化學教育的十個辯證問題

盧姍姍+畢華林

摘要：本文介紹了美國亞利桑那大學維森特·塔蘭克（Vicente Talanquer）教授提出的當前化學教育研究者普遍爭論的十個教育問題：抽象和具體、微觀和符號、錯誤概念和科學概念、算法和概念、記憶和理解、廣度和深度、嚴謹和相關、講課和實驗、驗證和探究、教師中心和學生中心。化學教育研究者只有辯證地去分析和看待這些問題，才能保證化學教育研究良好地開展下去。

關鍵詞：化學教育；理論研究；辯證關系

文章編號：1005–6629（2014）7–0006–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

辯證的思想不僅體現在化學學科本體上，如酸和堿、氧化劑和還原劑等科學概念的建立，而且存在于化學教育研究中。當前有些研究者，尤其是初涉化學教育研究領域的教師在描述和分析化學教學或學習現象時，容易片面地理解一些研究術語，將化學教育引向極端，在對一些教育問題的看法上出現了非此即彼的態度。這是一種缺乏辯證思維的表現，不利于研究者交流彼此的觀點和產生新的想法。美國亞利桑那大學維森特·塔蘭克（Vicente Talanquer）教授辯證地論述了近幾年國際化學教育研究者普遍爭論的十個問題，以幫助化學教師更加清晰地認識化學教育問題，并能夠批判地分析被認為是理所當然的現象。

1 抽象（abstract）和具體（concrete）

抽象和具體反映的是化學學習對象的特征。化學知識在某些程度上被劃分為具體的和抽象的，例如分子、原子通常被認為是抽象的化學概念，而元素及其化合物的相關性質則被認為是具體的知識。研究者認為學生學習具體的或抽象的知識所需要的認知水平是不同的，在過去半個世紀里，對學生認知水平的劃分以著名心理學家皮亞杰（Piaget J）提出的認知發展理論為權威。

根據皮亞杰對兒童認知發展階段的描述，研究者普遍認為學生在6、7歲之后其認知水平達到“具體運算階段”就可以學習具體的化學知識，但是無法學習抽象的化學知識，只有12歲之后認知水平發展到“形式運算階段”才具備了學習抽象化學知識的能力。在這一理論指導下，研究者認為學生出現化學學習困難，是由于他們的認知水平還未發展到形式運算階段。之后對大學化學專業的學生進行研究的結果顯示，當大學生面對一些抽象的化學概念時，他們很難采用形式運算的推理獲得理解。一些研究者指出大學生這一類學習群體的認知水平顯然已經達到了皮亞杰界定的形式運算階段，但是大多數學生仍舊出現化學學習的困難，于是研究者將學生出現化學學習的困難歸結于教學中提供給他們的化學知識太抽象而導致的。

研究者對學生化學學習產生困難的原因看法不一，是由于化學知識的抽象水平決定的，還是學生的認知水平或推理方式造成的？雖然化學知識的特征和學生的推理方式都會影響學生學習化學的表現，但是最近的教育研究并不贊同化學知識的抽象性與學習困難之間存在著直接聯系，學生的推理方式也并不依賴于化學知識的具體或抽象的特征，學生在學習具體的知識時遇到的學習困難與學習抽象知識遇到的學習困難可能是一樣的。學生化學學習的困難應當是由提供給他們的問題或知識所需要的認知及推理方式的復雜性所導致的。

2 微觀（submicroscopic）和符號（symbolic）

自從約翰斯頓（Johnstone A）提出化學知識能夠以三種主要的方式進行表征，分別是宏觀的、微觀的和符號的，化學知識三重表征的觀點便成為化學教育中的一種典范，被用作指導教科書設計、課程材料編制和教師課堂教學。在這三者之間，研究者最常討論的是宏觀和微觀、微觀和符號的關系。當研究者討論宏觀和微觀之間的關系時所持有的觀點基本與具體和抽象的關系是一致的，因為宏觀的往往被當作是具體的，而微觀的通常被認為是抽象的。微觀和符號之間的辯證關系是化學教育研究中的另一個重要問題。

微觀的表征要求學生理解科學家描述、解釋和預測物質性質或反應過程所使用的微觀模型；符號的表征要求學生應用化學符號表示物質，并通過不同符號之間的演算關系將微觀模型所展示的化學物質結構或者化學反應過程表示出來。化學教育研究的結果顯示學生能夠使用符號表示物質或者化學反應，但是并不理解化學符號所代表的微觀模型。也就是說學生能夠建立起符號的表征，但是難以建立起微觀的和符號的表征之間的聯系。這一研究結果反映了實踐的化學教學局限在化學符號的操作上，缺少了對化學符號所代表的微觀模型的有意義分析。很多研究者將微觀和符號的學習對立起來的，事實上在化學學科中要清楚地區分化學符號及所代表的微觀模型是比較困難的，因為微觀的模型本身就具有符號的特征。

那么在化學教育研究中所討論的符號代表的是什么，微觀代表的又是什么？研究者指出雖然用物質的微觀模型替代化學符號表示化學反應的過程更加明確，然而仍然需要使用化學符號系統來簡化這些過程，符號是對微觀模型的特征更加精煉的表示。從這一視角來看，研究者所討論的化學符號只代表了微觀模型中很少的信息，不能完全表達微觀模型所代表的物質結構或者反應過程。因此符號的表征和微觀的表征不是對立的，但是化學教育也不是期望學生能夠在兩者之間建立聯系這么簡單，而是要培養學生從經驗調查中產生證據，在對事物或現象的解釋過程中，學會使用科學家的微觀模型，而符號的作用是學生之間表達觀點及交流想法的重要工具。

3 錯誤概念（misconception）和科學概念（scientific conception）

錯誤概念的提出以及在此基礎上發展的概念轉變的研究在近幾十年滲透到科學教育的各個領域。就化學學科來說，這項研究覆蓋了大部分化學概念，如原子和分子、物質結構、化學鍵、氧化還原反應、化學平衡、酸堿理論、熱力學、動力學等，揭示了學生幾乎在所有的化學主題上都存在錯誤概念。研究者普遍認為這是由于學生進入課堂前已經具有了對自然界的事物或現象的看法，其中那些錯誤的概念阻礙了科學概念的理解。由此將學生的錯誤概念和科學概念對立起來，并且認為科學教育是讓學生從錯誤概念到科學概念的概念轉變過程。

錯誤概念和科學概念的對立雖然讓研究者認識到在課堂中引出和轉變學生觀念的重要性，但是對于引出的觀念在化學學習中所發揮的作用，研究者產生了爭論。一些研究者反對轉變學生的觀念，他們認為將學生已有的觀念全部歸為錯誤概念在實踐中容易導致教師將學生的已有觀念去除，而不是建立在學生已有觀念的基礎上幫助他們建立科學的理解。學生的觀念并不都是錯誤的，一些對物質及其性質變化所具有的最初觀念是學生理解科學概念的基礎，科學的學習須在此基礎上展開。

化學教育研究的結果顯示了學生的一些觀念是零散的、動態的，在不同的任務或情境下呈現不同的形式。從這一視角看，很難判定哪些才是學生真實的錯誤概念。因此化學教學不是將具體的錯誤概念（如銅原子有金屬光澤）消除，而是要把這些錯誤概念背后學生潛在的推理方式引發出來，以此教學才會對學生的化學學習是有益的。

4 算法（algorithmic）和概念（conceptual）

在對學生概念學習和問題解決的研究中，努任伯恩（Nurrenbern S. C.）和皮克林（Pickering M）區別了學生兩種不同的推理方式，分別是算法的（algorithmic）和概念的（conceptual）。算法的推理是指學生通過記憶一系列程序來解決問題，而概念的推理強調的是學生應用對核心概念的理解而解決問題。這兩種推理類型的區分對化學教育所產生的意義是促進教師在課堂中關注學生不同的推理方式。

區分算法的和概念的推理方式雖然對評價學生的概念理解或問題解決能力有所幫助，但是并不表明這兩種推理方式是對立的，也不存在哪種更高級之說。學生解決問題時應該使用算法的推理方式還是概念的推理方式，研究者的看法不同。有些研究者認為推理方式并不在于問題的形式，而是取決于學生對問題的表征。在很多研究案例中，教師認為解決微粒和符號之間轉化的問題需要學生通過在理解概念基礎上進行推理來解決，事實上很多學生是通過機械地記憶一系列的程序來解決問題的。然而專家在解決問題時通常使用一些結構良好的算法推理，這需要建立在對科學概念的深刻理解基礎上，而不是通過機械記憶的方式。

因此，學生對問題的表征和概念理解的水平影響問題解決過程中的推理方式，這就需要研究者辯證地看待學生問題解決中的推理方式。例如，不同的學生使用算法推理來解決問題時，有的可能是機械記憶一系列程序，有的可能是對概念深入理解之后形成一系列具有良好結構的規則。

5 記憶（memorization）和理解（understanding）

當研究者談論教學方法時，通常用記憶和理解來區分教學的好壞，同時反映出他們對化學課程的看法，記憶反映出課程是事實的堆積，而理解突出課程是概念的聯系。他們普遍認為強調記憶事實的教學阻礙學生的學習，理解概念的教學才有利于學生的發展。在這種觀念引導下，傳統的化學課程被質疑為是堆積起來的事實，傳統的化學教學被批判為死記硬背。

記憶和理解，或者說事實和概念是研究者對傳統課程和教學的爭論中出現的對立。似乎所有的化學教師和教育研究者都希望學生能夠理解他們所講授的核心概念，因此指責傳統記憶事實的教學方法不利于學生發展起科學的思維方式。然而記憶和理解并不是對立的，而是化學教育研究者從不同的視角討論化學教學所需要的或者適合的教學方法，尤其是對于初學者來說，記憶事實的教學是必須的，因為它能形成學生深入理解核心概念所需要的相互聯系的知識基礎。

當前研究者基本贊同有意義的理解需要廣泛的知識基礎，但是對于知識基礎如何建立起來，換句話說教學如何協調記憶事實和理解概念兩種教學方法，研究者出現了爭議。一種觀點認為教學首先需要建立必備的知識基礎，才能保障之后學生能夠順利地參與更加復雜的認知任務。另外一些教育者認為只要那些在參與認知活動中需要的事實才可以稱為是知識基礎，事實的選擇和記憶要通過學生在高水平的認知活動中來實現。似乎更多的研究證據顯示了后一種方式在教學中的有效性。

6 廣度（breadth）和深度（depth）

廣度和深度是過去的半個世紀里課程概念的中心問題。研究者談論這個問題時，對廣度的看法基本一致，指課程中所包含主題或概念的數量。而對深度的描述有些模糊，有的研究者將深度當作是圍繞某個特定主題的知識范圍及復雜程度，還有一些研究者認為深度是提供給學生發展對核心概念連貫理解的機會。在化學教育中，區分廣度和深度是課程改革首要考慮的問題，研究者對此產生不同的看法。

當研究者談論課程的廣度和深度問題時似乎透露出這樣一種觀點，認為課程的設置可以廣泛，也可以深入。一部分研究者認為深度只有在廣度的基礎才能夠建立起來，而在任何課程中廣度都要受到時間的限制，他們認為時間越多課程的廣度就會增加，深度自然就形成了。而這種想法也讓一些研究者指出，如果學校教授課程的時間一定，那么關注少數幾個主題的課程會讓深度更加深入。

關注少數主題和核心概念的課程使得課程的深度得以實現，正如上所述，研究者對課程深度的看法存在差異，有些研究者認為深度就是給學生介紹更加高級或者復雜的模型和理論，然而這種關注學科深度的課程并不能很好地引發學生深刻的概念理解。而另外一些研究者提倡深度是給學生創造更多的參與認知活動的機會，并在不同的情境中應用核心概念，研究結果顯示這種方法雖然能夠促進學生有意義的學習，但是并不能幫助學生形成對該學科高級理論的理解。這種情況反映出雖然大部分化學教育研究者同意增加課程的深度，其實他們在討論不同的事情。

7 嚴謹（rigor）和相關（relevance）

化學教育研究者對化學教育有著強烈的愿望，即期望化學教育能夠以與所有學生都相關的方式進行。認識到化學是與學生的日常生活息息相關的，于是課程編制的過程基本遵循從學生的生活經驗引入化學。由于化學學科中更為精確和復雜的理論難以與學生的經驗建立起緊密聯系，因此與經驗相關的課程被一些研究者認為僅僅對那些不上大學或者不從事科學或工程事業的學生是合適的。這樣就引起了課程編制中學術嚴謹與經驗相關這一問題的辯論。

所有的化學教育者都認識到化學在當今社會所發揮的中心作用，并且滲透在學生日常生活中的各個方面。但是所教授的化學知識是追求學科的嚴謹性還是要貼近學生的經驗？一些研究者認為應用化學課程中的知識來分析和解釋與學生經驗相關的主題時容易降低學術嚴謹性，主要是因為與學生經驗相關的大部分問題是比較復雜的，尤其是在入門階段講授的化學知識僅僅是對問題的一種簡單描述。然而一種對立的觀點認為要理解學科更加精確和復雜的理論，需要學生以有意義的方式理解與經驗相關的問題并建立牢固的知識基礎。

課程設計遵循學科知識的嚴謹性還是貼近學生的經驗，兩者并非不可調和。為保障學科知識的嚴謹性并且兼顧學生相關的經驗，需要教師轉變對學生學習內容的看法，從教授我們所知道的化學學科知識到教授我們如何應用化學思維去解決相關的問題。基于情境的課程能夠幫助學生理解經驗相關的問題背后潛在的化學知識，既沒有脫離學生的經驗，還能幫助學生學習嚴謹的化學知識并且應用化學的思維去解決這些問題。

8 講課（lecture）和實驗（laboratory）

很多化學家認為化學是一門理論和實踐相結合的科學，化學教學被明顯地分為在課堂中進行的理論學習和在實驗室開展的經驗學習。講課關注的是化學理論的學習以及解決定量問題時需要的計算技能的發展。實驗要求學生進行觀察、收集和分析數據、發展實驗操作技能，能夠驗證課堂中所討論的原理或理論。

講課和實驗兩種教學方式是否要獨立開展，研究者的觀點不同。一種觀點認為不同類型的知識和技能需要在不同的環境下才能夠獲得良好的發展，然而這被其他研究者認為是一個有限制性的假設，為什么課堂中教師的講課就不能促使學生參與收集和分析數據，為什么實驗不能夠幫助學生學習科學的理論或模型？這些研究者認為兩種教學方式的對立誤導了教師，認為只有通過實驗才能激發學生的學習動機，發展學生的合作能力及創造力。于是試圖將兩種教學方式聯系起來，然而在實踐中受到很多限制。

事實上，研究者為了將理論和經驗聯系起來試圖將講課和實驗的教學方式結合，這種想法可能也會誤導一些研究者。化學教育的重要問題不是講課和實驗能不能夠在同一個內容上統一起來，而是要意識到這兩種環境下的化學教學要求學生參與的認知活動及教學目標可能是不同的。

9 驗證（verification）和探究（inquiry）

“探究”思想的提出作為課程改革的一項重要成就，影響了研究者對傳統教學中實驗的看法。雖然“探究教學”這一術語可以以多種方式理解，但通常是指為學生創造機會產生和評價對自然世界的科學解釋，并且參與科學實踐和對話。在這一指導思想下，探究實驗作為傳統的驗證實驗的對立而提出來，認為驗證實驗為了得出期望的科學結論往往是由一系列良好的步驟和程序構成的，限制了學生的行動及在實驗過程中做出決策的機會；而在探究實驗中學生能夠全面設計方案并控制調查研究，充分發揮學生的主體性。

驗證實驗和探究實驗之所以被認為是對立的，主要是研究者忽視了可以進行不同程度的實驗探究。探究的水平取決于學生設計及參與不同調查研究部分的程度。例如，一些研究者根據學生參與科學探究環節的多少，如提出問題、設計實驗、分析數據、解釋結論等，區分了結構的、指導的、開放的探究實驗。

化學教育研究的結果顯示完全開放的探究實驗并不利于學生的學習，而合適的支架式實驗教學對學習具有積極的影響。這些腳手架幫助學生逐步參與到不同水平的探究活動中去。驗證實驗就是一個良好的腳手架，能夠幫助學生發展特殊技能，保障探究實驗的順利開展。因此，驗證實驗和探究實驗不能看成是非此即彼的關系，而應當是根據教學目標采用何種實驗方式的問題。

10 教師中心（teacher-centered）和學生中心（student-centered）

化學教學是以教師為中心還是以學生為中心，其實這個問題在任何一個學科中都會被廣泛談及。以教師為中心的教學被認為是傳統教學的標志，教師完全設計和控制教學，是一種消極的教學；以學生為中心的教學被當作是教學改革的新理念，關注學生的主體性和學習的主動性，是一種積極的教學。

大量的研究證據表明以學生為中心的教學對學生的學習成就具有積極的影響，因為在這種教學環境下學生可以自由表達想法、參與討論、通過小組合作建立模型和解釋、進行自我評價等，這些對學生的學習都是非常重要的。同時這些研究證據暗示了課堂中學生參與的活動都是經過教師精心計劃和設計的，并且得到教師及時的反饋。事實上，如果沒有以教師為中心的設計和反饋的教學就談不上以學生為中心的課堂學習。

研究者將以學生為中心和以教師為中心對立起來，主要問題在于經常忽略了真正的教學任務，過分地簡化了傳統講授的教學目標，他們認為學生的想法對于科學理解是非常有價值的，學生可以通過自己的理解形成精確的科學概念。

上述討論的10對辯證關系并不是化學教育的全部內容，這些辯證關系也不是在所有的情境中都具有相關性。作為教育研究者，我們需要深入思考并批判性地分析那些有關教學的知識和信念，使我們能夠認清復雜體系中的主要矛盾和矛盾的主要方面，更好地改進和指導我們的教學。