首先，可借助化学模型，在头脑中形成与实物或事实近似的理解。例如：通过电子云模型理解电子在原子核外高速运动的场景以及电子在原子核外出现的概率;通过金刚石的晶胞模型理解原子晶体中原子之间的作用力和堆积方式等等。其次，构建模型。从认识对象中抽象概括出核心要素，并梳理要素之间的关系，以图形、图表等形式来表现，使概念的本质清晰显现，这个过程就是构建模型的过程。例如，通过构建“价层电子对互斥模型”可以迅速判断分子的空间构型。建模是将“抽象”变得“具体”了，从而降低了理解的难度，但是“抽象”的过程以及再将“抽象”变“具体”的过程却是极其复杂的。因此，我们认为化学模型思维尤其建模，是化学高阶思维结构中的重要组成部分。

（3）化学微观思维。化学是在原子、分子的层次上研究物质的一门科学。由于学习者不能直接观察到微观世界微粒的运动和相互作用、物质的微观组成和结构等，因此学习者必须展开对微观世界的丰富想象，并在此基础上形成高度的抽象能力、逻辑推理能力等。例如物质为什么具有不同的聚集状态？同种类型晶体的熔沸点、溶解性为什么具有差异性？具有怎样的差异性？化学变化的本质是什么？要解决诸如此类的问题，首先要建立学生的微粒观，如任何物质都是由原子、分子或离子构成的，构成物质的微粒之间是有相互作用力的，作用力也是有大小之分的，等等。在此基础上，发展学生的微观思维，从微观的角度，借助化学符号，理解宏观的现象，解决实际问题。因此，化学微观思维也是化学高阶思维结构中必然存在的组成部分，缺乏化学微观思维，将无法理解宏观物质的性质。

（4）化学守恒思维。化学守恒思维是在对具体的化学知识进行学习、理解、掌握、运用的基础上，形成的一种特有的化学学科思维[17]。它是运用守恒思想，快速简捷地解决复杂化学问题的一种精妙的思维方式[18]。例如：陌生氧化還原反应离子方程式的书写，往往是高中化学学习中的难点，学生可以运用“得失电子守恒”“电荷守恒”以及“元素守恒”快速写出这些方程式。再如，溶液中离子浓度的大小比较也是高中化学的一大难点，学生如果能够综合运用“物料守恒”“电荷守恒”以及“质子守恒”联立关系式，这一复杂的问题也会迎刃而解。

（5）化学创新思维。创新思维是以感知、记忆、联想、理解等能力为基础，以综合性、探索性和求新性为特征的高级心理活动，是思维的最高层次，需要人们付出艰苦的脑力劳动[19]。根据上述创新思维的内涵与特点，在化学学习的过程，我们发现“科学探究”“无机物的制备”“有机物的合成”“化学问题的创新解法”等等都需要运用创新思维。以“科学探究”为例，在新课标中化学核心素养之“科学探究与创新意识”的第4级水平中提到“能根据文献和实际需要提出综合性的探究课题，根据假设提出多种探究方案、评价和优化方案，能用数据、图表、符号等处理实验信息;能对实验中‘异常现象和已有结论进行反思、提出质疑和新的实验设想，并进一步付诸实施”[20]。从上述“科学探究”的过程中不难发现，从能够提出别人没有研究过或研究视角不同的综合性的课题开始，创新之路就已经“启程”了，接下来每一步探究的过程无不需要学习者付出艰苦的脑力劳动。因此，很多复杂化学问题的解决需要运用化学创新思维。

（三）化学高阶思维结构系统之间的关系

化学高阶思维结构系统的三个层面是相互联系，相互作用的有机整体（见图1）。知识观念层中的化学概念网络是化学高阶思维的理性材料，为智力智慧层中的思维活动提供了前提和基础。化学核心观念不仅是智力智慧层中各种思维活动获得的思维结果的高度凝练，同时又反过来指导思维活动的高效运行。动力调控层中的自我监控、自我效能感和学习共同体支持为智力智慧层中的思维活动提供了调控机制、活力和外部环境支持。由于动力调控层的存在，知识观念层中的知识、经验、概念和观念等才能在它的推动下，朝着一定的思维目的和方向激活起来、组织起来和运转起来。知识观念层中概念的丰富、智力智慧层中思维的发展也会优化动力调控层中思维的自我监控策略，改善自我效能感，促进学习者积极争取学习共同体的支持。由此可见，如果单纯分析化学高阶思维结构的具体成分，可以将思维结构看成是静态的;但从思维结构各层面及构成要素的内在联系上来说，这个结构又是动态的，是相互促进与发展的。因此，可以认为化学高阶思维结构是这种静态结构和动态结构的统一。而且动态结构是思维结构的灵魂，正是由于思维结构的动态性决定了思维结构的发展性。

综上所述，化学高阶思维结构系统的三个层面缺一不可。这一复杂系统中的思维要素和精神成分，错综交织、相互促进、相互影响，是一张能动的、发展的“思维之网”。这张能动的“思维之网”一旦织成，将成为学习者头脑中的“先在框架”，从而能够解决复杂的化学问题。

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