關注化學思維 研究化學思維

摘要： 化學思維是化學科學活動的靈魂，是化學素養的核心。21世紀的化學需要強化、發展和創新化學思維。化學思維是搞好化學教學的關鍵，21世紀的化學課程改革要關注化學思維的訓練和水平提升。討論了什么是化學思維、化學思維方式、化學思維的結構和品質、化學思維研究的內容與方法。

關鍵詞： 化學思維; 化學思維研究; 化學思維方式; 化學思維結構; 化學思維品質

文章編號： 1005-6629（2020）03-0003-08

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 為什么要關注化學思維及其教學

1.1? 化學思維是化學科學活動的靈魂

如果把從物質的組成、結構、性質、制取等角度開展探究、認知以及實踐應用活動看作是化學科學活動的“微觀”環節，那么，化學發展的各個歷史階段則可視作是化學科學活動的“宏觀”環節。

1.1.1? 從“微觀”角度看，化學活動的探究、認知與實踐應用等環節都離不開化學思維

觀察、實驗活動是化學探究的重要手段，是化學思維材料的基本來源。觀察和實驗任務（課題）的選擇與確定離不開化學思維，觀察和實驗方案的制訂離不開化學思維，觀察和實驗方案執行與實施中的轉換、調整、變通、替代和意外處理都離不開化學思維，觀察實驗結果的處理同樣離不開化學思維。

認知是人認識客觀世界的信息加工活動，是通過形成概念、知覺、判斷或想象等心理活動來獲取知識的過程： 人對客觀事物的認知是從感知開始的。例如，當一袋蔗糖作用于人的視覺并引起注意時，意念會引導人關注它的視覺特征、味覺特征、觸覺特征等等，引起對蔗糖各種特征信息的回憶和關注，然后將色澤、味道、質感等等細節進行統合與聯接，得出具有整體性的蔗糖的統合信息，形成對當前蔗糖的知覺。隨后，還可能回想起記憶中過往跟蔗糖有關的信息，產生對眼前蔗糖的判斷或者想象，以及采取進一步活動的意念……意念是思考的結果，是思維的產物。感覺、知覺、記憶、想象、思維等認知活動按照一定的關系組成一定的功能系統，思維則對整個系統的運行起著指揮、組織和調節的關鍵作用。

認知是人對事物的詮釋。在認知過程中，思維活動越活躍、品質越高，人對事物的認知就越完整、越深入，對事物的詮釋內容就越豐富。

特別是在化學認知活動中，有許多人的感官無法直接發揮作用的事物，有許多抽象的內容唯有通過思維才能認知。由此可以斷言，沒有化學思維就沒有化學認知活動、就沒有化學認知;化學思維是化學認知活動的靈魂，是化學科學的“命根子”。

前面所謂“化學實踐應用活動”是廣義的，既包括作為專門學科的應用化學應用化學是一門培養具備化學方面的基礎知識、基本理論、基本技能以及相關的工程技術知識和較強的實驗技能，具有化學基礎研究和應用基礎研究方面的科學思維和科學實驗訓練，能在科研機構、高等學校及企事業單位等從事科學研究、教學工作及管理工作的高級專門人才的學科。的活動、也包括化學技術活動甚至化學工藝活動中的有關內容，其共同特點是以滿足人對實物材料性質功能等方面的特殊需要為目的，是純粹化學知識在科學以及生活、生產實踐中的實際應用。

對實際情境和需要進行考察、發現化學知識實際應用的可能性、構思實際應用的方案、解決實現成功應用的關鍵問題以及對應用情況進行總結等等，是化學實踐應用活動的主要環節，它們都離不開化學思維，有時還需要創造性的化學思維。

1.1.2? 從“宏觀”角度看，化學思維在化學發展各歷史階段都起著無可替代的作用

在化學活動的各個“微觀”環節中化學思維都具有重要的作用，是必不可少的。正因為如此，化學思維始終伴隨著化學科學發生發展的全部歷程，是化學科學發展各宏觀階段必不可少的：

在古代和中古時期，化學尚未成為科學，真正的化學思維尚未形成，少數學者哲人初步萌發了對物質本質的直覺和臆測。雖然這些直覺和臆測總體是非邏輯的、缺乏說服力的，因而是不可靠的，但其中隱含著他們的思維努力，可以把它們看作是原始的“化學思維”，或者說化學思維“前奏”。

近代化學思維主要是基于對元素、原子、分子及其化學運動的認識展開的，它以經驗思維為主，理論思維是局部的、比較膚淺的，特別是對分子的認識剛剛進入起步階段。受制于對原子、分子的認識有限，近代化學思維遠未形成完整的體系。近代化學思維的分化主要表現為化學的多數重要分支初步形成。批判思維在近代化學思維中顯示了重要的作用。

現代化學思維的發展特點主要是： 化學鍵思維、結構思維使化學的分子思維豐富和強化;量子思維使化學思維提升到了新的高度;化學科學開啟了綠色思維;形成了化學的社會關聯思維和學科綜合思維。

近代、現代的化學思維，它們有著不同的特點，并且表現了水平的逐步提高。

一部化學科學史就是化學思維的發展史。化學的歷史發展印證了化學思維是化學科學活動的靈魂，是化學素養的核心。

綜上所述，無論從“微觀”角度考察還是從“宏觀”角度考察，化學思維在化學科學活動的各個環節中都起著關鍵的作用。

1.2? 21世紀的化學需要強化、發展和創新化學思維

20世紀的化學科學在保證人們衣食住行需求、提高人民生活水平和健康狀態等方面起了重大作用，展望未來，人口、環境、資源、能源以及人類生存質量問題更趨嚴重。由于化學仍是解決食物短缺問題的主要學科之一、化學在能源和資源的合理開發與高效安全利用中起關鍵作用、化學繼續推動材料科學發展，以及化學是提高人類生存質量和生存安全的有效保障，未來化學仍然是提供解決人類賴以生存、發展和進步的物質基礎這一難題的核心科學。化學在21世紀有許多事情要做，有許多問題要解決，等待著人們去研究和發掘，21世紀的化學必定會[1]：

（1） 深入研究由原子組合成分子的方法和技巧，原子經濟性和反應效率成為化學家們重點關注的領域。

（2） 分子間相互作用及由此構成的多分子體系，如大分子的凝聚態、蛋白質和DNA的空間取向以及分子組裝、手性分子的認別等，以及回答分子聚集體系是靠什么作用而存在的、其規律如何等問題，成為重要的研究對象。

（3） 化學與其他學科的相互滲透和交叉成為21世紀科學發展的必然趨勢。

（4） 從化學基礎研究的重大突破到形成高新技術產業化的周期大大縮短，即科學—技術—生產力的鏈結縮短，從而加速生產力的發展。

21世紀的化學科學面臨的最基本的問題是，如何在未來化學以及與相關學科的融合交叉中創新。面臨的問題是前所未有的，難度更大、更加復雜、更加深刻，勢必要求強化化學思維。面臨的問題涉及化學的學科本質、定位與方向。

21世紀初的化學思維已進入泛分子思維新階段，勢必要求化學思維進一步發展和創新。

研究化學思維已經不僅是化學研究者和化學哲學研究者的緊迫任務，也是化學教育工作者的緊迫任務，是所有“化學人”的緊迫任務。

1.3? 化學思維是搞好化學教學的關鍵

隨著人類社會的演變以及科學技術的進步，對人的素質的要求越來越高。要搞好21世紀的化學科學，必須大力搞好化學教育，大量培養優秀的化學科學和化學教育后備人才。教育的根本宗旨是培養人，培養什么人是教育的首要問題。培養德智體美全面發展的社會主義建設者和接班人是我國教育的根本任務，為此必須深化教育改革，加快教育現代化，全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務，發展素質教育，推進教育公平[2]

。

1.3.1? 素質、素養、學生發展核心素養與學科核心素養

素質是人以某些生理基質和心理特性（主要是神經系統、腦，以及感覺和運動器官的基質和特性）為基礎通過活動逐漸形成和發展的、穩定的、能長期發揮作用的基本品質，它有著多層次和多方面的內容，能影響人的活動意愿、主體性、能動性、方向選擇、活動行為及效果，并最終影響人的思維、意識、行為、體質、品性、修養、成熟程度以及對環境的適應等，能夠作為人進一步發展的基礎，蘊含著人發展的潛在可能性（潛能），是人適應環境、全面發展、持續發展的前提、基礎和核心內容。素質是人進行活動和完成活動任務的基礎和條件。人的素質通過活動表現出來，人的素質也只有通過活動才能形成和發展。即使是先天的生理素質，也無不受到后天活動的影響，通過后天活動而得到改善。

通常所說的素養，是指人的素質中，除去先天因素所決定的那些成分后剩余的部分，即決定于后天的養育因素和環境影響的那些部分。素養以人的先天稟賦為基質，反映環境和教育對人的影響。素養這個概念更強調后天修習涵養的作用，強調學習提高的重要性。廣義的素養包括遺傳素質在內，跟廣義的素質同義，是廣義素質的同義詞。

素質教育應該是青少年教育的核心內容。對青少年學生進行素質教育要有序進行，要有輕重緩急，必須首先抓住核心素養、抓好核心素養。

在討論青少年學生的核心素養時，要注意區分學生發展核心素養和學科核心素養。

學生發展核心素養是全面培育、測評學生素養發展狀況時的內容依據，在不會引起歧義時可簡稱為學生核心素養。學生必須具備的、能適應其終身發展和社會發展需要的基本觀念、必備品格和關鍵能力是學生核心素養的主要內容。社會性是人特有的、區別于動物的根本屬性[3]

，學生核心素養因此理所當然地具有社會性，具有國別性和時代性。根據學生的成長規律和社會對人才的需求，學生核心素養應該強調“社會關愛、家國情懷”以及“合作參與”等等。同時，學生核心素養又具有個體性特點，因而要突出個人修養，注重自主發展以及創新實踐等等[4，5]

。

學科核心素養是在普通高中各學科課程標準修訂中出現的一個概念。至今尚無正式的界定，通常被理解為從事學科活動必需的、通過學科問題解決活動形成和發展的、穩定的、能在學科學習或者學科研究活動中長期發揮作用，作為人在學科學習或者學科研究方面進一步發展的基本品質。

可見，學生發展核心素養和學科核心素養是兩個不同的概念，學科核心素養在學生發展核心素養中只占有一部分。

1.3.2? 化學思維是化學學科素養的核心成分和基本保證

目前，許多人都認同化學學科素養也包含著基本觀念、關鍵能力和必備品格三方面的內容。

就基本觀念的養育而言，通過化學思維可以讓學生在實物材料層面上從組成、結構、化學變化等特定角度比較全面地了解和認識物質，形成關于物質組成的觀念、關于物質結構的觀念以及關于物質化學反應和化學性質等等觀念，進一步體察世界的物質性與辯證規律，為他們認識、理解和接受辯證唯物主義世界觀奠定基礎;可以讓學生初步學習如何以化學為工具更好地利用自然、改造自然、保護自然，滿足人類生存需求，提高人類生活質量和生存安全，服務社會，服務民族振興，形成正確的價值觀、人生觀和科學發展觀，養成科學精神，提升精神追求，等等。可見，化學思維有助于學生領悟和形成正確的觀念。

就關鍵能力的養育而言，化學思維可以讓學生提升理性思維能力、形象思維能力和創新思維能力，提升宏觀的觀察與研究能力和微觀的想象與探索能力，提升化學信息能力、化學認知能力和化學實踐能力，創新認識物質世界的方式，發展認識世界的能力。這些能力是化學能力的主干成分。

就必備品格的養育而言，化學思維可以培養學生濃厚、持久的化學學習與化學探究興趣，培養學習的自主性、自覺性和合作互助精神，培養學生嚴謹的理性、智慧的靈活性和實證精神，敢于質疑、創新，不怕困難的勇氣，積極、認真、實事求是的態度，培養學生強烈、持久的社會責任心，對人民群眾的關愛心，家國情懷以及國際視野等等。

可見，化學思維是化學學科素養的核心成分，也是化學學科素質養成的基本保證。

1.3.3? 化學思維是學好化學的金鑰匙

要學好化學，首先要有學好化學的動機，才可能主動、積極、有效地開展化學學習活動。要學好化學，還必須扎扎實實地掌握化學知識，形成有關的心智技能、化學實驗技能、各種化學能力和良好的思維習慣。此外，還必須接受有關的社會規范、修養有關的品德。這些條件的具備都有賴于化學思維。

1.3.3.1? 化學思維有利于形成化學學習的動機愿望與熱情

學習動機是引起學習活動的動力機制，是學習活動得以發動、維持和實現的重要條件，它能影響學習效果，因而也是影響學習效果的重要因素之一。思維“是一種指向問題解決的間接和概括的認知過程”，問題情境更容易引發學習的愿望與熱情。運用化學思維解決化學問題不僅有利于學生形成對化學問題解決的了解、熟悉和能力，還會引發化學學習的興趣和信心，增強學生對化學學習必要性的認識和信念，產生化學學習的愿望，增加對化學學習的推力;運用化學思維解決化學問題的適當難度，會引發挑戰困難的興趣或愿望，增加化學學習的引力。

1.3.3.2? 化學知識的掌握需要化學思維

在現代社會，化學知識在社會生活中的作用越來越突出，已經成為社會成員必備的一類基礎知識，人們需要學習的化學知識越來越多，改進化學知識教學、提高化學知識掌握水平，是現代化學教學研究的重要課題之一。

知識是客觀事物的特征與聯系在人腦中的主觀表征。這種主觀表征常常是很復雜的： 既包括感覺、知覺、表象等等，又包括概念、命題與圖式、組塊。概念與命題是較小的、簡單的知識單元或主觀表征;圖式則是較大的知識單元或主觀表征，例如一套命題、一套概念或者是許多表征的結構及功能的組合。圖式代表著一類事物的比較一般、抽象的特征，是有關經驗的組塊，同時又能與具體事物對應，能夠同化新知識，也能激活已有知識、策略去解決有關問題[6]

。可見，知識是經驗的概括、思維的結晶，知識離不開思維。通常所說知識的掌握包括知識的領會、鞏固和應用。根據上述討論，只有通過思維才能實現知識的領會、鞏固和應用。

化學知識包括反映化學物質和化學現象的各種化學概念、反映化學概念之間關系的化學原理、化學觀點和元素化合物知識，還包括屬于化學研究方法和技術方面的概念和知識。就化學知識的獲得和掌握而言，需要通過化學的觀察思維或感知來獲得化學思維的材料，隨后，需要通過分析、綜合、抽象、概括、歸納、演繹和語句分析、語義理解等思維操作來對上一階段感知的結果進行各種各樣的思維加工，初步形成化學概念、化學原理或者對物質的認識。其后，還要進行聯系、整合、運用等后續操作[7]。總之，只有通過化學思維，才能真正獲得化學知識，化學思維是掌握化學知識的金鑰匙。

1.3.3.3? 化學技能的形成需要化學思維

在化學活動中有著各種各樣外部的（動作的）或內部的（心智的）技能活動，它們分別完成各自的任務。化學技能一般都要涉及有關的化學知識。因此化學技能的形成以化學知識的學習為前提，并且受化學知識學習結果制約。如果跟化學知識脫節、分離，化學技能也就不存在，跟平常的技能無法區別了。有意識、有目的、有計劃地運用知識和經驗完成化學活動部分任務且為化學學科所特有的活動方式即為化學技能。

化學技能是人們在化學實踐活動中總結和積累起來的成果，是化學經驗的重要組成部分之一。學習者學得的化學知識不能只停留在領會的水平，只有使它轉化為相應的技能，才能在完成認知任務和解決問題的過程中，使化學知識起到應有的作用。化學技能可以加深、鞏固、檢驗化學知識，是由掌握化學知識到形成和發展化學能力之間的重要中間環節，化學技能的形成和熟練對化學能力的形成和發展具有重要的促進作用。

化學技能多種多樣，大體上可以分為化學心智技能以及化學觀察與實驗技能兩大類。前者如使用化學符號技能、化學計算技能、設計實驗方案技能，以及從復雜的現象中發現化學反應的存在、發現化學反應的過程、確定反應物和生成物、確定反應的條件以及質量關系、能量變化情況，構思化學實驗方案或者發現有關的概念及其相互聯系等等。后者如儀器的裝配技能、實驗操作技能、觀察實驗技能等等[8]

，它們的形成都離不開化學思維。

在化學認知活動中存在著大量的化學心智活動，沒有化學心智技能，就沒有化學心智活動，也就沒有化學的認知。

所謂心智技能是通過學習形成的、有一定法則的心智活動方式，又稱智力技能。心智活動具有動作對象觀念性、動作執行內潛性、動作結構簡縮性等特點，不僅跟操作活動不同，跟外部言語活動也有區別。心智技能是經驗形成與問題解決的必要條件，也是能力形成和發展的一個重要因素。心智技能的形成要經過定向、操作和內化3個基本階段[9]

，這個過程實際上是一系列思維活動的過程，例如對作用的對象、條件、結果等作關系分析、結構分析、功能分析并在此基礎上進一步通過綜合思維作系統分析等等。沒有思維活動就沒有心智技能形成過程，也就沒有心智技能。沒有化學思維活動就沒有化學心智技能形成過程，也就沒有化學心智技能。化學心智技能的形成需要化學思維。

實驗操作技能是實驗動作的連鎖化，是一系列簡單動作按一定方式組織起來形成的“組塊”，包含著若干單個動作的串聯、協調和熟練。隨著化學儀器和實驗室技術裝備的不斷改進和發展，特別是自動化、智能化儀器的出現，化學實驗操作技能的內容和復雜程度會相應地發生變化。雖然如此，化學實驗技能的重要性、本質、學習過程和規律不會發生根本的改變。

化學實驗操作技能的形成一般要經歷映像定向、分步動作、全程整合與熟練等階段。在這一過程中，需要不斷地通過分析、比較、綜合等思維操作來強化或修正化學實驗操作技能的映像來保證定向的正確，以及分步動作和完整動作的正確，需要進行形象思維活動。可見，化學實驗技能的形成也離不開化學思維。

1.3.3.4? 化學學習的遷移需要化學思維

所謂學習遷移是指一種學習中習得的經驗對其他學習或活動的影響，它廣泛存在于各種知識、技能的學習中。通過學習遷移，人所習得的知識、技能才能不斷概括化、系統化，形成穩定的心理結構，才能向能力轉化。不同學習中的經驗構成成分的分析與抽象，以及不同學習中的共同經驗成分的綜合與概括，是學習遷移的微觀機制。分析、抽象、綜合和概括這4種思維活動在任何遷移過程中都存在，它們相互關聯、相互制約、不可割裂。沒有分析、抽象、綜合和概括思維活動就沒有學習的遷移，沒有化學的分析、抽象、綜合和概括思維也就沒有化學學習的遷移[10]。

1.3.3.5? 化學學習中能力與品德的養成需要化學思維

能力與品德是由個體的認知經驗、動作經驗與反映主客體關系的價值經驗構成，即由知識、技能與社會規范三方面的個體經驗構成。能力與品德的形成以認知經驗、動作經驗、價值經驗為基礎，通過整合及類化才能實現。前已討論確定，知識（認知經驗）、技能（動作經驗）的形成離不開思維，價值經驗的理解與接受，以及各種經驗的整合、類化也是如此[11]

。由此可以推定： 能力與品德的養成離不開思維，化學活動中能力與品德的養成需要化學思維。

1.4? 21世紀的化學課程改革要關注化學思維的訓練和水平提升

教育的本質和目的是傳承人類的智慧，包括人類積累下來的對大自然的認識，對人類社會的認識，對人自身的生存與發展的認識。

思維是智力的核心，是決定智力水平高低的主要因素，其他因素都要為它服務。

思維是創造力的源泉，是影響人一生發展的重要能力，思維培養是教育的本質目的之一。

化學思維是認知化學、掌握化學、發展化學的智慧。化學思維的品質、能力和方法決定著化學思維的水平，影響著個體的化學視野、知識水平、實際能力和活動效率。

中學階段是學生化學思維奠基的重要時期，必須大力扭轉不重視化學思維訓練的現狀，積極改革化學課程、改進化學教科書編制。為此，首先必須系統、深入地開展對化學思維內容、過程、規律、應用、訓練及發展的研究。

化學思維是化學探究實踐活動的靈魂，要重視通過探究實踐活動達到訓練思維的目的，重視進行化學思維訓練的策略研究，不能把這些研究混同于一般的方法研究、混同于解題策略技巧的研究。為此，要堅持化學課程中的探究實踐活動，并且努力提升其水平。

要繼續改進化學教師教育，把化學思維及其訓練、教學作為化學教師教育的重要內容之一，逐步推進、提升，長期堅持，抓出成效。

我們正處在一個改革、創新的時代，重視研究和推進化學思維教學正是當前推進化學課程改革的重要議題和抓手之一。

2? 積極開展化學思維及其教學研究

2.1? 化學思維基礎知識

2.1.1? 什么是化學思維

化學思維應該反映化學的目的、對象、過程、方法等方面的特點，否則就沒有必要冠以“化學”二字來限定。這里的“思維”不是簡單地只指一種思維方式，而是化學領域內相互聯系的多種思維活動構成的體系，這些思維活動的方式具有共同的指向規定性。化學學科的內容與特殊性規定、制約著化學思維的內容及過程方式特點。

化學思維是人類在化學研究這個特定領域中的思維活動。在化學知識的形成和掌握過程中，逐步形成了以關于物質組成、結構、性質、變化和相互聯系的概念、定律、原理等來間接、概括地反映化學事物的、獨具特色的一類思維活動，即化學思維活動。化學思維是關于物質組成、結構、性質、變化和相互聯系的思維，化學思維關注物質的組成、結構、性質、變化和相互聯系。在化學的探究和學習活動中都需要、也存在著化學思維。

2.1.2? 化學思維方式

人類的化學思維形式除了化學抽象（邏輯）思維外，還有化學形象（直感）思維和化學靈感（包括頓悟、直覺）。這些思維形式既有共性，又有個性，它們相互區別、相互聯系、相互制約，在協調中構成人的整體化學思維活動。

化學抽象思維又叫化學邏輯思維，是用形式邏輯、辯證邏輯等邏輯方法對化學事物感性材料進行分析、綜合、抽象、概括、比較、分類、判斷、推理等思維加工的思維活動，可以分為化學普通（邏輯）思維和化學辯證（邏輯）思維兩類。化學普通思維又叫化學知性思維，但通常就稱為化學抽象思維或者化學邏輯思維，包括對事物進行分析綜合、抽象概括、比較分類、歸納演繹等等以形成化學概念、化學判斷、化學推理為目的的思維活動。化學辯證思維又叫化學理性思維，是反映化學現象或化學概念的矛盾、聯系、轉化、運動和發展的思維活動。

要把握化學事物的本質特征和內在聯系，認識物質及其組成、結構、性質和變化，離不開化學抽象思維活動。一些作者所說的化學思維實際上多是指化學抽象思維。

化學形象思維，是在對化學事物的印象、表象基礎上，進行形象分析和形象綜合，建立反映同類化學事物形象一般特征的意象，以及運用意象進行聯想和想象，從而形成對化學事物的形象認識，并用以指導化學實踐的活動。在化學形象思維中，最重要的是化學想象[12]。

實驗是獲得化學思維材料的主要來源，也是對化學思維進行檢驗、發展的重要手段。為了做好化學實驗，需要在化學實驗思維指導下進行化學實驗的設計與操作。化學實驗思維是化學思維的重要組成部分，其中既有抽象思維成分，又有實驗操作（動作）思維成分。

目前，對化學思維的研究遠不能滿足實踐的需要，亟待加強。對化學思維的宏觀研究可以通過邏輯的分析、討論進行，或者通過對微觀個案研究的概括實現。但是，對化學思維的微觀實證研究尚難一見，自陳材料也很少見。

如同一般的思維那樣，分析、綜合以及比較、抽象、概括、判斷、推理、系統化或具體化等等也是構成化學思維的基本成分，化學思維遵循著思維的一般規律。然而，僅僅由分析、綜合以及比較、抽象、概括、判斷、推理、系統化和具體化等思維操作不一定就能構成化學思維。一個掌握了分析、綜合、比較、抽象、概括、判斷、推理、系統化和具體化等思維操作技能的邏輯大師不一定就是化學思維大師，一個掌握了化學抽象思維和化學形象思維的人也不一定能成為化學大師，關鍵在于： 他還必須有化學的意識（精神、思想或觀念），必須有化學人的品格。所以筆者認為，按照分析、綜合、比較、抽象、概括、判斷、推理……順序來討論化學思維并不是最好的選擇。

化學思維是復雜的。錢學森曾經指出，凡是涉及人及人腦思維的系統，都是開放的復雜巨系統，由此可以確定化學思維屬于開放的復雜巨系統。解決復雜系統問題不能采用簡單的方法，解決開放的復雜巨系統的問題更是如此。錢學森認為，解決開放的復雜巨系統的問題要采用綜合集成法。綜合集成法的特點是： （1）以實踐經驗，特別是（實踐）專家的經驗為基礎，把局部性的經驗知識跟現代科學提供的系統的理論結合起來;（2）系統研究（整體研究）與分析還原相結合，獲得關于系統整體的狀態、特性、行為的描述;（3）歷史研究與現實研究相結合，發現、揭示、檢驗對象的內在邏輯;（4）以經驗為基礎建立模型進行計算，把定性知識跟各種觀測數據、統計資料結合起來，從局部的定性知識發展到整體的定量的認識;（5）充分利用現代信息技術的優勢，實行人—機結合，內省思辨與觀察實驗結合，宏觀研究與微觀研究結合;（6）多種學科不同角度的研究相結合，最終產生新知識、新思想、新方法;等等。要解決化學思維問題，需要在綜合集成法指導下，結合學科特點，從思維內容的實際出發，積極創新研究方法[13，14]。

2.1.3? 化學思維結構

討論化學思維結構的目的是為了更好地把握它、為了合理有序地開展化學思維，以搞好化學的研究和教學活動。為此，先要解決有關的方法問題。

怎樣才能順利地發現化學思維的最佳結構？筆者認為，既然“思維是指向問題解決的間接和概括的認知過程”，思維的結構就跟問題的結構關聯，跟認識過程的結構關聯。這樣，我們就不妨由化學問題的內在結構，以及解決化學問題的過程結構著手，來討論、確定化學思維的結構。

一般說來，人們注意到一個不熟悉的化學現象時，總要想“這是什么物質（產生的現象）？”要準確地回答這個問題，必須了解物質的組成，否則就難以做出正確的判斷。例如，當我們看到一塊金黃色物質時，并不能肯定它是黃金，因為黃銅合金、硫鐵礦礦石、二硫化錫晶體，甚至吸附了茜素染料的氧化鋁等等，都是金黃色的，“閃閃發光的，不都是金子”，唯有確定它的元素組成，才能確定它是什么物質。

接著，人們會進一步通過實驗等手段了解物質的性質、反應情況以及跟其他物質的關系;為了解釋物質的存在和性質等等，人們還會關注物質的結構……跟這些活動對應的思維方式一起構成化學思維的復雜結構（如圖1所示）。

圖1? 化學思維的結構

在化學思維結構中，人本思維跟應用思維、制取思維緊密聯系著，是化學思維的定向思維，決定了化學（活動）的目的、任務和定位;組成思維、結構思維和反應思維是化學思維的3個主干思維，因為組成問題、結構問題和反應（關系）問題是化學的3個基本問題[15]

;實驗思維、制取思維和應用思維都是實踐層面的思維;實驗思維具有工具性質，性質思維具有中介性質;計量思維、機理思維、關系思維、活性思維、微粒思維、化學鍵思維、微粒空間分布思維等是具體的專題思維，它們分別跟不同的主干思維聯系著。

筆者認為，現代化學思維日益復雜，對化學思維的研究不妨先從不同的單一維度展開，例如按照基本單元尺度分為原子思維、分子思維、泛分子思維、納米尺度思維、超納米聚集體思維等層次分別進行研究，也可以根據化學基本問題分別開展組成思維、結構思維、反應思維等的研究……然后再進行綜合，使之整體化。

化學思維主體的建構能力是促進化學理論發生變革的主觀力量，是人類對化學革命促進作用的體現[16]。

2.1.4? 化學思維的品質

化學思維除了應該具有有效性、敏捷性、創造性等一般思維最重要的品質之外，還應該具有一些特別要求，這是由化學科學的目的、任務和特點等決定的。

通常，人們把化學定義為研究物質的組成、結構、性質、應用等等的科學。這里的“物質”指的是構成實物的材料，跟哲學中的“物質”概念以及物理學中的“物質”概念都不相同。哲學中的“物質”指的是在人們的意識之外獨立存在又能為人的意識所反映的客觀實在;物理學中的“物質”指的是構成宇宙間一切物體的實物和場。比較之后可以發現，哲學中的“物質”是一個很抽象的概念，盡管它涵蓋了物理學中的“物質”和化學中的“物質”，但用抽象思維方法無論如何是不能由哲學中的“物質”概念得到化學“物質”的組成、結構、性質、應用等等推論的。這意味著，化學思維不能僅局限于抽象思維。物理思維的情況也與此類似。與此相反，在對“實物材料”的形象信息進行感受、儲存的基礎上，結合主觀的認識和情感（包括審美判斷和科學判斷等）進行識別、概括、創造，可以對“實物材料”進行形象的描述，形成“實物材料”的科學形象（意象）。調用“實物材料”豐富的形象材料，并行地對這些信息進行加工，合成新的形象，或者由一個形象跳躍/聯系另一個形象，就可以使思維主體迅速從整體上初步地把握住“實物材料”。

這樣，錢學森院士一再強調形象思維[17]

，強調“形象思維要深化”[18]

，也就不難理解了。

由此還可以確定，自然科學家既要用概念來思考，也要用形象（意象）來思考。科學家的語言和概念是與形象相通的，他們在科學研究中常用的經驗歸納、相似類比、模擬模型和思想實驗更是離不開形象思維。

通常認為，自然科學中的形象大致可以歸納為3類： 第一類是實物形象——具象;第二類是抽象形象——圖示;第三類是想象形象。實際上還有更加重要的第四類： 跟研究對象有關的整體格局或態勢狀況。建立了電磁理論數學公式的麥克斯韋曾自稱“養成了在頭腦中為每個課題建立可觀的圖畫的習慣”[19]

，這里為每個課題建立的“可觀圖畫”就屬于上述第四類“跟研究對象有關的整體格局或態勢形象”。

對于化學來說，識別、描述、研究物質及其組成、結構、變化、性質、應用等等都離不開形象思維。特別是在現代化學研究中，越來越重視通過原子、分子的操縱來獲得具有特定結構和功能的物質，使得化學的形象思維越來越重要。因此，化學思維品質應具有下列要求：

（1） 化學指向性： 目的意識強烈，解決的具體問題清晰、明確，緊緊圍繞物質的組成、結構、性質、變化、相互聯系等等開展思維活動。

（2） 以化學的思維原料為基礎： 解決問題的思維活動建立在多維度的、充足的有關實物材料及其化學變化的事實和表象材料基礎之上。

（3） 復合的化學思維過程： 化學形象思維跟化學邏輯思維相結合，包括通過整體格局或態勢思維對思維結果形成比較準確的整體定向跟通過邏輯思維制定必要的合規步驟相結合，宏觀現象思維跟分子原子微觀運動思維相結合，形象思維與抽象思維互相配合，發散思維與輻合思維相結合，分析與綜合相結合，廣闊性與深刻性相結合，規范性與批判性、創造性、靈活性相結合，等等。

2.2? 化學思維研究的內容與方法

對思維界定、思維方式、思維操作、思維過程、思維類型、思維功能與品質、思維層次及發展等問題的討論是從整體角度、通過理論思考進行的，可謂是對思維的“宏觀研究”。與此相對而言，對具體思維的研究是對思維的“微觀研究”。

一般說來，關于化學思維研究的內容主要包括：

（1） 化學思維要解決什么問題;

（2） 化學思維的具體操作過程;

（3） 化學思維類型歸屬;

（4） 化學思維的過程;

（5） 化學思維的訓練與提升;

（6） 化學思維的結果及測量評價等。

化學思維研究常常涉及問題解決的外部行為研究、問題解決的主體內在知識經驗研究、問題解決的信息加工研究、問題解決的信息加工與建構主義相結合的研究等等。

思維是多種學科研究的對象，哲學、心理學、邏輯學、語言學、神經科學、控制論和信息論等都把它作為研究對象。因此，在思維研究中常常采用不同學科的方法，或者采用多學科、跨學科的方法。

在學科思維研究中可采用內省法、思辨—推演法，以及出聲思維法（口語報告分析法）、自陳法、任務分析法、反應（行為）模式分析法、作業分析法、反應時分析法，進行一般取向和專家—新手對比研究等等。

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