試論化學學科思想體系與探源

傅興春（廈門市教育科學研究院，福建廈門361003）

試論化學學科思想體系與探源

傅興春
（廈門市教育科學研究院，福建廈門361003）

學科思想是學科在形成和發展過程中逐步形成的學科內核，是學科的靈魂，是學生學科學習的重要目的，從研究來看，化學思想由八個核心觀念組成，本文試圖討論化學學科思想的體系及其起源。

學科思想；核心觀念；探源

思想是客觀存在的事物在人們頭腦中的反映，經過人的思維活動而產生的理性認識。一切基于和符合客觀事實的思想是正確的思想，它對客觀事物的發展起到促進作用。一門學科，經過許多探索，逐漸形成了學科獨特的思想，這些學科思想是人們對學科思維的總結與歸納。如果我們“進入”了這門學科領域，就得依照學科思想的范式來進行思考——尋找答案、解決問題或處理學科問題。學習一門學科，對大多數人來說，其終身有作用的部分應該就是學科的思想。本研究對化學學科思想的體系和起源進行分析，以期獲得對化學思想有一個系統的認識。

一、化學思想體系

化學是自然科學的一個組成部分，近年畢華林等提出按知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀為分類視角，提出了化學的九個基本觀念。但從人們對思想和觀念的定義來看，思想和觀念應都屬于情感態度與價值觀層面。思想又稱為觀念，有時思想和觀念兩詞經常混用，在本研究中將其進行了區分使用，我們將化學思想作為人們對化學學科思維范式的總結，是人們對化學學科理性思維的結果，是對化學事實和理性思維進行高度概括而形成的人們對化學學科的認識。而觀念作為化學思想的分支，是人們對各種化學現象認識的集合，具體體現化學學科的基本思想分類，化學思想是化學觀念集合的總稱。而且學科方法是學科觀念的形成和應用的程序，幫助人們形成觀念或應用觀念。因此，本研究認為思想、觀念和方法的基本關系如圖1所示。

圖1 思想、觀念和方法的基本關系

組成化學思想的基本觀念，必須概括的原則有：

一是統帥性原則。化學觀念應有足夠的概括性，是化學學科的核心，對化學學科的研究、學習、應用起到正確的引導作用。

二是學科性原則。這是化學學科獨有的，不是其他學科能夠替代的，也不是哲學上的一般思想。

三是應用性原則。化學觀念在人們的化學研究、學習、應用中起到重大的作用，是化學應用所必須的。

根據以上思想篩選的原則，我們建立了兩種化學學科思想體系。

一是認為化學思想由四項學科基本思想組成。化學是研究微觀世界的科學，人們在長期的研究中形成了微觀思想，而在人們對物質組成元素的探索中形成了元素觀；對微觀粒子的探索形成了微粒觀；對微粒形成物質的結構探索形成了結構觀。化學又是研究物質的科學，人們在長期的研究中形成了對物質世界的基本認識就是物質思想，而人們對物質性質和應用的探索，形成了對物質價值、物質應用等的認識形成物質觀；而對物質變化的規律的研究形成了變化觀；由于在物質變化的過程中，人們對化學平衡現象的特殊認識，形成了平衡觀，可以單獨抽取出來進行研究。人們在對物質微觀世界和物質世界的研究中使用的實驗思想方法，雖然在其他學科中也有體現，但化學作為實驗學科，回避不了實驗問題，人們在大量實驗研究中形成了實證思想（實證觀）。而化學經歷了污染等發展中的問題讓人們對化學發展有新認識，就是綠色化學思想（綠色觀）。其結構如圖2所示。

圖2 化學思想體系結構圖1

二是認為上述八個觀念可以扁平化處理，形成如圖3更為簡捷的結構。

圖3 化學思想體系結構圖2

以上八種觀念已能體現化學學科核心，是我們對化學思想體系的認識。

二、化學觀念探源

組成化學思想的八種核心觀念的內涵和外延的形成和發展，有其歷史，下面我們從化學發展史的視角來認識這八種觀念的形成和發展，并試圖提出其核心價值。

1.元素觀

元素觀的形成可追溯到化學成為一門科學之前，從人們開始認識物質世界，就一直不斷思考——世界的本源和物質的本源，從最原始樸素的觀察、認識和應用，上升到哲學的高度。從古希臘的哲學家開始，逐步形成元素的觀念，泰勒斯認為物質皆由水產生，阿那克西米尼認為物質皆由空氣產生，赫拉克利特認為物質皆由火產生，齊諾弗尼斯則認為物質皆由土產生。恩培多克勒在前人的觀點基礎之上，提出了萬物都是由水、火、空氣、土生成的，稱之為四“根”，他認為一切的物質都可以通過他們之間的組合與排列得到，還提出了使這些元素結合和分離的力量——吸引與排斥。

柏拉圖在古希臘時期，第一次提出了“元素（stoicheia）”這一概念。柏拉圖認為，物質都是由沒有形式的初始物質取得“形式”后產生的。柏拉圖也認為，有四種最基本的元素，即水、火、空氣、土，這些元素的微粒具有其特殊的形狀，我國也提出了金、木、水、火、土五元素說。隨后經過漫長和曲折的認識和思考，直到十八世紀，拉瓦錫建立了近代化學元素論。水等各種原來認為的元素被分解了，特別是經過無數實驗都證實，化學操作并不能將一種元素變成另一種元素。拉瓦錫等科學家在化學元素理論上為后來的科學家提供了堅實的認識基礎，19世紀初，約翰·道爾頓（John Dalton）將元素和原子兩個概念聯系了起來，從而使近代化學原子論得以形成。

原子論使近代化學成為一門真正獨立的自然科學。隨后，化學家們在科學的原子論的指引下，從元素的視角來看化學，發現了許多的化學規律，創造了化學史的許多奇跡。例如，1869年，俄國化學家門捷列夫發現了元素的最基本特征——原子量與元素性質的周期性變化規律，提出了元素周期律。這個規律的發現是建立在“元素不可分”這個元素的基本觀念上的，門捷列夫才能找出元素性質和原子量之間的周期變化關系。隨后，在許多科學家的努力下，元素觀念隨著人們對物質世界認識的深入，不斷發展。

元素是具有相同核電荷數的一類原子的總稱。現代元素觀認為自然界的物質，從天體到微生物，無論是有無生命（包括人在內），皆由化學元素組成。目前，人們認識的元素有百余種，隨原子核內質子數的增加元素性質呈現周期性變化。世界形形色色、多種多樣的物質，其都是由一百多種元素構成的。

這個化學最原始的觀念構成了化學思想的基礎，為人們認識物質世界奠定了基礎，形成了在化學的學習和研究中的獨特體系。人們在生活和其他領域也經常將組織事物的基本成分借用元素來說明，實質是元素觀的應用。

2.微粒觀

關于物質是由離散單元組成且能夠被任意分割的思想流傳了上千年，微粒的觀念可以說和元素觀伴生，在早期人們還難以區分。古希臘的很多哲學家都在思考著物質的組成與分割這一問題。受到古希臘原子論的啟迪，在早期近代科學中，波義耳提出了“火粒說”，牛頓提出了“微粒說”，到了近代科學發展時期，人們發現了當量定律、定比定律等化學定律，為了解釋化學物質之間存在的這些規律，英國化學家道爾頓在研究大氣時，通過定量實驗研究，1803年，他提出了原子假說：“認為原子是物質構成的載體，揭示出許多化學現象不過是原子的運動這一化學本質……”，在哲學上認為元素的原子量是元素的本質屬性，這就初步揭示了化學變化中的質與量之間的關系，從而發現了化學反應中的本質與現象之間的關系，并由此初步揭示出元素的內在聯系及其相互關系。1811年，根據呂薩克定律的發現，物理學家阿伏伽德羅建立了分子論，使道爾頓的原子論在新的理論基礎上發展起來，也使微粒觀得到進一步的發展。1858年，德國物理學家普呂克爾發現陰極射線的存在。后來湯姆遜為研究陰極射線本質，從實驗中發現了電子的存在，從而打開原子的大門，隨后人們不斷發現原子內部的質子、中子，以及更深入層次的微粒，現代微粒觀形成。

微觀世界無法用人的肉眼直接觀察，人們對微觀世界的認識是人們的想象和創造，而不是真實觀察的“拷貝”或“發現”。現在人們對微觀世界的認識包括：原子核內微粒、原子、分子、離子、膠體、有機高分子、超分子等，隨著科學技術的不斷進步構成物質的微粒也在不斷更新。由此，人們建立的微粒觀，主要是認為世界萬物是由微粒組成的，微粒是可分和可測量的，微粒間存在相互作用力，化學反應的實質是微粒的相互作用。

微粒觀是化學學科重要的基本觀念，是學習化學過程中，對物質的組成的正確認識，對物質化學變化的理解和掌握，認識化學符號和化學用語等都具有重要的意義，這是一種全新的思維方式。這些特性使微粒觀對學生形成正確認識、保持辯證觀點、掌握恰當方法、提高探索能力，都具有深遠的影響。

3.結構觀

19世紀末，一系列重大的物理學發現，使人們對物質的認識從宏觀到了微觀，進一步揭示了原子內部的結構，親和力概念進一步深化和發展。這種深化和發展，大體上表現在兩個方面，即原子（原子團）自身或原子之間。這兩個方面不是互不相關、絕然不同的，而是相互聯系、密不可分的。1897年英國科學家湯姆森（1856—1940）發現了原子里的電子，這激勵著科學家們去探索原子的內在結構。1904年，湯姆森提出了葡萄干面包的原子模型。1911年，盧瑟福和蓋革用粒子轟擊金屬箔的著名實驗，導致了原子核式模型的建立，隨后，玻爾模型和量子力學模型的相繼建立，使人們越來越深入地了解了原子結構，同時，人們還對分子結構和晶體結構進行了大量的研究，逐漸形成了物質的結構觀。

結構是伴隨著微粒的發現而開始和深入研究的，但微粒間的結構是化學的基本知識，同時由此形成的結構觀也應該成為化學基本觀念。如果說，近年來大家認同“宏觀（現象）——微觀（分析）——符號（表述）”是化學學科獨特的思維方式，那么“結構決定性質，性質反映結構”應當是化學學科最重要的思想方法之一。從而，人們認識到物質都有其結構，不同的結構有不同的性質，而物質發生化學變化的實質是舊結構的破壞和新結構的生成。

現代化學的主要研究任務之一，是為人類的生存和發展，發現和制造一些對人類有用的新物質，比如研究新的藥物、研究新的材料、人工模擬蛋白質等。這一進程中必須解決三個問題：一是要確定新物質的性能和結構；二是要選擇最好的路線以合成新物質；三是要知道按照這條路線合成是否有副反應，所得的新物質的產率能有多大。這三個問題的解決都離不開“物質結構與性質”新的理論的建立。同時，我們在日常生活和研究中也經常借用“結構”一詞，從某種意義上說也是結構觀念的應用。

4.物質觀

人類產生以來就時刻在研究物質世界，試圖認識他們自身和周邊的物質世界。古代的樸素唯物主義物質觀是從“本原”“始基”“統一性”的問題引出物質概念的，在具體的物質形態中尋求世界的共同本質。牛頓“微粒說”一直在經典物理學中占據主導地位，后來道爾頓創立了原子論，物質結構理論方面的成就和方法又給近代唯物論物質觀產生了重大影響。它認為，物質就是原子，原子是物質的本質。隨后，恩格斯和列寧對現代物質觀進行了系統的闡述。

物質觀是人們對物質世界的基本看法，有哲學層面和化學層面。現代物質觀，從哲學層面看，主要是物質和意識的關系問題，世界的統一性在于其物質性，物質觀與運動觀、時空觀、意識觀，以及自然發展史、人與自然的關系一起構成自然觀。從化學層面，主要是認為世界是由物質構成的，物質的性質是可預測和認識的，物質分類有助于人們認識物質，物質是可以相互轉化的，物質應用的價值觀和可持續發展等。

化學學科一方面為哲學的物質觀提供了素材和證據，另一方面也為人們認識物質、利用物質、創造物質提供了思想基礎。因此，物質觀是化學重要的基本觀念。

5.變化觀

對物質變化的研究，在燃素說提出之前，就已經有人對燃燒現象進行了仔細的研究并且發表了許多議論。1703年，施塔爾對前人關于燃燒本質的各種觀點進行了總結，并對其進行甄別后，提出了更系統的燃素學說。施塔爾認為：“火是由無數細小而活潑的微粒構成的物質實體”。這些微粒可與其他的元素結合形成化合物，也可以以游離形式存在。如果大量的微粒聚集在一起就形成了明顯的火焰，這些微粒彌漫在大氣中就給人以熱的感覺。由這種微粒構成的火的元素稱為“燃素”。從此以后，燃素說統治了科學界近百年，直到1772年，隨著空氣之謎被揭開，燃燒的本質也隨之被拉瓦錫研究清楚了。雖然燃素說是錯誤的，但作為人們認識物質變化的第一個系統理論，在變化觀的形成上還是有其積極的意義的。后來，隨著原子分子論和有機化學的建立，化學符號系統的使用，人們對物質變化的基本規律的認識越來越清晰，許多新物質被創造出來，變化觀也隨之形成和發展起來。

現代變化觀認為，化學反應的實質是原子的重新組合，它的本質是舊化學鍵的斷裂與新化學鍵的形成；一些化學變化是有方向和限度的，許多化學反應能自發進行；化學變化是有規律的，質量和能量守恒是化學變化中的一個普遍規律。

化學變化的觀念是化學的本質觀念，它使人們認識到化學就是認識分子、改造分子，進而創造新物質，以美化和豐富我們的生活，消除或減輕污染，同時化學反應還可以為我們提供能量。

6.平衡觀

早在西周時期（公元前1046-771年），《周易》就已經在人類歷史上第一次提出了“平衡”這一概念。隨后中外哲學家在哲學層面對平衡觀念進行了研究。1799年，化學家貝托雷發現埃及的鹽湖沿岸不斷有Na2CO3沉積出來，他認為化學反應可達平衡，提出了化學平衡理論和可逆反應的科學概念。1884年，范特霍夫提出化學平衡的移動原理。建立了平衡常數與反應溫度及體系吸收熱量間的函數關系，稱之為動態平衡原理。這就是在物質的兩種不同狀態之間的任何平衡，隨著溫度的下降，向產生熱量方向進行移動。此項研究，提出了化學平衡移動與反應溫度的關系。此后，在化學的發展歷程中，化學平衡觀念的發展是伴隨著化學動力學和化學熱力學的發展而發展的。

現代化學平衡觀認為，在一定條件下，所有的化學反應都存在一定的限度，化學反應達到平衡時，反應仍在進行，且是相對的，改變外界條件，可以使化學平衡發生改變，一段時間后又會建立新的平衡。當外界條件改變時，化學平衡的移動是有規律的。運用化學平衡的原理可以控制化學反應的方向和程度。

7.實證觀

作為一種研究的實證性研究，源自培根的經驗哲學和牛頓、伽利略的自然科學研究。法國哲學家孔多塞、圣西門、孔德認為應該將自然科學實證的觀念貫徹于社會現象研究中，他們提出研究要從經驗入手，采用程序化和定量分析的手段，使對社會現象的研究結果具有精細化和準確化的水平。孔德的《實證哲學教程》六卷本的出版，開啟了實證主義運動的序幕，形成實證主義思潮。

實證觀是科學的實踐基礎。科學的目的是要獲得對自然事物的真理性認識。以科學研究而產生的科學概念、科學假說等是否為真理，能否正確反映客觀世界的真實面目，需要通過科學實驗來檢驗。只有經過科學實驗，才能檢驗概念和假說真實性和真理性，對錯誤的認識則被證偽和摒棄。這種以實驗為基礎的科學求實精神才使得科學理論具有真理性，使科學具有真正的力量。也正因為如此，實驗研究成為了科學區別于宗教、迷信和偽科學的劃界標準。實證精神使科學實驗占有了科學的基礎地位。正確的科學研究必須從經驗材料出發，而不是從已有的理論開始，且必須經過實驗的檢驗。對此，馬克思指出：“科學是實驗的科學，科學就在于用理性方法去整理感性材料”，這就是實證觀的基本理解。

對化學學科來說，實驗是檢驗化學概念、化學理論正確性的標準。但從實驗本身來說，也應該為結論的可信度提供證據。

8.綠色觀

“不得將危害藥品給予他人”是“希波克拉底誓言”中的一部分。“希波克拉底誓言”是2000多年來醫生對病人、對社會的責任及醫生行為規范的誓言，是以公元前5～公元前4世紀著名的希臘醫生、西方“醫學之父”希波克拉底的名字命名的。綠色化學，就猶如化學界的希波克拉底誓言，“不得將危害藥品給予他人”這樣的標準意味著化學家們有義務把對人類健康和環境產生的最終影響結合到每一個新的合成方法的設計中。

綠色化學觀念是對傳統化學思維的創新和發展。它就是要從源頭消除污染，保護人們賴以生存的環境；合理利用資源和能源，實現可持續發展，是當前化學工業和化學事業重要的思想基礎。

［1］丁緒賢.化學史通考［M］.上海：商務印書館，1936.

［2］《化學哲學基礎》編委會.化學哲學基礎［M］.北京：科學出版社，1986.

［3］袁翰青，白春禮.化學重要史實［M］.北京：人民教育出版社，1985.

［4］張家治.化學史教程［M］.太原：山西教育出版社，2009.

（責任編輯：張賢金）