化学符号对化学思维能力发展的教学功能研究.doc

化学符号对化学思维能力发展的教学功能研究李晓1 2 王后雄1 毛齐明3注：本文已经于2013年发表于化学教育第10期。（1华中师范大学化学教育研究所 湖北 武汉 430079；2 南宁市第二中学 广西 南宁 530029；3华中师范大学教育学院 湖北 武汉 430079）摘 要 基于维果茨基的符号工具理论，将高中必修课程中的化学符号分为：化学用语类、仪器符号类、模型符号类三类，每种类型促进化学思维能力发展的机制都互有联系与区别。化学符号作为思维的工具，对促进化学思维能力发展具有重要教学功能。关键词 化学符号；思维能力；作用机制；教学功能 维果茨基认为符号工具能像劳动工具促进生产力发展一样促进人类思维能力的发展。那么化学作为拥有一套独特符号系统的学科，其中的基本符号能起到类似的工具作用吗？化学符号作为认知工具有什么作用、特点？符号工具如何促进化学思维能力的发展？针对这些问题，我们将高中必修教材中出现的化学符号进行分类，并探讨其可能存在的符号工具的特点与促进学习者化学思维能力发展的教学功能。1 维果茨基的符号工具理论概述维果茨基创立的“文化历史发展理论”指出人的高级心理技能的发展是由社会文化历史因素决定的，并以马克思主义的社会劳动工具理论为基础，提出将文化符号与文字视为认知活动的符号工具，并阐述了这些符号工具对人类思维的发展作用：符号工具在认知过程中被反复使用，促进了认知能力的发展，并内化为进行心理活动时自发运用的心理工具；符号工具的重要意义在于能够变相地展示人类的思维，并且是高级认知技能发展的必需工具1。马克思主义谈论的工具改变的是外部世界，而符号的、心理的工具直接作用于思维，改变人内在的认知过程。符号工具的重要特点是历史性与文化性，即在不同的历史文化背景下，在不同环境下的中介学习中，符号工具的作用与影响会有差别。因此研究化学学科背景下的化学符号对学习者思维能力发展的机制对于提高化学课堂教学效率就显示出其独特的意义。2 化学符号促进思维发展的作用机制中学化学知识体系与对应的符号体系在中学教材中体现出“义务教育”、“必修模块”和“选修模块”三个层次的明显区别2。从符号体系对化学思维能力发展的作用来看，必修阶段的课程内容与其中出现的化学符号是最具研究价值的。因此有必要将高中必修阶段出现的化学符号分类，并分别探讨每一类符号体系对学习者化学思维能力的促进作用。2.1化学用语类的作用机制化学用语类符号作为化学学科特殊的符号，可以将其视为类似于英文字母与英文语句的符号体系。元素符号与电子式等简单符号作为化学语言的字母与单词，是组成化学语句化学式与化学方程式的基本元素。因此将化学用语类符号划分为化学基本符号与化学方程式符号两大类分别进行讨论，如表1所示。表1化学用语类符号的分类与对应功能化学用语类符号的分类对应于符号工具的功能化学基本符号l 元素、原子符号l 化学式l 离子符号l 电子式l 有机官能团化学基本符号对于学习者而言就是化学语言的“字母表”，学习者能通过运用这些基本的“化学字母”，完成“化学语句”化学式与化学方程式的书写。电子式类似于单词，认知意义体现在理解了电子式的含义也就能掌握物质组成的相关信息，因此也是化学方程式的基本构成。化学方程符号l 化学方程式l 电离方程式与离子方程式l 氧化还原反应与单双线桥法l 热化学方程式l 电极反应式与电化学方程式l 可逆反应方程式l 有机反应方程式化学方程符号作为一套系统的符号体系，其发展过程体现为：随着化学原理与知识的学习，需要在最基础的化学方程式上不断添加符号信息，比如电离与离子符号、表示电子转移情况的“线桥”、表示热量变化的H等，呈现出学习者掌握的化学知识螺旋上升的过程。添加的符号信息则对应着化学概念与原理的学习：电离理论，氧化还原反应，热化学等。表1中的对应体现了化学方程式与化学概念和原理学习的相互促进作用，而新知识的学习则促进了化学思维能力的全面提高。以“离子反应”的知识内容为例，离子符号、电离方程与离子方程式作为处理电解质电离与离子反应的相关知识的思维工具，以新符号系统的形式帮助学习者理解离子反应的本质，拓展对溶液中微观粒子存在形式的认识，升华了溶液观与物质观，从而发展化学思维中的逻辑能力与抽象思维能力。其中新符号系统电离方程式的出现，促进了学习者对电解质电离过程的认识，也能从微观的角度认识酸、碱、盐的区别和离子反应的本质。在“离子反应”这一知识点的学习过程中电离方程体现的思维能力发展作用机制可以用图1表示。图1电离与电解质中的符号系统作用机制电离方程作为一个新出现的化学符号，成为学习者认识电解质的工具，在认知过程中取代了复杂冗长的文字定义与表述，帮助学习者更好地建构电解质的相关概念与知识，促进化学思维能力的提高。2.2化学实验仪器符号类的作用机制实验仪器均是根据一定的物理、化学原理设计的，当学习者处于仪器学习与运用的初级阶段时，只能认识到仪器的单一功能，比如漏斗的作用只是加液体与过滤，其他创新的用途，如防倒吸，暂时是想不到的。这样的初阶认知过程可以用图2表示。图2仪器学习初级阶段的符号作用机制当学习者经过一段时间的运用与熟练后，仪器在认知过程中被符号化，这体现在：学习者深化了对仪器及其原理的关系的认识，认知仪器的范式从原有的“仪器原理”发展为“原理仪器”。这意味着学习者不仅掌握了仪器设计所依据的原理，而且能够根据原理抓住仪器设计中具有关键作用、体现仪器特征用途的部位进行知识建构与图式表征。这就是仪器结构的符号化，这些关键部位称为最简结构单元。以分液漏斗的图式发展过程为例，对于初学者而言，分液漏斗的图式是整体的、基于教师提供的示例而形成的；在熟练者的认知结构中，分液漏斗的图式是分立的，漏斗的粗细、长短不是符号化的内容，只有活塞开关和塞子才是这个图式的关键要素，即分液漏斗的最简结构单元是认知过程的关键。这样的思维发展过程既是简化，亦是丰富。学习者简化了原图式中分液漏斗的外部形状信息，丰富的却是仪器可能被使用的方式，因为最简结构单元是可以互相组合的。例如分液漏斗去掉塞子、加上刻度、改变形状就可以变成酸式滴定管，这是一个典型的分液漏斗与量筒的最简结构单元之间的组合，在酸碱滴定的教学设计中常用作导课材料；漏斗由于具有倒锥形的形状，因此可以用来防倒吸；在化学试题中考查防倒吸的相关知识时，常常将漏斗、干燥管等仪器作比较。这些实例正是仪器符号化的意义所在，将实验仪器符号化形成的认知工具，使得实验装置的设计与创新成为可能。但是区别于化学方程式的螺旋上升发展机制，仪器符号化是一个熟练化的过程，这个过程发生在学习者使用仪器处理化学实验问题的过程之中。因此在仪器符号化与学习者、化学实验之间用双向箭头表示这种熟练化的交互过程。这种高阶认知过程可以用图3表示。图3仪器学习高级阶段的符号作用机制仪器符号化帮助学习者把握仪器的最简结构单元，促进学习者对仪器本质与化学原理的认知发展。随着学习者的熟练，这种符号化的认知过程在化学思维能力中会越来越重要，尤其体现在探究实验的实验装置设计过程中。2.3化学模型符号类的作用机制模型作为高中化学符号重要的组成部分，对学习者丰富物质组成的图式起了重要作用。高中必修阶段的模型包括：原电池，化学键，分子模型，结构式，球棍模型，比例模型等。以甲烷为例，在学习有机化学之前，甲烷的认知模型只是化学式CH4。学习者学习化学键时了解其电子式，在有机化学中进一步学习甲烷的知识后，甲烷的认知图式丰富为结构式、球棍模型和比例模型。这些模型携带了大量的信息，如结构式中的正四面体，球棍模型中化学键键长、键角、分子构形的数据，比例模型中体现的共用电子对的特点与原子的相对大小，都为学习者掌握模型承载的化学知识提供了帮助。模型与之前两个符号系统具有类似之处：新理论往往对应着新模型，这类似于化学方程式的作用；模型也具有关键特征，这又类似于仪器的“最简结构单元”。如何处理模型，有效运用模型解决问题，则是提升学习者化学思维能力的过程。化学模型的认知特点在于，学习者为了解决一个问题，往往需要同时运用多种不同的模型，借助互有区别的模型符号工具完成问题解决的思维过程；而不同的模型也丰富了学习者对于同一个化学问题的全面表征。这种运用多个模型解决问题的过程就是化学思维能力发展的过程，这种机制可以用图4表示。图4模型符号的作用机制不同模型的运用，深化了认知过程，丰富了图式的再现。模型与化学问题的交互作用促进了学习者包括空间思维能力，问题解决能力和逻辑能力等科学思维能力的全面提高。3化学符号促进思维发展的教学功能综合三种符号体系对化学思维能力的促进机制，可用与化学用语类似的机制作为“化学符号对思维能力的促进机制”的统括，如图5所示。图5化学符号对思维能力的促进机制图5宏观地显示出化学符号作为一种认知工具，帮助学习者在认知过程中更有效地表征化学问题，建构化学知识体系。因此化学符号对化学教学研究具有功能性的价值。3.1符号体系促进学习者全面地学习化学高中必修课程中的化学符号体系具有螺旋上升的发展趋势，这与化学知识体系的发展有直接联系。以化学方程式为例，学习者在学习了电离知识、热化学知识和氧化还原知识后，能够相应地用离子方程式、热化学方程式和单双线桥法对之前学习过的同一个化学方程式进行深入的分析与表征，帮助学习者更好地理解化学反应的实质，在阅读时也能快速清晰地获取相关方程式中携带的化学信息，促进学习者更好地表征与解决化学问题。在这样的学习过程中，随着知识体系的发展与认识的深入，学习者不仅能在阅读时获取相关符号中携带的信息，也能用这些符号来帮助自己更好地在思维中建构化学知识体系。3.2符号工具帮助学习者创新地思考问题符号体系自身的存在，需要学习者运用规范符号陈述化学语言，并且在这种规范运用的熟练化过程中不断对符号本身进行内化加工。当这种熟练的规范运用真正成为学习者思维中有效的符号工具后，也就标志着学习者拥有了灵活运用化学符号对问题进行创造性表征的可能。这种思维过程在实验仪器与化学模型的学习过程中体现的尤为明显。学习者在达到符号工具的熟练水平之后，才有了创新地设计仪器装置和提出新模型解释化学现象的能力。以问题“制取氯气实验中，如何获得平稳的氯气气流？”为例，学习者首先要能分析出气流不平稳的原因是因为浓盐酸上下端压强不等导致浓盐酸不能匀速流入反应容器中，然后想到可以通过设置连通器来平衡压强，由此这个问题就变成了“如何设置连通器使浓盐酸液面上下端的压强相等”。设置连通器的具体方法有很多，反映出学生对实验仪器符号工具的结构与功能的把握水平。3.3符号工具作为教学设计的逻辑线索符号工具对化学教学设计有很大的实践意义。一堂化学课体现的逻辑性，应该既包含化学学科发展的内在逻辑，也包含学习者认知水平发展的外在逻辑。要实现这两种逻辑的统一，可以从化学符号促进思维能力发展的机制入手，以学习者的思维能力水平为基础，合理呈现教学内容，安排教学活动，真正地实现课堂内容的“逻辑性”。这种机制也为化学复习课提供了一个新思路。化学复习课如果以化学符号工具为基础来设计，对于帮助学习者的认知水平实现从新手到专家的跨越会有很大的帮助。比如可以将高中的常见漏斗作为一节复习课，以漏斗之间“最简结构单元”的发展为主线，由简到繁，帮助学习者从结构与功能相对应的哲学角度统观四种漏斗，促进认知水平与思维水平的发展。作为化学教育工作者应该意识到化学符