化學認識論之于學科核心素養的教育價值

吳晗清 李夢穎

摘要： 化學學科核心素養是化學教育的根本旨趣，它的形成是學生對化學認識的過程。從認識視域、認識思路、認識深度、認識結果四維度，以“電化學”主題為例，探討了化學認識觀念、認識過程、認識價值三方面核心素養的形成機制。其中化學認識觀念包括“宏觀辨識與微觀探析”及“變化觀念與平衡思想”，認識過程關涉“證據推理與模型認知”與“科學探究與創新精神”，而認識價值則主要是“科學態度與社會責任”。基于此提出了相應的教學建議。

關鍵詞： 化學認識論; 化學學科核心素養; 電化學

文章編號： 1005-6629（2021）03-0003-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

人類對世界的認識，從來就沒有停止過。作為哲學的重要組成部分，認識論就是對認識本身發展規律進行認識和研究，探討認識的本質、來源及過程[1]。化學是研究物質組成、結構、性質以及變化規律的基礎自然學科，將認識論運用于化學教學具有深遠的意義。化學認識論揭示了化學由感性到理性、由經驗到理論，從定性走向定量、從宏觀深入微觀的發展過程。傳統課堂往往定位于傳授大量事實性的化學知識，較少關注化學認識方式的形成，從而導致學生掌握了一定的知識，但是認識水平普遍較低。本研究立足于化學認識論，準確把握化學課程標準對相關內容的規定及要求，探討如何將“素養為本”的教學落到實處。

1? 化學認識論構成要素及教育意義

1.1? 化學認識論的構成要素

化學學習是一種特殊的認識活動，教學活動的設計需要蘊含化學認識論。化學認識論主要包含兩個方面： 化學認識方式和認識結果?；瘜W認識方式[2]具體表現為認識化學事實現象、解決化學問題所采用的認識策略與思維模式。結合教學實踐和相關研究，化學認識方式可以進一步解構為： 認識對象、認識視域、認識思路、認識深度等基本要素，見表1。化學認識結果不僅僅是學科知識的累積，更指向基于特定認識方式將已有學科知識系統化、結構化，通常采用語言、文字、圖表、符號等形式進行表征，讓學生相應的化學觀念和思維得以發展，能夠從化學視角去認識、分析和解決相關問題。

1.2? 化學認識論的教育價值

化學教學中，學科知識的生成應當與認識論發展相契合[3]?；瘜W認識論闡釋了從萌芽時期經過漫長歲月發展到現代化學的歷史進程，它不僅映射了影響化學發展的重要史實，闡述了化學發展篳路藍縷的艱辛歷程，還彰顯了一代代化學家們令人景仰的科學精神和人文情懷。因此模擬化學認識發展的過程并讓學生體驗其中，不僅有利于學科知識的動態生成過程，還可以激發學生學習的興趣以增強內驅力，更為重要的是培養獨特的學科認識能力，以“化學的眼光”來看待世界。基于認識論的化學教學是一種以“素養為本”的實踐探索，體現在以下幾個方面。一是化學認識觀念，對“宏觀辨識與微觀探析”及“變化觀念與平衡思想”等核心素養的落實有重要意義。二是化學認識過程，關涉“證據推理與模型認知”與“科學探究與創新精神”等核心素養。三是化學認識價值，主要體現在“科學態度與社會責任”上。

2? 化學認識論視野下的“電化學”主題教學分析

2.1? 課程標準中“電化學”的內容分析及目標要求

“電化學”是中學化學教學中的重點和難點，有很多值得深入思考和探討的問題?！半娀瘜W”主題分散安排在必修課程中的“物質結構基礎與化學反應規律”部分和選擇性必修課程中的“化學反應與能量”部分，其中核心內容位于選擇性必修模塊“化學反應原理”的第四章。從知識分類看，屬于化學基本概念和原理，是氧化還原反應理論的延伸和具體應用。從主題分類看，“電化學”屬于選擇性必修模塊“化學反應原理”三大主題之一。根據課程標準[4]，筆者對其中“電化學”相關的內容及要求做了分析，見表2?？梢钥闯?，“電化學”認識對象發展從簡單原電池到雙液原電池，認識過程經歷了從認識模型、舉例說明簡單裝置到了解工作原理、書寫電極反應式、解釋并預測電極反應現象等由淺入深的漸進變化。由此可以看出“電化學”認識思路從能量轉化到工作原理本質的理解，再到了解實際應用，呈螺旋式上升。

2.2? 基于認識視角的“電化學”學習內容分析

2.2.1? 認識視域： 強調從學科域、社會域等多方面認識“電化學”

“電化學”主題的內容，不僅涉及到相關物質性質、氧化還原反應、離子反應和能量變化等化學領域相關知識內容，而且還涉及到物理學中電流產生原因及電極、電勢差等相關知識[5]。因此，立足學科域就要基于氧化還原反應、能量轉化等視角認識原電池、電解池。如具體對于電化學來說，氧化反應和還原反應分別發生于原電池的負極和正極，統一于原電池中，以及發生于陽極和陰極，統一于電解池中。又如應用“電化學”模型分析化學變化中的物質變化與能量變化，重點要關注化學能與電能之間的相互轉化等。

“電化學”除了掌握原理外，還要會解釋或解決有關化學的實際問題，以促進對化學之于社會領域價值的正確認識?；瘜W的發展源于實踐問題，實踐探索又促進了學科的發展。因此教學內容應置于宏大的社會背景之中，不能脫離生產生活實際。以能量為例，新能源的開發及利用在當今顯得尤為緊迫。太陽能電池技術就是太陽能實現光電轉換的關鍵，新型有機太陽電池具有成本低、質量輕、柔韌性好和可實現大面積自動化規?；a等優點[6]。教學中以此為認識素材，除了探討化學原理外，進一步感受化學研究對于人類社會發展的巨大價值。

2.2.2? 認識思路： 從現象到本質、從理論到應用等線索認識“電化學”

“電化學”的學習過程，可以從化學實驗、生產生活、自然現象以及社會問題等情境入手，在分析相關化學事實與現象的基礎上，引導學生通過對比歸類、剖析抽象、推論演繹等過程，從而明確表觀特征、抽提本質特征、建構相關概念，體現從現象到本質的認識路徑[7]。在建立“電化學”認識模型后，要回扣到相應的問題情境中。如“原電池”的教學，可結合社會生活中常見的電池，引導學生從燈泡變亮或電流計偏轉等外顯現象入手，進而分析其工作原理，從而建構對“負極失去電子被氧化、正極得到電子被還原”這一本質特征的正確認識。繼而開展“用生活中的材料制作簡易電池”等實踐活動，強化從理論到應用的認識路徑。

2.2.3? 認識深度： 從宏觀、微觀、符號對“電化學”進行三重表征

“宏觀—微觀—符號”三重表征是化學學科的重要特征，表征能力則是化學認識深度的重要體現。三重表征是相互聯系的有機整體，培養學生三重表征能力是培養學生化學學科能力的關鍵[8]。在必修階段要求學生從微觀的角度對“電化學”的宏觀現象進行初步的認識，比如用相應的符號表示電子轉移、正負極發生的反應;到了選擇性必修階段，電池的種類越來越多，涉及的化學反應也更復雜。因此，更加強調從微觀粒子水平認識物質的構成和變化，幫助學生深入認識化學反應過程中的電子轉移、離子移動、離子與電子的相互作用等，從而認識化學變化中物質變化的本質以及能量變化的原因。

2.2.4? 認識結果： 建立普適模型，抽象把握“電化學”本質

“電化學”的學習，不僅要認識原電池、電解池的表觀實驗現象、本質特征及能量轉化，還要建立“電化學”模型系統?！半娀瘜W”之所以是教學的重難點，就是因為涵蓋的知識面非常廣，且具有較強的深度。因此認識的結果如果拘泥于表面，則學生不可能對電化學構建全面而深入的認識。比如銅鋅原電池是一種比較簡單的原電池個例，不具有普遍性。因為該電池兩個電極材料是活性不同的金屬，但鉛蓄電池等并非如此。另外，原電池電勢差的產生并不一定是因為兩個電極材料本身，如氫氧燃料電池。還有，在原電池中并不一定是較活潑的電極材料做原電池的負極。因此，如果不能對原電池進行抽象的建模，便很難對其進行深度的、科學的認識。因此，需要引導學生在探究銅鋅原電池、鉛蓄電池、氫氧燃料電池等不同類型電池的基礎上，抽象建模原電池構成的基本要素，即兩個電極材料、兩種電極反應物、離子導體和電子導體，其中同一極的電極材料和電極反應物可以相同也可能不同[9]。

3? 基于化學認識論的核心素養形成機制及教學建議

所謂機制，原指機器的構造和工作原理。現被其他領域以隱喻性的方式頻頻借用，泛指自然現象和社會現象中的某有機體系的構造、功能及相互關系。我們探討的“核心素養形成機制”這一概念，需要全面地解構化學學科核心素養，從而揭示其內部組織和層次結構，從而探討如何通過基于認識論的教學過程來實現。結合前面有關認識方式、認識結果，認識論的教育價值的分析，以“電化學”主題為案例，提出基于認識論的以化學概念形成過程來培育學科核心素養的三維分析模型，如圖1。

其中X軸表示認識論，包括認識視域、認識思路、認識深度和認識結果四個方面;Y軸表示電化學主題，根據學習內容的進階，主要分為單液原電池、雙液原電池、電解池和金屬防護。其中單液、雙液都是原電池，而金屬防護則涉及原電池和電解池，體現了電化學主題在內容上的逐級進階;Z軸表示化學核心素養，分為化學認識觀念（包括“宏觀辨識與微觀探析”和“變化觀念與平衡思想”）、化學認識過程（包括“證據推理與模型認知”和“科學探究與創新精神”）和化學認識價值（主要指“科學態度與社會責任”）三個方面。可以看出，在認識論、內容主題、核心素養三個維度上，都是遵循了學生的認識規律，由淺入深、循序漸進，深刻把握學科知識，落實學科核心素養。

3.1? 以“電化學”為認識對象，促進化學認識觀念的形成

“電化學”主題以原電池和電解池的內部構造及工作原理為認識對象，深刻認識氧化還原反應及能量轉化。宏觀上，要求學生能夠結合相關現象如電流方向來判斷電子等微觀粒子的運動。而后要根據物質的相關性質進行推斷，如氧化性和還原性的強弱、得失電子的先后順序等。微觀上，強調學生能從元素守恒、得失電子守恒、電荷守恒以及定性定量相結合的方式，闡釋電極反應的本質特征，進而多角度、動態地分析“電化學”反應，建立起“電化學”反應的系統性認識，進而促進學生以“化學的眼光”來看待世界。

以“原電池內部構造及工作原理”教學為例來分析，首先觀察小燈泡變亮、電流表指針偏轉等現象來判斷微觀粒子的運動方向，引導學生認識電池的物質組成和基本結構，將正負極物質變化和變化過程中的電子得失與電流形成的條件相互聯系，屬于“宏觀辨識”;運用守恒定律、電極反應式來解釋化學反應的本質特征，運用平衡觀發展學生對于電池動力的認識，屬于“微觀探析”。教師通過引導觀察演示實驗的現象，建立了“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”維度的核心素養，促進學生化學認識觀念的形成。具體見表3。

MnO2與鋅片之間的電子得失使電子定向移動產生電流。中心碳棒為正極，外層鋅皮為負極。鋅皮失去電子發生氧化反應，是負極反應物;MnO2得到電子發生還原反應，是正極反應物。電解質溶液充當離子導體，導線作為電子導體。外部電路電子從負極向正極移動，內部電路電解質中的陽離子從負極向正極移動，陰離子從正極向負極移動。這種電子得失的實質是氧化還原反應。實現化學能到電能的轉化。

3.2? 以“電化學”實驗事實為證據、科學探究為依托，體驗化學認識過程

從某種意義上講，化學的歷程就是一部實驗發展史，實驗之于科學研究的重要性不言而喻。實驗事實是實驗過程中顯示出來的客觀證據，科學的發展都是基于事實的證據推理，也就是每一結論的得出都需要相關實驗證據的支撐。因此，實驗探究、證據推理自然而然地成了學科核心素養的重要組成部分。教學中要引導學生通過一系列的實驗探究，始終處于“發現問題—探討原因—尋找證據—解決問題—反思創新”的持續過程中，有利于學生建立起宏觀與微觀相結合、定性與定量相結合的思考方式，體驗化學認識過程。

以探究電動汽車所用電池的發展為例進行分析，從學科知識與社會發展等角度來體驗化學認識過程。電動汽車電池經歷了鉛酸電池、堿性電池和燃料電池等三代的發展，從高中化學認識角度來看，這些電池分別可以用鉛蓄電池、鋰離子電池、氫氧燃料電池等三類模型來表征。雖然都是電池，但其實際應用價值在不斷迭代。鉛酸電池是一種常見的二次電池，用途極廣，性能優良、使用方便。它的主要缺點是能量低、污染環境。為了突破這一瓶頸，第二代堿性電池應運而生。第二代以鋰電池最具特色，它是一種高能電池，體積小、重量輕、壽命長，是十分理想的化學電源，現已經得到廣泛應用。但是人們從未停止過追求卓越的腳步，第三代燃料電池更適合于生態文明范式下的社會生活。第三代不同于蓄電池和鋰離子電池，其正負極反應物氣體分別儲存在電池之外的容器中。兩種氣體分別不斷地輸送到電池的兩極，通過氧化還原反應將化學能轉變成電能。其中氫氧燃料電池因反應產物只有水，不產生任何污染而備受關注，已成為一種發展前景十分廣闊的化學電源。具體見表4。電動汽車的發展備受關注，車用電池更新速度迅猛，所以從多維度來認識化學電源，有利于學生對認識過程的深度體驗，將學科知識與社會實踐融合于發展的視域之中。

3.3? 利用“電化學”理論指導生產、生活實踐，提升化學認識價值

“科學態度與社會責任”是化學核心素養的價值立場，化學教學除了知識的傳承、思想方法的濡養，更重要的是學以致用，讓我們的生活變得更加美好，為人類文明的進步添磚加瓦。在生產生活中，金屬腐蝕所帶來的損失非常嚴重，對經濟、環境甚至生命安全等帶來巨大影響。如金屬設備的腐蝕經常導致工廠停產，還會使船舶、橋梁、建筑物等損壞，許多場所的金屬腐蝕還會導致火災、爆炸等安全事故的發生。當然，我們要辯證地看待問題，金屬腐蝕可能帶來巨大損失的同時，我們也可以利用腐蝕原理為生產生活服務，例如電化學刻蝕，用鋁罐車來運輸冷的濃硝酸或濃硫酸等。學科知識本身并沒有好壞之分，而人們利用知識的方式是否合理就會產生善惡之別。在電化學的學習過程中，要引導學生探究金屬腐蝕的原因，尋求防止金屬腐蝕的方法和措施，從而提高學生的責任感、使命感，培養擔當意識，對于立德樹人具有十分重要的意義。

以探究“金屬腐蝕和防護”為例進行分析，要利用學生已有的現實生活經驗，從社會生活環境中發現、挖掘化學學習的情境資源[10]。引導學生自主探究，提升化學認識價值。在教學過程中，以生活中金屬腐蝕相關的實驗、視頻來引發學生對自然現象的關注，利用化學反應原理探究金屬腐蝕的原因，而后分析探討各種金屬的防護措施。組織學生課后自主發掘生產生活中的相關案例，進行深入分析，匯報交流、總結反思。具體見表5。讓學生在真實情境中從多角度去感受生產生活中的趨利避害，感受化學對于社會進步、科技發展和人類生活質量的重要貢獻，將學科學習和社會生活融于一體，從而涵養學生的“科學態度與社會責任”。

總之，化學教學在傳遞學科知識的過程中，一定要關注學生認識觀念的形成、認識過程的體驗、認識價值的提升，通過化學認識切實培育學科核心素養。所以需要摒棄傳統單向知識傳遞的傾向，要將知識融于生產生活、人類社會發展的宏大視域中。引領學生全身心投入到學習中，在實踐層面進行活動探究、思維層面進行主體建構，從宏觀到微觀、變化與守恒等多角度進行系統思考，養成看待世界的“化學眼光”。從而在知識獲得的同時，濡養思想與方法、態度與精神，還有更重要的責任與擔當，全面落實立德樹人。

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