萬延嵐+畢華林

摘要：介紹美國亞利桑那大學維森特·塔蘭克（Vicente Talanquer）教授提出的化學教育研究的十個視角——大觀念、基本問題、核心概念、概念維度、知識類型、空間尺度、推理模式、情境問題、哲學考量、歷史觀點。這十個視角有利于豐富化學教育者對化學學科的思考和理解，為化學課程內(nèi)容分析和課程開發(fā)的多樣化拓展渠道。

關鍵詞：化學教育；課程內(nèi)容；多維視角

文章編號：1005–6629（2014）6–0008–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

過去40年的化學教育研究顯示，很多學生在完成中學甚至是大學化學課程學習之后，在對化學學科的理解和認識以及從化學的視角去審視和解決生活中的相關問題方面并沒有得到很好的發(fā)展。為此，很多化學教育者呼吁改革這種教育現(xiàn)狀，建議設計和使用不同的方式來進行化學教學，然而令人沮喪的是，這些努力改革的呼聲和行動往往被很多因素制約，無法轉(zhuǎn)化成集體行動。

在眾多限制因素中，美國亞利桑那大學維森特·塔蘭克（Vicente Talanquer）教授認為，最主要的一個限制因素是教師對化學教學內(nèi)容缺乏反思和質(zhì)疑，通常用一種線性、單維的教學方式進行化學教學。塔蘭克教授指出，很多化學教師根據(jù)自身對學科主題的理解和教學經(jīng)驗，往往認為化學課程內(nèi)容就是一些結(jié)構(gòu)牢固的主題集合，例如化學計量學、原子結(jié)構(gòu)、周期性、化學鍵等，即使是那些具備很強的知識背景或者是擁有豐富教學經(jīng)驗的教師，他們在講授化學知識時，也很少超出教科書中所呈現(xiàn)的范疇。

對此，塔蘭克教授認為，豐富化學教師思考課程內(nèi)容的方式是化學教育改革的重要策略?；诨瘜W教育理論和實踐研究、化學歷史和哲學研究以及化學課程標準領域的相關研究成果，塔蘭克教授提出了化學教育研究的十個視角，并結(jié)合現(xiàn)行的課程計劃和課程舉措進行了闡釋。下面對這十個視角進行相應介紹。

1 大觀念（big ideas）

“大觀念”這一術語在課程設計中，通常指的是一種總結(jié)學科核心知識的陳述，這些核心知識是我們希望學生理解的，例如“所有物質(zhì)在本質(zhì)上都是由微粒構(gòu)成的”這一陳述可以認為是化學中的一個大觀念。對化學中的大觀念，已經(jīng)有學者對其進行了深入研究，在一些國家課程計劃和課程舉措中也已經(jīng)包含化學大觀念。例如著名化學教育家羅納德·吉萊斯皮（Ronald Gillespie）和彼得·阿特金斯（Peter Atkins）分別判定和討論了化學學科的大觀念；美國大學委員會（College Board）在2009年出版了一套標準，很好地總結(jié)了在高中和大學階段化學入門課程中的一些大觀念；同樣，在最近的美國國家研究委員會（NRC）推出的《K-12科學教育框架》中，以及美國化學學會（ACS）審核研究開發(fā)的《拋錨概念內(nèi)容地圖》中也能找到這些大觀念；還有一些入門的化學課程，例如化學XXI課程、CLUE（Chemistry，Life，the Universe and Everything）課程等，都明確使用大觀念作為其組織原則。

這種化學“大觀念”的視角能夠引起人們對化學內(nèi)容進行討論和反思。在教學中，教師批判性地分析這些文件和課程計劃中的大觀念，能夠幫助教師在不同的化學概念間建立更加有意義的聯(lián)系，使教師的注意力從化學課程所包含的主題轉(zhuǎn)移到學生應該發(fā)展的大觀念上，從而幫助學生在科學知識之間建立起聯(lián)系，最終形成一幅關于科學的全景圖。

2 基本問題（essential questions）

傳統(tǒng)的化學教學方式傾向于向?qū)W生傳授大量的化學概念、化學原理以及一些實驗方法論知識，但是并沒有過多地討論這些概念、原理等作為理論和實踐工具，在解決與生活和社會相關問題時所發(fā)揮的重要作用?；瘜W的目標是什么？學習化學知識能夠幫助我們解決哪些基本問題？在NRC的報告《超越分子前沿》（Beyond the Molecular Frontier）中，委員會很好地總結(jié)了現(xiàn)代化學的中心目標和挑戰(zhàn)，確定了四個主要活動及其相聯(lián)系的基本問題（表2）?？梢钥闯觯@四種活動沒有涉及任何特定的化學主題，也沒有涉及學科細分（例如分析化學、有機化學或者是物理化學），但卻突出了化學學科的特征。

認識到通過化學知識可以解決的這些基本問題，有利于教師重新建構(gòu)對教學方式的概念，同時意識到這些化學基本問題有利于塑造更有激發(fā)性、有意義和有用的化學課程。例如，化學XXI課程中，由問題來引導研究任務，這些問題反映了化學學科的中心訴求，如：如何區(qū)分物質(zhì)？如何預測它們的性質(zhì)？如何控制化學反應？如何合成化學物質(zhì)？如何利用化學能量？這些問題能夠促使學生在探索分析現(xiàn)代社會問題的情境中（例如健康、環(huán)境、食物、能源問題），感受到化學概念、觀點以及化學思維方式在解決各種社會問題時所發(fā)揮的重要作用。

3 交叉概念（cross-cutting concepts）

交叉概念是分布在科學、數(shù)學和技術中的一些很重要的主題，并且在不同階段反復出現(xiàn)；它們是一些超越學科界限的概念，對解釋、理論、觀察和設計方面都有很重要的作用。一些文件，例如《科學素養(yǎng)的里程碑》、《美國國家科學教育標準》以及最新的《K-12科學教育框架》中已經(jīng)強調(diào)了主要的交叉概念。表3中列出了《K-12科學教育框架》中確定的交叉概念。

通過確定交叉概念來分析課程內(nèi)容，有助于幫助教師建立不同課程內(nèi)容之間更加清晰的聯(lián)系。同時，思考上述交叉概念有利于重新塑造化學課程，使化學課程強調(diào)重要的主題而不是呈現(xiàn)一些孤立的話題。例如可以將課程焦點集中在使學生理解、解釋和預測不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)-性質(zhì)之間的關系，可以通過引導學生建構(gòu)模型預測、解釋不同類型物質(zhì)的性質(zhì)來組織呈現(xiàn)課程內(nèi)容等。對于學生來說，強調(diào)交叉概念有助于學生建立與真實生活情境之間的聯(lián)系。例如由梅耶爾（Meijer）及其合作者開發(fā)的化學單元（chemistry units）關注結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關系的使用，包含讓學生設計一件有彈性的防彈背心，或者是開發(fā)一種無麩質(zhì)面包等任務，在學生完成任務的同時，也體會到了化學知識與生活的緊密聯(lián)系。另外CLUE課程的實施結(jié)果表明，關注交叉概念可以引發(fā)學生更加有意義的學習，CLUE課程遵循一個精心設計的學習進程，這個學習進程是圍繞結(jié)構(gòu)和功能這一交叉概念進行的。相關研究結(jié)果表明在CLUE課堂中的學生相對于在常規(guī)化學課堂的學生，獲得了更高的表征水平；特別地，CLUE課堂的學生在理解那些內(nèi)隱的化學信息時表現(xiàn)得更好。

4 概念維度（conceptual dimensions）

在化學中，通常用概念維度來分析和描述化學系統(tǒng)的行為。例如，延森（Jensen）提出，化學概念和模型可以分為以下三個主要的維度：組成-結(jié)構(gòu)、能量、時間。這些概念維度與克萊森斯（Claesgens）設計的《化學家的視角》框架中的主要進程變量是相似的，在這個評估框架中，化學大觀念和基本問題圍繞著概念維度——物質(zhì)、能量、變化來組織。

從概念維度的視角來思考化學內(nèi)容，有利于教師在課堂上更好地判斷、強調(diào)、對比化學模型和解釋的范圍及其局限性，例如，教師要求學生討論物質(zhì)熱力學模型的優(yōu)缺點，這大多是基于能量維度。另一方面，基于概念維度的視角分析研究主題能夠幫助教師認清課程中那些需要更多關注的領域。例如當前化學課程傾向于注重對化學模型的討論，而這些模型更多地是關注組成-結(jié)構(gòu)和能量維度，較少關注時間維度，這或許是學生學習化學平衡部分產(chǎn)生困難的一個原因。

5 知識類型（knowledge types）

學?；瘜W內(nèi)容可以從學科知識類型的視角進行思考與分析。特別地，化學教育者通常區(qū)分以下三種相關的知識類型。

（1）經(jīng)驗（Experiences）——通過感知或者儀器，擁有或者收集到關于化學物質(zhì)和過程的實證性知識。例如，鐵暴露在空氣中會生銹。

（2）模型（Models）——通過理論模型，化學家理解豐富的經(jīng)驗世界。例如，鐵生銹是一個化學過程，在這一過程中，鐵元素和氧元素結(jié)合生成鐵的氧化物，這是一種化合物。

（3）可視化（Visualizations）——不同的視覺符號（包括從符號到圖示，從靜態(tài)的圖表到動態(tài)的動畫），用來促進化學經(jīng)驗和化學模型的推理和交流。例如，4Fe（s）+3O2（g）→2Fe2O3（s）。

化學教育研究指出，學生很難區(qū)分這三種類型的知識，并且很多化學教師在課堂上也經(jīng)常無法明確區(qū)分經(jīng)驗、模型和可視化。也有研究指出，對于一個給定的化學系統(tǒng)，很多學生不能夠在這三種知識類型之間建立有意義的聯(lián)系或者實現(xiàn)三種類型的轉(zhuǎn)換。這些研究結(jié)果強調(diào)了在進行課程設計時，從知識類型這種視角來分析化學內(nèi)容的重要性。在化學教學中，教師需要有意識地讓學生積極探索相關的化學系統(tǒng)，幫助學生利用模型和可視化作為思維工具來理解和解釋真實的世界經(jīng)驗，建立起這三種知識類型之間的聯(lián)系，進行有意義的學習。在課程項目中，為高中化學設計的創(chuàng)新課程“連接化學（Connected Chemistry）”就是一個很好的例子，這個教育項目致力于幫助學生通過應用和連接不同的知識類型，使學生建構(gòu)一種化學系統(tǒng)整合的觀點，結(jié)果表明參與“連接化學”課程的學生在理解物質(zhì)的亞微觀模型以及這些模型是如何描述、解釋和預測宏觀經(jīng)驗方面有很大收獲。

6 空間尺度（dimensional scales）

化學家們經(jīng)常從不同的長度、時間和能量尺度來探索、建模和建構(gòu)物質(zhì)的性質(zhì)，因此可以從空間尺度方面來分析化學內(nèi)容。

人們通常認為化學中存在著宏觀水平和微觀水平的分析，但是這種二分式的觀點可能掩蓋其他相關尺度的存在（如介觀），或者導致教師對某一尺度進行過分強調(diào)。例如，在長度尺度方面，可以從以下層次建構(gòu)化學模型和解釋：宏觀、多粒子、介觀、超分子、分子和亞原子。但是現(xiàn)有的化學課程和教學實踐往往較為關注在分子和亞原子水平的描述，學生很少被要求探索物質(zhì)的介觀模型，雖然介觀對分析一些物質(zhì)是很重要的，例如聚合物和陶瓷，教師也很少要求學生分析超分子系統(tǒng)，盡管超分子系統(tǒng)與理解生物體是息息相關的。而化學教師讓學生探索含有不同能量和時間尺度的化學性質(zhì)和過程，這種情況更是少見。

因此，可以從空間尺度的視角出發(fā)，設想一種創(chuàng)新課程，這種課程主要關注促使學生探索和建構(gòu)不同長度、時間和能量尺度的化學物質(zhì)和過程模型，并對其進行解釋、預測和評價。學生通過深入分析和反思這些空間尺度，能夠更好地理解如何運用化學模型和觀點來探索多樣化的化學系統(tǒng)，例如生物體內(nèi)的一個細胞、生活中的一塊塑料或者是宇宙中的一顆星星。由此，CLUE課程是一個很好的應用空間尺度來組織課程的例子，在CLUE課程中，化學概念圍繞著“組成-結(jié)構(gòu)”維度呈現(xiàn)，對化學系統(tǒng)從原子到分子到高分子到細胞環(huán)境等一系列復雜水平進行了分析。

7 推理模式（modes of reasoning）

化學通常被描述成一種系統(tǒng)的科學，化學家們通過建構(gòu)、評價和修正系統(tǒng)模型來描述、解釋和預測化學物質(zhì)的性質(zhì)和化學過程，這是一種基于模型的推理模式?；谀Ｐ偷耐评戆ㄊ褂没蚪?gòu)與現(xiàn)存已有知識相一致的模型，比較和評價不同模型解釋物質(zhì)性質(zhì)和預測新現(xiàn)象的能力，以及修正模型來增加模型的解釋和預測能力。

同時，化學也被認為是一種“技術科學”，混合了科學追求和技術目標?；瘜W家們不僅感興趣于解釋和預測化學物質(zhì)的性質(zhì)，他們也期望轉(zhuǎn)換物質(zhì)并且創(chuàng)造出新的具有潛在應用價值的化學實體。從這個角度看，建模和設計應當被看作是化學學科的中心實踐。在技術研究中，利用已知類型的化學物質(zhì)和反應作為范例，有助于有效地決策潛在的合成路線和分析方法，這是一種基于案例的推理模式；而正如在技術世界中經(jīng)常見到的，化學家們利用各種各樣的經(jīng)驗歸納來做出迅速的決策，這些經(jīng)驗歸納是啟發(fā)式的或者是經(jīng)驗規(guī)則，這是一種基于規(guī)則的推理模式。從技術科學的角度出發(fā)，學校化學教學應該包括化學設計實踐，例如確定設計標準、給定約束條件或者借助已知的案例和經(jīng)驗規(guī)則來確定最佳的解決方案。

上述三種化學推理模式——基于模型的推理、基于案例的推理、基于規(guī)則的推理，為化學課程內(nèi)容分析提供了一種視角。學生決定何時以及如何應用基于模型的、基于案例的、基于規(guī)則的推理，則取決于學生所面臨任務的本質(zhì)。因此，創(chuàng)造一種學習任務環(huán)境來支持這三種推理類型，是值得思考和實踐的。

8 情境問題（contextual issues）

化學和化學制品對現(xiàn)代社會的重要性不言而喻，但是學?；瘜W教學卻往往很少利用化學在現(xiàn)代社會的中心地位來促進學生更有意義的學習。這種教育現(xiàn)狀可能源于對情境缺乏分析和反思，較少地思考與化學內(nèi)容相關的情境以及如何利用這些情境來促進學生對知識的建構(gòu)。研究表明，情境能夠為學生的學習提供生長點，有助于學生有效運用化學概念和原理解決相關問題。蘊含情境的學習任務需要教師對化學內(nèi)容及其應用領域進行深入分析，這樣的學習任務能夠使學生至少在以下三個方面運用自己所學的化學知識和化學思維方式。

（1）解釋-預測：學生建構(gòu)關于物體的模型和過程的模型，能夠解釋和預測相關現(xiàn)象。情境問題能夠使學生分析數(shù)據(jù)、建構(gòu)模型和解釋、基于證據(jù)生成結(jié)論以及陳述交流觀點從而達成共識。例如，大氣中溫室氣體的影響。

（2）轉(zhuǎn)變：學生設計物質(zhì)或者過程來解決相關問題。情境問題能夠使學生基于已有知識經(jīng)驗來定義標準、確定約束條件以及設計測試和修正模型。例如，凈化社區(qū)污水。

（3）社會化學：學生分析、合成以及評價化學活動和化學產(chǎn)品使用的社會、經(jīng)濟、環(huán)境成本與收益。情境問題用來使學生參與社會決策，這些決策的生成需要學生非常了解化學核心概念、觀念和實踐，同時需要考慮道德和倫理問題。例如，消費塑料包裝品。

相關研究同時指出，學生的概念理解力、學生學習化學的興趣、態(tài)度和動機也能夠通過基于情境的教學得以加強。在文章所描述的這十個視角中，情境問題可能是一個能夠引起大量創(chuàng)新課程的方面，已經(jīng)有不少國家基于情境設計出相關化學課程，例如美國為中學生推出的《社會中的化學》（Chemistry in the Community）、為非科學專業(yè)學生設計的《情境中的化學》（Chemistry in Context），以及英國的索爾特化學（Salters Chemistry）、德國的《情境中的化學》（Chemie im Kontext）以及荷蘭的《實踐中的化學》（Chemistry in Practice）等。

9 哲學考量（philosophical considerations）

在過去的20年里，關于化學哲學的出版物大量增加?；瘜W哲學領域的研究揭示了化學和化工企業(yè)的關鍵特征，使化學與其他學科區(qū)分開來，認識和思考這些特征有助于加深教師對化學學科的理解。從化學哲學的視角，對化學內(nèi)容的分析和反思主要包括以下四個重要領域。

（1）化學概念：化學被歸類為是一門物質(zhì)科學，人們通常認為化學概念可以根據(jù)基本的物質(zhì)原理被簡化或解釋。然而，對于許多核心化學概念的可簡化性仍存在相當大的爭論，例如組成、結(jié)構(gòu)、化學鍵以及芳香族化合物等。理解這場爭論的本質(zhì)可以幫助化學教育者更好地認識化學概念和化學解釋的力量、范圍和局限性。

（2）化學定律：雖然一些主要的物理定律被認為是準確的，例如能量守恒定律，但是化學哲學指出，很多化學定律是近似的、例外的和不精確的。因此，為了讓學生更好地判定和使用這些定律、原理和經(jīng)驗法則的解釋力和預測力，教師在教學中應認真分析這些指導化學思維的定律、原理和經(jīng)驗法則。

（3）化學模型：化學家們建構(gòu)和使用模型的方式不同于其他的科學學科。例如，他們可以使用不同的（如阿倫尼烏斯、Brфnsted-Lowry質(zhì)子理論、路易斯酸模型）、相互矛盾的（化學鍵的價鍵理論或者是分子軌道模型）模型來描述同一現(xiàn)象，可以根據(jù)自己的研究選擇更適合自己研究目的的模型。這種“多重性”的建模方式對學生的化學學習是一種極大的困擾，因此應該引起教師對這方面的反思。

（4）化學用語：化學思維在很大程度上依賴于一個相當復雜的符號和圖示系統(tǒng)，這些符號和圖示不僅有助于信息交流，而且對建構(gòu)解釋和開發(fā)新產(chǎn)品都很重要。化學家們?nèi)绾卫眠@些符號語言來建構(gòu)經(jīng)驗世界和分子模型世界是很多哲學分析的主題。

10 歷史觀點（historical views）

很多教科書在進行內(nèi)容呈現(xiàn)時是從一個與歷史無關的角度進行的，教科書中盡管會涉及很多重要的化學歷史人物，但是對其中能夠推動化學觀念和實踐發(fā)展的中心問題、困境和關注點卻較少地予以討論和分析，也沒有清晰地描述化學學科作為一種人類的努力，其所扮演的角色和化學觀念是如何隨著時間而進行發(fā)展的。

從歷史的角度審視化學有助于幫助化學教育者認識到化學家們在理解學科中心概念和大觀念時所做的努力，而這些努力很多都與學生在課堂上面對的挑戰(zhàn)相似；也可以使我們開闊眼界，從化學家的研究中了解貫穿于時代的潛在主題、基本問題、分析尺度、概念維度、情境問題和哲學考量等。例如，延森（Jensen）對化學歷史中的主要“變革”進行了分析，在化學發(fā)展的重要歷史階段和化學系統(tǒng)（在組成-結(jié)構(gòu)概念維度，從宏觀到分子再到亞原子水平）之間建立了相應的聯(lián)系。奈特（Knight）遵循化學進化的思想，從另外一個角度，揭示了化學在不同時期所扮演的不同角色：從神秘的到機械化的科學、從歸納到演繹的科學、從描述性的到簡化的科學、從有用的到服務性的科學。關于在化學教學中如何運用歷史和哲學的視角，已經(jīng)有很多研究者提出相關建議。

上述十個視角在幫助教師理解化學課程內(nèi)容方面是互相補充的，而不是競爭性的。在化學教育中，同時關注化學知識的所有方面是一項極為艱巨的任務，本文的目的不是闡述如何詳盡地分析不同階段的化學內(nèi)容，而是旨在揭示化學內(nèi)容豐富、多維的本質(zhì)及其復雜性，從而引起更多的化學教育者從更加深入的視角來思考和反思化學教育。為此，塔蘭克教授建議化學教師從以下行動做起：

（1）承認這些視角的存在；

（2）在繁忙的日程中抽出時間來探索、分析和反思至少其中的一個視角；

（3）在教學中敢于做出改變，積極反思對化學內(nèi)容更加多維的理解。