基于CiteSpace可视化的化学思维研究热点分析

2023-07-11范帆李一梅

化学教学 2023年6期

范帆李一梅

摘要：化学思维是学生在化学学习中形成的一种具有化学学科特色的思维方式，通过化学思维培养，让学生可以更好理解物质世界。利用中国知网数据库对国内有关化学思维研究的文献进行统计分析；将有关数据导入到CiteSpace软件中进行可视化分析，并探寻研究热点及趋势。发现化学思维研究在中学化学教学中的应用是当前的热点及趋势，化学思维在深度学习和实际生产生活中所起的作用是当前化学思维研究中的前沿问题。

关键词：化学思维；CiteSpace；文献计量；可视化分析

文章编号：10056629（2023）06002006中图分类号：G633.8文献标识码：B

化学思维可以帮助学生更加深入的了解化学知识，形成认识物质的一般方法。化学学科核心素养中“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”等要求包含了化学思维的特点^［1^］。许多学者在对化学思维的含义、分类、形成，以及化学思维的培养相关的教学设计等方面做了分析及研究。虽有些学者针对“化学思维”研究进行文献综述，对于化学思维的相关文献未见有可视化分析。基于可视化分析的文献综述可以清晰地展现出该研究的发展脉络与当前发展热点。因此，本文以科学知识图谱的形式，对化学思维的研究热点进行统计分析，展现近20年来国内学者对化学思维的研究及发展趋势，为进一步发展和研究化学思维及应用提供借鉴。

1 有关化学思维

1.1 化学思维定义

思维是一个内在的过程，是一种指向问题解决的间接和概括的认知过程^［2^］。化学思维是学生在化学学习过程中，通过对物质的组成、性质、结构、变化和相互联系的研究，所形成的一种特殊认知过程的思维活动^［3^］。通过这种思维活动，学生可以像化学家一样进行思考，解决在化学学习中遇到的困难，引发学生进行深层次的思考，促进高阶思维的发展。在化学教学过程中，引导学生在化学学习中通过推理、验证等方法形成化学思维，可以帮助学生深入理解化学学科本质，同时将化学思维运用于生活当中，有利于学生解决真实情境问题，达到培养和提高学生化学学科核心素养的目的。

1.2 化学思维结构

不同学者从不同的角度出发，分别阐述了化学思维的组成结构。国外学者在化学思维结构的研究中，普遍注重化学思维的目的性与工具性。Banks等（2015）从实际应用角度提出了化学思维框架由六部分组成，分别是化学特性、结构性质关系、化学因果关系、化学机理、化学控制、收益成本风险^［⁴^］。Talanquer（2021）认为化学思维是理解物质世界并对其产生作用的强大工具，化学思维是多面的，为支持“多面化学思维”的发展，提出了六个推理维度，分别是粒度、维度、框架、基础、模式和焦点^［5^］。

国内学者对化学思维结构的研究较为细化，从化学实验思维以及化学创造性思维等方面对化学思维结构进行划分。邓永财（2004）提出中学化学实验思维能力由化学实验思维的内容和材料、思维的过程和方法、思维的结果以及思维的品质、监控、行为习惯等6个主要要素构成^［6^］。司马兰等（2010）在化学学科能力的基本理论问题研究中将化学思维能力概括为五项：应用能力、创造能力、三维想象能力、评价能力和计算能力^［7^］。

可见，国外学者较为注重化学思维带来的收益等现实作用，对于国内外学者来说，则更注重在教学中提高化学思维。无论是国外还是国内学者对化学思维结构的研究都包含三个方面，分别是化学学科特色、化学问题解决过程以及思维的结果。结构决定性质是化学常识，对于化学思维研究来说也是如此，化学思维结构如何，影响化学思维如何指导人们认识、学习化学。目前对于化学思维结构仍没有相对统一的说法，对化学思维结构研究也仍在持续进行中。

2 数据来源与研究方法、工具

可視化分析方法是通过可视化工具促进分析推理的一种方法。在可视化分析中，通过可视化工具获取大量数据，经过数据分析将研究领域的组成结构、研究热点以及发展趋势等方面以可视化的方式呈现出来，以此将研究领域的发展动态清晰展现出来。因而本文采用文献计量法和可视化分析方法，通过CiteSpace软件演绎化学思维研究的演进路径，提供经典文章，为后续研究提供借鉴。

文献数据主要来源于中国知网（CNKI）数据库，为了查全查准有关化学思维研究的文献，在中国知网中使用高级检索方法，检索途径设为“主题”“分类号”和时间限定进行布尔逻辑组配检索，其中检索主题设为“化学思维”，分类号设为“G633.8”，检索时间设为“2002～2022年（近20年）”，通过筛选，将会议通知、习题以及其他无关文献删除之后，共得到精确检索结果4614篇文献量。

利用CiteSpace 6.1R1，软件与中国知网数据库相结合进行分析，对有关化学思维研究的文献进行提取，并且对近20年来国内外化学思维的相关研究进行可视化分析，具体对关键词进行共现和突现分析，探寻国内外有关化学思维这一领域的研究热点及趋势。

3 化学思维研究的文献统计分析

文献统计分析是通过数学统计方法来描述文献的数量变化及其变化规律的一种分析方法^［8^］。通过分析化学思维研究文献的时间与空间分布，找出化学思维研究文献发表数量的变化规律，可以看出这个研究主题的发展现状以及兴衰起伏。

利用中国知网中检索了近20年有关化学思维的研究文章，统计显示，2002～2022年国内发表化学思维相关文献4614篇（截止到2022年8月），其中会议论文111篇，学位论文359篇，期刊论文4144篇，国内有关“化学思维”研究的发文量趋势如图1所示。

从图中可以看出，早在2002～2008年期间，我国对于化学思维的研究正处于起步阶段，发文量相对较少，在这一时期，化学与思维的联系较为密切，研究者们已经注意到在化学课程中培养学生思维的重要性。在2008～2014年，化学思维在我国的研究蓬勃发展起来，文章的增长速度较快，在2012年举办首届“新课程中学化学思维课堂教学研究及实践成果交流会议”之后，我国对化学思维的研究的发文量一直处于持续上升阶段。2014年至今对于化学思维的研究热度一直在增加，在2017版普通高中化学课程标准颁布之后，新版课程标准在课程目标、课程内容（强调在实验过程中的高级思维过程、发展学生思维能力等）、学业质量水平等方面均提到化学学习中的思维方式。基于在化学学科中对思维方式的重视，更多的学者对化学思维的研究更加关注，研究文献处于急剧上升趋势。

总体来看，国内化学思维研究的热度在持续上升，有关化学思维的理论研究处于平稳上升阶段，从图中看近两年的曲线有所下降，可能有两方面的原因：一是最新文献收录的滞后；二是通过梳理近两年文章发现，有关化学思维研究的文章的关键词逐渐出现分歧，不仅包含化学思维涵义、结构等研究，还演化为化学批判性思维、化学高阶思维、化学推理思维等方面的研究，说明化学思维的研究领域在不断拓展，未来会向更深层次的方向进行研究。

4 化学思维研究热点与演进趋势分析

通过研究热点与演进趋势分析可以看出一个研究领域的前进方向。借助CiteSpace软件对国内化学思维研究热点与演进趋势进行分析，梳理研究现状与研究脉络，可为后续研究提供参考。

4.1 化学思维研究热点分析

将中国知网收集的数据以Refworks格式导出保存。将其导入CiteSpace6.0R1软件，对文献数据进行关键词聚类分析，结果如图2所示。该图谱的Q=0.4511>0.3，S=0.7878>0.7，因此该聚类谱图可信。

由图2可知，共得到12个聚类，分别是#0高中化学、#1化学思维、#2化学解题、#3思维品质、#4核心素养、#5思维能力、#6化学实验、#7思维障碍、#8思维导图、#9化学教学、#10思维模型以及#11初中化学。由于这些聚类词有重复、相近的词语，因此，对这12大聚类进行归类。#0高中化学、#9化学教学、#11初中化学，这些关键词表明化学思维研究在教学中应用较多，因此将这些关键词归为第一类即化学思维在教学中的应用研究；通过梳理文献发现有关核心素养关键词的文章多数将培养化学思维作为促进化学学科核心素养的一种方式，因此将#4核心素养归为第二类即化学思维对化学学科核心素养的促进研究；#2化学解题、#6化学实验、#8思维导图这三个关键词均为化学思维的培养方法，因此将它们归为第三类即化学思维的培养方法研究；最后将#3思维品质、#5思维能力、#7思维障碍、#10思维模型归为第四类即化学思维系统研究。由于“化学思维”是研究主题，因此“化学思维”这一关键词在统计分析中出现的频率非常高，因此在聚类分析中不作解释。

为了进一步探讨分析化学思维研究，选取关键词中心性排名靠前的10个关键词（剔除了初中化学、高中化学、学生培养等与化学思维培养没有直接关联的词），如表1所示。

从表1中化学思维研究的关键词可以看出，在化学思维研究中较为注重三方面的研究，分别是化学思维培养方法研究、化学思维与核心素养之间的关系研究、思维类型及其高阶思维研究。综合以上分析，化学思维的相关研究主要有以下四个方面，分别是“化学思维在教学中的应用研究”“化学思维对化学学科核心素养的促进研究”“化学思维的培养方法研究”以及“化学思维系统研究”。

4.1.1 化学思维在教学中的应用研究

化学思维的研究大多聚焦在中等化学教育教学领域中，许多学者针对化学思维的培养进行了教学设计以及教学实践研究。李晓、王后雄等人认为化学符号可以促进化学思维能力的发展，化学用语类符号帮助学生建构化学概念与知识，化学实验仪器类符号促进学生对实验仪器原理的认识，化学模型类符号与化学问题相互作用促进空间思维能力、问题解决能力以及逻辑思维能力等的提升^［9^］。经志俊、李明星基于观念建构进行教学设计，通过实验探究突出思维特征，在发展思维的过程中建构观念，从而使学生自主建构核心概念^［¹⁰^］。杨先通、王强认为化学实验的课堂教学应将培养学生的创造性思维作为重要目标，基于DIIEE模型即“发现解释设想实验改进”模式，构建了培养学生化学创造性思维的化学课堂教学模式，让学生基于真实问题情境，发现问题，解释问题，进行头脑风暴，再基于条件优化方案，进行实验探究，最后反思总结，提高思维水平^［¹¹^］。

由此可见化学思维的研究逐步从理论走向实践。在教学应用中，通过一系列手段提高化学思维最终目的体现在化学核心观念的构建和提高学生的问题解决能力中，在这一过程中探究性实验是必不可缺的方法。在教学过程中，教师要有意识地根据实际情况，依据教学标准，引导学生在发现问题、质疑问题、解决问题的过程中提高化学思维能力，认识化学物质变化的根本规律。

4.1.2 化学思维对化学学科核心素养的促进研究

新版課程标准颁布以后，化学思维与化学学科核心素养之间关系的研究受到研究者的关注。吴俊明认为化学思维是化学学科核心素养的核心成分和基本保证，可以帮助学生形成正确概念，发展化学能力，养育必备品格^［12^］。孙重阳认为化学思维是学习化学知识所必备的基本思维能力，在化学思维的指导下，学生可以形成化学思维能力，在新的情境下能够通过逻辑推理与分析形成证据推理与模型认知的化学学科核心素养^［13^］。刘存芳、杨凤阳等人将化学思维作为评价化学学科核心素养的一级指标，又在化学思维下设置二级指标，从分析假设、推理论证以及探究创新三个方面来评价化学思维能力，这与布鲁姆的教育目标分类学中对高阶思维能力的划分一致^［¹⁴^］。

思维的发展同时意味着能力的提升。无论是宏观辨识与微观探析还是证据推理与模型认知以及变化观念与平衡思想等核心素养，简单来说都是在化学学习中形成的一种独有的思维方式。由此看来化学思维是养成化学学科核心素养的基石，培养与提高化学思维是促进化学学科核心素养的重要途径，同时化学思维的提高是印证化学学科核心素养形成的重要条件。

4.1.3 化学思维的培养方法研究

当前，对于化学思维的培养方法主要有三种，分别是化学解题、化学实验以及思维导图，所以将以上聚类词归为一类。在传统的化学教学中，教师通常采用题海战术来帮助学生巩固化学知识，强化记忆。

一些学者提出利用思维导图或假设的方法来帮助学生完成解题，在解题过程中培养学生的思维能力。也有学者提出利用不同的方法解决问题即一题多解的方式来打破思维定势。总的来说，利用化学习题培养化学思维是一种行之有效且简单易行的方式，但在使用中要注意习题质量，挑选具有思维性的习题。

实验是一种动手与动脑相结合的教学方式，可将知识转化成技能，将技能转化成能力，而实验设计能力就是最具创造性的部分，极大地体现出了学生所具备的创新思维^［15^］。通过化学实验，学生对认识化学物质的思路有更加清晰的理解，在预测现象、进行实验、实验验证的过程中形成化学思维。思维导图模拟人脑思维运作方式，利用层次图展示不同层次的主题关系，促使人类左右脑同时发挥思维记忆作用，以脉络状分别延伸，最终形成树状思维^［16^］。

由于中学学习的化学知识繁杂，涉及到多个化学研究领域，将思维导图应用到化学学习当中，学生可以根据一个知识点进行辐射性的思考，将认识思路进行整理，找到不同物质之间的关联，对物质的性质以及转化有更深层次的理解。同时许多研究者也通过打造思维型化学课堂，以达到训练学生思维、促进学生深度学习的目的。

4.1.4 化学思维系统研究

化学思维系统主要包括化学思维品质、化学思维能力、化学思维障碍以及化学思维模型四个方面。吴星、梅婷婷等人在化学思维品质方面进行相关研究，认为化学思维品质具有化学学科的个性化内容，主要包括思维的灵活性、深刻性、独创性、批判性以及敏捷性五个方面，并且化学学习兴趣以及化学学业成绩等因素与化学思维品质存在显著相关^［17^］。

提升化学思维能力有助于学生理解化学概念，培养化学逻辑思维能力。如陆军提到化学思维能力直接影响观察、实验和问题解决等其他能力的实践结果。培养化学思维能力应加强一般思维的训练，重视三维表征教学，注意课程知识之间的递进关系^［18^］。钱华总结了化学思维障碍的表现及突破方法，化学思维障碍具体表现在化学思维的肤浅性、呆板性以及消极性，若要突破化学思维障碍，需激发学习化学的兴趣、应用开放性的试题和题目变式、诱導学生暴露原有观念从而培养思维的严密性，减少思维定势的影响^［¹⁹^］。化学思维模型的建立能够为化学教学以及化学学习提供便利，为今后化学思维的培养提供参考。宋诗鹏与宫丽江借助系统思维建立了系统化学思维模型，主要有五个步骤，分别是明确概念、确定分配、辨析层次、设计情景活动和反思总结以促进系统化学思维模型的建立^［20^］。

通过抓取关键词，发现有关化学思维研究中，较为注重的有创新思维、发散思维、逆向思维以及高阶思维四个方面。发散思维的最终目的是提升学生的创造能力，即发散思维是促进创造思维发展的一种手段。逆向思维是解决问题的一种思维方式，是提高问题解决能力和反思总结能力的一种有效手段。在思维水平中包含分析、评价、创造三种高阶思维能力，因此归根结底，提升化学思维能力是思维的进阶，即培养提升高阶思维能力。

4.2 化学思维研究趋势分析

对国内化学思维研究进行突现分析，突现词是指在集中一段时间内大量爆发的关键词，如果关键词的突现没有一直持续，说明该关键词所代表的研究方向持续了一段时间，并没有成为未来发展的趋势。因此截取了自2018年以来突现强度大且突现一直持续至今的关键词，用以预测化学思维研究的发展趋势，如表2。

从表2中可以看出突现强度最大的关键词为“核心素养”，化学思维能够提升学生化学思想观念建构以及化学问题解决等能力，促进化学学科核心素养的形成，“模型认知”是化学学科核心素养中的一个重要素养，养成化学思维，通过分析推理等方法建立认知模型是一个重要途径。因此化学思维与核心素养之间的关系一直是研究的热点问题。

近年来在国内化学思维的研究已经进入到实践阶段，且目前仍在继续进行。深度学习需要教师与学生全身心地参与到课堂中，在化学教学中，培养学生的化学思维，使学生深入理解化学学科本质，全身心投入化学学习中，这与深度学习理论不谋而合。

从以上分析中可得，在国内化学思维研究中，化学思维的研究逐渐进入了实践阶段。在理论研究中深度学习以及化学学科核心素养的养成是当前的研究热点。

5 结论与展望

经以上分析可得，当前化学思维研究主要侧重于中等化学教育，对于将化学思维应用于现实生活中则少有提及，但是国内的化学思维研究范围较为广泛，研究方式多样，对化学思维的内涵、结构、培养方法等方面进行了系统性研究。化学思维如何促进学生思维能力提升，促进化学学科核心素养的养成已经成为当前研究热点。其次，化学思维的应用研究即化学思维在实际生产生活中的应用是今后的研究方向。最后，化学思维研究的方向始终与核心素养以及化学课程标准相一致，深度学习与化学思维之间的联系以及高阶思维的培养也是当前的研究前沿。若要实现深度学习，就要进行思维教学，培养学生良好的思维方式。希望未来研究可以提供更多有关构建培养化学思维的教学模式以及评价化学思维的工具等方面的成果，为教育实践研究提供更多的理论支持。

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