化學符號中的科學思維

張一覽

摘要：文章從卡西爾的文化符號學原理出發，通過對化學符號的教學實例分析，探尋其在“宏觀—符號—微觀”的“三重表征”中的文化意義，形成科學思維。

關鍵詞：化學符號；三重表征；科學思維；文化符號學

文章編號：1008-0546（2014）07-0027-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.07.009

一、理論基礎

德國著名的哲學家恩內斯特·卡西爾在將符號學理論和方法應用于人類文化領域的研究時涉及到了大量的人類文化現象，從而建立了一個獨特的符號形式哲學和人類文化哲學體系。卡西爾所研究的文化符號學理論將知識文化的本性從符號學的角度進行闡述。符號所構建的意義世界，既包含外在于人類意識生命的物理世界又包含內在于人的精神與心理世界。在特定關系中符號承擔著某種功能，并且產生一定的意義，起到媒介作用。符號的內涵不僅在于它是一種客觀存在，更重要的是它們能在關系系統中編織意義，并且承擔起某種功能。

化學符號是一種國際上規定的運用于化學領域的科學符號，用它可以表示化學物質的結構、組成以及化學變化的過程。它將豐富的化學內涵以簡單直觀的形式表達出來，是化學學習和化學科學研究特有的語言。從卡西爾的文化符號學理論視角來看，化學符號不僅僅是中學化學知識重要的組成部分，也是學生學習化學事實的表征形式之一，更是學生將化學知識內化為化學觀念的重要媒介，它有著知識性和工具性的高度統一。正是因為化學符號承擔著有這樣的功能，學生在解決化學問題時可以運用化學符號提取化學知識、轉換化學信息，甚至進行化學符號組合或轉換等一系列思維活動。可以說，化學符號是化學科學思維的載體，化學符號的運用體現了學習者的科學思維能力。

科學思維是人的意識掌握客觀事物的高級形式，是通過歸納、演繹、分析和綜合的方法形成的合乎邏輯的理論體系。科學思維形成的重要載體之一是科學概念，而化學概念教學的重要方法之一是“三重表征”。化學學科的內容包括三大領域：可觀察的宏觀世界，分子原子離子等微粒構成的微觀世界以及由化學用語組成的符號世界。在“宏觀——符號——微觀”的“三重表征”中，學生通過化學符號的表征和轉換，不僅在頭腦中建立起新的化學概念，而且形成歸納、演繹、分析和綜合等的科學思維。它們之間的關系可以用下圖1表示：

科學思維的形成，正是化學符號在化學教學系統中編織的意義所在。因此，在教學實踐中如何讓化學符號更好地承擔起學科思維形成的功能是化學教學工作者必須去思考的問題之一。

二、化學符號的教學實例分析

科學思維的形成包括歸納、演繹、分析和綜合等方法的運用。歸納，是從個別中發現一般的思維方法和推理形式，即從個別事實中概括出一般原理；演繹，是從一般中發現個別的思維方法和推理形式，即用已知的一般原理考察某一特殊對象，推演出有關這個對象的結論；分析，是在思維中把認識對象分解為各個部分、方面、要素，對他們分別加以研究的思維方法；綜合，是在思維中把認識對象的各個部分、方面、要素結合為一個統一整體的思維方法。

1. 化學符號在信息轉換中的運用體現歸納、演繹能力

學生在解決化學問題時常常利用化學符號進行信息轉換。這種轉換包含兩個層次，一是將文字信息轉換成化學符號，另一層次是將一種化學符號轉換成另一種化學符號。

在問題表征階段，第一種形式的轉換有利于學生快速將化學物質與其結構聯系起來。在信息材料中出現文字形式的化學物質名稱時，例如苯，學生會在頭腦中呈現出它的三種形式：宏觀映象，即對苯的物理性質等的外在認識；微觀映象，即苯是由苯分子構成，每個苯分子由6個碳原子和6個氫原子組成；化學符號，即苯的化學式。在這三重表征的系統中，苯的化學式不僅將物質與其宏觀現象緊密聯系起來，還直觀地揭示了苯的微觀本質以及微粒間的數量關系。因此，這種高度概括和抽象的化學語言符號能幫助學生在微觀和宏觀之間建立起有效的聯系，利用它的中介和橋梁作用，實現對問題的表征。歸納和演繹能力強的學生能靈活運用化學符號解決化學問題，而在運用化學符號解決問題的同時，學生的歸納和演繹能力又會得到進一步的加強。例如在蘇教版高中化學選修《物質結構與基礎》中講到晶體的結構時，需要學生掌握各種晶體的構成微觀結構，并且能根據化學式判斷物質的晶體類型。例如下題所示：

下列化學式既能表示物質的組成，又能表示物質分子式的是（ ）

A. NH4NO3 B. SiO2 C. C2H4 D. Fe

要解決這個問題，學生必須理解兩點：首先，化學式能表示物質構成微粒的個數關系，即比值，而分子式不僅能表示物質構成微粒的個數關系，而且能表示出構成物質微粒的真實組成，即數目；其次，分子晶體的構成微粒是分子，故其化學式是分子式，而離子晶體、原子晶體的構成微粒是離子和原子，金屬晶體的構成微粒是金屬離子和自由電子，故它們沒有分子式，其化學式只表示構成微粒的個數關系，即最簡比。熟練掌握這兩點，就不難根據化學式的形式解決上述問題。因為C項中C2H4的原子個數沒有約簡，故它是分子式。要得出以上兩點結論，在學習時可采用以下方式，具體過程如下表所示：

這種形式的轉換在化學中是普遍存在的，例如在講到離子方程式的書寫時，教師可以讓學生在學習過程中體會離子反應方程式的本質，從而形成分析、歸納等科學思維。具體過程見下圖2。

2.在化學符號變換的模式識別策略中體現分析、綜合能力

學生將問題表述中的文字信息轉換為化學符號后，就使得它們在更高的層次上運用化學符號成為可能，這種運用的形式就是化學符號進行信息轉換的另一種層次——將一種化學符號轉換成另一種化學符號。例如，比較等物質的量的乙烯和乙醇充分燃燒的耗氧量大小時，學生利用化學式表征乙烯（C2H4）和乙醇（C2H6O）后，便能較為直觀地發現兩者分子組成的差別，即化學式間的關系，然后可以將乙醇的分子式C2H6O轉化成C2H4（H2O）。轉化成的乙醇的分子式C2H4（H2O）又表達給學生新的信息：乙醇C2H4（H2O）燃燒僅C2H4部分耗氧，而（H2O）部分不消耗氧氣，因此，等物質的量的乙醇與乙烯的耗氧量相同。endprint

學生能順利通過化學符號間的轉化解決問題，首先必須在他的知識結構中清晰地存在化學符號變換的模式，然后依靠化學符號的轉換進行推理分析。由于化學符號（如化學式）體現了物質構成元素之間的數量關系，這種化學符號間的轉化推理實際上將數學計算簡化，化學符號嚴格的語法規則是這種推理正確性的保證。化學符號變換的模式不僅體現了化學符號作為一種語言在科學思維中的優勢，而且能幫助學生進一步完善知識結構中的符號系統，進而提高問題解決中的分析、綜合能力。

符號學的“三元”學說揭示了“對象——符號——解釋”三者間的關系（見圖3），在化學符號系統中，可具體表現為“化學問題——化學符號系統——化學問題的解決”間的三元關系（見圖4），而化學符號系統間的轉化，充分體現了分析、綜合等科學思維。

三、結論與思考

化學符號是化學學科不同于其他學科的一種獨特的思維方式，學生通過化學符號的表征和轉換提高科學思維能力，是化學符號在化學教學系統中編織的意義所在，這與卡西爾的文化符號學觀點是相契合的。從本文的論述中可以得出以下結論：

1. 化學問題的解決過程就是不斷利用化學符號轉換進行歸納、演繹、分析和綜合的過程。

化學符號系統與非化學符號系統間的轉換，以及化學符號系統內部的轉換將微觀與宏觀緊密聯系。

2. 化學符號系統與非化學符號系統間的轉換一般在問題表征階段運用。

這種形式的轉換是被使用較多的方式，它可以幫助學生在頭腦中建立直觀的微觀結構映象。這種轉換形式需要學生具備一定的歸納演繹能力。

3. 化學符號系統內部的轉換是較高層次的符號轉換，一般是建立在化學符號系統與非化學符號系統間轉換的基礎上。

即在用化學符號表征文字信息后，直接運用符號間的轉換進行運算或解決化學問題。這種轉換形式需要學生具備一定的分析綜合能力。

4. 在“宏觀—符號—微觀”三重表征的過程中，需要學生具備一定的科學思維，而學生在運用化學符號進行表征的過程中，又有利于學生科學思維能力的提高。

參考文獻

[1] 付勇.化學符號在中學生化學問題解決中的作用研究[J]. 化學教育，2007，（4）：26-28

[2] 楊麗茹.建構主義教學觀的要素、內在機制及主要特征——一種符號學的視角[J].外國教育研究，2003，（12）：27-30

[3] 黃婕.“宏觀—微觀—符號”三重表征的化學學習研究[D].濟南：山東師范大學，2005：8，10endprint

學生能順利通過化學符號間的轉化解決問題，首先必須在他的知識結構中清晰地存在化學符號變換的模式，然后依靠化學符號的轉換進行推理分析。由于化學符號（如化學式）體現了物質構成元素之間的數量關系，這種化學符號間的轉化推理實際上將數學計算簡化，化學符號嚴格的語法規則是這種推理正確性的保證。化學符號變換的模式不僅體現了化學符號作為一種語言在科學思維中的優勢，而且能幫助學生進一步完善知識結構中的符號系統，進而提高問題解決中的分析、綜合能力。

符號學的“三元”學說揭示了“對象——符號——解釋”三者間的關系（見圖3），在化學符號系統中，可具體表現為“化學問題——化學符號系統——化學問題的解決”間的三元關系（見圖4），而化學符號系統間的轉化，充分體現了分析、綜合等科學思維。

三、結論與思考

化學符號是化學學科不同于其他學科的一種獨特的思維方式，學生通過化學符號的表征和轉換提高科學思維能力，是化學符號在化學教學系統中編織的意義所在，這與卡西爾的文化符號學觀點是相契合的。從本文的論述中可以得出以下結論：

1. 化學問題的解決過程就是不斷利用化學符號轉換進行歸納、演繹、分析和綜合的過程。

化學符號系統與非化學符號系統間的轉換，以及化學符號系統內部的轉換將微觀與宏觀緊密聯系。

2. 化學符號系統與非化學符號系統間的轉換一般在問題表征階段運用。

這種形式的轉換是被使用較多的方式，它可以幫助學生在頭腦中建立直觀的微觀結構映象。這種轉換形式需要學生具備一定的歸納演繹能力。

3. 化學符號系統內部的轉換是較高層次的符號轉換，一般是建立在化學符號系統與非化學符號系統間轉換的基礎上。

即在用化學符號表征文字信息后，直接運用符號間的轉換進行運算或解決化學問題。這種轉換形式需要學生具備一定的分析綜合能力。

4. 在“宏觀—符號—微觀”三重表征的過程中，需要學生具備一定的科學思維，而學生在運用化學符號進行表征的過程中，又有利于學生科學思維能力的提高。

參考文獻

[1] 付勇.化學符號在中學生化學問題解決中的作用研究[J]. 化學教育，2007，（4）：26-28

[2] 楊麗茹.建構主義教學觀的要素、內在機制及主要特征——一種符號學的視角[J].外國教育研究，2003，（12）：27-30

[3] 黃婕.“宏觀—微觀—符號”三重表征的化學學習研究[D].濟南：山東師范大學，2005：8，10endprint

學生能順利通過化學符號間的轉化解決問題，首先必須在他的知識結構中清晰地存在化學符號變換的模式，然后依靠化學符號的轉換進行推理分析。由于化學符號（如化學式）體現了物質構成元素之間的數量關系，這種化學符號間的轉化推理實際上將數學計算簡化，化學符號嚴格的語法規則是這種推理正確性的保證。化學符號變換的模式不僅體現了化學符號作為一種語言在科學思維中的優勢，而且能幫助學生進一步完善知識結構中的符號系統，進而提高問題解決中的分析、綜合能力。

符號學的“三元”學說揭示了“對象——符號——解釋”三者間的關系（見圖3），在化學符號系統中，可具體表現為“化學問題——化學符號系統——化學問題的解決”間的三元關系（見圖4），而化學符號系統間的轉化，充分體現了分析、綜合等科學思維。

三、結論與思考

化學符號是化學學科不同于其他學科的一種獨特的思維方式，學生通過化學符號的表征和轉換提高科學思維能力，是化學符號在化學教學系統中編織的意義所在，這與卡西爾的文化符號學觀點是相契合的。從本文的論述中可以得出以下結論：

1. 化學問題的解決過程就是不斷利用化學符號轉換進行歸納、演繹、分析和綜合的過程。

化學符號系統與非化學符號系統間的轉換，以及化學符號系統內部的轉換將微觀與宏觀緊密聯系。

2. 化學符號系統與非化學符號系統間的轉換一般在問題表征階段運用。

這種形式的轉換是被使用較多的方式，它可以幫助學生在頭腦中建立直觀的微觀結構映象。這種轉換形式需要學生具備一定的歸納演繹能力。

3. 化學符號系統內部的轉換是較高層次的符號轉換，一般是建立在化學符號系統與非化學符號系統間轉換的基礎上。

即在用化學符號表征文字信息后，直接運用符號間的轉換進行運算或解決化學問題。這種轉換形式需要學生具備一定的分析綜合能力。

4. 在“宏觀—符號—微觀”三重表征的過程中，需要學生具備一定的科學思維，而學生在運用化學符號進行表征的過程中，又有利于學生科學思維能力的提高。

參考文獻

[1] 付勇.化學符號在中學生化學問題解決中的作用研究[J]. 化學教育，2007，（4）：26-28

[2] 楊麗茹.建構主義教學觀的要素、內在機制及主要特征——一種符號學的視角[J].外國教育研究，2003，（12）：27-30

[3] 黃婕.“宏觀—微觀—符號”三重表征的化學學習研究[D].濟南：山東師范大學，2005：8，10endprint