化学认识论之于学科核心素养的教育价值

作者：吴晗清 李梦颖

来源：《化学教学》2021年第03期

摘要： 化學学科核心素养是化学教育的根本旨趣，它的形成是学生对化学认识的过程。从认识视域、认识思路、认识深度、认识结果四维度，以“电化学”主题为例，探讨了化学认识观念、认识过程、认识价值三方面核心素养的形成机制。其中化学认识观念包括“宏观辨识与微观探析”及“变化观念与平衡思想”，认识过程关涉“证据推理与模型认知”与“科学探究与创新精神”，而认识价值则主要是“科学态度与社会责任”。基于此提出了相应的教学建议。 关键词： 化学认识论; 化学学科核心素养; 电化学

文章编号： 1005-6629（2021）03-0003-06 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

人类对世界的认识，从来就没有停止过。作为哲学的重要组成部分，认识论就是对认识本身发展规律进行认识和研究，探讨认识的本质、来源及过程[1]。化学是研究物质组成、结构、性质以及变化规律的基础自然学科，将认识论运用于化学教学具有深远的意义。化学认识论揭示了化学由感性到理性、由经验到理论，从定性走向定量、从宏观深入微观的发展过程。传统课堂往往定位于传授大量事实性的化学知识，较少关注化学认识方式的形成，从而导致学生掌握了一定的知识，但是认识水平普遍较低。本研究立足于化学认识论，准确把握化学课程标准对相关内容的规定及要求，探讨如何将“素养为本”的教学落到实处。 1 化学认识论构成要素及教育意义 1.1 化学认识论的构成要素

化学学习是一种特殊的认识活动，教学活动的设计需要蕴含化学认识论。化学认识论主要包含两个方面： 化学认识方式和认识结果。化学认识方式[2]具体表现为认识化学事实现象、解决化学问题所采用的认识策略与思维模式。结合教学实践和相关研究，化学认识方式可以进一步解构为： 认识对象、认识视域、认识思路、认识深度等基本要素，见表1。化学认识结果不仅仅是学科知识的累积，更指向基于特定认识方式将已有学科知识系统化、结构化，通常采用语言、文字、图表、符号等形式进行表征，让学生相应的化学观念和思维得以发展，能够从化学视角去认识、分析和解决相关问题。

1.2 化学认识论的教育价值

化学教学中，学科知识的生成应当与认识论发展相契合[3]。化学认识论阐释了从萌芽时期经过漫长岁月发展到现代化学的历史进程，它不仅映射了影响化学发展的重要史实，阐述了化学发展筚路蓝缕的艰辛历程，还彰显了一代代化学家们令人景仰的科学精神和人文情怀。因此模拟化学认识发展的过程并让学生体验其中，不仅有利于学科知识的动态生成过程，还可以激发学生学习的兴趣以增强内驱力，更为重要的是培养独特的学科认识能力，以“化学的眼光”来看待世界。基于认识论的化学教学是一种以“素养为本”的实践探索，体现在以下几个方面。一是化学认识观念，对“宏观辨识与微观探析”及“变化观念与平衡思想”等核心素养的落实有重

要意义。二是化学认识过程，关涉“证据推理与模型认知”与“科学探究与创新精神”等核心素养。三是化学认识价值，主要体现在“科学态度与社会责任”上。 2 化学认识论视野下的“电化学”主题教学分析 2.1 课程标准中“电化学”的内容分析及目标要求

“电化学”是中学化学教学中的重点和难点，有很多值得深入思考和探讨的问题。“电化学”主题分散安排在必修课程中的“物质结构基础与化学反应规律”部分和选择性必修课程中的“化学反应与能量”部分，其中核心内容位于选择性必修模块“化学反应原理”的第四章。从知识分类看，属于化学基本概念和原理，是氧化还原反应理论的延伸和具体应用。从主题分类看，“电化学”属于选择性必修模块“化学反应原理”三大主题之一。根据课程标准[4]，笔者对其中“电化学”相关的内容及要求做了分析，见表2。可以看出，“电化学”认识对象发展从简单原电池到双液原电池，认识过程经历了从认识模型、举例说明简单装置到了解工作原理、书写电极反应式、解释并预测电极反应现象等由浅入深的渐进变化。由此可以看出“电化学”认识思路从能量转化到工作原理本质的理解，再到了解实际应用，呈螺旋式上升。

2.2 基于认识视角的“电化学”学习内容分析

2.2.1 认识视域： 强调从学科域、社会域等多方面认识“电化学”

“电化学”主题的内容，不仅涉及到相关物质性质、氧化还原反应、离子反应和能量变化等化学领域相关知识内容，而且还涉及到物理学中电流产生原因及电极、电势差等相关知识[5]。因此，立足学科域就要基于氧化还原反应、能量转化等视角认识原电池、电解池。如具体对于电化学来说，氧化反应和还原反应分别发生于原电池的负极和正极，统一于原电池中，以及发生于阳极和阴极，统一于电解池中。又如应用“电化学”模型分析化学变化中的物质变化与能量变化，重点要关注化学能与电能之间的相互转化等。

“电化学”除了掌握原理外，还要会解释或解决有关化学的实际问题，以促进对化学之于社会领域价值的正确认识。化学的发展源于实践问题，实践探索又促进了学科的发展。因此教学内容应置于宏大的社会背景之中，不能脱离生产生活实际。以能量为例，新能源的开发及利用在当今显得尤为紧迫。太阳能电池技术就是太阳能实现光电转换的关键，新型有机太阳电池具有成本低、质量轻、柔韧性好和可实现大面积自动化规模化生产等优点[6]。教学中以此为认识素材，除了探讨化学原理外，进一步感受化学研究对于人类社会发展的巨大价值。 2.2.2 认识思路： 从现象到本质、从理论到应用等线索认识“电化学”

“电化学”的学习过程，可以从化学实验、生产生活、自然现象以及社会问题等情境入手，在分析相关化学事实与现象的基础上，引导学生通过对比归类、剖析抽象、推论演绎等过程，从而明确表观特征、抽提本质特征、建构相关概念，体现从现象到本质的认识路径[7]。在建立“电化学”认识模型后，要回扣到相应的问题情境中。如“原电池”的教学，可结合社会生活中常见的电池，引导学生从灯泡变亮或电流计偏转等外显现象入手，进而分析其工作原理，从而建构对“负极失去电子被氧化、正极得到电子被还原”这一本质特征的正确认识。继而开展“用生活中的材料制作简易电池”等实践活动，强化从理论到应用的认识路径。 2.2.3 认识深度： 从宏观、微观、符号对“电化学”进行三重表征

“宏观—微观—符号”三重表征是化学学科的重要特征，表征能力则是化学认识深度的重要体现。三重表征是相互联系的有机整体，培养学生三重表征能力是培养学生化学学科能力的关键[8]。在必修阶段要求学生从微观的角度对“电化学”的宏观现象进行初步的认识，比如用相应的符号表示电子转移、正负极发生的反应;到了选择性必修阶段，电池的种类越来越多，涉及的化学反应也更复杂。因此，更加强调从微观粒子水平认识物质的构成和变化，帮助学生深入认识化学反应过程中的电子转移、离子移动、离子与电子的相互作用等，从而认识化学变化中物质变化的本质以及能量变化的原因。

2.2.4 认识结果： 建立普适模型，抽象把握“电化学”本质

“电化学”的学习，不仅要认识原电池、电解池的表观实验现象、本质特征及能量转化，还要建立“电化学”模型系统。“电化学”之所以是教学的重难点，就是因为涵盖的知识面非常广，且具有较强的深度。因此认识的结果如果拘泥于表面，则学生不可能对电化学构建全面而深入的认识。比如铜锌原电池是一种比较简单的原电池个例，不具有普遍性。因为该电池两个电极材料是活性不同的金属，但铅蓄电池等并非如此。另外，原电池电势差的产生并不一定是因为两个电极材料本身，如氢氧燃料电池。还有，在原电池中并不一定是较活泼的电极材料做原电池的负极。因此，如果不能对原电池进行抽象的建模，便很难对其进行深度的、科学的认识。因此，需要引导学生在探究铜锌原电池、铅蓄电池、氢氧燃料电池等不同类型电池的基础上，抽象建模原电池构成的基本要素，即两个电极材料、两种电极反应物、离子导体和电子导体，其中同一极的电极材料和电极反应物可以相同也可能不同[9]。 3 基于化学认识论的核心素养形成机制及教学建议

所谓机制，原指机器的构造和工作原理。现被其他领域以隐喻性的方式频频借用，泛指自然现象和社会现象中的某有机体系的构造、功能及相互关系。我们探讨的“核心素养形成机制”这一概念，需要全面地解构化学学科核心素养，从而揭示其内部组织和层次结构，从而探讨如何通过基于认识论的教学过程来实现。结合前面有关认识方式、认识结果，认识论的教育价值的分析，以“电化学”主题为案例，提出基于认识论的以化学概念形成过程来培育学科核心素养的三维分析模型，如图1。

其中X轴表示认识论，包括认识视域、认识思路、认识深度和认识结果四个方面;Y轴表示电化学主题，根据学习内容的进阶，主要分为单液原电池、双液原电池、电解池和金属防护。其中单液、双液都是原电池，而金属防护则涉及原电池和电解池，体现了电化学主题在内容上的逐级进阶;Z轴表示化学核心素养，分为化学认识观念（包括“宏观辨识与微观探析”和“变化观念与平衡思想”）、化学认识过程（包括“证据推理与模型认知”和“科学探究与创新精神”）和化学认识价值（主要指“科学态度与社会责任”）三个方面。可以看出，在认识论、内容主题、核心素养三个维度上，都是遵循了学生的认识规律，由浅入深、循序渐进，深刻把握学科知识，落实学科核心素养。

3.1 以“电化学”为认识对象，促进化学认识观念的形成

“电化学”主题以原电池和电解池的内部构造及工作原理为认识对象，深刻认识氧化还原反应及能量转化。宏观上，要求学生能够结合相关现象如电流方向来判断电子等微观粒子的运动。而后要根据物质的相关性质进行推断，如氧化性和还原性的强弱、得失电子的先后顺序等。微观上，强调学生能从元素守恒、得失电子守恒、电荷守恒以及定性定量相结合的方式，阐释电极反应的本质特征，进而多角度、动态地分析“电化学”反应，建立起“电化学”反应的系统性认识，进而促进学生以“化学的眼光”来看待世界。

以“原电池内部构造及工作原理”教学为例来分析，首先观察小灯泡变亮、电流表指针偏转等现象来判断微观粒子的运动方向，引导学生认识电池的物质组成和基本结构，将正负极物质变化和变化过程中的电子得失与电流形成的条件相互联系，属于“宏观辨识”;运用守恒定律、电极反应式来解释化学反应的本质特征，运用平衡观发展学生对于电池动力的认识，属于“微观探析”。教师通过引导观察演示实验的现象，建立了“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”维度的核心素养，促进学生化学认识观念的形成。具体见表3。

MnO2与锌片之间的电子得失使电子定向移动产生电流。中心碳棒为正极，外层锌皮为负极。锌皮失去电子发生氧化反应，是负极反应物;MnO2得到电子发生还原反应，是正极反应物。电解质溶液充当离子导体，导线作为电子导体。外部电路电子从负极向正极移动，内部电路电解质中的阳离子从负极向正极移动，阴离子从正极向负极移动。这种电子得失的实质是氧化还原反应。实现化学能到电能的转化。

3.2 以“电化学”实验事实为证据、科学探究为依托，体验化学认识过程

从某种意义上讲，化学的历程就是一部实验发展史，实验之于科学研究的重要性不言而喻。实验事实是实验过程中显示出来的客观证据，科学的发展都是基于事实的证据推理，也就是每一结论的得出都需要相关实验证据的支撑。因此，实验探究、证据推理自然而然地成了学科核心素养的重要组成部分。教学中要引导学生通过一系列的实验探究，始终处于“发现问题

—探讨原因—寻找证据—解决问题—反思创新”的持续过程中，有利于学生建立起宏观与微观相结合、定性与定量相结合的思考方式，体验化学认识过程。

以探究电动汽车所用电池的发展为例进行分析，从学科知识与社会发展等角度来体验化学认识过程。电动汽车电池经历了铅酸电池、碱性电池和燃料电池等三代的发展，从高中化学认识角度来看，这些电池分别可以用铅蓄电池、锂离子电池、氢氧燃料电池等三类模型来表征。虽然都是电池，但其实际应用价值在不断迭代。铅酸电池是一种常见的二次电池，用途極广，性能优良、使用方便。它的主要缺点是能量低、污染环境。为了突破这一瓶颈，第二代碱性电池应运而生。第二代以锂电池最具特色，它是一种高能电池，体积小、重量轻、寿命长，是十分理想的化学电源，现已经得到广泛应用。但是人们从未停止过追求卓越的脚步，第三代燃料电池更适合于生态文明范式下的社会生活。第三代不同于蓄电池和锂离子电池，其正负极反应物气体分别储存在电池之外的容器中。两种气体分别不断地输送到电池的两极，通过氧化还原反应将化学能转变成电能。其中氢氧燃料电池因反应产物只有水，不产生任何污染而备受关注，已成为一种发展前景十分广阔的化学电源。具体见表4。电动汽车的发展备受关注，车用电池更新速度迅猛，所以从多维度来认识化学电源，有利于学生对认识过程的深度体验，将学科知识与社会实践融合于发展的视域之中。

2.2.3 认识深度： 从宏观、微观、符号对“电化学”进行三重表征

“宏观—微观—符号”三重表征是化学学科的重要特征，表征能力则是化学认识深度的重要体现。三重表征是相互联系的有机整体，培养学生三重表征能力是培养学生化学学科能力的关键[8]。在必修阶段要求学生从微观的角度对“电化学”的宏观现象进行初步的认识，比如用相应的符号表示电子转移、正负极发生的反应;到了选择性必修阶段，电池的种类越来越多，涉及的化学反应也更复杂。因此，更加强调从微观粒子水平认识物质的构成和变化，帮助学生深入认识化学反应过程中的电子转移、离子移动、离子与电子的相互作用等，从而认识化学变化中物质变化的本质以及能量变化的原因。

2.2.4 认识结果： 建立普适模型，抽象把握“电化学”本质

“电化学”的学习，不仅要认识原电池、电解池的表观实验现象、本质特征及能量转化，还要建立“电化学”模型系统。“电化学”之所以是教学的重难点，就是因为涵盖的知识面非常广，且具有较强的深度。因此认识的结果如果拘泥于表面，则学生不可能对电化学构建全面而深入的认识。比如铜锌原电池是一种比较简单的原电池个例，不具有普遍性。因为该电池两个电极材料是活性不同的金属，但铅蓄电池等并非如此。另外，原电池电势差的产生并不一定是因为两个电极材料本身，如氢氧燃料电池。还有，在原电池中并不一定是较活泼的电极材料做原电池的负极。因此，如果不能对原电池进行抽象的建模，便很难对其进行深度的、科学的认识。因此，需要引导学生在探究铜锌原电池、铅蓄电池、氢氧燃料电池等不同类型电池的基础上，抽象建模原电池构成的基本要素，即两个电极材料、两种电极反应物、离子导体和电子导体，其中同一极的电极材料和电极反应物可以相同也可能不同[9]。

3 基于化学认识论的核心素养形成机制及教学建议

所谓机制，原指机器的构造和工作原理。现被其他领域以隐喻性的方式频频借用，泛指自然现象和社会现象中的某有机体系的构造、功能及相互关系。我们探讨的“核心素养形成机制”这一概念，需要全面地解构化学学科核心素养，从而揭示其内部组织和层次结构，从而探讨如何通过基于认识论的教学过程来实现。结合前面有关认识方式、认识结果，认识论的教育价值的分析，以“电化学”主题为案例，提出基于认识论的以化学概念形成过程来培育学科核心素养的三维分析模型，如图1。

其中X轴表示认识论，包括认识视域、认识思路、认识深度和认识结果四个方面;Y轴表示电化学主题，根据学习内容的进阶，主要分为单液原电池、双液原电池、电解池和金属防护。其中单液、双液都是原电池，而金属防护则涉及原电池和电解池，体现了电化学主题在内容上的逐级进阶;Z轴表示化学核心素养，分为化学认识观念（包括“宏观辨识与微观探析”和“变化观念与平衡思想”）、化学认识过程（包括“证据推理与模型认知”和“科学探究与创新精神”）和化学认识价值（主要指“科学态度与社会责任”）三个方面。可以看出，在认识论、内容主题、核心素养三个维度上，都是遵循了学生的认识规律，由浅入深、循序渐进，深刻把握学科知识，落实学科核心素养。

3.1 以“电化学”为认识对象，促进化学认识观念的形成

“电化学”主题以原电池和电解池的内部构造及工作原理为认识对象，深刻认识氧化还原反应及能量转化。宏观上，要求学生能够结合相关现象如电流方向来判断电子等微观粒子的运动。而后要根据物质的相关性质进行推断，如氧化性和还原性的强弱、得失电子的先后顺序等。微观上，强调学生能从元素守恒、得失电子守恒、电荷守恒以及定性定量相结合的方式，阐释电极反应的本质特征，进而多角度、动态地分析“电化学”反应，建立起“电化学”反应的系统性认识，进而促进学生以“化学的眼光”来看待世界。

以“原电池内部构造及工作原理”教学为例来分析，首先观察小灯泡变亮、电流表指针偏转等现象来判断微观粒子的运动方向，引导学生认识电池的物质组成和基本结构，将正负极物质变化和变化过程中的电子得失与电流形成的条件相互联系，属于“宏观辨识”;运用守恒定律、电极反应式来解释化学反应的本质特征，运用平衡观发展学生对于电池动力的认识，属于“微观探析”。教師通过引导观察演示实验的现象，建立了“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”维度的核心素养，促进学生化学认识观念的形成。具体见表3。

MnO2与锌片之间的电子得失使电子定向移动产生电流。中心碳棒为正极，外层锌皮为负极。锌皮失去电子发生氧化反应，是负极反应物;MnO2得到电子发生还原反应，是正极反应物。电解质溶液充当离子导体，导线作为电子导体。外部电路电子从负极向正极移动，内部电路电解质中的阳离子从负极向正极移动，阴离子从正极向负极移动。这种电子得失的实质是氧化还原反应。实现化学能到电能的转化。

3.2 以“电化学”实验事实为证据、科学探究为依托，体验化学认识过程

从某种意义上讲，化学的历程就是一部实验发展史，实验之于科学研究的重要性不言而喻。实验事实是实验过程中显示出来的客观证据，科学的发展都是基于事实的证据推理，也就是每一结论的得出都需要相关实验证据的支撑。因此，实验探究、证据推理自然而然地成了学科核心素养的重要组成部分。教学中要引导学生通过一系列的实验探究，始终处于“发现问题—探讨原因—寻找证据—解决问题—反思创新”的持续过程中，有利于学生建立起宏观与微观相结合、定性与定量相结合的思考方式，体验化学认识过程。

以探究电动汽车所用电池的发展为例进行分析，从学科知识与社会发展等角度来体验化学认识过程。电动汽车电池经历了铅酸电池、碱性电池和燃料电池等三代的发展，从高中化学认识角度来看，这些电池分别可以用铅蓄电池、锂离子电池、氢氧燃料电池等三类模型来表征。虽然都是电池，但其实际应用价值在不断迭代。铅酸电池是一种常见的二次电池，用途极广，性能优良、使用方便。它的主要缺点是能量低、污染环境。为了突破这一瓶颈，第二代碱性电池应运而生。第二代以锂电池最具特色，它是一种高能电池，体积小、重量轻、寿命长，是十分理想的化学电源，现已经得到广泛应用。但是人们从未停止过追求卓越的脚步，第三代燃料电池更适合于生态文明范式下的社会生活。第三代不同于蓄电池和锂离子电池，其正负极反应物气体分别储存在电池之外的容器中。两种气体分别不断地输送到电池的两极，通过氧化还原反应将化学能转变成电能。其中氢氧燃料电池因反应产物只有水，不产生任何污染而备受关注，已成为一种发展前景十分广阔的化学电源。具体见表4。电动汽车的发展备受关注，车用电池更新速度迅猛，所以从多维度来认识化学电源，有利于学生对认识过程的深度体验，将学科知识与社会实践融合于发展的视域之中。