陸 軍

（江蘇省南通中學，江蘇 南通 226001）

在“落實立德樹人根本任務”使學生形成正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力的背景下，筆者通過思維能力與核心素養(yǎng)、思維結構、學科性質等關系的梳理，對思維能力形成了三點基本理解。具體包括：（1）思維能力是智力結構的核心，對學科能力的有關要素特別是心智范疇的要素具有統(tǒng)攝作用；（2）學科教學議題中思維能力類型的多樣性呈現(xiàn)，主要是由于考察視角的不同，常用的視角主要對應思維的內容、方法與品質等幾個維度；（3）不同學科的思維能力具有同一性、互通性和差異性，差異性主要取決于學科的性質。[1]本文擬從化學學科出發(fā)，在梳理我國化學思維相關研究的基礎上，形成關于化學思維含義的基本認識，以幫助廣大化學教師認清培養(yǎng)學生化學思維能力的相關策略。

一、我國化學思維的相關研究

截至2017年12月31日，中國知網(wǎng)收錄篇名中含有“化學思維”的文獻共有451條，其中，最早的記錄是丁文楚發(fā)表在1992年第3期《教學與管理》上的《試論化學思維呆板性》。相關文獻對化學思維的論述，基本都指向研究者所選擇的某一維度。

1.基于思維品質的研究

丁文楚在《試論化學思維呆板性》一文的開篇時指出，“思維靈活性和思維呆板性是一種思維素質的正反兩個方面，所謂思維呆板性，是指墨守成規(guī)、一成不變的僵化思維，它是培養(yǎng)思維靈活性、獨創(chuàng)性的最大障礙……”[2]。譚建民將培養(yǎng)思維能力的策略歸結為“運用猜測假設，培養(yǎng)探究性思維；運用質疑，培養(yǎng)創(chuàng)新思維；運用對比，培養(yǎng)歸納思維；運用類比，培養(yǎng)遷移思維；運用挖掘，培養(yǎng)發(fā)散性思維”[3]。之后，張逵、錢華等認為，中學生的思維障礙主要表現(xiàn)為“直覺思維的表面性、定式思維的消極性、求同思維的局限性”，矯正這些障礙的主要策略有“應用開放性試題，培養(yǎng)學生思維的廣闊性；利用題目的變式，培養(yǎng)學生思維的深刻性；展現(xiàn)教師的思維過程，培養(yǎng)學生思維的嚴密性；抓住問題的本質，培養(yǎng)學生思維的敏捷性”[4][5]。顯然，這些論述基本都屬于思維品質的范疇。

2.基于思維模型的研究

時為貴州省教育學院化學系學生的陳茂林于1994年對化學思維模型進行了嘗試建構。陳茂林認為，化學思維模型“就是學生在化學學習過程中，表現(xiàn)出來的那種既反映學科思維方法，又體現(xiàn)學生思維特征的相對穩(wěn)定的思維風格”，同時建立了“知識點線型，實驗程序型，數(shù)學模擬型，規(guī)律、原理型”等幾種思維模型。陳茂林還認為“思維模型不光反映具體的思路，更重要的是表明應該怎樣去尋找這些思路”[6]。之后，駱仁新又針對需要運用數(shù)學方法解決的化學問題，構建了解決“數(shù)學—化學”問題的“數(shù)學—化學”思維。[7]這些所謂的化學思維模式，本質上就是解決有關化學問題的思路或模型。

3.基于思維方法的研究

廖正衡于1996年認為，化學方法包括“具有哲學、邏輯學、心理學特征的化學思維方法”和“以物質儀器為基礎的化學操作方法”兩個方面。其中，化學思維方法包括“化學觀察方法、化學實驗方法、化學比較方法、化學歸納方法、化學演繹方法、化學分析方法、化學綜合方法、化學模型方法、化學直覺思維、化學假說方法、化學移植方法和化學系統(tǒng)方法等”。從這些具體方法的名稱上看，雖然被冠以“化學”二字，其實是一般思維過程的具體表現(xiàn)或是思維的形式，作者所賦予的含義也表明了這一點。如“化學觀察方法是化學家利用人的感官或感官的延長——儀器，直接從化學現(xiàn)象中獲取感性認識的方法，以提供化學研究的初步信息和資料”[8]，將其中的“化學”用“物理學”等其他學科的具體名稱或直接用“科學”替代，仍然成立。

4.基于唯物辯證法和哲學觀的研究

21世紀以來，科學技術的迅猛發(fā)展促進了學科之間的融合與滲透，唯物辯證法和哲學觀對化學思維的促進作用也得到了化學教師的認同。有認為“實驗是檢驗、評判化學問題的唯一標準；對立統(tǒng)一規(guī)律是化學世界的根本規(guī)律；透過現(xiàn)象看本質是認識化學世界的基本方法；抓主要矛盾是解決化學問題的關鍵”[9]。還有認為，化學學科存在著“普遍性與特殊性、整體與局部、主與次、質與量、可能性與現(xiàn)實性、因與果、本質與現(xiàn)象、運動與靜止”等對立統(tǒng)一的規(guī)律。[10]這些融合的觀點也表明，化學是科學的一個分支，遵循著科學的一般規(guī)律，所以唯物辯證法和哲學觀都有助于化學思維，能促進化學問題的解決。

5.基于學科屬性的研究

在20世紀的有關論述中，也有涉及學科特征的觀點。喻祖?zhèn)愖钕仍谖恼轮姓J為化學思維由化學學科特點決定，是“人們在學習和研究化學問題時所運用的、有別于其他學科思維的一些思維方式和方法”，化學思維包括“結構決定性質”“性質決定用途和制法”和“實驗是學習和研究化學的重要手段”等三個方面，其中“結構決定性質”又包括“原子結構決定元素的性質”和“分子結構決定物質的性質”兩個方面。[11]盛云林也認為，化學思維“是由化學學科本身的特點決定的、在學習和研究化學問題時所運用的，有別于其他學科的思維方式和方法。例如化學教學中，結構決定性質，性質反映結構的思想；量變到質變的思想；以實驗為基礎的思想等等?！盵12]這些“結構—性質—用途和制法—實驗”的思維路線反映了化學學科的基本屬性，也是化學學科所特有的邏輯關系。

6.基于兩個維度的研究

“中國知網(wǎng)”中唯一明確從兩個維度論述化學思維的期刊文獻發(fā)表于1998年，對應的兩個維度是學科能力和思維品質。其中，學科能力包括知識的再現(xiàn)能力、知識的運用能力、知識的創(chuàng)造能力、方案的評價能力、數(shù)學的建模能力等五個層次，思維品質包括敏捷性、嚴密性、整體性、創(chuàng)造性等四個方面。[13]其實，早在20世紀80年代末，林崇德及其研究團隊，就形成了“學科能力的結構，應有思維品質參與”的觀點，以及語文能力和數(shù)學能力分別是“聽、說、讀、寫能力”或“運算能力、空間想象能力、邏輯思維能力”與“思維的深刻性、靈活性、獨創(chuàng)性、批評性、敏捷性”所組成的開放性動態(tài)系統(tǒng)的結論。[14]由時間的相對先后與內容的相似程度進行推理，這個二維的化學思維能力結構可能受到了林崇德學科能力結構的影響。但值得注意的是，學科思維能力與學科能力之間不應該是全同關系。

關于對我國化學思維研究情況的判斷，畢華林在分析國際化學課程改革發(fā)展動向與啟示時指出，“國內化學課程改革對化學思維方式缺乏足夠的重視”，不僅“在化學課程標準中沒有關于化學思維方式的明確闡述，在化學教科書中也很少體現(xiàn)出對化學思維方式的培養(yǎng)”，教師更是“在化學教學中忽視，甚至并沒有意識到化學思維方式對促進學生科學素養(yǎng)發(fā)展的重要性”。[15]而培養(yǎng)學生化學思維的前提，是對化學思維含義的準確建構。

二、化學思維含義的初步建構

普通心理學認為，思維是人腦對客觀現(xiàn)實的概括的、間接的反映，分析和綜合是思維的基本過程。[16]思維過程具體表現(xiàn)為比較、抽象與概括、具體化與系統(tǒng)化。思維有概念、判斷和推理三種互相聯(lián)系的主要形式，其中，概念是腦對現(xiàn)實的對象和現(xiàn)象的一般特征及本質特征的反映形式，判斷是肯定或否定事物之間的某些關系，推理是從一個或數(shù)個已知判斷推出新的判斷。概念的形成往往要通過一定的判斷和推理過程，判斷是肯定或否定概念之間的聯(lián)系關系，而判斷的獲得通常又需要通過推理。在推理層面上，從一般到具體的推理是演繹推理，從具體到一般的推理是歸納推理，從具體到具體的推理是類比推理。思維的品質包括廣闊性和深刻性、敏捷性和靈活性、獨立性和批判性、邏輯性和創(chuàng)造性等幾個方面。從已有的研究和實踐體驗來看，普通心理學中有關思維的這些描述都適用于包括化學在內的所有學科。

“化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創(chuàng)造物質。”[17]也就是說，化學學科既研究物質微觀上的組成與結構，也研究物質宏觀上的性質與應用，并且還能用自身特有的符號形式對物質的組成、結構、性質等進行解釋或描述。美國1996年頒布的《國家科學教育標準》就明確要求學生通過化學學習能夠在思維的“可觀察現(xiàn)象的宏觀世界；分子、原子和亞原子微粒構成的微觀世界；化學式、方程式和符號等構成的符號與數(shù)學世界”三大領域中“漫游”。[18]所以，化學學科獨特的思維形式，是從宏觀、微觀、符號三個視角認識與理解物質，并建立三者之間的內在聯(lián)系。綜合已有研究和學科特點并參照其他學科的建構方式可以認為，化學思維是在哲學和辯證唯物主義的指導下，以物質為中心，由動作思維、形象思維和邏輯思維，經(jīng)驗思維和理論思維相結合，從原子、分子層面上認識物質的微觀結構，揭示其宏觀現(xiàn)象的本質，并用相應的化學及數(shù)學符號表達對微觀結構和宏觀現(xiàn)象認識的特種思維。化學思維的要素及其關系，如圖1所示。

圖1 化學思維的要素及其關系

在化學思維結構中，物質與其宏觀現(xiàn)象、微觀結構、符號表達之間，或同一物質的宏觀現(xiàn)象、微觀結構、符號表達之間存在著特定的對應關系，這些關系都可以借助于動作（實驗）思維、形象思維和邏輯思維以及經(jīng)驗思維和理論思維進行推演與轉化，從而實現(xiàn)在宏觀、微觀、符號三大領域中的“漫游”。其中，宏觀現(xiàn)象可以通過感知器官或者借助于儀器獲得，包括與物質物理性質相對應的顏色、狀態(tài)、氣味，以及物質在化學變化過程中生成沉淀、產(chǎn)生氣體或者是反應物的消失、體系顏色的改變等等，這些宏觀現(xiàn)象具有生動、直觀、可重現(xiàn)的特點；微觀結構是指構成物質的微觀粒子及其相互作用，如物質由分子、原子、離子組成，原子由質子、中子、電子組成，描述原子核外電子的運動狀態(tài)主要有能層、能級、原子軌道和自旋方向四個方面，粒子之間的作用有離子鍵、共價鍵、金屬鍵、范德華力，等等；符號表達是指用有關符號表示與物質組成、結構、性質相對應的宏觀現(xiàn)象或微觀結構，如用原子結構示意圖、電子式、電子排布式或軌道表示式表示原子結構，用分子式、電子式、結構式或結構簡式表示分子組成，用化學方程式、離子方程式、熱化學方程式或電極方程式表示化學反應，用數(shù)形結合的方式表示化學反應進程中物質濃度、體系溫度、反應速率等方面的變化，或元素原子半徑、電離能、電負性等性質隨原子序數(shù)遞增呈現(xiàn)的周期性變化，等等。

此時再考察我國化學思維的有關研究成果可以發(fā)現(xiàn)，其中許多都限于一般思維活動，主要是思維品質、思維過程或思維形式，而且還將思維過程中的分析、綜合、比較、抽象、概括等具體表現(xiàn)與判斷、推理、演繹、歸納、類比等思維形式相互并列，統(tǒng)稱思維方法。但凡能從一定程度上體現(xiàn)化學學科本質屬性的思維邏輯，都可以納入以物質為中心的“宏觀—微觀—符號”化學思維結構之中。如“結構—性質—用途和制法—實驗”的思維路線，可以歸屬“宏微結合”，其中，“結構”屬于微觀層面，“性質—用途和制法—實驗”是物質宏觀現(xiàn)象之間的聯(lián)系及其實現(xiàn)路徑。元素周期表中的“位置—結構—性質”的關系，對應著化學思維結構中的符號、微觀和宏觀，元素周期表是化學學科特有的符號，元素周期表中的位置對應元素原子的微觀結構，原子的微觀結構以及周期表所反映的元素性質周期性變化規(guī)律可以作為元素宏觀性質的判斷依據(jù)，元素的宏觀性質又是原子微觀結構或元素周期律的外在具體表現(xiàn)。

對于以物質為中心的“宏觀—微觀—符號”化學思維結構，畢華林曾用如圖2所示的以知識為中心的化學學習三重表征結構圖表示，并稱其為三重表征思維方式。[19]在畢華林明確表述三重表征的化學思維形式之后不久，有人提出“宏觀—曲線—微觀—符號”四重表征的說法。[20]認為由于曲線與符號的意義相差甚遠，所以應該在宏觀、微觀和符號的基礎上引入“曲線”這一表征形式，構成“宏觀—曲線—微觀—符號”的四重表征。四重表征的建立，是以高中《化學反應原理》模塊中“水溶液中的電離、中和、水解”為研究對象，其中涉及一元酸（堿）稀釋過程中的pH曲線、酸堿中和滴定曲線、弱酸與弱酸鹽混合溶液中加入有關物質時的濃度與時間關系圖等。由于研究對象的特殊性，便有了“曲線”表征的存在依據(jù)。其實，許多適合“宏觀—微觀—符號”三重表征的對象，不一定有“曲線”相對應，而且“符號”在美國《國家科學教育標準》中的原意除了化學符號以外，還包含“數(shù)學世界”的成分，“數(shù)學世界”的含義相當寬泛，“曲線”所對應的“數(shù)”與“形”都是“數(shù)學世界”的重要組成部分。所以，“宏觀—微觀—符號”的三重表征是化學學科不同于其他學科最具特征的思維方式，或者說，化學思維具有以物質為中心的“宏觀—微觀—符號”三重表征的獨特結構。

圖2 化學學習的三重表征

三、化學思維能力的培養(yǎng)策略

化學思維能力在化學學習活動中處于統(tǒng)攝地位，直接影響觀察、實驗和問題解決等其他能力的實踐效果。[21]化學思維的含義決定了化學思維能力的培養(yǎng)，應該加強一般思維的訓練，重視三重表征的教學，同時還要注意學段或課程知識的遞進關系。

1.加強一般思維的訓練

由于一般思維是一切學科思維的基礎，所以學科教學首先要加強一般性思維的訓練。就化學學科而言，實驗是學科的基礎，許多化學概念和原理都可以通過實驗中的有關現(xiàn)象進行揭示或驗證。也就是說，化學知識大多是基于對實驗現(xiàn)象的分析，或通過對感性材料的比較、抽象和概括，從而建立起有關的化學概念、判斷與推理，形成相應的理性認識。清晰的理性認識又有助于對化學知識的深化理解，并便于運用這些知識，實現(xiàn)化學問題的解決同時獲得新的知識。這其中涉及的思維過程中的分析、綜合、比較、抽象、概括等具體表現(xiàn)，以及判斷、推理、演繹、歸納、類比等思維形式，包括唯物辯證法和哲學觀對思維過程的適時指導，都是培養(yǎng)學生化學思維能力不可或缺的基本內容。實踐表明，“激發(fā)學生的學習動機和學習興趣是培養(yǎng)思維能力的前提，培養(yǎng)學生的思維品質是發(fā)展思維能力的突破口，教給學生科學的方法是培養(yǎng)思維能力的關鍵”[22]?；瘜W教學要注意創(chuàng)設相應的情境，激發(fā)學生的學習興趣，將思維訓練貫穿于化學教學的始終，促使學生在獲取化學知識的同時不斷提升自身的思維能力。

2.重視三重表征的教學

化學思維具有以物質為中心的“宏觀—微觀—符號”三重表征的獨特結構，要提高學生的化學思維能力，除了一般性思維訓練以外，應該重視三重表征的教學，幫助他們完成三重表征的意義建構。關于三重表征的教學策略與宏觀、微觀、符號有著基本對應的關系[23]：（1）切實加強實驗教學，增強對宏觀現(xiàn)象的體驗。化學教學通常是用化學實驗呈現(xiàn)物質的宏觀現(xiàn)象，進而從物質組成與結構的角度進行解釋，并揭示其中蘊含的原理和規(guī)律，宏觀現(xiàn)象是微觀認知的基礎，所以化學教學要盡可能借助化學實驗增強學生對宏觀現(xiàn)象的體驗。（2）合理使用微觀模擬，實現(xiàn)微觀結構的可視化?；瘜W是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構與性質，而原子、分子是肉眼見不到的微觀粒子，為了不讓學生對化學微觀結構的認知停留在文字上，可以利用多種手段進行微觀模擬，實現(xiàn)微觀結構的可視化。（3）深化理解符號意義，發(fā)揮符號表達的中介作用。符號是連接宏觀現(xiàn)象與微觀結構的橋梁，為了使學生能更好學會化學思維，應該充分發(fā)揮符號的中介作用，將符號學習與宏觀現(xiàn)象和微觀結構緊密聯(lián)系在一起，必要時還應該借助數(shù)學手段以增進對化學知識的理解。（4）強化三者相互聯(lián)系，形成自動轉化的意識和能力?；瘜W思維教學的最終目標是使學生能自動化地實現(xiàn)“宏觀—微觀—符號”的信息轉換，教師要創(chuàng)造性地使用教材，創(chuàng)建有利于學生運用和掌握化學思維的學習情境，讓學生在實踐中不斷增強自動識別與轉化的意識和能力。

3.注意學段或課程知識的遞進

處于不同學習階段的學生，因學習內容與水平的差異，其與三重表征對應的化學思維水平也有不同，并遵循學習越深入、思維水平越高的總體遞進趨勢。從化學知識的教育價值和學生心智的發(fā)展歷程來看，中學生化學思維的建立與發(fā)展過程大致需要經(jīng)歷奠基（九年級上學期）、初建（九年級下學期）、完善（高一學年）、深化（高二學年開始）四個階段[24]，并且與有關學段或課程知識之間存在明顯的對應關系。

就高中階段而言，學生在高一學年的必修課程中，通過氧化還原反應、電離與離子反應、原子結構與元素周期律、化學鍵等的學習，較大程度地豐富了關于物質及其變化的微觀知識，學生能夠從氧化還原反應與離子反應的角度理解化學反應的本質，從原子結構的角度認識物質的性質，從化學鍵的角度看待物質結構、化學反應和能量變化的關系，這樣學生就能建立起比較完善的三重表征的化學思維，實現(xiàn)三重表征之間的聯(lián)系與轉化。進入高二學年的選擇性必修課程學習以后，學生將在教師的引導下，自覺運用“三重表征”思維進行化學學習與研究。如在“化學反應原理”模塊，從化學反應與能量，化學反應的方向、限度和速率，以及水溶液中的離子反應與平衡等方面，探索化學反應的規(guī)律及其應用；在“物質結構與性質”模塊，又以微粒之間不同的作用力為線索，研究不同類型物質的有關性質，進一步認識物質構成的規(guī)律，豐富物質結構的知識，等等?；瘜W教學應該注意學段或課程知識的遞進關系，并結合相應的學段或課程知識開展三重表征的教學，促進學生形成對應的“宏觀—微觀—符號”信息轉換水平，同時獲得化學思維能力的逐級提升。

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