四维解读化学教材 发展学生批判性思维*

张克龙|浙江省瑞安市教育发展研究院

2021 年9 月27 日，习近平总书记在中央人才工作会议上指出，要“更加重视科学精神、创新能力、批判性思维的培养教育”。这一论断揭示了科学精神、创新能力、批判性思维能力是创新型人才的“三驾马车”。指向素养发展的《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“《课程标准》”）指出，要“培育学生勤于实践，敢于质疑，勇于创新”“加强学生对实验中的‘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”。从这些表述来看，化学教学需要加强培养学生敢于质疑、勇于创新等批判性思维能力。人教版普通高中教科书《化学》（以下简称“人教版教材”）中蕴含着培养学生批判性思维能力的丰富素材，那么如何解读教材，发展学生的批判性思维能力呢？

一、批判性思维的技能要素分析

“批判”的英文表述为“critical”，来自希腊语“critic”，意思是“明辨信息以及基于一定标准的判断”。教育界对“批判性思维”形成了本质相同的不同表述。杜威认为，批判性思维是对某种结论进行充分的批判、衡量，给出判断的充分理由后，才接受某种信念或作出结论的思维过程［1］。美国哲学学会研究组织者范西昂团队认为，批判性思维能力表现为阐释、分析、推理和评估，以及对该判断所基于的证据、概念、方法、原则的解释及对背景的考量……并提出在判断过程中所运用的技能主要包括阐释、分析、推理、评估、解释和反思六项［2］。也就是说，培养学生的批判性思维能力可以从训练六项技能着手。

“阐释”指阐明陈述并解释，是对问题的内涵进行清晰准确的表达。“分析”指在头脑中把事物、事件或对象，由整体分解成各个部分或属性，找出隐含的规律、观点或理由。“推理”是由一个或几个已知的判断（前提）推出新判断（结论）的过程。“评估”是指评价估量，是对证据与结论进行评定、审定、研判。“解释”是合理地说明事物变化的原因，事物之间的联系，或者事物发展的规律。“反思”指反过来思考，并进一步质疑和验证。由此可总结出批判性思维能力与其技能及学生行为表现的关系（如表1所示）。

表1 批判性思维能力与其技能及学生行为表现的关系

根据以上分析，笔者认为，在高中化学教学中发展学生的批判性思维能力，关键在于训练学生的批判性思维能力的技能。例如，围绕“人类探索发明化学电源并不断改进化学电源”的学习任务线索，进行发展学生批判性思维的教学设计可如图1所示，以电池发展线为线索，开展像学科专家一样思考和实践的学科实践活动，安排3个学习任务。

图1 以“原电池改进”知识发展学生批判性思维的教学设想

教师可组织学生认识人类探索原电池大致经历的6 个阶段：1780 年，伽伐尼与伏打对“生物电”的争论，开启了化学反应会放电的研究先河；1799年，伏打发明化学反应放电的装置伏打电堆，开启了人类使用原电池的先河；1836 年，丹尼尔设计锌铜电池（一种双液电池），开启了具有生活生产应用价值的，更稳定、更持续的化学电源电流的研究先河；1842年，本生设计碳锌电池，开启了长期电力不减弱的研究先河，并且让电池进入家庭，被普通民众接受；1859 年，勒克朗谢设计干电池，开启了体积小、质量轻、便于携带的生活电源的研究先河；1950 年，W.朱达设计膜电池，开启了化学电源朝着人类使用更方便的研究先河。然后，教师提出具体问题让学生讨论，训练学生的批判性思维能力的技能。

问题1：请你结合已学过的知识，尝试建构出伏打电堆的“原电池认知模型”。（训练阐释、解释、评估等技能）

问题2：分析伏打电堆为什么有电流，为什么不稳定，为什么持续放电能力弱。（训练阐释、推理、评估等技能）

问题3：说说丹尼尔双液电池的闭合电路，建构双液电池的认知模型，完善原电池的认知模型。说说丹尼尔双液电池的弊端在哪里。（训练阐释、分析、评估等技能）

二、指向批判性思维能力培养的教材解读策略

人教版教材在结构上由正文、实验、插图、栏目、练习与应用、整理与提升、复习与提高、实验活动等组成，其中实验、插图、栏目根据内容需要插入正文中。教材内容注重对学生科学精神、创新能力和批判性思维能力的培养。在教学中，笔者有以下深度解读教材的行动建议。

（一）以引导学生“如何学”为着眼点，深度解读教材文本

教材是教师教与学生学的最主要素材来源。教师对教材的深度解读能力，直接影响课堂中的真实情境创设，学习任务设计，学习活动展开，教、学、评一体化落实，批判性思维能力训练以及学科核心素养培育。在深度解读教材文本的行动中，教师要以学生“如何学”为着眼点，创设与文本内容相适合的真实情境，深度挖掘教材文本中蕴含批判性思维能力的内容，设计学习任务，引导学生在学习任务的驱动下，开展阐释、分析、推理、评估、解释、反思等批判性思维能力的技能训练。

比如，人教版教材选择性必修2《物质结构与性质》第一章第一节《原子结构》，教材编写者以化学学科发展史上科学家不断证伪原子的“构造原理”为线索，基于学生已学的原子结构知识，揭示了原子核外电子运动状态所遵循的规律。因此，这节内容蕴含了丰富的批判性思维能力培养素材。但由于受到应试教育的影响，教师往往理所当然地组织学生去努力学会书写基态原子的核外电子排布，而对构造原理和能层、能级、基态、激发态、原子光谱、能级交错、电子云、原子轨道、泡利原理、洪特规则、能量最低原理等概念则只是简单地进行灌输，这就造成学生缺乏对这些概念的阐释、分析、推理、评估、解释、反思的批判性思维能力的技能训练，使课堂中缺失了学生高阶思维的参与。笔者认为，可将包含具体的批判性思维能力技能训练的学习任务进行如下设计。

【情境】观看“原子结构的奥秘”视频（介绍人类探索原子结构的历程，包括构造原理，基础的量子理论的提出与发展）。

［师生活动］看完视频后，学生感悟科学家对微观粒子的研究还处于初级阶段，原子结构还有很多奥秘未解开，对人类来讲，原子核外的电子运动还是一个谜团。教师适时提出如下问题。

问题1：回顾视频内容，结合你已学过的知识，说说人类对原子结构的探索经历了几个阶段，各阶段的代表科学家是谁，他们提出的原子结构模型有哪些特征。

问题2：在初中、高一，我们已学过原子结构，为什么还要继续学习原子结构？你对原子结构存在哪些困惑？

问题3：根据已学过的知识，你认为钙原子核外第三层（M 层）排9 个电子，最外层（N层）排1个电子，可以吗？根据已学过的知识，你能书写出Fe原子的核外电子排布吗？

设计意图：上述三个问题，问题1 是训练学生批判性思维中的阐释技能，学生需要阐释德谟克利特、道尔顿、汤姆生、卢瑟福、玻尔、洪特、马德隆等人对原子、原子结构、原子构造原理的探索。问题2是训练学生反思、评估的批判性思维能力的技能，学生在阐释初中、高一已学过的原子核外电子排布规律后，经过反思、评估，会有许多困惑，比如第一层（K层）为什么最多排2 个电子，第二层（L 层）为什么最多排8个电子，第三层（M层）为什么最多排18个电子，而当M 层为最外层时，最多又只能排8个电子等。问题3让学生根据已学过的原子核外电子排布规律，分析、推理Ca原子核外电子排布，学生会认为Ca 原子核外第三层（M层）排9 个电子，最外层（N 层）排1 个电子，也是可以的，而且Fe 原子核外电子排布也不唯一，这就与事实相冲突，以此训练学生分析、推理、评估、解释等批判性思维能力的技能。如此，通过问题引发学生认知冲突，学生就会主动开展探究。

问题4：同一电子层的电子能量一样吗？阅读教材，阐释“构造原理与电子排布式”。解释不同学生写出的不同Fe原子核外电子排布方式错在哪里。

问题5：根据“构造原理与电子排布式”，你能写出Cr原子的核外电子排布式吗？比较元素周期表中Cr 的价层电子排布，你有什么困惑？

［学生活动］按照Fe原子的核外电子排布书写要求，发现Cr 的核外电子排布式与元素周期表中Cr的价层电子排布式不一样。

问题6：请你阐释泡利原理、洪特规则、能量最低原理。据此，分析、解释元素周期表中Cr 的价层电子排布式；推理并写出Cu 的核外电子排布式。

问题7：我国著名的化学家徐光宪根据光谱数据，结合前人对原子结构的研究成果，形成了各能级能量高低的规则，即能级能量高低=能层序数+0.7×能级（各能级取值：s=0；p=1；d=2；f=3）。他还总结出了离子各能级能量高低规则，即离子能级能量高低=能层序数+0.4×能级（各能级取值：s=0；p=1；d=2；f=3）。通过计算，请你阐释原子核外的3d 能级与4s 能级的能量哪个高，离子核外的3d 能级与4s 能级的能量哪个高。（学生发现离子核外的3d能级比4s 能级的能量低，而原子核外3d 能级比4s 能级的能量高）为什么？

以上学习任务设计，遵循学生运用逻辑推理否定旧观点，阐释新观点，解释新事实，再到运用分析、评估、反思形成新认知模型的认知过程。整个过程中，从发现问题、提出问题、反思旧知、阐释新知，到应用新知分析、推理、解释、评估、解决问题，都体现了批判性思维能力的技能要素训练。

（二）以引导学生提出新的实验设想为着眼点，深度解读实验素材

以实验为基础是化学学科的最重要特征，化学实验对发展学生的批判性思维能力有着不可替代的作用。教师可以从实验药品、实验操作、实验现象的宏观辨析、实验原理的微观探析、实验结论多元表达等角度，引导学生提出质疑和新的实验设想，并以此为着眼点，深度解读教材中的实验教学素材，设置批判性学习任务，训练学生的批判性思维能力的技能。

如对人教版教材选择性必修3《有机化学基础》第64 页“【实验3-6】苯酚的显色反应”，待学生完成分组实验后，教师可以从质疑实验现象的宏观辨识、实验原理的微观探析、实验药品等角度，安排相关批判性思维能力技能训练的学习任务，组织开展学习活动。如：苯酚与FeCl3作用的化学原理是什么？为什么反应后溶液的酸性显著增强（属于实验现象的宏观辨识）？你能设计实验证明反应后溶液酸性增强了吗（教材中没有离子方程式表达，可以组织学生讨论苯酚与FeCl3反应的离子方程式书写，发现苯酚与FeCl3反应后溶液的酸性显著增强）？实验得到的哪些事实说明苯酚的显色反应是Fe3+引起的，而不是Cl-引起的（属于实验原理的微观探析）？改用Fe2(SO4)3是否也会出现相同实验现象（属于实验药品质疑）？实验结果发现向苯酚中加入Fe2(SO4)3后，溶液未变紫色，对于此时实验中出现的“异常”现象，教师可以组织学生提出新的实验设想，开展如下探究活动。

问题：向苯酚中加入FeCl3显紫色，加入Fe2(SO4)3未变紫色。是SO42-干扰的原因，还是Cl-对显色有促进作用呢？设计新的实验证明你的猜想。

［实验］向苯酚溶液中加入FeCl3后，呈紫色，再加入少量NaSO4粉末，紫色变浅；向苯酚溶液中加入Fe2(SO4)3后未变紫色，再加入NaCl固体，没有明显现象，改为加入适量BaCl2固体（将溶液中的SO42-转变为Cl-），发现溶液呈紫色；向苯酚溶液中加入少量Fe(NO3)3固体，呈紫色。

［结论］Cl-对紫色配合物［Fe(C6H5O)6］3-的形成没有促进作用，SO42-对紫色配合物［Fe(C6H5O)6］3-的形成有抑制作用。

开展这种引导学生多角度提出质疑，设计新的实验设想的批判性学习活动，能够训练学生批判性思维中的质疑、分析、评估和反思等技能。

（三）以引导学生思考“为什么这样”为着眼点，深度解读教材插图

人教版教材中有大量不同类型的图片，有伟大的化学家照片，有重要的化学事实、化学史实的图文，有来自生活、生产、科技场景的图片，有表达重要认知结果的图文等。每张图片或图文中都蕴含着丰富多彩的批判性思维能力培养素材。教师以引导学生思考“为什么这样”为着眼点，设置批判性学习任务，让学生质疑、批判、解释、反思图片或图文中的信息，可训练学生阐释、分析、推理、评估、解释、反思等批判性思维能力的技能。

比如，人教版教材必修第二册第34 页的“化学反应与能量变化的关系示意图”。以“为什么这样”为着眼点，教师可设计如下批判性学习问题，引发学生对图片中蕴含的信息进行质疑、批判。

①什么是放热反应？反应物总能量高，释放能量生成总能量低的生成物，为什么有些放热反应还需要外界提供能量呢？比如，Mg在空气中燃烧需要点燃，Cu与浓H2SO4反应需要加热。

②什么是吸热反应？反应物总能量低，吸收能量后反应生成总能量高的生成物，需要外界提供能量，这种能量只有热能这一种形式吗？还有其他形式的能量吗？

③物质能量高低与物质哪些信息有关？物质状态对物质的能量有影响吗？

④放热反应也通常需要加热（反应需要打开反应物的键能），这是为什么？同样是放热反应，有些反应只需要点燃就可以（打开反应物键能所需要的能量比反应放出能量低），有些反应需要持续加热才行（打开反应物键能所需要的能量比反应放出能量高），为什么？

⑤不是所有的吸热反应都需要“提供能量”才能反应。比如室温条件下，Ba(OH)2固体与NH4Cl 固体充分混合，就能产生NH3；再如，NH4NO3固体溶于水，也是吸热反应。那么，这些反应需要吸收的能量来自哪里呢？

⑥为什么加入催化剂后，会降低引发反应所需要提供的能量要求？比如H2O2分解，加入MnO2后，不需要加热就能快速分解。

以上从“为什么这样”着眼的批判性学习任务安排，其中能训练阐释技能的学习任务有①②③，能训练分析技能的学习任务有②③④⑤⑥，能训练推理技能的学习任务有②③④⑥，能训练评估技能的学习任务有③⑤，能训练解释技能的学习任务有①④⑤⑥，能训练反思技能的学习任务有①②③⑤。

（四）以增进学科理解为着眼点，深度解读教材栏目

人教版教材栏目的设置形式很多，有思考与讨论、实验、实验活动、资料卡片、信息检索、方法导引、探究、科学·技术·社会、化学与职业、研究与实践、科学史话等十多种。从广义的教材栏目来讲，教材中的练习与应用、整理与提升、复习与提高也可以算是栏目。教材中所有这些栏目都是教材内容的重要呈现形式，蕴含着丰富的批判性思维能力的技能训练素材。

“研究与实践”栏目引导学生自己完成与教材相关的实践活动，它能引发学生开展解释、评估、反思等批判性思维能力的技能训练。

“探究”栏目的设置，能引发学生对证据的分析、评估、反思、解释等批判性思维能力的技能训练。

“科学·技术·社会”“化学与职业”等栏目介绍学科学习内容在技术、社会和环境领域中的应用，能引发学生从真实的情境中提取与化学相关的信息，并对所提取的信息进行解释说明，再运用所学知识进行推理论证。

“练习与应用”“复习与提高”等栏目中的习题，有如下表述的都蕴含着批判性思维能力的技能训练素材：“辨析这一设想的可行性”“如何验证假设？说明理由”“产生上述现象的原因可能有哪些”“对此有何猜想？试设计一个方案来检验你的猜想”等。

《课程标准》指出：“化学学科理解是对学科知识及其思维方式和方法的一种本原性、结构化认识，它不仅仅是对知识的理解，还包括对具有化学学科特质的思维方式和方法的理解。”因此，增进化学学科理解的直接目的是提升教师的专业素养，但终极目标是引导学生在认识、理解学习内容的基础上，发展化学学科核心素养。在深度解读教材各类栏目内容时，以增进学科理解为着眼点，教师可创设批判性学习任务，训练学生批判性思维能力的技能。

比如，人教版教材选择性必修3《有机化学基础》第58 页的“思考与讨论”。学生能说出相对分子质量相近的醇的沸点比烷烃高，这是浅思维体验（定性水平，一元思维，是对学习内容的浅显体验），训练阐释技能；能指出随着碳原子数的增多，这种差距在缩小，表明学生思维程度有所加深，已能进行比较、分析、推理等高阶思维活动（半定量水平，二元思维，是对学习内容的本原性认识），训练分析、推理技能；能说出物质的沸点与压强有关，压强大沸点升高，指出要修正完整表达烷烃与醇的沸点（定量的专业水平，批判性思维，是对学科特质思维的理解），训练评估、反思技能；能应用氢键解释为什么相对分子质量相近的醇的沸点比烷烃高，且氢键随醇分子中碳原子数增加而变弱，这是更高阶的思维活动体验（专业学科理论水平，求证思维，是对学习内容的结构化理解），训练推理、评估、解释、反思技能。

细究人教版教材中的“思考与讨论”栏目，我们会发现这类栏目设置得特别多，它是考查学生应用所学知识解释化学现象、解决化学问题、反馈学习情况的主要教学载体。以增进学科理解为着眼点，对教材中的“思考与讨论”栏目内容设置批判性学习任务，能有效训练学生批判性思维能力的相关技能。

综上，批判性思维能力是一种高阶思维能力，培养这种高阶思维能力的素材隐藏在人教版教材的文本之内，包括文本中的实验、图片、各种不同栏目。教师需要仔细阅读、深入挖掘，在进一步理解化学学科的基础上，从批判性思维能力培养的角度，对教材文本中的化学学科知识及其思维方式和方法，进行本原性、结构化的认识，将蕴含批判性思维能力的教学素材由隐性转化为显性，设计带有诊断并发展学生批判性思维能力的学习任务，训练学生阐释、分析、推理、评估、解释、反思六项技能，最终实现对学生批判性思维能力的培养。