練小紅

摘要：應(yīng)用結(jié)構(gòu)化思維理論和金字塔原理，以化學(xué)核心概念和大單元的認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)為例，闡述認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)對(duì)于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的重要性及設(shè)計(jì)的原理和方法。

關(guān)鍵詞：認(rèn)識(shí)思路;結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì);學(xué)科視野;學(xué)科核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）10x-0002-05中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在實(shí)施建議中提出：“教師在組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)應(yīng)高度重視化學(xué)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，充分認(rèn)識(shí)知識(shí)結(jié)構(gòu)化對(duì)于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的重要性，尤其是應(yīng)有目的、有計(jì)劃地進(jìn)行‘認(rèn)識(shí)思路和‘核心觀念的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，逐步提升學(xué)生的化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)化水平，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。[1]”在人民教育出版社出版的普通高中教科書《化學(xué)選擇性必修1化學(xué)反應(yīng)原理》第三章的“整理與提升”就出現(xiàn)了“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”的認(rèn)識(shí)思路結(jié)構(gòu)化圖示（見圖1），[2]該認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)基于“弱電解質(zhì)的電離與平衡”“鹽類的水解與平衡”“難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡”，提示從“粒子”“反應(yīng)”“平衡”三個(gè)認(rèn)識(shí)視角來認(rèn)識(shí)“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”，從而促進(jìn)“粒子觀”“變化觀”“平衡觀”觀念的發(fā)展。“認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化”伴隨著新課標(biāo)新課程實(shí)施走進(jìn)了我們的視野，引起了大家的關(guān)注，筆者聚焦在“化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化”進(jìn)行了思考和探索，嘗試更深入地去理解其含義，在教學(xué)過程中踐行新課程的理念，促使化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)落地、生根、發(fā)芽、開花、結(jié)果。

一、化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化的內(nèi)涵

認(rèn)識(shí)就是認(rèn)識(shí)知識(shí)，即人腦反映客觀事物的特性與聯(lián)系，并揭露事物對(duì)人的意義與作用的思維活動(dòng)。從廣義上講，認(rèn)識(shí)包含人的所有認(rèn)知活動(dòng)，即為感知、記憶、思維、想象、語言的理解和產(chǎn)生等心理現(xiàn)象的統(tǒng)稱。認(rèn)識(shí)是一種信息加工過程，可以分為刺激的接收、編碼、存儲(chǔ)、提取和利用等一系列階段。從狹義上來講，認(rèn)識(shí)有時(shí)候等同于記憶或思維。這里講的認(rèn)識(shí)是指狹義的認(rèn)識(shí)。

所謂化學(xué)認(rèn)識(shí)思路，是指對(duì)物質(zhì)及其變化的特征及規(guī)律進(jìn)行認(rèn)識(shí)的程序、路徑或框架。[3]化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化，就是將認(rèn)知化學(xué)環(huán)節(jié)按照一定的邏輯線索有機(jī)地組織起來，是從學(xué)科本原對(duì)物質(zhì)及其變化的認(rèn)識(shí)過程的一種概括。例如：“離子反應(yīng)”的化學(xué)認(rèn)識(shí)思路隱藏在人教版教材《化學(xué)必修第一冊(cè)》第二章第二節(jié)[4]的字里行間，經(jīng)結(jié)構(gòu)化、顯性化設(shè)計(jì)呈現(xiàn)見圖2。

問題和假設(shè)、實(shí)驗(yàn)和證據(jù)、分析和推理、結(jié)論和應(yīng)用是科學(xué)探究的四要素，按照這樣的順序組織就構(gòu)成了科學(xué)探究過程的認(rèn)識(shí)思路?；诳茖W(xué)探究的化學(xué)核心概念的認(rèn)識(shí)思路都可以科學(xué)探究四要素進(jìn)行設(shè)計(jì)。這里選用科學(xué)探究的認(rèn)識(shí)思路來說明化學(xué)認(rèn)識(shí)思路還有另外一層含義，就是人的一切認(rèn)識(shí)都來自于實(shí)踐?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)是研究和學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本方法，是科學(xué)探究的一種重要途徑，在化學(xué)認(rèn)識(shí)過程中發(fā)揮了獨(dú)特的作用。

二、化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化的地位和功能

圖3是化學(xué)學(xué)科理解的圈層模型[5]。三個(gè)圈層的內(nèi)涵由小變大，既互相關(guān)聯(lián)又層層遞進(jìn)?；瘜W(xué)認(rèn)識(shí)思路作為化學(xué)的思維方式和方法，處于化學(xué)學(xué)科理解中間圈層關(guān)鍵地位，發(fā)揮其重要的認(rèn)識(shí)功能?；瘜W(xué)認(rèn)識(shí)思路的形成以化學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，而又超越了具體的化學(xué)知識(shí)，具有一般的方法論意義和價(jià)值。

例如：“弱電解質(zhì)的電離”的認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化，可遷移到“水的電離”“鹽類的水解”及“沉淀溶解平衡”。而對(duì)“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”的認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化的一般思路（見圖4）為“宏觀現(xiàn)象—微觀粒子—變化與平衡—平衡規(guī)律”，進(jìn)一步進(jìn)行概括就形成了科學(xué)表征的“宏—微—符—圖四重表征模型”，再進(jìn)一步概括就形成“粒子觀、變化觀、平衡觀”等化學(xué)觀念。

三、化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化的價(jià)值

化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化具有非常重要的素養(yǎng)發(fā)展價(jià)值?；瘜W(xué)認(rèn)識(shí)思路是對(duì)認(rèn)識(shí)過程的化學(xué)思維方式和方法進(jìn)行概括，能促進(jìn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

例如：“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”是科學(xué)家們認(rèn)識(shí)原子的認(rèn)識(shí)思路（見圖5），其中蘊(yùn)含著豐富的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展價(jià)值。我們用“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”作導(dǎo)航，追隨科學(xué)家探索原子的腳步，體驗(yàn)一次次偉大的發(fā)現(xiàn)，享受一場(chǎng)思維的饕餮盛宴。

19世紀(jì)初，英國(guó)科學(xué)家道爾頓提出原子是微小的不可分割的實(shí)心球體，第一次將原子從哲學(xué)帶入化學(xué)研究中，化學(xué)真正從古老的煉金術(shù)中擺脫出來。約瑟夫·約翰·湯姆生在發(fā)現(xiàn)電子的基礎(chǔ)上提出了原子的葡萄干蛋糕模型。盧瑟福完成的α粒子轟擊金箔實(shí)驗(yàn)（散射實(shí)驗(yàn)），否認(rèn)了葡萄干蛋糕式模型的正確性，提出行星模型。為了解釋氫原子線狀光譜這一事實(shí)，玻爾在行星模型的基礎(chǔ)上提出了核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型。

縱觀對(duì)原子的探索過程，不難發(fā)現(xiàn)科學(xué)家建構(gòu)思維模型在人類認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)過程中的重要作用，建立原子結(jié)構(gòu)模型背后的思路大致是：?jiǎn)栴}—證據(jù)—假說—理論（模型），科學(xué)的新實(shí)踐和新發(fā)現(xiàn)為一次次的原子結(jié)構(gòu)的建構(gòu)和修改提供了強(qiáng)大有力的支撐。原子結(jié)構(gòu)量子化歷程是一代代科學(xué)家曲折而漫長(zhǎng)探索的結(jié)果，從哲學(xué)原子（古典原子論）—化學(xué)原子（道爾頓實(shí)心球式原子模型）—物理原子（湯姆生原子模型、盧瑟福原子模型、玻爾原子模型、現(xiàn)代電子云模型），就是批判創(chuàng)新的過程，在否定之否定中發(fā)展。通過“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”的內(nèi)容教學(xué)可以發(fā)展學(xué)生的“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”等化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。

四、化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

1.化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

（1）結(jié)構(gòu)化思維

我們應(yīng)用了結(jié)構(gòu)化思維理論[6]，進(jìn)行化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)化思維理論從關(guān)聯(lián)程度把思維分為：點(diǎn)狀思維、線狀思維和結(jié)構(gòu)化思維。對(duì)信息只是單個(gè)處理加工，單點(diǎn)思考問題，就是點(diǎn)狀思維。點(diǎn)狀思維就是在學(xué)習(xí)和思考的過程中，信息點(diǎn)沒有發(fā)生連接，而是一座座的孤島，單獨(dú)存在于大腦中。線狀思維就是將兩件事、兩個(gè)概念串聯(lián)起來，彼此關(guān)聯(lián)，相互連接。結(jié)構(gòu)化思維由A推導(dǎo)出B，由B聯(lián)想到C，建立起一個(gè)清晰、穩(wěn)定的思考結(jié)構(gòu)，將各個(gè)思考部分系統(tǒng)有序地搭配或者排列組合，使知識(shí)體系從零散到系統(tǒng)化，從無序到有序。從化學(xué)學(xué)科的本原來說，元素的“位”“構(gòu)”“性”就是結(jié)構(gòu)化思維的A、B、C三個(gè)點(diǎn)，用結(jié)構(gòu)化思維的方式把三者關(guān)聯(lián)起來，可以表示為圖6。

根據(jù)元素在周期表的位置和原子結(jié)構(gòu)，可以分析、解釋和預(yù)測(cè)元素的性質(zhì)，下面用Fe3+的“位”“構(gòu)”“性”關(guān)系為例（見圖7）進(jìn)行說明。

要建立關(guān)聯(lián)，選好關(guān)聯(lián)點(diǎn)是關(guān)鍵。課標(biāo)中“模塊3有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”提出：“引導(dǎo)學(xué)生建立‘組成、結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的基本觀念，形成基于官能團(tuán)、化學(xué)鍵與反應(yīng)類型認(rèn)識(shí)有機(jī)物的一般思路”。

例如：選擇醛基中的碳原子成鍵特點(diǎn)來認(rèn)識(shí)“乙醛”的化學(xué)性質(zhì)，見圖8a。再來觀察圖8b，顯然沒選擇到最佳關(guān)聯(lián)點(diǎn)。

（2）金字塔原理

芭芭拉·明托在《金字塔原理》一書中提出了金字塔結(jié)構(gòu)的概念。[7]金字塔結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)化思維具象化的表現(xiàn)。用圖形（見圖9）展示其邏輯關(guān)系，有三個(gè)要點(diǎn)：①內(nèi)在結(jié)構(gòu)：縱向和橫向兩個(gè)關(guān)系;②思維邏輯：演繹推理和歸納推理;③搭建方法：自上而下和自下而上。

金字塔結(jié)構(gòu)具有完美的邏輯性和結(jié)構(gòu)性，金字塔結(jié)構(gòu)的4個(gè)原則：結(jié)論先行、以上統(tǒng)下、歸類分組、邏輯遞進(jìn)。金字塔結(jié)構(gòu)可用于層次較多、關(guān)聯(lián)復(fù)雜的分析過程（圖15和圖16結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)思路就是具象化的金字塔結(jié)構(gòu)）。

2.化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的邏輯方法

（1）演繹法

根據(jù)亞里士多德的論述，三段式演繹法包含大前提、小前提和結(jié)論三部分。如果大前提和小前提都是真的，那么結(jié)論不可能為假，必然是真的（見圖10）。

最為人們所熟悉的典型例子是：

凡人（A）都會(huì)死（B）（大前提）。

蘇格拉底（C）是人（A）（小前提）。

所以：蘇格拉底（C）是會(huì)死（B）的（結(jié)論）。

三段式基本規(guī)則是：第一，它只能有三個(gè)概念（C、A、B）;第二，每個(gè)概念分別在兩個(gè)判斷中出現(xiàn);第三，大前提是一般性的結(jié)論，小前提是一個(gè)特殊陳述。

人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章第一節(jié)“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”提出：“如何解釋濃度、壓強(qiáng)、溫度及催化劑等因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響呢？下面通過活化能和簡(jiǎn)單碰撞理論對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行討論?！憋@然教材用了三段式演繹推理的方法，該內(nèi)容的認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)見圖11。碰撞理論（A）與反應(yīng)速率（B）就構(gòu)成了大前提，外界條件（C）與簡(jiǎn)單碰撞理論（A）構(gòu)成小前提，得出外界條件（C）與反應(yīng)速率（B）的結(jié)論。

三段式可以融入因果關(guān)系里，三段式與因果關(guān)系常見的邏輯是：大前提是因，小前提和結(jié)論是果，當(dāng)大前提被省略時(shí)，小前提是因，結(jié)論是果。所以“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”的認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化用因果邏輯來演繹也是一樣的。

（2）歸納法

歸納法是由特殊推論出一般的邏輯推理方法。如果要給“歸納”找一個(gè)替換詞的話，“總而言之”就是最恰當(dāng)?shù)牧恕?/p>

例如：人教版《選擇性必修1化學(xué)反應(yīng)原理》第二章第一節(jié)中提到：“綜上所述，改變濃度、壓強(qiáng)、溫度等因素可以提高反應(yīng)產(chǎn)率或者抑制反應(yīng)進(jìn)行的程度。法國(guó)化學(xué)家勒夏特列（H.-L.LeChatelier，1850-1936）曾就此總結(jié)出一條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：如果改變影響平衡的一個(gè)因素（如溫度、壓強(qiáng)及反應(yīng)物的濃度），平衡就向著能夠減弱這種改變的方向移動(dòng)，這就是勒夏特列原理，也稱化學(xué)平衡移動(dòng)原理”?？梢娎障奶亓杏玫木褪菤w納法，用歸納法設(shè)計(jì)“化學(xué)平衡原理”認(rèn)識(shí)思路見圖12。

演繹法和歸納法是最常用的進(jìn)行認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的兩種邏輯方法，“從一般到特殊”的推導(dǎo)過程采用演繹法，“從特殊到一般”的推導(dǎo)過程就用歸納法，應(yīng)該根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生學(xué)習(xí)情況來選擇。在學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，采用較多的是歸納法，在復(fù)習(xí)知識(shí)時(shí)，采用較多的是演繹法。

3.化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中的認(rèn)識(shí)視角

化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的直接結(jié)果是認(rèn)識(shí)思路的顯性化和可視化。如果標(biāo)注認(rèn)識(shí)視角，認(rèn)識(shí)思路的可視化就不僅僅是“看得見”，還能“看得清”和“看得明”?！皬哪膬合搿本褪钦J(rèn)識(shí)視角，“怎么想”就是認(rèn)識(shí)思路，[2]能深刻揭示學(xué)科本質(zhì)，促進(jìn)化學(xué)學(xué)科觀念形成。

4.化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中的大視野

單元學(xué)習(xí)和模塊學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，情況就復(fù)雜多了，每一節(jié)學(xué)習(xí)小概念有思路，單元學(xué)習(xí)也有思路，這就用透徹的洞察力抽象認(rèn)識(shí)的視角，凝練學(xué)科大觀念。其認(rèn)識(shí)思路搭建成金字塔結(jié)構(gòu)可呈現(xiàn)學(xué)科大概念的大視野。

例如：圖14是“物質(zhì)結(jié)構(gòu)”認(rèn)識(shí)思路按章節(jié)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，搭建“物質(zhì)的組成和構(gòu)成”認(rèn)識(shí)思路的金字塔結(jié)構(gòu)。橫向往右展開小概念（如：物質(zhì)的聚集狀態(tài)、物質(zhì)種類、元素種類、元素價(jià)態(tài)、微粒種類、微粒大小、微粒間作用力、微粒的空間排布等），縱向往上概括和提煉出物質(zhì)觀、元素觀、微粒觀等學(xué)科觀念，最后凝練學(xué)科大概念，從而設(shè)計(jì)出“物質(zhì)的組成和構(gòu)成”金字塔認(rèn)識(shí)思路，形成學(xué)科大視野（見圖15）。

又如：對(duì)“化學(xué)反應(yīng)原理”的認(rèn)識(shí)思路進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，凝練出變化觀和平衡觀等學(xué)科核心觀念，形成“化學(xué)反應(yīng)”的“金字塔”認(rèn)識(shí)思路的學(xué)科大視野（見圖 16）。

“如果你有一把錘子，那么在你看來，無論什么看起來都像釘子”。我們?cè)诮滩慕庾x、教學(xué)設(shè)計(jì)、課堂組織、論文寫作和課題研究等各項(xiàng)工作中，可以自覺地運(yùn)用結(jié)構(gòu)化思維這把“錘子”去思考和解決問題，增進(jìn)對(duì)化學(xué)學(xué)科的理解，提升課堂教學(xué)能力和教學(xué)研究能力。在教學(xué)過程中有目的、有計(jì)劃地引導(dǎo)學(xué)生概括核心概念和大單元的認(rèn)識(shí)思路，形成基于“認(rèn)識(shí)思路”的結(jié)構(gòu)化，進(jìn)而提高核心觀念的結(jié)構(gòu)化水平，形成結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)思維和學(xué)科大視野，進(jìn)行舉一反三、遷移應(yīng)用，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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