中學生化學守恒觀：內涵、功能、發展策略

摘要：通過分析守恒、觀念、守恒觀、化學守恒觀界定的問題等，論述了中學化學守恒觀的概念內涵及包含的概念內容，構建了相關認識模型；闡釋了中學生發展化學守恒觀的必要性、功能；并基于學習進階和論證式探究等說明了發展策略。

關鍵詞：化學守恒觀；內涵分析；學習進階

文章編號：1008-0546（2023）11-0002-07" 中圖分類號：G632.41" 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.11.001

為了解決“什么知識最重要”［1］的問題、發展學生的核心素養，“觀念教學”“大概念教學”成為教育者們關注的研究對象，初高中的化學新課標中都提出要發展學生的“化學基本觀念”，其中就明確提出了“守恒觀”。［2，3］但從研究現狀來看，相對于微粒觀、元素觀等觀念，對化學守恒觀的研究存在定義不清晰，理論基礎不足，缺乏發展模型等問題?，F存的相關研究對守恒觀的定義都是從“包含哪些守恒知識”的角度出發的，也就是傾向于說明“外延”，內涵卻鮮有深入說明。［4］因此充分分析化學守恒觀的內涵，論述其建立過程及培養的意義和策略十分重要。

一、化學守恒觀內涵分析

1.守恒與觀念

“守恒”一詞從漢語語法角度講屬于由動詞和形容詞組成的“動賓短語”，因此可將兩者拆開分析。辭海中對“守”字的解釋非常豐富，［5］其中作為動詞時有“鎮守、守衛、把守”“保持”和“看守”等意?！昂恪币鉃椤肮潭ú蛔儭被颉敖洺！?。“守恒”為上述兩字的組合，可知前者取“保持”意、后者取“不變”意，即“保持不變”，與“不守恒”相對，是事物運動所具有的不隨時間變化的性質；同時暗指了“變”的存在，指一種不變性和永恒性。

守恒也是一個心理學名詞，指概念的掌握和概括能力不再受事物的空間特點等外在因素的影響，而能夠根據事物的本質進行抽象概括；物體的形式等發生變化，但個體認識到的物體的量（或內部性質）并未改變。

瑞士心理學家皮亞杰（Piaget）最初提出了守恒概念。他認為兒童思維在從前運算階段發展到具體運算階段發展的過程中，建立守恒觀念有重要的意義。［6］而在守恒概念的形成中，對物體各方面的邏輯上關聯所作的種種組合，以至數學上簡單的綜合運算又轉而推進對數的概念深入理解，這二者是相輔相成的。

守恒，作為人的認知發展的重要階段、里程碑，顯然對人的發展至關重要。對于化學守恒觀的研究，應基于對守恒的充分認識之上。

觀念意為“思想”“客觀事物在人腦里留下的概括的形象或表象”［5］。也就是說觀念是相對抽象的，但一定有客觀事物的支持，可以理解為客觀事物在人腦中留下的經過加工的抽象存在。正如馬克思所指出的“觀念的東西不外是移入人腦并在人腦中改造過的物質的東西而已”“觀念不僅反映客觀現實，而且還能根據客觀現實的反映為實踐創造觀念的對象，以作為實踐的目的”［7］。也就是說觀念強調的是客觀事物存在于人腦的相互作用。這里需要明確觀念和概念的區別。從哲學的角度看，概念是事物本質的反映，是對一類事物進行的客觀概括表征。［8］可見，概念強調的是對事實本質和事實本身的抽象概括，是一種認識結果；而觀念強調的是客觀事物在人腦中經過作用后的存在形式，并且最終要體現在人的實踐當中。觀念應當有如圖1所示的作用過程才能稱之為觀念。

2.守恒觀與化學守恒觀

簡單來說，守恒觀（念）是“守恒”與“觀念”語義的組合，指“守恒的觀念”或“關于守恒的觀念”，當然在內涵上會有拓展和深化，一般被認為是科學領域（主要指物理和化學）的學科觀念。

物理學中有非常多的“守恒（定）律”，僅牛頓力學中就有能量、動量、角動量三大守恒定律。［9］但守恒定律是不等于守恒觀念的，如上所述，只有定律被人們學習，在腦中形成印象，最終作為一種思想去指導相關的行為才算形成了觀念，正是由于定律這樣的客觀事實的存在才為觀念的形成奠定了基礎。例如，人們學習了能量守恒定律，通過各種事實的積累懂得了“在一個封閉（孤立）系統的總能量保持不變。其中總能量一般說來已不再只是動能與勢能之和，而是靜止能量（固有能量）、動能、勢能三者的總量”［10］后，能夠自發地將其作為自己的思想來控制行為、解決相關問題時，便可認為具備了一定的“能量守恒觀”。在剛才的能量守恒定律的釋義中，“系統”一詞十分重要，因為當問題不再囿于某孤立系統而是將系統和環境的關系考慮在內，那么就需要更加深入和廣泛的守恒定義和觀念。也就是說，人腦中的守恒觀是會發展的。

化學學科也是類似的情況。將科學領域的“守恒觀”集中在化學學科，便成了化學守恒觀，屬化學基本觀念之一。其實，在“哪些觀念屬于化學基本觀念”的問題上，研究者們并不統一（包括對各觀念表述的不同），守恒觀也不例外。［11］的確，守恒觀并不是化學所獨有，但這不等于說明守恒觀不可以是化學基本觀念之一。就像化學學科核心素養一樣，其內容豐富，顯然超出了化學學科本身，并包含跨學科的部分，但它依然是化學學科的核心素養。那守恒觀到底是不是化學基本觀念呢？

從基本內涵分析即可得到答案。守恒是保持不變的意思，化學守恒研究的即化學科學中的某些保持不變的內容。這樣說太過籠統，我們以化學反應為例聚焦地看?！吧尚挛镔|的變化就是化學變化，也稱化學反應”［12］，這是在九年級學習化學時學生對化學反應最初的認識：化學反應本身就是一種變化，反應物會變成生成物，兩者是不同的物質。后來學習了質量守恒定律，學生懂得了在化學反應中不但有在變化的物質，還有不變的東西——質量、元素種類、原子種類和個數。由此，對化學守恒的認識便初步建立了：在化學反應這個變化中有一些量保持不變。那么這是單純的概念還是能夠稱之為化學守恒觀的觀念呢？如上所述，這兩者的區別在于只是單純事實要素的結構化還是在人腦中產生了一定作用并指導實踐，顯然屬于后者。學習質量守恒定律之后我們便對化學反應有了新的認識，并且這個認識會影響對化學反應的理解，從而自發地運用其指導相關問題的解決。再者，這種“守恒意識”是會發展的，由質量守恒到原子守恒，宏觀層面到微觀層面，物質角度到能量角度……另外，很容易理解，守恒觀可以匹配化學基本觀念的“基本”二字——化學守恒觀是化學基本觀念之一！

3.澄清化學守恒觀的兩個問題

目前，需要厘清化學守恒觀的兩種誤區，第一，是否任何帶有“保持不變”涵義的問題都可以納入守恒觀？第二，是否只有關于化學反應的守恒才是“真守恒”？

解決第一個問題，實際上就是要避免“泛化”，即不能凡是跟化學守恒沾邊的內容都納入化學守恒觀。物質及其變化是化學科學的研究對象，那么作為化學學科的一種觀念，化學守恒觀的研究對象也應是如此；另外就是對“守恒”的解讀：如，人教版、滬教版和魯教版三個版本的初中化學教材都提到了“空氣中二氧化碳和水、氧氣等含量的穩定狀態”。如果不注意避免泛化問題，這里的“穩定狀態”就可認為是空氣中物質含量的“守恒狀態”，但這與我們討論的守恒是不同的?？諝庵卸趸肌⑺脱鯕獾鹊暮坎皇恰氨３植蛔兊摹保恰跋鄬Ψ€定”地在一定范圍內波動，這就是相對穩定狀態和絕對守恒的差別。界定化學守恒觀的內容時應當排除此類問題。

第二個問題是“封閉問題”，正如前面提到的，對兒童來說守恒觀的建立是依據物體的外形、大小、數量等內容，對學生來說化學守恒觀的建立基本上是從質量守恒定律開始的，其討論的問題是化學反應，那么是否所有的化學守恒只能建立在討論化學反應的基礎上呢？我們認為不是的。比如，“物料守恒”，其定義是平衡體系中某一組分的分析濃度等于該組分各種存在形式的平衡濃度之和，簡單來說就是物質溶于水后各種存在形式（微粒）之和等于最初存在形式的量，這其中顯然未涉及化學反應。但它是化學守恒問題嗎？首先涉及了變化，“物質存在形式的變化”。變化中有不變嗎？“存在形式”在變，但其“總量”沒變，討論的是化學問題，有變化過程中的絕對不變，它確實是我們討論的化學守恒范圍內的問題。而且從已有的研究上看，毋庸置疑這是我們公認的化學守恒需要討論的重要問題。所以，討論化學守恒觀的內容界定問題，也不能過于封閉。

4.化學守恒觀的界定

基于上述認識，參照化學基本觀念的定義，［13］可以認為：化學守恒觀是學生在學習化學的過程中、對化學守恒知識有了一定理解后所樹立的有關“化學守恒”的思想，具體表現為將“化學守恒關系”運用在進一步的化學學習與實際問題解決過程中的觀念意識和能力。其核心思維方式是關注研究對象在變化中的“恒定狀態”和“守恒量”；其研究的具體范圍包括中學化學涉及守恒的相關知識?！坝^念”的特點在于對實踐的指導作用，對中學生來說最大的實踐就是利用所學知識進行問題解決，因此化學守恒觀的異同和發展水平的高低最終會體現在利用守恒觀解決問題的能力上。這是將化學守恒觀像能力一樣劃分為由低到高的縱向發展水平（而不只是橫向區分）的依據。從認識方式上看，應當包含宏觀和微觀上的守恒；從認識角度上看，應當包含物質和反應的守恒；從具體認識對象上看，應當包含物質中的電荷守恒、化合價守恒等，以及變化中的元素守恒、原子守恒、質量守恒、電荷守恒、電子轉移守恒、能量守恒、物料守恒、質子守恒等。［14］建立化學守恒觀的認識模型如圖2所示。

二、中學生化學守恒觀的功能

研究表明，中學生守恒觀整體發展水平不高：根據文獻，魯志婧的研究表明高中生的守恒觀發展整體呈現中等偏下水平，各維度守恒觀念之間的發展也不均衡；［15］龔偉等的研究表明高中生化學守恒思維處于中等水平，且運用仍處于機械水平，沒有理解其實質而靈活遷移；［16］詹曉旭對高一理科班學生進行了化學基本觀念整體水平的調查研究，認為學生在守恒觀的表現水平較差。［17］王禹超基于學習進階和 Rasch模型建構了測評工具并測查，發現高中生化學守恒觀的發展存在不均衡、不穩定的問題。［18］因此可以認為中學生的化學守恒觀發展水平是不足的，大多數只是具備基本的守恒知識，沒有達到深入理解和進行自如綜合應用程度。

若要提高化學守恒觀發展水平，必須充分認識到化學守恒觀的功能。

1.化學守恒觀是化學基本觀念的核心內容

學界對化學基本觀念的分類研究眾說紛紜，也就是化學基本觀念究竟包含哪些具體觀念是沒有一致認定的，如吳俊明分析了對化學科學觀念認識不當的情況，將其分為了5類16種，［19］朱玉軍探討了國內外對化學基本觀念的界定，認為中學化學基本觀念應當包括化學價值觀、化學實驗觀等在內的8種觀念。［20］類似研究不再列舉，總之在形式上，暫時無法統一化學基本觀念到底有哪些，但是可以參考分析化學核心概念的方法，［21］從內容實質上探討化學守恒觀所處地位。

一方面，化學守恒觀貫穿了化學認識發展的整個過程。按照現在流行的化學學習順序（人教版教材），從最開始的“化學變化與物理變化”的區別，就暗含了“變化與守恒”的思考方式——有新物質生成即物質種類發生了變化，則為化學變化；物質種類守恒則為物理變化。后續則圍繞物質（如電荷守恒）和反應（如質量守恒）兩個角度，從宏觀（如元素守恒）微觀（如電子守恒）的不同認識方式學習多種守恒內容。甚至到大學化學會發展到綜合考慮體系與環境問題、體系中的守恒以及體系與環境的交換等。

另一方面，守恒觀與其他觀念相關性很強。如從微粒觀的視角看待物質的構成和化學反應過程則可有電荷守恒（物質本身不帶電、正電荷與負電荷抵消）、質量守恒（化學反應前后物質總質量不變）等；從元素觀的視角看待物質構成和化學反應則有化合價守恒（化合物中正負化合價相等）和元素守恒（化學反應前后元素種類和質量不變）等；從能量觀的視角看待化學反應過程，則有能量守恒。

2.化學守恒觀是化學本體認識論的重要內容

學生學習化學，即為發展對化學本體的認識，既包括了認識內容的擴展、深入、聯系，也包括了實踐——如何利用這些認識去解決真實情境中的相關問題。法國化學家安托萬-洛朗·德·拉瓦錫在1789年發表的著作《化學基本論述》，與牛頓的《自然哲學之數學原理》和達爾文的《物種起源》并稱世界自然科學的“三大名著”。拉瓦錫在化學上的杰出成就很大程度上源于他帶動和闡釋了化學從定性到定量的轉變，而這個轉變離不開他對“質量守恒定律”的研究，也正是關于化學反應的定量研究使得他能夠逐步推翻“搖搖欲墜卻始終不倒”的燃素說，并建立“氧化說”。

這段化學史是初中教學中關于“質量守恒定律”的常見素材，里面不但蘊含了豐富的創新意識和科學態度內容（科學家精神），也昭示了化學研究方法（定量定性結合），當然還有其核心內容“質量守恒定律”本身。拉瓦錫的研究成果使人們意識到“守恒”是化學變化的一項重要內容，定量是化學研究的重要方法，這便是“化學守恒觀”的體現——發展化學守恒觀，實質上就在發展對化學的認識，完善對化學本體認識論、方法論、思維論等的建構。

3.化學守恒觀是化學學科核心素養的發展路徑

鄭學裕認為基本的化學觀念是在具體化學知識的基礎上，通過不斷的概括提煉而逐步形成的基本思想方法和核心認識架構；［22］梁永平從化學科學的基本問題出發，認為化學科學的核心觀念是在化學科學認識活動中形成的、能夠指導化學科學認識活動的觀念；［23］畢華林和盧巍認為化學基本觀念就是中學生在深入理解化學學科特征的基礎上所形成的對物質世界的基本看法和態度，它具體表現為個體主動運用化學思想方法認識身邊事物和處理問題。［13，24］

從各研究者的觀點中可以看出，學界對化學基本觀念的認識是有基本共識的：不是具體的化學知識，也不是化學知識的簡單組合，而是在具體化學知識的基礎上，通過不斷的概括提煉而逐步形成的基本思想方法和核心的認識構架。它貫穿于整個化學內容之中，是使化學內容產生聯系的核心內容，是化學學科理解的重要部分，具有長久的遷移價值。中學化學的學習不只是事實性知識量的積累，而是思維能力的提升和化學基本觀念的形成，從而達成化學學科核心素養的發展。從這個角度看，發展化學守恒觀也即在促進學生化學基本觀念的發展、促進核心素養的提升。

三、中學生化學守恒觀的發展策略

1.基于學習進階循序發展

首先需要明確，守恒觀的發展和建立并非幾節課乃至某個學年、學段能完成的，它的發展性決定了其為長期目標，因此要注重整體設計、循序發展。守恒觀的發展具有多重系統性：“守恒問題”本身是一個系統，有著自身發展的邏輯、層次順序和內容；同時與其他知識系統（如物質結構與性質、化學反應、化學概念等）有著密切的交叉聯系，共同存在于化學學習的大系統中，因此要注意在不同單元穿插設計，如在質量守恒定律一節（此處考慮初中化學人教版5.1質量守恒定律和5.2化學方程式），以“質量守恒定律”這個概念為核心，包含了對化學反應的定量認識、宏觀和微觀守恒認識以及符號表征。大多數課堂的安排是第1課時：化學反應前后質量關系問題（引入）→通過實驗驗證從而得出結論（宏觀守恒：總質量不變）→進行微觀上的解釋（微觀守恒：原子的種類數目質量不變、元素種類質量不變）；第2課時：認識化學方程式的定量定性、宏觀微觀意義（符號含義）；第3課時：學習簡單化學方程式的書寫（符號表達）。

在實踐中發現，學生總是難以將質量守恒定律中的宏微觀內容建立聯系，對化學方程式意義也停留于死記硬背而無法順利遷移。結合守恒觀的整體發展脈絡及學習進階可知，主要原因在于發展階梯性不強——宏觀和微觀是兩個層次的內容，盡管兩者對于質量守恒定律來說相關性很強，但不可因此輕視了兩者的差別和獨立性、急于求成，應采取不同方法，確定前一階梯踩穩后再向上走；而化學方程式的書寫可理解為對微觀守恒的表征，可以更密切地安排兩者，不需要過多跨越和停留。

因此做出如圖3所示的改進。改進后的好處：（1）第1課時集中攻克宏觀守恒問題，采用“論證式探究”的方式構建概念（具體見3.2），使宏觀守恒更加穩固構建的同時不讓微觀守恒停留在對質量守恒定律的“微觀解釋”；（2）第2課時突出微觀守恒問題，并趁熱打鐵進行符號表征，既鞏固了微觀認識又能讓化學方程式順勢而出，從而能夠對簡單化學方程式的“配平”；第3課時在能夠簡單配平方程式的情況下，已經對宏觀微觀守恒有了充分認識，這個時候以化學方程式為研究對象從宏觀微觀、定性定量的角度進行意義解讀會更加容易，改變了以往“強行遷移”的尷尬。

2.基于論證式探究有效發展

觀念和素養的扎實發展，需要重視知識的“隱性建構”。質量守恒定律的教學萬不可讓學生死記硬背那一句“化學反應前后物質質量總和不變”，而要帶領學生大致經歷這句話內涵的形成過程——探究。在各式各類側重點不同的探究方式中，論證式探究是一種避免探究過程流于步驟形式、注重學生交往與建構的有效方式。［25］根據ADI 策略，［26］以質量守恒定律中的宏觀守恒部分為例，進行教學的說明（見表1）。

如前所述，化學守恒觀的發展主要包含了相關概念的建立及其在問題解決過程中的應用，而這些皆可利用“論證式探究”實現。總之，論證式探究能促進守恒觀發展的基本邏輯是它能夠促進學生的概念認識和應用（認識與實踐）。

3.注重守恒問題的情境性和認知活動的多樣性

發展觀念的教學最忌諱平鋪直敘，直接告訴和要求反復記憶概念是無法形成觀念的。依舊以“質量守恒”為例，告知學生并要求記憶“化學反應前后六不變”（從化學學科能力的角度看屬于“辨識記憶”［27］）是無法形成觀念的，而應當在實踐中生成，實踐需要在一定的情境中發生。如進行鎂燃燒實驗發現質量變化，提出問題“質量變化的原因是什么”；從微觀角度分析變化過程，結合物質狀態得出質量變化原因（概括關聯和說明論證）；改變情境提出疑問——在碳酸鈉與稀鹽酸的反應中發現裝置質量變輕，該如何解釋（分析解釋）；再次引出新情境——將鎂條放入稀鹽酸中觀察現象，預測質量變化（推論預測）；如果學生掌握較好則可以提出更高水平的認知活動——請設計一個實驗，證明質量守恒定律（簡單設計）。

通過在真實情境中引導學生進行多樣的認知活動，可以有效促進觀念的建構和發展，而不是止步于概念理解甚至知識記憶。

參考文獻

［1］斯賓塞.斯賓塞教育論著選［M］.胡毅，王承緒，譯，北京：人民教育出版社，1997.

［2］中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［3］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［4］王禹超，王后雄.中學化學守恒觀研究現狀的分析與思考［J］.化學教學，2019（6）：27-32.

［5］夏征農，陳至立.辭海（第六版）［M］.上海：上海辭書出版社，2011.

［6］桑標.當代兒童發展心理學［M］.上海：上海教育出版社，2003.

［7］中共中央馬克思恩格斯列寧斯大林著作編譯局.馬克思恩格斯選集（第二卷）［M］.北京：人民出版社，1972.

［8］鄧陽.“氧化還原反應”中化學概念的動態難度研究［D］.武漢：華中師范大學，2012.

［9］趙凱華.時空對稱性與守恒律（上篇）——牛頓力學［J］.大學物理，2016，35（1）：1-3.

［10］聶玉昕.中國大百科全書74卷（第二版）［M］.北京：中國大百科全書出版社，2009.

［11］吳俊明.分類觀是化學學科的基本觀念嗎［J］.化學教學，2015（4）：3-5，52.

［12］人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.全日制義務教育教科書·化學（九年級上冊）［M］.北京：人民教育出版社，2012.

［13］畢華林，萬延嵐.化學基本觀念：內涵分析與教學建構［J］.課程·教材·教法，2014，34（4）：76-83.

［14］王禹超.中學化學守恒觀及其測評研究［D］.武漢：華中師范大學，2019.

［15］魯志婧.高中生化學守恒觀發展研究［D］.武漢：華中師范大學，2017.

［16］龔偉，王祖浩，錢智涌.高中生“化學守恒”思維水平狀況的調查分析［J］.化學教育，2012，33（6）：49-52.

［17］詹曉旭，王秋，王丹.高一學生化學基本觀念現狀調查研究［J］.化學教育，2017，38（7）：55-59.

［18］王禹超，陶勇，陜光，王后雄.基于Rasch模型的中學化學守恒觀測評研究［J］.化學教學，2020（6）：26-32.

［19］吳俊明，吳敏.化學課程中的科學觀念教育——關于科學觀念和科學觀念教育的思考之二［J］.化學教學，2014（5）：3-6，28.

［20］朱玉軍.中學化學的基本觀念探討［J］.中國教育學刊，2013（11）：70-74.

［21］童文昭.物質結構核心概念及其學習進階研究［D］.武漢：華中師范大學，2015.

［22］鄭學裕.在教學中培養學生形成基本的化學觀念［J］.化學教學，2012（1）：13-15.

［23］梁永平.化學科學理解的基本視角及其核心觀念［J］.化學教育，2011，32（6）：4-7.

［24］盧巍.對化學基本觀念及“觀念建構”教學的認識［J］.當代教育科學，2010（18）：62-64.

［25］鄧陽，王后雄.凸顯“解釋-論證”的科學探究：內涵、現實意義和實踐策略［J］.全球教育展望，2015，44（10）：112-119.

［26］ J Walker，V Sampson，J Grooms，C Zimmerman. A perfor? mance?based assessment for limiting reactants［J］. Journal of Chemical Education，2011，88（8）：1243-1246.

［27］王磊，等.基于學生核心素養的化學學科能力研究［M］.北京：北京師范大學出版社，2017.