我國化學科學方法教育的回顧、探索與前瞻

龔文慧 邢紅軍

摘要： 通過對我國化學科學方法教育的研究進行梳理，發(fā)現(xiàn)我國化學科學方法教育還存在理論有待深化、分類尚未統(tǒng)一、內(nèi)容尚不明確等問題。為此，基于紐厄爾提出的問題解決方法圖，將化學科學方法分為化學方法及思維方法，并歸納出化學科學方法教育的具體內(nèi)容，闡明了化學知識、化學方法與思維方法之間的關(guān)系，這為我國化學科學方法教育的進一步研究提供了有益啟示。

關(guān)鍵詞： 化學科學方法; 化學方法; 思維方法; 強認知方法; 弱認知方法

文章編號： 10056629（2022）09000905

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

化學科學方法是人們在認識和改造化學世界的實踐活動中總結(jié)出來的正確的思維方式與行為方式，是人們認識和改造化學世界的有效工具[1]。研究表明，盡管人們已經(jīng)就化學科學方法教育的重要性達成了共識，但在化學教學實踐層面，化學科學方法教育尚未真正全面落實[2];在化學科學方法教育理論層面，也一直未曾實現(xiàn)真正突破。因此，化學科學方法教育研究還有待進一步深入。

1 化學科學方法教育的歷史回顧

我國老一輩化學教育研究者陳耀亭先生最早意識到科學方法的重要性，20世紀80年代以來，先后提出以自然科學方法論為依據(jù)，不僅可以培養(yǎng)學生解決化學問題的能力，還可以促進化學教學法的發(fā)展等觀點[3]。盡管此前有關(guān)化學課程文件中會強調(diào)個別化學方法（如實驗法）的重要性，但是直到1986年，重視“科學方法的教育”才首次寫進《全日制中學化學教學大綱》的“中學化學教學要求”中，并逐漸引起了人們的關(guān)注[4]。在第八輪基礎(chǔ)教育課程改革中，化學課程目標從“雙基”轉(zhuǎn)變成“三維目標”，化學科學方法的重要性得到了前所未有的重視。2019年出版的高中化學教科書中，化學方法被置于特定的欄目中，突出呈現(xiàn)了科學研究的一般方法，以及化學學科研究的認識方法和學習方法。由此可見，在歷次基礎(chǔ)教育課程與教學改革中，化學科學方法教育先后經(jīng)歷了從無到有的過程，化學科學方法的呈現(xiàn)方式經(jīng)歷了從隱性到顯性的轉(zhuǎn)變。這一系列的變革都極大地推動了化學科學方法教育理論與實踐的發(fā)展。盡管如此，我國化學科學方法教育依然存在一些問題，需要進一步通過研究加以解決。

1.1 化學科學方法教育的理論有待深化

30多年前，劉知新先生曾指出：“我國化學教學對于運用自然科學方法論的重要意義的認識還不夠自覺，也就是說，還沒有把這一點提到理性認識的高度。這是需要我們高度重視并認真解決的一個重要問題。[5]”目前，我國化學教育對于化學科學方法重要性的認識已經(jīng)顯著提升。但是，化學科學方法教育的理論研究仍顯薄弱[6]，主要表現(xiàn)在以下三個方面： 第一，尚未厘清化學思想和化學方法的界限，對二者的區(qū)別避而不談，存而不論，將二者統(tǒng)稱為“化學思想方法”[7];第二，化學科學方法教育的分類及內(nèi)容不夠明確，以至于一些研究將解題技巧、學習方法等同于化學科學方法[8];第三，對于化學知識與化學科學方法的關(guān)系認識不清，從而導致教師在進行化學科學方法教育時經(jīng)常感到困惑[9]。造成這種現(xiàn)象的主要原因在于： 一方面，一些研究者提出化學科學方法分類及內(nèi)容的依據(jù)主要來自于經(jīng)驗，缺乏相應的理論基礎(chǔ)，這就使得研究不能深入，導致化學科學方法的研究缺乏層次和系統(tǒng);另一方面，理論基礎(chǔ)與化學科學方法不夠適切。例如，有研究者選擇波蘭尼的默會知識理論、赫爾巴特的教學四階段論、布魯納的認知—發(fā)現(xiàn)學習理論[10]以及建構(gòu)主義學習理論[11]等作為化學科學方法研究的理論基礎(chǔ)。盡管上述理論可以在一定程度上為化學科學方法的研究提供啟示，但卻很難用來直接指導化學科學方法的分類及內(nèi)容。只有選取適切的理論依據(jù)，才能夠為厘清化學科學方法的分類及內(nèi)容問題提供支撐，使化學科學方法教育研究復歸本源，從而進一步促進我國化學科學方法教育的發(fā)展。

1.2 化學科學方法教育的分類尚未統(tǒng)一

分類法是系統(tǒng)研究化學科學方法的一種重要方式。因此，一些研究者根據(jù)認識的階段，對化學科學方法進行了劃分。例如，陳耀亭先生基于自然科學方法論，根據(jù)培養(yǎng)學生解決化學問題能力的基本步驟，將化學科學方法分為三階段： 搜集有關(guān)資料、數(shù)據(jù)（觀察、實驗、控制條件、測定、記錄），資料、數(shù)據(jù)的處理（數(shù)據(jù)處理和解釋、分類、抽象概括、推理判斷），發(fā)現(xiàn)規(guī)律性，得出結(jié)論（發(fā)現(xiàn)規(guī)律性、模型化、提出假說、驗證假說）[12]。張嘉同將科學方法分為兩階段，即獲取經(jīng)驗材料的方法（即經(jīng)驗方法）和對經(jīng)驗材料進行加工改造形成理論的方法（即思維方法）[13];還有一些研究者認為科學方法有層次之分，根據(jù)科學方法適用的普遍性程度，從科學方法所屬學科出發(fā)，將科學方法分為哲學方法、各門科學的一般研究方法以及個別學科領(lǐng)域中采用的特殊方法[14]。毋庸置疑，上述分類法為研究化學科學方法提供了重要的思路，然而在一定程度上仍然存在缺憾。這是因為，根據(jù)認識的階段劃分科學方法看似遵循了教育性原則，凸顯了科學方法的教學邏輯，但卻忽視了單種科學方法的歷時性。例如，思維方法不僅存在于材料的加工階段，而且也存在于材料的搜集階段。根據(jù)科學方法的所屬學科進行分類，其初衷是對自然科學方法論的系統(tǒng)追尋，然而，與其他眾多學科方法相比，化學學科本身的科學方法往往容易被置于邊緣化的境地。這種分類依據(jù)看似系統(tǒng)，實則極易繞開化學科學方法最為關(guān)鍵和本質(zhì)的問題。因此，研究者對化學科學方法的分類仍然存有不同的認識。

1.3 化學科學方法教育的內(nèi)容尚不明確

40多年來，盡管許多研究者都在嘗試確定化學科學方法的內(nèi)容，但由于化學科學方法的研究積累比較薄弱，因此，一些研究者嘗試通過窮舉法對化學科學方法教育內(nèi)容進行研究。如劉霖認為化學科學方法包括觀察、實驗、推理、模擬、假說、調(diào)查研究[15]。王德勝認為化學方法包括： 觀察和實驗方法、比較和分類、推理方法、分析與綜合、抽象、模型方法、假設方法、化學家的創(chuàng)造性思維、移植方法、數(shù)學方法、系統(tǒng)方法[16]。不可否認，在研究初期通過窮舉法探索化學科學方法是不可避免的，也確實為我國化學科學方法教育提供了重要的研究基礎(chǔ)。然而，如果僅僅通過窮舉法來研究化學科學方法的內(nèi)容，則容易導致化學科學方法缺乏系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)性，致使各種化學科學方法之間的關(guān)系比較雜亂。因此，通過窮舉法很難窺視到化學科學方法的全貌。由于化學科學方法的分類一直未曾達成共識，因此，我國化學教育研究者對化學科學方法內(nèi)容的認識莫衷一是。而化學科學方法教育內(nèi)容的不明確，進一步導致了化學科學方法教育效果的差強人意。

2 化學科學方法教育的研究探索

本文基于認知心理學的相關(guān)理論，對化學科學方法的分類及內(nèi)容等進行了初步探索，以期達到拋磚引玉的目的。

2.1 化學科學方法的分類

認知心理學家艾倫·紐厄爾（Allen Newell）曾于20世紀60年代提出“一種方法的通用性（generality）與其強度（power）成反比”的觀點。他認為，隨著問題解決所需專門領(lǐng)域信息的增多，方法的強度就會增加，通用性就會隨之減弱;反之，隨著問題解決所需專門領(lǐng)域信息的減少，方法的強度就會減弱，通用性則會增強，其關(guān)系可以用圖1來表示[17]。同時，紐厄爾也將這種通用性與強度的關(guān)系描述為限制關(guān)系。在這種關(guān)系中，問題解決需要的信息量限制了方法的強度和功能。

基于上述觀點，認知心理學將科學方法分為強認知方法（strong cognitive method）與弱認知方法（weak cognitive method）。強認知方法指在特定認知情境中能夠直接采用的、能導致特定領(lǐng)域的科學研究活動的方法。強認知方法適用的范圍具有強約束條件，因此，強認知方法只有在特定領(lǐng)域中才具有高效能，能與具體領(lǐng)域知識進行結(jié)合構(gòu)成獨特的認知圖式;弱認知方法主要指被廣泛運用到多種學科問題解決過程中的一般認知策略和方法，其適用條件的約束性較弱，不構(gòu)成特定領(lǐng)域技能，往往具有較大的通用性[18]，因此，其可遷移性比較強。

由圖1可知，強認知方法主要位于右上角區(qū)域，而弱認知方法主要位于左下角區(qū)域。強認知方法與弱認知方法之間其實是一個連續(xù)變化體，二者的關(guān)系并非是二元對立的，而是互相補充的，二者不可偏廢。弱認知方法可以提供研究的策略、方法并規(guī)劃研究的路徑，強認知方法則保證了科學研究的具體可操作性。基于強認知方法與弱認知方法的分類及內(nèi)涵可知，在化學科學方法教育中，強認知方法指化學方法，弱認知方法指思維方法。因此，化學科學方法由化學方法與思維方法構(gòu)成[19]。

2.2 化學科學方法教育的內(nèi)容

化學方法是極具化學學科特色的強認知方法，是促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展的重要因素。為此，本研究從化學課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)中提煉出以下化學方法： 宏微結(jié)合方法（與宏觀辨識與微觀探析相對應）、轉(zhuǎn)化法（與變化觀念相對應）、平衡法（與平衡思想相對應）、模型法（與模型認知相對應）;從《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》及2019年出版的人教版高中化學教材中，進一步選出以下化學方法： 分類法、假說法、守恒法、變量控制法;此外，化學教育研究者普遍認為，在化學學習過程以及檢驗化學知識、技能和能力的過程中，都要借助于觀察和實驗這兩種科學方法[20]。因此，本研究最終提出化學方法主要包括： 宏微結(jié)合方法、轉(zhuǎn)化法、平衡法、模型法、分類法、假說法、守恒法、變量控制法、觀察法、實驗法等。

林崇德教授認為，思維是智力和能力（即智能）的核心[21]，是學科的靈魂。思維方法不是靜態(tài)的知識與技能，也不僅僅是某劑解決問題的“處方”，而是探尋思考問題、解決問題和評價問題的有效方法的思維方式或思維模式[22]。基于已有研究，可知思維方法主要包括： 分析、綜合、抽象、概括、比較、鑒別、推理、判斷、直覺、想象等[23]。化學科學方法的具體內(nèi)容見表1。

顯而易見，如果化學科學方法內(nèi)容不能得到有效解決，化學科學方法教育就會陷入無源之水、無本之木的境地，從而難以得到有效的開展與實施。為此，本文基于認知心理學家對強認知方法與弱認知方法的論述，從化學方法與思維方法兩個角度提出了相應的化學科學方法內(nèi)容，這對化學科學方法教育的理論研究與實踐探索具有一定的參考價值。

2.3 化學知識、化學方法與思維方法的關(guān)系

思維的教不是把有關(guān)思維的定義、概念、特性等陳述性知識傳遞給學生，而是必須強調(diào)學生自覺主動地對思維實踐的經(jīng)常性參與[24]。由此可知，雖然思維方法具有通用性、遷移性，但由于其缺乏領(lǐng)域特殊性，強度較弱，因此，很難直接通過知識的學習加以發(fā)展和培養(yǎng)。已有研究表明，思維方法與學科知識是通過學科方法這一“中介變量”發(fā)生聯(lián)系的[25]。因此，化學方法就成為連接化學知識與思維方法的橋梁，三者之間的關(guān)系可以通過圖2來表示。

圖2 化學知識、化學方法與思維方法的關(guān)系

由圖2可知，在化學知識的形成與獲得過程中，需要化學方法的參與，而化學方法的背后往往會體現(xiàn)一定的思維方法。例如，在學習原電池時，可以先使學生了解一些有關(guān)化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿幕瘜W現(xiàn)象（或事實），如火力發(fā)電，接著過渡到原電池就是一種將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，再介紹原電池的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，最后借助分析、抽象、比較等思維方法，建構(gòu)具有描述、解釋及預測功能的原電池模型，從而使學生對原電池的本質(zhì)特征形成一種概括性的描述或認識思路[26]。因此，原電池知識的獲得路徑可以表示為： 化學現(xiàn)象→思維方法（分析、抽象、比較等）→化學方法（模型法）→化學知識（原電池）。

同樣，在化學知識的應用過程中，仍然需要化學方法作為中介，在這一過程中，還可以促進學生思維方法的發(fā)展。仍以“原電池”的應用為例，如果想要基于“原電池”的有關(guān)知識，用生活用品設計制作一個簡易的原電池裝置，首先需要通過“模型法”，將“原電池”的有關(guān)知識視為一種思想模型;接著通過分析的思維方法，分析原電池的構(gòu)成條件有哪些，再選用滿足原電池構(gòu)成條件的生活用品，如電解液可選用蘋果、橙子、可樂等;最后再對不同生活用品組裝成的原電池性能進行比較[27]。由此可見，“原電池”化學知識的應用過程可以表示為： 化學知識（原電池）→化學方法（模型法）→思維方法（分析、抽象、比較等）→化學知識（原電池）的應用。顯然，在化學知識的應用過程中，不僅可以發(fā)展學生的化學思維，還可以很好地培養(yǎng)學生的證據(jù)推理與模型認知素養(yǎng)。

3 化學科學方法教育的前瞻

3.1 化學科學方法教育的內(nèi)容： 兼顧化學方法與思維方法

廖正衡認為，長期以來人們只關(guān)注“硬”化學方法（即以物質(zhì)儀器為基礎(chǔ)的化學操作方法），而忽視“軟”化學方法（即具有哲學、邏輯學、心理學特征的化學思維方法）的應用，以致于難以從整體的戰(zhàn)略高度去駕馭化學研究[28]。這一觀點道出了一個延續(xù)數(shù)十年的問題，即人們只重視化學科學方法中的操作方法，甚至是解題的技巧性方法，而輕視其他類型的化學方法以及思維方法。其原因在于，在應試教育背景下，化學方法被人們簡單地理解為操作技能以及解題的技巧性方法。因此，未來化學科學方法教育的落實需要進一步深入。

在當前教育評價改革的背景下，核心素養(yǎng)成為重要的命題依據(jù)，構(gòu)建引導學生德智體美勞全面發(fā)展的考試內(nèi)容體系，改變相對固化的化學試題形式，突出化學試題的育人功能，減少死記硬背和“機械刷題”現(xiàn)象，已經(jīng)成為化學命題的重要趨勢。化學方法與思維方法不僅是化學科學方法教育的重要兩翼，同時也是核心素養(yǎng)的重要組成部分。因此，只有兼顧化學方法與思維方法，才能夠更為全面地發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。隨著化學科學研究及教育研究的不斷發(fā)展，化學科學方法的內(nèi)容也需要與時俱進，本文基于認知心理學對化學科學方法的分類及其內(nèi)容進行了初步的探索，未來需要有更多的研究者致力于提出更加全面和精確的化學科學方法內(nèi)容，從而使我國化學科學方法教育研究向縱深發(fā)展。

3.2 化學科學方法教育的呈現(xiàn)方式： 顯性與隱性相結(jié)合

在以往的化學教材編寫中，化學知識的邏輯線索是清晰的，而化學科學方法則以分散的形式隱蔽在化學知識之中，這種只見知識、不見方法的教材編寫方式，使得化學科學方法的掌握難于化學知識[29]。新版高中化學教材則通過開設“方法導引”等欄目的方式，合乎邏輯地顯化了化學科學研究的具體程序及過程，改變了以往“唯”隱性化處理化學科學方法的模式。以人教版必修教材中對分類法的編寫為例，教材編寫遵循從一般思維方法到化學思維方法的原則，先呈現(xiàn)了分類法的內(nèi)涵（根據(jù)研究對象的共同點和差異點，將它們區(qū)分為不同種類和層次的科學方法）及價值（反映事物的本質(zhì)特征，有利于人們分門別類地進行不同的分類），接著舉例說明在高中化學學習中，對研究對象進行分類的標準（對物質(zhì)及其變化的分類標準將從物質(zhì)的組成和性質(zhì)等宏觀視角，拓展到物質(zhì)的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和參加化學反應的粒子等微觀視角），最后闡述了分類法在化學學習中的意義（發(fā)現(xiàn)物質(zhì)及其變化的規(guī)律，預測物質(zhì)的性質(zhì)及可能發(fā)生的變化）[30]。不難發(fā)現(xiàn)，上述分類法的編寫方式并非僅僅局限于對分類法的概念內(nèi)涵、特征等陳述性知識的介紹，而且還基于具體的化學學科內(nèi)容，系統(tǒng)闡明了對研究對象進行分類的標準及意義。更為重要的是，教材還在很多需要運用分類法的位置都或顯或隱地突出了分類法的具體應用。

對化學科學方法進行顯性化處理，有助于學生深刻理解化學科學方法的形成、發(fā)展及應用的邏輯過程，能夠促進學生對化學知識的學習及應用能力的發(fā)展。然而，如果一味地對化學科學方法做顯性化處理，則有可能壓縮學生自主抽象提取化學科學方法的空間，妨礙學生科學思維的發(fā)展。因此，化學科學方法的隱性處理也是必要的。在這個意義上，化學科學方法的顯性處理和隱性處理應該相互配合、相得益彰。在化學科學方法亦顯亦隱的雙重驅(qū)動下，化學方法及思維方法就能夠得到有效的傳授和訓練。

3.3 化學科學方法教育的觀念： 從知識中心到方法中心

從某種意義上說，進行化學科學方法教育，就是要讓學生掌握一種“非言語程序性知識”，而不是把有關(guān)化學科學方法的定義、概念、特性等陳述性知識傳遞給學生。也就是說，作為程序性知識的化學科學方法的獲得不是以陳述性知識的掌握為前提的[31]。因此，化學科學方法教育絕不能局限于“貼標簽”“喊口號”，而是應該讓學生在親身實踐中經(jīng)歷多次嘗試和驗證，自主發(fā)現(xiàn)某些方法比另一些方法更為便捷與有效。

在科學教學中，是把知識本身作為目的，還是把知識作為工具和手段以掌握科學方法為目的，這是兩種完全不同的教育觀念[32]。杜威對思維方法的論述也為化學科學方法教育觀念的轉(zhuǎn)變（即從知識中心到方法中心）提供了有力支持。杜威曾指出：“把獲得知識本身當做目的，或者把獲得知識當做思維訓練的不可或缺的一部分，這兩者是全然不同的。”顯然，只有在思維過程中獲得的知識，才具有“邏輯的使用價值”。“一些博學多識的人，時常陷入在大堆知識中而不能自拔，這是因為他們的知識是靠記憶得來的，而不是靠思維的作用得來的”[33]。因此，學生只有在思維方法和化學方法的協(xié)同作用下才能獲得活化的、具有應用價值的知識，這就進一步彰顯了化學科學方法教育的意義之所在。

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