高中化學課程中化學分類結構的發展研究

摘要：化學分類結構是化學課程編制的重要線索。高中化學課程的發展反映了化學分類結構的發展成果，主要表現為體現基于尺度和功能的學科分類視角，設置統攝性主題等方面。從梳理分類結構的內部關系、取舍分類結構的內容、挖掘尺度和功能分類中的學科思想、借助統攝概念和基本觀念促進分類的結構化、探索從分類結構到實踐轉化等5個方面指出高中化學課程分類結構發展的任務與方向。

關鍵詞：高中化學課程；化學分類結構；基本觀念；統攝概念

文章編號：1005-6629（2012）11-0003-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

“分類”不僅作為科學發展的基礎和科學發展的產物，也是學生學習科學、理解科學的重要方式?；瘜W學科的分類結構是化學家對紛繁復雜的化學變化的邏輯化和結構化的總結，是化學課程內容組織的重要線索?；瘜W分類結構的發展也在影響著化學課程的發展。

1、化學學科的分類結構及發展特征

科學是組織化的知識體系，分門別類地劃分和組織材料是一切科學的一項必不可少的任務。一個學科的分類結構的微觀層面是該學科按類別組織的知識體系，宏觀層面是因研究內容差異而形成的分支學科體系。

1.1 經典化學分類的“樹枝式”結構

1.1.1 化學研究對象的“樹枝式”結構

物質與變化是化學學科的研究對象。目前通行的物質分類法即依據物質的組成和結構先把物質分為單質和化合物，然后再進一步地劃分。例如，化合物進而劃分為無機化合物和有機化合物，無機化合物又分為氧化物、酸、堿和鹽，等等。這種分類方法稱為“樹枝式”分類法。

依據不同分類角度，對化學反應進行劃分和逐級細化，也可以形成“樹枝式”的分類結構。例如，依據反應的形式把反應分為分解反應、化合反應、置換反應和復分解反應等；依據反應物的性質分為無機反應、有機反應和生化反應等；依據反應中的電子得失分為氧化還原反應、非氧化還原反應；依據反應中的粒子特征分為分子反應、離子反應和原子反應；依據熱力學方法分為焓增減與熵增減相互組合的反應類型。

1.1.2 化學學科體系的“樹枝式”結構

上述化學研究對象的“樹枝式”分類結構，決定了經典的化學分支學科體系也呈現出“樹枝式”的特征。依據研究對象差別，可以劃分為無機化學、有機化學、分析化學、物理化學、高分子化學、生物化學、放射化學、環境化學等不同的分支學科，每一個分支學科還可以再繼續進行分類，得到猶如樹枝般的龐大的化學學科體系。

1.2 現代化學分類結構的特征

經典的化學學科分類主要是為了教學上的方便和學術組織的管理，學科分類之間的邊界既非本質的也非嚴格的，創造性和進步是經常、甚至說通常發生在這些學科邊界上的?，F代化學的發展展現出一幅以化學為軸心的跨學科的壯觀圖景，現代化學高度分化與高度綜合交替發生并正在實現更大的匯流整合，必將造成傳統化學的分類根基岌岌可危。科學家越來越傾向于拋開傳統樹枝式分類，探索新的分類方式。

1.2.1 基于尺度的分類視角

化學是研究從原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各種不同尺度和不同復雜程度的聚集態的合成和反應、分離和分析、結構和形態、物理性能和生物活性及其規律和應用的科學。化學的分支結構和分類線索也體現了研究對象尺度不斷豐富和多樣化的特點，可根據研究對象的不同劃分為八個層次：原子層次的化學、分子片層次的化學、分子層次的化學、超分子層次的化學、生物分子層次的化學、復雜分子體系的化學、介觀聚集態的化學、宏觀聚集態的化學。

1.2.2 基于功能的分類視角

另外一個分類的視角是按照學科研究宗旨、研究內容和方法以及社會需求進行分類。例如合成化學、分離化學、鑒定化學、分析化學、結構號性能化學、儀器化學、液態固態與表面化學、理論化學、應用化學、核化學等化學研究領域的創立與發展，體現了化學學科基于功能分類的趨勢。徐光憲院士把21世紀化學劃分為合成化學、分離化學、分析化學、物理化學與理論化學等研究領域，并預測了每一類化學研究領域的發展趨勢。

1.2.3 分類間的統整與統一

科學分類的過程在于發現事物之間的類似關系，并用統攝性的概念原理將看似不相關的事物聯系起來，這些不相關的事物便被劃分為一類。隨著認識的發展，新的類別不斷建立，類與類之間的聯系被不斷發掘，由此一個類被歸入另一個類，或者幾個不同的類抽象、合并為一個統攝性更強的新的類，逐漸形成事物之間聯系更加密切、邏輯上更加條理、綜合性和統一性更強的知識體系。例如，從阿累尼烏斯、布朗斯特一勞萊到路易斯對酸堿的定義，酸堿的范圍依次擴大，更加體現了化學反應的電本性，酸堿概念的統攝性不斷增強。

學科統整與學科理論的高度統一性是21世紀科學發展的一個趨勢，今天的化學科學已經建立在一整套數學理論的基礎之上。隨著計算機硬件和軟件的發展，這些數學理論在化學研究各個分支領域中的應用將越來越廣泛。盡管我們還無法在基于數學理論的學科統整的水平上構建基礎化學課程，但是化學學科不斷統整的歷史演進過程和統整的思想卻可以為課程編制所借鑒。

2、化學分類結構的發展在化學課程發展中的體現

2.1 課程對經典化學分類結構的體現

任何一門課程的編制都要保留該學科最基礎、最核心的部分，這樣才能保持課程內容的穩定性。為此，經典的化學分類結構在課程編制中發揮著核心作用。

2.1.1 化學分類作為課程編制的線索

《普通高中化學課程標準（實驗）》。（以下簡稱《課標》）的制定反映了化學學科體系“樹枝式”分類結構的特征，這一特征由三個版本的教材進一步物化出來。

首先，元素化合物知識主要劃分成無機化學和有機化學兩大部分。無機化學部分體現了金屬和非金屬元素及化合物的分類線索。有機部分以烴及烴的衍生物的分類為結構框架，高分子化學的相關內容由于比較復雜而要求不高，主要放入合成材料專題中討論。

其次，對基本概念原理內容的組織，反應原理部分體現了物理化學中熱力學（能量、方向、限度），動力學（速率），氧化還原與電化學（氧化還原、電池、電解）和水溶液化學（電離、水解、沉淀）的學科分類結構。物質結構部分體現了結構化學中原子結構與周期律，化學鍵、分子結構與分子間作用力，以及晶體結構的學科分類結構。

再次，與分析化學有關的內容主要有兩類：元素、官能團、物質的定性檢驗以及幾種簡單的定量分析方法（中和滴定、重量分析、比色法）?！拔镔|的檢測”在三個版本選修教材《實驗化學》的編寫中均被作為一個獨立專題集中呈現。

于是無機化學、有機化學、高分子化學、物理化學、結構化學和分析化學等化學的二級學科和它們的下級分支，以及關于物質分類和化學反應分類的不同線索在高中課程中得到充分體現。

2.1.2 化學分類作為獨立的教學單元

如上所述，課程內容的組織線索體現了經典化學的分類結構，學生在學習的過程中分門別類地組織所學的知識，逐漸豐富和更新頭腦中的分類框架。除此之外，教材還把“分類”作為一個獨立的教學單元凸顯出來（見表1），說明編者對分類的重視。

2.2 課程對現代化學分類結構的體現

課程內容不僅要保證基礎性和穩定性，還要符合時代性的要求，需要將學科發展的新成果融入到課程之中。隨著化學科學的迅速發展，化學分類結構也在不斷變化，從而也帶來了高中化學課程內容組織形式的改變。

2.2.1 基于尺度的化學層次結構的外顯

基于尺度的化學層次結構的大脈絡在高中課程中已經得到體現。尤其是《課標》新設置的“物質結構與性質”模塊，將《大綱》中分散排布的物質結構知識集中做系統的組織（見表2），使化學的層次結構更加外顯和清晰。分子聚集態尺度的分子器件、納米化學、非晶態化學、膠體化學等化學研究的新興領域，鑒于相關內容的難度等原因，盡管沒有作為課程或教材編制的外顯線索，不作為教學重點，但也會以資料介紹的形式分散在必修或選修教材中。

2.2.2 基于功能的學科分類視角的外顯

在課程和教材編制的過程中，越來越強調核心化學知識的功能屬性。例如《課標》將選修課程劃分為“化學與生活”、“化學與技術”、“物質結構號性質”、“化學反應原理”、“有機化學基礎”和“實驗化學”等6個模塊，鮮明地體現了化學科學的應用領域。

這一變化趨勢在教材編寫中也得到體現。例如，三個版本的《實驗化學》教材均以分離與提純、性質研究、反應規律研究、物質檢測以及物質制備等大的專題搭建教材框架，體現了化學實驗的功能和應用領域。類似的，“化學與生活”和“化學與技術”這兩個STS取向的課程模塊的不同版本教材，也非常明確地反映了化學在健康、環境、材料、能源、資源、化學品、化工生產、農業等領域的應用，這些應用領域成為教材組織外顯的線索。

2.2.3 學科統整與統攝性主題的設置

《課標》設置了具有統攝性的主題，這也應當算做我國高中化學課程沿革進程中的一項突破。諸如“認識化學科學”（化學1）、“化學與可持續發展”（化學2）、“化學與資源開發利用”（化學與技術）、“研究物質結構的價值”（物質結構號性質）、“有機化合物的組成與結構”（有機化學基礎）等統攝性主題設置的目的是幫助學生建立統攝性的概念或觀念。

以《課標》中“有機化學基礎”模塊設置的“有機化合物的組成與結構”主題為例，其內容標準包括有機化合物的分子式確定、結構測定、結構特征、官能團、異構現象、命名、基團之間的相互影響等內容。該主題與“烴及其衍生物的性質與應用”、“糖類、氨基酸和蛋白質”以及“合成高分子化合物”為并列關系。這種統攝性主題的設置對于教材編訂和教學設計都有重要啟不。

3、化學課程中化學分類結構發展的任務與方向

3.1 梳理化學分類結構的內部關系

由于分類可以從不同的角度進行，學科的分類結構便呈現出多樣化的形態。當前，一些基于不同分類視角所劃分的類別之間的關系還有待進一步梳理。例如，取代反應、加成反應、消去反應、聚合反應、酯化反應、水解反應、氧化反應、還原反應等是我們習慣使用的有機反應類別名詞。其中，水解和酯化都可以看作取代反應；加成和聚合也有一定的聯系，與H₂的加成反應又被定義為還原；此外，羧酸具有酸性，還可以發生酸堿中和反應等等。所以，這些對有機反應的分類屬于形式分類，其結構化程度還有待進一步加強，值得去梳理其中的層次關系并探討如何在高中化學課程中更好地呈現。

3.2 探討對化學分類結構如何取舍

化學學科的分類結構非常龐大，而化學課程只能選取其中有限數量的和更為重要的內容進行組織。隨著學科的發展，對哪些內容“更為重要”的判斷會發生變化，為此課程內容的選取以及不同內容的權重分配也將隨之調整，這是學科發展對課程發展提出的要求與挑戰。例如，《課標》新增了焓變、熵變的概念，并借助兩者理解和判斷反應的方向，使熱力學這個分支學科的結構在課程中體現得更加充分。再如，氫鍵得到研究者的日益關注，通過SeiFinder數據庫檢索到2006年至2008年期間關于氫鍵的文獻就有127793篇，平均每天28.3篇，也就是說不到一個小時就有一篇文章發表；與此相呼應的是，氫鍵在當前教學中受重視的程度也在增強。

此外，隨著學科交叉和學科融合的發展，呈現出越來越多樣化的分類視角，選擇哪種作為課程編制的線索、不同線索之間如何配合也是課程設計者要考慮的問題。例如，國外有將納米科技單獨設計成一套科學課程的做法，這就將基于尺度和功能分類的線索更加外顯。

3.3 挖掘尺度和功能分類中的學科思想

如前文所述，分子聚集態尺度的分子器件、納米化學、非晶態化學、膠體化學等化學研究的新興領域目前還主要以資料介紹的形式呈現；反映化學的功能及應用領域的課程模塊或課程內容，也有別于我們熟知的經典的化學知識體系；這些話題背后所承載的學科思想和方法還有待深入地挖掘和外顯，這是課程編制者和教師要共同面對的挑戰。

例如，合成與制造生產、生活中使用的材料是化學對社會發展的一個重大貢獻。改善和優化材料性能的方法有很多，將各種方法的基本思路提煉出來，可作為教學內容組織的線索：（1）通過分子改造與設計優化材料性能。①官能團對材料性能的影響，如高吸水f生樹脂中的親水基、聚四氟乙烯中的C-F鍵；②網絡化提高材料強度，如合成橡膠的網絡化過程、橡膠硫化進一步增大強度。（2）通過改變聚集狀態改善材料性能。①顆粒尺度對材料性能的影響，如納米材料；②材料的微觀形貌對l生能的影響，如反滲透膜上微小的孔；③結晶狀態對材料性能的影響，如金屬單晶用于制造噴氣發動機的渦輪葉片、當高分子材料的結晶度增大時其耐熱性和機械強度都增強。（3）運用復合的思想改善材料性能。①從金屬到合金；②從硅單質到摻雜半導體；③從單一材料到復合材料，如通過纖維、顆?；驃A層增強的復合材料。這樣能夠多尺度地展示材料的結構、性質與性能以及應用之間的相互關系，幫助學生體會改善與優化材料性能的大思路和大方向。

3.4 借助統攝概念和基本觀念促進分類的結構化

學習結構就是學習事物怎樣相互關聯的，因此僅了解類別劃分的結果是遠遠不夠的，需要認識類內部和類別之間的聯系。統攝性的概念或觀念指從若干聯系的基本概念中抽象出來的、概括程度更高的、具有更強的解釋力和統攝作用的概念或觀念，能夠起到建立聯系的作用，它們是讓分類體系結構化的有效途徑。學科發展統整與統一的過程，就是不斷建立統攝概念和基本觀念的過程。

近年來，國內關于基本觀念的討論逐漸增多，但還不夠細化。通常探討的元素觀、微粒觀、能量觀等基本觀念有很好的統攝作用，但統攝性越強必然伴隨著具體性和操作性的減弱，于是筆者倡導在基本觀念和具體概念之間引入統攝概念這個層級。要使統攝概念和基本觀念真正發揮促進分類結構化的作用，還需要進一步理清不同統攝水平的概念或觀念之間的關系，構建從具體概念、統攝概念到基本觀念的系統化的層次結構，從課程理念到教學實踐還有很長的路要走。

3.5 探索從化學分類結構到教學實踐的轉化

如何使學科的分類體系更容易轉化為學生頭腦中的分類體系，要求課程的編制既要考慮學科的結構，又要考慮學生的心理特點。一個概念從學科到課程到教學需要經過一系列的轉換，課程編制是按照學生認知結構進行的“翻譯”的過程。于是擺在化學教育者面前的任務是，按照學生的認知結構將化學的分類結構、統攝概念和基本觀念進行“翻譯”，使其成為學生易于理解的知識體系。這一問題仍待課程研究和教學實踐層面的深入探索。