化學概念性知識的學習策略

江敏

【摘 要】化學概念性知識是化學課程知識體系中最基礎性的知識，教學時教師要注意運用學習策略的有關理論進行相應的設計，以通過實驗揭示本質、通過比較概括規律或通過歸納形成結論等方式，使學生在習得化學概念性知識的同時掌握相應的學習策略，并形成超越學科教學邊界而有助于學生發展的科學素養。

【關鍵詞】化學教學 概念性知識 學習策略

當科學技術越來越成為引領和影響社會文化發展的重要因素之后，教育工作者也逐漸改變了對原有學科教學的理解。教育已不再滿足于使學生在化學學習中了解“世界是怎樣的”命題，而是更期待使學生在了解世界的基礎上，進一步理解人們“怎樣認識世界是這樣的”歷程。雖然經歷數百年的發展，化學概念已經成為化學知識體系的基礎，然而學生在化學學習中的目的，不僅僅只是了解這些相關的化學基本概念，更重要的是在學習的過程中，感知和體驗化學概念性知識的形成過程，同時在形成概念的過程中學習科學的、理性的思維方法。所以，對于化學概念性知識的教學，教師要注意運用學習策略的有關理論進行相應的教學設計，使學生在習得化學概念性知識的同時掌握相應的學習策略，并形成超越學科教學邊界而有助于學生發展的科學素養。

一、通過實驗揭示本質

作為從原子、分子的層面上認識、改造和保護世界的自然科學的一個分支，化學學科對世界的認識大多是建立在實驗的基礎之上。化學概念性知識表述了人們對自然界的基本結論性的認識，如果學生只是從這些結論性的知識中認識世界，這樣的認識將是機械的、僵化而片面的。因而教師應努力創造條件，使學生能夠有機會通過簡單的或有層次的實驗進行揭示，感受概念的形成過程乃至其本質內涵。

以《離子反應》為例。傳統的教學過程的立足點是要求學生將熟悉的化學方程式中涉及的電解質，根據其在溶液中的溶解性改寫成離子形式，學生的學習就在文字表達的方程式中不斷糾結于是否改寫，完全忽略了反應的現象和反應實際。追溯概念性知識形成過程的教學理念，《離子反應》的教學可以圍繞以下三個層次的實驗展開。

第一，完成BaCl2和CuSO4反應的實驗。其中觀察到沉淀的生成，以及已有的對電解質在溶液中存在形態的認識，學生可以直達離子反應的本質，用Ba2++SO42-=BaSO4↓表示出反應的實質。

第二，完成Ba（OH）2和H2SO4反應的實驗。基于現象的觀察和對離子反應的認識，學生可能會寫出以下表示反應過程的離子方程式：①Ba2++SO42-=BaSO4↓；②Ba2++SO42-=BaSO4↓，H++OH-=H2O；③Ba2++OH-+H++SO42-=BaSO4↓+H2O；④Ba2++2OH-+2H++SO42-=BaSO4↓+2H2O。這些不同的表達方式反映了學生對實驗現象和反應過程認知的不同層次：①關注了實驗中呈現的顯性現象；②不僅關注了實驗中的顯性現象，而且關注了實驗中隱性的反應過程；③和④都能夠同時將顯性現象和隱性反應相關聯，并且使兩組離子反應之間形成了定量關系。從Ba（OH）2出發，③式預示當Ba2+和SO42-反應完全時，溶液中尚剩余OH-；④式則表明Ba2+與SO42-反應完全時，溶液中的OH-恰好與H+反應完全。如果用導電性實驗追蹤溶液中離子濃度的變化，用酸堿指示劑表征H+和OH-之間的反應，此時無論是小燈泡與酚酞指示劑的組合（表征溶液中離子存在的實物形態），還是用電導傳感器與pH傳感器的組合（表征兩種物理量的變化過程和相互聯系），無一例外地都揭示了在Ba（OH）2和H2SO4的反應過程中，Ba2+和SO42-以及H+和OH-之間的反應均同時抵達反應的終點，因而正確的離子方程式應該是④式。此處的離子方程式不僅表示了Ba（OH）2和H2SO4反應過程中存在著兩組彼此獨立的離子反應（分別與顯性現象和隱性行為關聯），而且這兩組獨立的離子方程式之間存在著確定的定量關系，這里蘊含著對Ba（OH）2和H2SO4反應過程表達的最大內涵。

第三，完成Na2CO3、CaCO3分別與鹽酸反應的實驗。將約1g的Na2CO3固體置于試管中，加約5mL水，再加入少量2mol/L鹽酸；取一小塊CaCO3固體置于另一試管中，加約5mL水，再加入少量2mol/L鹽酸。完成實驗以后，許多學生不約而同地將反應的離子方程式表示為CO32-+2H+=CO2↑+H2O。對于其中離子方程式不當表達的矯正，可以讓學生再次向試管中分別加入鹽酸并觀察現象，在裝Na2CO3的試管中，氣泡可從鹽酸與溶液接觸的各個局部產生，從氣泡產生的空間變化，可以想象CO32-在溶液中的游弋，因而Na2CO3溶液與鹽酸的反應，就是自由的CO32-和H+的反應；而在裝CaCO3的試管中，因CaCO3難溶于水，因而氣泡只是在CaCO3的表面產生，此時與鹽酸反應的物質是CaCO3，而不是游弋在溶液中的自由的CO32-。

在以上的教學過程中，學生眼中的離子反應是對電解質在溶液中發生反應的真實情形的觀察與想象，離子方程式是對反應過程中物質存在形態的真實表達。因此對離子方程式書寫的評價就始終與反應的真實性和表達的準確性相關聯。這樣學生在以后的學習中，遇到諸如澄清石灰水與CO2、石灰乳與氯氣、濃硫酸與Cu等反應時，離子方程式的書寫就不再囿于物質的溶解性或相關物質是否可以拆分，而是與反應過程中物質的存在形態直接關聯，從而正確表達出相應反應的離子反應式。

二、通過比較概括規律

實驗的觀察和數據的處理，固然是形成對化學概念認知的基本途徑，然而從直觀的現象及龐雜的數據中將人們對自然的感性認知上升到理性的抽象概念或理論過程中，必然會涉及某些具有一般哲學意義的科學方法的運用。以創立坐標系而著名的數學家、哲學家笛卡爾曾經說過：一切問題都可以轉化為數學問題，一切數學問題都可以轉化為代數問題，而一切代數問題又都可轉化為方程問題，因此一旦解決了方程問題，一切問題將迎刃而解。笛卡爾所謂將問題轉化為代數問題，其實質就是研究一個事件在另一事件的有序變化中發生變化的方式，亦即將原先彼此獨立的兩個事件產生關聯。這實際上就包含著人們看世界的一種眼光或理解世界的一種基本的科學觀念——“有序”。

“有序”首先需要通過比較事物的異同，從而使事物形成關聯，并從中發現變化和形成系統。如果說“三元素組”是對元素性質共性的研究，而元素周期律的真正價值，就在于發現在元素的核電荷數（或相對原子質量）的排序中元素的性質隨之呈現的周期性遞變規律。當“有序”成為學生學習化學的基本意識之后，就會發現周圍的世界發生了細微的變化。

例如在學習“淀粉和纖維素組成的表示形式一樣，但是它們彼此不是同分異構體”這一概念時，基于知識的學習就是記憶，也是學習這一概念的最直接的方法。如果是基于學科觀念和科學方法的學習，應該將水解條件與分子的聚合度加以關聯，這時學生對概念的感知程度就發生了改變。因為已知麥芽糖是二糖、淀粉是多糖，它們完全水解后得到的單糖均為葡萄糖。如果設想將淀粉的水解過程分為兩步進行：首先淀粉水解得到二糖，此二糖即為麥芽糖；隨后麥芽糖進一步水解得到葡萄糖。通過與麥芽糖水解過程的比較，可以理解麥芽糖和淀粉水解條件的差異，就在于分子中葡萄糖的聚合度的不同。如果糖類化合物的水解條件與分子中葡萄糖的聚合度具有相關性的結論為真，依據纖維素水解條件遠比淀粉苛刻，就可以推測纖維素分子中葡萄糖的聚合度比淀粉更高。這樣淀粉和纖維素就不能是同分異構體。在以上水解條件的比較和排序中，學生經歷的是對淀粉和纖維素分子中聚合度差異的推理過程，很快就能從他們自身的生活經驗中得到證實，因為從淀粉和纖維素呈現的宏觀形態上也可感受到它們微觀結構之間的變化和差別。

當然，以后的學習，學生會進一步了解到淀粉和纖維素的水解過程是有差異的。因而可以說明纖維素水解條件的苛刻，一是與聚合度有關，另一還與單糖聚合過程中糖苷鍵的穩定性有關。也就是說，在將水解條件進行排序的過程中，聚合度的相對大小，不是水解條件的唯一歸因，但是在這樣的思維、推理過程中建立起的對知識的認知，是可以隨著時間的推移，將知識的細節遺忘而留存下認識知識的方法。

又如在等電子體丁酮（CH3COCH2CH3）、乙酰甲胺（CH3CONHCH3）、乙酸甲酯（CH3COOCH3）的有序排列中，由丁酮不能水解而乙酸甲酯可以水解的實驗事實，可以推測乙酰甲胺也可以水解，但是水解較酯困難（實驗表明，這一推理是正確的）。蛋白質分子中的肽鍵（即酰胺鍵）水解較為困難的事實，既保證了蛋白質結構的延續和穩定，同時又為生物個體的生長、器官的修復等奠定了結構基礎。同時也使學生在化學學習中看到了自然界在物質進化過程中的選擇性。這些跨越學科邊界的體現哲學意味的科學方法或科學觀念，對化學概念的形成不僅具有工具性的價值，而且在更高的層面上改變了學生對問題的認知方式和認知空間。

三、通過歸納形成結論

雖然實驗是學生理解化學概念性知識的重要認知途徑，但是限于學習的效率以及條件的局限性，并不是所有的化學概念性知識都需要或能夠從實驗開始起步的。利用他人的實驗數據，對相關數據進行分析和歸納，也是形成化學概念性知識的重要方法。

以《分子間作用力》為例。“在結構相似的條件下，相對分子質量越大，分子間作用力越大，物質的沸點越高”是用以說明分子與分子聚集形成的物質沸點變化規律的基本概念。在實際教學過程中，學生對這一概念的認識和理解，是從尋找開始的。尋找在常溫常壓下呈氣態、液態和固態的物質，從對這些物質分子組成的比較中，學生首先發現物質的狀態變化與分子中所含原子數的多少有關。然后進一步觀察發現，一般情形下呈氣態的物質分子中含有的原子數比較少，但是在呈現固態的物質中也有含有原子數較少的分子（如I2等）。因此直覺使他們以為物質的狀態變化會比較多地與分子的核電荷數或分子的相對分子質量有關。

在具體物質的熔沸點收集以及列表分析的過程中，學生可以直觀地發現物質的熔沸點在相對分子質量坐標上的分布與離散存在著一種基本的變化趨勢，在這種大尺度的相關性分析中，以相對分子質量或核電荷數作為變量，研究物質的熔沸點或狀態與之的相互關聯，應該沒有太大的本質區別。如果對隨機選取的物質按照“結構相似”的原則進行分組，就會發現物質的熔沸點和相對分子質量之間會表現出明確的相關性而少有反例。在這相對分子質量的排序中發現物質的熔沸點與之的相關性，進而推理出分子間作用力變化的趨勢，實際也是比較概括的過程。

通過相關事實或數據歸納化學規律時，經常運用的是不完全歸納法，而不完全歸納法往往可能存在例外，例外的出現又是學習新知識的起點。若以為上述分析發現了物質的熔沸點與相對分子質量之間的相互依賴關系，而當類似的分析方法用于分析氫化物熔沸點的變化趨勢時，第二周期N、O、F的氫化物熔沸點的反常升高，又會使學生從內心感到驚奇，產生探究形成這種特殊性的內在原因，由此引發的對氫鍵的認識在學生的知識體系中不是通過記憶堆砌而成的，而是通過具有邏輯關系的認知過程，與原有的知識體系產生結構性的聯系。

雖然相對分子質量與物質熔沸點之間的關系只是化學概念性知識中的一個基本的經驗常識，但是以上的分析過程，使得學生順應了前人形成以上經驗的認知過程，經歷數據處理過程中的“去蕪存真”、設定前提下的數據選擇等思維過程，這樣的學習經歷將鼓勵學生在以后的學習中不斷主動拓展認知空間，并有能力對已有知識進行質疑。

如學生可以在查閱到單質S和I2的熔點較為接近的數據，大膽設想S單質分子的相對分子質量可與I2相當，這樣S單質分子的分子式可能是S8（資料表明，這是對的）。實驗室長期保存的甲醛溶液中存在大量白色固體物質，實驗說明其成分是多聚甲醛，學生可以用多聚甲醛近似等電子體——直鏈烷烴作為參照系，進而估算出多聚甲醛的鏈節數應在8個以上（資料表明，固態粉末狀的多聚甲醛的鏈節一般在8～20之間）。又如學生可以從一系列氧化物熔沸點數據的分析中發現NO2的沸點較為反常，文獻資料表明在氣態條件下，NO2有聚合形成N2O4的反應過程存在，在質疑中形成對NO2雙聚反應過程的認識遠比接受式習得知識來得深刻。

總之，教師的教學設計對學生學習策略的發展具有重要的引領作用。基于學習策略的化學概念性知識的教學設計，要逐漸擺脫原有化學知識孤立的、點到點的呈現方式，表現出以化學概念為載體，以物質的自然屬性為認知對象，以物質的相互聯系為存在形態的具有結構性的框架體系，乃至在學習中感知人與自然的和諧。這都是現今化學教學中值得關注的教育價值之所在。

（作者系江蘇省特級教師，現為南京市金陵中學教師）