化學(xué)符號對化學(xué)思維能力發(fā)展的教學(xué)功能研究

1、化學(xué)符號對化學(xué)思維能力發(fā)展的教學(xué)功能研究李曉1 2 王后雄1 毛齊明3注：本文已經(jīng)于2013年發(fā)表于化學(xué)教育第10期。（1華中師范大學(xué)化學(xué)教育研究所 湖北 武漢 430079；2 南寧市第二中學(xué) 廣西 南寧 530029；3華中師范大學(xué)教育學(xué)院 湖北 武漢 430079）摘 要 基于維果茨基的符號工具理論，將高中必修課程中的化學(xué)符號分為：化學(xué)用語類、儀器符號類、模型符號類三類，每種類型促進化學(xué)思維能力發(fā)展的機制都互有聯(lián)系與區(qū)別?；瘜W(xué)符號作為思維的工具，對促進化學(xué)思維能力發(fā)展具有重要教學(xué)功能。關(guān)鍵詞 化學(xué)符號；思維能力；作用機制；教學(xué)功能 維果茨基認為符號工具能像勞動工具促進生產(chǎn)力發(fā)展一樣促進人

2、類思維能力的發(fā)展。那么化學(xué)作為擁有一套獨特符號系統(tǒng)的學(xué)科，其中的基本符號能起到類似的工具作用嗎？化學(xué)符號作為認知工具有什么作用、特點？符號工具如何促進化學(xué)思維能力的發(fā)展？針對這些問題，我們將高中必修教材中出現(xiàn)的化學(xué)符號進行分類，并探討其可能存在的符號工具的特點與促進學(xué)習(xí)者化學(xué)思維能力發(fā)展的教學(xué)功能。1 維果茨基的符號工具理論概述維果茨基創(chuàng)立的“文化歷史發(fā)展理論”指出人的高級心理技能的發(fā)展是由社會文化歷史因素決定的，并以馬克思主義的社會勞動工具理論為基礎(chǔ)，提出將文化符號與文字視為認知活動的符號工具，并闡述了這些符號工具對人類思維的發(fā)展作用：符號工具在認知過程中被反復(fù)使用，促進了認知能力的發(fā)展，并

3、內(nèi)化為進行心理活動時自發(fā)運用的心理工具；符號工具的重要意義在于能夠變相地展示人類的思維，并且是高級認知技能發(fā)展的必需工具1。馬克思主義談?wù)摰墓ぞ吒淖兊氖峭獠渴澜纾柕?、心理的工具直接作用于思維，改變?nèi)藘?nèi)在的認知過程。符號工具的重要特點是歷史性與文化性，即在不同的歷史文化背景下，在不同環(huán)境下的中介學(xué)習(xí)中，符號工具的作用與影響會有差別。因此研究化學(xué)學(xué)科背景下的化學(xué)符號對學(xué)習(xí)者思維能力發(fā)展的機制對于提高化學(xué)課堂教學(xué)效率就顯示出其獨特的意義。2 化學(xué)符號促進思維發(fā)展的作用機制中學(xué)化學(xué)知識體系與對應(yīng)的符號體系在中學(xué)教材中體現(xiàn)出“義務(wù)教育”、“必修模塊”和“選修模塊”三個層次的明顯區(qū)別2。從符號體系對

4、化學(xué)思維能力發(fā)展的作用來看，必修階段的課程內(nèi)容與其中出現(xiàn)的化學(xué)符號是最具研究價值的。因此有必要將高中必修階段出現(xiàn)的化學(xué)符號分類，并分別探討每一類符號體系對學(xué)習(xí)者化學(xué)思維能力的促進作用。2.1化學(xué)用語類的作用機制化學(xué)用語類符號作為化學(xué)學(xué)科特殊的符號，可以將其視為類似于英文字母與英文語句的符號體系。元素符號與電子式等簡單符號作為化學(xué)語言的字母與單詞，是組成化學(xué)語句化學(xué)式與化學(xué)方程式的基本元素。因此將化學(xué)用語類符號劃分為化學(xué)基本符號與化學(xué)方程式符號兩大類分別進行討論，如表1所示。表1化學(xué)用語類符號的分類與對應(yīng)功能化學(xué)用語類符號的分類對應(yīng)于符號工具的功能化學(xué)基本符號元素、原子符號化學(xué)式離子符號電子式有

5、機官能團化學(xué)基本符號對于學(xué)習(xí)者而言就是化學(xué)語言的“字母表”，學(xué)習(xí)者能通過運用這些基本的“化學(xué)字母”，完成“化學(xué)語句”化學(xué)式與化學(xué)方程式的書寫。電子式類似于單詞，認知意義體現(xiàn)在理解了電子式的含義也就能掌握物質(zhì)組成的相關(guān)信息，因此也是化學(xué)方程式的基本構(gòu)成?；瘜W(xué)方程符號化學(xué)方程式電離方程式與離子方程式氧化還原反應(yīng)與單雙線橋法熱化學(xué)方程式電極反應(yīng)式與電化學(xué)方程式可逆反應(yīng)方程式有機反應(yīng)方程式化學(xué)方程符號作為一套系統(tǒng)的符號體系，其發(fā)展過程體現(xiàn)為：隨著化學(xué)原理與知識的學(xué)習(xí)，需要在最基礎(chǔ)的化學(xué)方程式上不斷添加符號信息，比如電離與離子符號、表示電子轉(zhuǎn)移情況的“線橋”、表示熱量變化的H等，呈現(xiàn)出學(xué)習(xí)者掌握的化學(xué)知

6、識螺旋上升的過程。添加的符號信息則對應(yīng)著化學(xué)概念與原理的學(xué)習(xí)：電離理論，氧化還原反應(yīng)，熱化學(xué)等。表1中的對應(yīng)體現(xiàn)了化學(xué)方程式與化學(xué)概念和原理學(xué)習(xí)的相互促進作用，而新知識的學(xué)習(xí)則促進了化學(xué)思維能力的全面提高。以“離子反應(yīng)”的知識內(nèi)容為例，離子符號、電離方程與離子方程式作為處理電解質(zhì)電離與離子反應(yīng)的相關(guān)知識的思維工具，以新符號系統(tǒng)的形式幫助學(xué)習(xí)者理解離子反應(yīng)的本質(zhì)，拓展對溶液中微觀粒子存在形式的認識，升華了溶液觀與物質(zhì)觀，從而發(fā)展化學(xué)思維中的邏輯能力與抽象思維能力。其中新符號系統(tǒng)電離方程式的出現(xiàn)，促進了學(xué)習(xí)者對電解質(zhì)電離過程的認識，也能從微觀的角度認識酸、堿、鹽的區(qū)別和離子反應(yīng)的本質(zhì)。在“離子反應(yīng)

7、”這一知識點的學(xué)習(xí)過程中電離方程體現(xiàn)的思維能力發(fā)展作用機制可以用圖1表示。圖1電離與電解質(zhì)中的符號系統(tǒng)作用機制電離方程作為一個新出現(xiàn)的化學(xué)符號，成為學(xué)習(xí)者認識電解質(zhì)的工具，在認知過程中取代了復(fù)雜冗長的文字定義與表述，幫助學(xué)習(xí)者更好地建構(gòu)電解質(zhì)的相關(guān)概念與知識，促進化學(xué)思維能力的提高。2.2化學(xué)實驗儀器符號類的作用機制實驗儀器均是根據(jù)一定的物理、化學(xué)原理設(shè)計的，當(dāng)學(xué)習(xí)者處于儀器學(xué)習(xí)與運用的初級階段時，只能認識到儀器的單一功能，比如漏斗的作用只是加液體與過濾，其他創(chuàng)新的用途，如防倒吸，暫時是想不到的。這樣的初階認知過程可以用圖2表示。圖2儀器學(xué)習(xí)初級階段的符號作用機制當(dāng)學(xué)習(xí)者經(jīng)過一段時間的運用與熟

8、練后，儀器在認知過程中被符號化，這體現(xiàn)在：學(xué)習(xí)者深化了對儀器及其原理的關(guān)系的認識，認知儀器的范式從原有的“儀器原理”發(fā)展為“原理儀器”。這意味著學(xué)習(xí)者不僅掌握了儀器設(shè)計所依據(jù)的原理，而且能夠根據(jù)原理抓住儀器設(shè)計中具有關(guān)鍵作用、體現(xiàn)儀器特征用途的部位進行知識建構(gòu)與圖式表征。這就是儀器結(jié)構(gòu)的符號化，這些關(guān)鍵部位稱為最簡結(jié)構(gòu)單元。以分液漏斗的圖式發(fā)展過程為例，對于初學(xué)者而言，分液漏斗的圖式是整體的、基于教師提供的示例而形成的；在熟練者的認知結(jié)構(gòu)中，分液漏斗的圖式是分立的，漏斗的粗細、長短不是符號化的內(nèi)容，只有活塞開關(guān)和塞子才是這個圖式的關(guān)鍵要素，即分液漏斗的最簡結(jié)構(gòu)單元是認知過程的關(guān)鍵。這樣的思維發(fā)

9、展過程既是簡化，亦是豐富。學(xué)習(xí)者簡化了原圖式中分液漏斗的外部形狀信息，豐富的卻是儀器可能被使用的方式，因為最簡結(jié)構(gòu)單元是可以互相組合的。例如分液漏斗去掉塞子、加上刻度、改變形狀就可以變成酸式滴定管，這是一個典型的分液漏斗與量筒的最簡結(jié)構(gòu)單元之間的組合，在酸堿滴定的教學(xué)設(shè)計中常用作導(dǎo)課材料；漏斗由于具有倒錐形的形狀，因此可以用來防倒吸；在化學(xué)試題中考查防倒吸的相關(guān)知識時，常常將漏斗、干燥管等儀器作比較。這些實例正是儀器符號化的意義所在，將實驗儀器符號化形成的認知工具，使得實驗裝置的設(shè)計與創(chuàng)新成為可能。但是區(qū)別于化學(xué)方程式的螺旋上升發(fā)展機制，儀器符號化是一個熟練化的過程，這個過程發(fā)生在學(xué)習(xí)者使用儀

10、器處理化學(xué)實驗問題的過程之中。因此在儀器符號化與學(xué)習(xí)者、化學(xué)實驗之間用雙向箭頭表示這種熟練化的交互過程。這種高階認知過程可以用圖3表示。圖3儀器學(xué)習(xí)高級階段的符號作用機制儀器符號化幫助學(xué)習(xí)者把握儀器的最簡結(jié)構(gòu)單元，促進學(xué)習(xí)者對儀器本質(zhì)與化學(xué)原理的認知發(fā)展。隨著學(xué)習(xí)者的熟練，這種符號化的認知過程在化學(xué)思維能力中會越來越重要，尤其體現(xiàn)在探究實驗的實驗裝置設(shè)計過程中。2.3化學(xué)模型符號類的作用機制模型作為高中化學(xué)符號重要的組成部分，對學(xué)習(xí)者豐富物質(zhì)組成的圖式起了重要作用。高中必修階段的模型包括：原電池，化學(xué)鍵，分子模型，結(jié)構(gòu)式，球棍模型，比例模型等。以甲烷為例，在學(xué)習(xí)有機化學(xué)之前，甲烷的認知模型只是

11、化學(xué)式CH4。學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)化學(xué)鍵時了解其電子式，在有機化學(xué)中進一步學(xué)習(xí)甲烷的知識后，甲烷的認知圖式豐富為結(jié)構(gòu)式、球棍模型和比例模型。這些模型攜帶了大量的信息，如結(jié)構(gòu)式中的正四面體，球棍模型中化學(xué)鍵鍵長、鍵角、分子構(gòu)形的數(shù)據(jù)，比例模型中體現(xiàn)的共用電子對的特點與原子的相對大小，都為學(xué)習(xí)者掌握模型承載的化學(xué)知識提供了幫助。模型與之前兩個符號系統(tǒng)具有類似之處：新理論往往對應(yīng)著新模型，這類似于化學(xué)方程式的作用；模型也具有關(guān)鍵特征，這又類似于儀器的“最簡結(jié)構(gòu)單元”。如何處理模型，有效運用模型解決問題，則是提升學(xué)習(xí)者化學(xué)思維能力的過程?；瘜W(xué)模型的認知特點在于，學(xué)習(xí)者為了解決一個問題，往往需要同時運用多種不同的

12、模型，借助互有區(qū)別的模型符號工具完成問題解決的思維過程；而不同的模型也豐富了學(xué)習(xí)者對于同一個化學(xué)問題的全面表征。這種運用多個模型解決問題的過程就是化學(xué)思維能力發(fā)展的過程，這種機制可以用圖4表示。圖4模型符號的作用機制不同模型的運用，深化了認知過程，豐富了圖式的再現(xiàn)。模型與化學(xué)問題的交互作用促進了學(xué)習(xí)者包括空間思維能力，問題解決能力和邏輯能力等科學(xué)思維能力的全面提高。3化學(xué)符號促進思維發(fā)展的教學(xué)功能綜合三種符號體系對化學(xué)思維能力的促進機制，可用與化學(xué)用語類似的機制作為“化學(xué)符號對思維能力的促進機制”的統(tǒng)括，如圖5所示。圖5化學(xué)符號對思維能力的促進機制圖5宏觀地顯示出化學(xué)符號作為一種認知工具，幫助

13、學(xué)習(xí)者在認知過程中更有效地表征化學(xué)問題，建構(gòu)化學(xué)知識體系。因此化學(xué)符號對化學(xué)教學(xué)研究具有功能性的價值。3.1符號體系促進學(xué)習(xí)者全面地學(xué)習(xí)化學(xué)高中必修課程中的化學(xué)符號體系具有螺旋上升的發(fā)展趨勢，這與化學(xué)知識體系的發(fā)展有直接聯(lián)系。以化學(xué)方程式為例，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)了電離知識、熱化學(xué)知識和氧化還原知識后，能夠相應(yīng)地用離子方程式、熱化學(xué)方程式和單雙線橋法對之前學(xué)習(xí)過的同一個化學(xué)方程式進行深入的分析與表征，幫助學(xué)習(xí)者更好地理解化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)，在閱讀時也能快速清晰地獲取相關(guān)方程式中攜帶的化學(xué)信息，促進學(xué)習(xí)者更好地表征與解決化學(xué)問題。在這樣的學(xué)習(xí)過程中，隨著知識體系的發(fā)展與認識的深入，學(xué)習(xí)者不僅能在閱讀時獲取相

14、關(guān)符號中攜帶的信息，也能用這些符號來幫助自己更好地在思維中建構(gòu)化學(xué)知識體系。3.2符號工具幫助學(xué)習(xí)者創(chuàng)新地思考問題符號體系自身的存在，需要學(xué)習(xí)者運用規(guī)范符號陳述化學(xué)語言，并且在這種規(guī)范運用的熟練化過程中不斷對符號本身進行內(nèi)化加工。當(dāng)這種熟練的規(guī)范運用真正成為學(xué)習(xí)者思維中有效的符號工具后，也就標(biāo)志著學(xué)習(xí)者擁有了靈活運用化學(xué)符號對問題進行創(chuàng)造性表征的可能。這種思維過程在實驗儀器與化學(xué)模型的學(xué)習(xí)過程中體現(xiàn)的尤為明顯。學(xué)習(xí)者在達到符號工具的熟練水平之后，才有了創(chuàng)新地設(shè)計儀器裝置和提出新模型解釋化學(xué)現(xiàn)象的能力。以問題“制取氯氣實驗中，如何獲得平穩(wěn)的氯氣氣流？”為例，學(xué)習(xí)者首先要能分析出氣流不平穩(wěn)的原因是

15、因為濃鹽酸上下端壓強不等導(dǎo)致濃鹽酸不能勻速流入反應(yīng)容器中，然后想到可以通過設(shè)置連通器來平衡壓強，由此這個問題就變成了“如何設(shè)置連通器使?jié)恹}酸液面上下端的壓強相等”。設(shè)置連通器的具體方法有很多，反映出學(xué)生對實驗儀器符號工具的結(jié)構(gòu)與功能的把握水平。3.3符號工具作為教學(xué)設(shè)計的邏輯線索符號工具對化學(xué)教學(xué)設(shè)計有很大的實踐意義。一堂化學(xué)課體現(xiàn)的邏輯性，應(yīng)該既包含化學(xué)學(xué)科發(fā)展的內(nèi)在邏輯，也包含學(xué)習(xí)者認知水平發(fā)展的外在邏輯。要實現(xiàn)這兩種邏輯的統(tǒng)一，可以從化學(xué)符號促進思維能力發(fā)展的機制入手，以學(xué)習(xí)者的思維能力水平為基礎(chǔ)，合理呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，安排教學(xué)活動，真正地實現(xiàn)課堂內(nèi)容的“邏輯性”。這種機制也為化學(xué)復(fù)習(xí)課提供了一個新思路?；瘜W(xué)復(fù)習(xí)課如果以化學(xué)符號工具為基礎(chǔ)來設(shè)計，對于幫助學(xué)習(xí)者的認知水平實現(xiàn)從新手到專家的跨越會有很大的幫助。比如可以將高中的常見漏斗作為一節(jié)復(fù)習(xí)課，以漏斗之間“最簡結(jié)構(gòu)單元”的發(fā)展為主線，由簡到繁，幫助學(xué)習(xí)者從結(jié)構(gòu)與功能相對應(yīng)的哲學(xué)角度統(tǒng)觀四種漏斗，促進認知水平與思維水平的發(fā)展。作為化學(xué)教育工作者應(yīng)該意識到化學(xué)符號