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化学教学中唯物辩证法教育的实证研究
发布日期:2019-04-02
化学教学中唯物辩证法教育的实证研究

[基金项目]全国教育科学规划教育部重点课题(DHA130257)。
[作者简介]吴晗清(1981-),男,安徽宿松人,教育学博士,心理学博士后,副教授,北京师范大学教育学部兼职 教 授;姚 梦 娟(1992
-),女,满族,北京人,硕士研究生;赵冬青(1991-),女,北京人,硕士研究生。
吴晗清1,2 姚梦娟2 赵冬青1
(1.首都师范大学化学教育研究所,北京 100048;
2.首都师范大学教育学院,北京 100037)
[摘 要]树立辩证唯物主义的世界观是化学教育的重要目标之一。将知识习得、原理解释和思维抽象作为分析框架,以氧化还原、化学键、氢氧化铝为例,对北京市普通高中的172名学生进行实证研究。结果表明:大部分学生“知道”大部分知识,但是不能对其“解释”,只有极少学生能站在唯物辩证法的高度进行化学学习。基于此,建议教师应该提升自己的化学哲学素养,在教学中要引导学生思考知识背后的本质原理,从而将化学学科理论抽象为一般的辩证法。
[关键词]化学教学;辩证思维;对立统一;质量互变
[中图分类号] G633.8 [文献标志码] A    [文章编号] 1002-1477(2017)03-0047-06
一、化学与辩证法的关联
化学是自然科学的重要分支,在分子、原子层次上研究物质性质、组成、结构与变化规律等。从某种层面上讲,辩证唯物主义(自然唯物主义)是化学学科的高度抽象,因而化学学科的知识体系、思想方法,图1 化学与唯物辩证法均蕴含着很多辩证法原理。诸多化学概念、反 应 原 理 以 及 化 学 史 的发展,都体现了对立与统一观念、质量互变定律、否定之否定规律、联
系和发展的特征。《高中化学课程标准》中将形成辩证唯物主义的世界观作为情感态度价值观的目标之一,要求学生“树立辩证唯物主义
的世界观,养成 务 实 求 真、勇 于 创 新、积 极 实 践 的 科 学 态 度,崇 尚 科学,反对迷信”,因此化学教学中的辩证法教育不仅可能,而且十分必
要(两者关系如图1所示)。物质第一性。辩证唯物主义强调世界是物质的,是客观存在的,同时强调:实践是检验真理的唯一标准。化学研究的也是客观实在的物质的一门自然学科,包括物质的组成、物质的结构、物质的性质以及物质之间的转化关系,化学也强调实验事实才是揭示物质变化原理的真实可信的依据。对立统一。对立统一规律是唯物辩证法最根本的规律,也是辩证法的核心。化学平衡中的正逆反应是对立统一的,正反应与逆反应反向进行,一定程度时达到动态平衡状态。还有很多对立统一的概
念:氧化和还原,酯化和水解,酸和碱,化合与分解等等。质量互变。唯物辩证法认为,事物的发展总是由量变到质变,质变又引起新的量变,量变是质变的必要准备,质变是量变的必然结果。恩格斯说过:“化学可以说是研究物体由于量的成分的变化而发生质变的科学。”[1]元素周期表中,同一周期从左往右核电荷数增加,电子层数不变,虽然最外层电子数增加,但依然是金属性逐渐减弱,非金属性增强,但是当最外层电子数增加到8的时候,性质突然变得很稳定,具有惰性。普遍联系。辩证唯物主义强调,物质具有普遍性和特殊性。普遍性和特殊性的关系是共性与个性、绝对性与相对性的关系,既相互联系又相互区别,普遍性存在于特殊性之中,特殊性之中包含着普遍性。有机化学中的马尔科夫尼可夫规则:不对称烯烃与卤化氢发生加成时,氢原子将加在含氢较多的碳原子上,这是一个普遍适用的规律;但当分子中存在较强的吸电子基团时,则情况恰恰相反,这是马尔科夫尼
可夫规则的一个特例,具有特殊性。
二、关于辩证法的实证研究
本研究的对象为北京市某普通中学的高二年级学生,测试卷共发放188份,回收有效测试卷为172份,有效率约为91.2%。测试卷包含四道大题,共含有14道小题,涵盖了对氧化还原反应、化学键、氢氧化铝等内容的考查。选择这三部分内容的主要原因:首先,这三部分内容均为高中化学学习的重要内容,分别代表了化学反应的原理、化学物质的构成、元素及其化合物这三大知识内容;其次,三者蕴含的规律也与辩证唯物主义的原理规律高度相近。
考查的层面分为三个层次:下位的知识习得层面(即是否能掌握具体的化学知识)、中位的原理解释层面(即能否用辩证法解释相关化学知识)和上位的思维抽象层面(即能否从大量的化学案例抽象出上位的哲学观点)。数据统计采用 Excel软件进行分析。
1.下位的知识习得层面:大部分学生“知道”大部分知识
(1)氧化还原反应。氧化还原反应的基础知识包含书写氧化还原反应的方程式(双线桥表示),判断氧化剂、还原剂,判断氧化产物、还原产物,氧化反应和还原反应的同时发生等具体知识。
测试题呈现及结果分析:请你写出过氧化钠和水反应的化学方程式,并用双线桥表示,同时回答以下问题:请指出氧化剂和还原剂;请指出氧化产物和还原产物;同一个反应中,判断氧化反应和还原反应的发生顺序。
表1 氧化还原知识习得情况
题目内容 正确率/%
书写方程式 89.53
判断氧化剂、还原剂 96.51
判断产物 80.23
判断发生顺序 63.95
从知识习得层面分析(如表1所示),学生对氧化还原反应的基础知识掌握较好。其中,氧化还原反应方程式的书写(双线桥表示)、氧化剂、还原剂、氧化产物、还原
产物的判断,正 确 率 均 可 达 到80%以上,说 明 学 生 对 氧化 还 原 反 应 的 基 础 知 识 掌 握 得 较 为 扎 实。 发 现 有36.05%学生认为氧化还原反应中先发生失电子的氧化反应,再发生得电子的还原反应。其实不然,过氧化钠与水反应,氧化和还原过程发生的过氧化钠与水的界面上,失电子只是反应的引发,电子的传输速度极快,飞秒级单位,失电子、得电子几乎同时发生,故氧化还原反应同时发生。通过数据分析和访谈,发现在学习氧化还原的知识时,教师注重化学方程式的书写,对于双线桥的表示有所忽略;学生在氧化产物、还原产物的判断上存在问题,也说明了学生对于发生氧化反应得到氧化产物、发生还原反应得到还原产物这个原理不清楚,大部分学生是从“氧化还原口诀”来推导氧化产物
和还原产物的,而非从得失电子的本质出发。
(2)化学键。化学键的基础知识考查包含了对离子键和共价键概念的考查,以及对常见物质含有的化学键类型进行判断。测试题呈现及结果分析:
请你写出“共价键”和“离子键”的本质,并回答以下问题。
判断下列一组物质含有哪些化学键(简单):
CO2 ;CH4 ;N2 ;NH4Cl 。
判断下列一组物质含有哪些化学键(提升):
Na2O ;AlCl3 ;MgCl2 ;Al2(SO4)3 。
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表2 化学键知识习得情况
题目内容 正确率/%
概念 65.12
判断化学键(简单组) 76.74
判断化学键(提升组) 19.77
从知识习得层面分析(如表2所示),学生对于化学键的本质概念表达得并不准确,有接近一半的学生不能准确阐述化学键的概念。学生对于常见的简单化合物,能够判断含有的化学键类型,但是对于稍复杂的物质,学生便不能判断其化学键的类型。比如对于 NH4Cl,AlCl3和 Al2(SO4)3这三者含有的化学键类型判断不 够 准 确。其 中,前两者是教师在教学中明确强调过的,NH4Cl中既含有(极性)共价键,又含有离子键;AlCl3中只含有(极性)共价键。对于 Al2(SO4)3,学生比较陌生,不能判断出其中既含有(极性)共价键,又含有离子键。学生对于化合物所含有的化学键类型不熟悉,通过访谈发现原因主要是在学习典型化合物含有的化学键的过程中,只是依靠记忆来解决问题,并没有真正理解什么样的化合物应该具有什么类型的化学键,没有清楚地认识到形成不同类型化学键的原因。所以学生只知其然,而不知其所以然,对于陌生的化合物就无从下手、不会分析。
(3)氢氧化铝。氢氧化铝的基础知识习题包含对氢氧化铝的两性的考查,以及对氢氧化铝与酸、碱反应的离子方程式的书写的考查。
测试题呈现及结果分析:
请你写出氢氧化铝与酸、碱反应的离子方程式,并回答问题:
氢氧化铝是什么类型的氢氧化物?写出原因(方程式表达)。
表3 氢氧化铝知识习得情况
题目内容 正确率/%
离子方程式 100
氢氧化铝类型 81.40
呈两性的原因 96.51
从知识习得层面分析(如表3所示),学生对于氢氧化铝的基础知识掌握得较为扎实,几乎所有的学生都能够准确写出氢氧化铝与酸、碱反应的离子方程式,绝大部分学生能够清楚地认识氢氧化铝的两性以及呈两性的原因。分析学生测试卷上的答案,发现有约16%的学生回答的是中性/双性氢氧化物,可以看出学生理解氢氧化铝既能与酸、又能与碱反应的性质,但是在概念表达的时候欠缺准确度。学生对于氢氧化铝具有两性这个性质并不陌生,但是,出现的“中性”“双性”等不精准的表达,可能是受到酸性、中性、碱性等知
识的影响,或者是受到生活经验的影响。
2.中位的原理解释层面:大部分学生不能“解释”大部分知识
(1)氧化还原。氧化还原相关的原理解释的习题主要考查学生的解释说明能力、能否从电子的角度认识氧化还原的发生。测试题呈现及结果分析:
请指出氧化剂和还原剂,并说明为什么;
请指出氧化产物和还原产物,并说明为什么;
同一个反应中,氧化反应和还原反应的发生顺序是什么?为什么?
表4 对氧化还原的解释情况
题目内容 正确率/%
解释氧化剂、还原剂 59.30
解释产物 37.21
解释发生顺序 26.74
数据分析如表4所示。通过数据分 析,发 现 大 部 分学生缺乏解释说明的能力,不知道如何为自己的判断找到理论依据。多数学生的答案呈现空白,不能找到解释说明的入手点,没有意识到电子的转移是氧化还原反应的关键依据。从学生的理论解释中,看不到学生对于氧化还原理论的哲学高度的思考。
(2)化学键。化学键部分的解释说明类题目,考查学生对化学键判断方法或规律的总结,以及学生对于离子键和共价键这两种不同类型的化学键的本质的理解。
测试题呈现及结果分析:
判断下列物质的化学键(简单组):你发现什么规律?
判断下列物质的化学键(提升组):你发现什么规律?
你觉得“共价键”和“离子键”的本质差异是什么(为什么提出这样两个概念)。
通过分析发现(如表5所示),学生对于物质化学键的判断规律总结得效果不好,大部分学生不会总结规律,部分学生规律总结得较为空泛,极少数学生能够具体总结。对于离子键和共价键的本质差异的理解,一半左右的学生能从联系的角度出发,分析两类化学键的区别和关系,仅仅有5.81%的学生能从质量互变角度分析两种化学键之间的电子转移程度的差异以及电负性之间的量变质变关系。
表5 对化学键的解释情况
题目内容 答案层次 正确率/%
(简单组)规律 规律浅显 29.07
规律准确详细 7.00
(提升组)规律 规律浅显 34.88
规律准确详细 5.81
两种键的本质差异 联系角度 54.65
质量互变角度 5.81
(3)氢氧化铝。氢氧化铝这部分解释说明类的题目,考查对于同一周期的元素,其最高价氧化物对
应水化物的酸碱性的判断和理解。
测试题呈现及结果分析:
判断氢氧化钠、氢氧化镁、氢氧化铝、硅酸、磷酸中哪些能与酸反应,哪些能与碱反应?并且请你解释原因(提示:元素周期律)。
通过对测试题的分析(如表6所示),发现学生可以判断出题干中的物质从左往右有一个递变规律,和元素周期性相关,学生可以回答氢氧化钠、氢氧化镁与酸反应,氢氧化铝与酸、碱都反应,硅酸、磷酸与碱反应。但是之所以正确率低,是因为学生忽略或者不清楚硅酸以及其他两性氢氧化物也是既能与酸又能与碱反应的。
表6 对氢氧化铝的解释情况
题目内容 答案层次 正确率/%
物质与酸碱反应 正确 1.20
原因解释 联系角度 11.63
质量互变角度 15.12
学生给出的解释也是从两个角度出发的:联系的角度,阐述物质与酸、碱反应的性质与元素周期性相关,有 11.63%;质 量 互 变 的 角 度,从 位 置 角 度 结 合 元 素 周 期 律 详 细 地 解 释 性 质 的 递 变 规 律,有15.12%;其他均为没有作答或者不相干答案
3.上位的思维抽象层面:极少学生能站在哲学的高度进行化学学习
(1)氧化还原。化学中氧化还原反应的本质与辩证法中对立统一观念关系紧密。通过对立统一的观点看氧化还原反应,可以发现氧化和还原反应,虽然在得失电子、化合价升降的方面是对立的过程,但是氧化反应和还原反应必须同时发生,电子得失一致,化合价升降一致,形成统一过程。测试题呈现及结果分析:你觉得氧化反应与还原反应、氧化剂与还原剂、氧化产物与还原产物、得电子与失电子,这些概念蕴含什么道理?(请用你的语言表达)通过数据分析发现(如表7所示),学生对于氧化还原体现出来的道理的理解可以分为两个哲学角
度:一是运用联系的思维角度认识氧化还原,这类学生将氧化还原区分为两条单线:氧化剂—得电子—化合价下降—发生还原反应—得到还原产物,还原剂—失电子—化合价上升—发生氧化反应—得到氧化产物,并且能够阐述清楚氧化反应和还原反应的一连串问题以及它们之间的区别,约有29%的学生;
二是运用对立统一的观点认识氧化还原反应,这类学生能够认识到氧化和还原反应,虽然在得失电子、化合价升降的方面是对立的过程,但是氧化反应和还原反应必须同时发生,电子得失一致,化合价升降一致,这类学生有3.49%。
表7 对氧化还原的思维抽象情况
题目内容 答案层次 正确率/%
氧化还原蕴含的道理 联系的角度 29.07
对立统一角度 3.49
从联系的角度归纳氧化还原的学生,还只是从知识角度,找到概念、原理之间的关系,没有跳出知识框架站在哲学思辨的角度审视氧化还原的原理本质。从对立统一角度分析氧化还原的学生,能够将学科思想与哲学思维结合,具有哲学思辨的高度。
(2)化学键。化学键的相关知识内容主要体现辩证法中的质量互变规律,表现在电子的偏移程度和电负性的递变。非极性共价键,由共用电子形成且由于电子对没有偏移,所以电负性等于0;极性共价键,也是由共用电子对形成但是电子对有所偏移,所以电负性大于0,小于1.7。离子键,有电子得失,电负性大于1.7。因此从非极性共价键—极性共价键—离子键,有电子偏移程度和电负性的递变规律,量的不断积累,引发实质性改变。测试题呈现及结果分析:你觉得“离子键”和“共价键”之间蕴含着什么道理?(请用你的语言表达)
通过数据统计(如表8所示),发现学生主要从三个角度论述化学键中蕴含的道理:其一是联系的角度,能够归纳离子键和共价键都是电子相互作用的联系,以及概念上的区别,占24.2%;其二是对立统一的观念,认为无论是电子的共用还是得失,其作用达到稳定才能形成化学键,约有3.40%的学生;其三是质量互变的角度,能够分析出共价键与离子键之间存在电子偏移程度和电负性大小的递变和突变的规律,占4.65%左右。
表8 对化学键的思维抽象情况
题目内容 答案层次 正确率/%
联系角度 24.42
化学键蕴含的道理 对立统一角度 3.40
质量互变角度 4.65
从前两个角度归纳化学键理论中蕴含的道理,只能从浅层分析出离子键和共价键的区别和关联,不能剖析化学键中离子键和共价键的本质区别,只有质量互变的角度,才能理解电负性是两者递变的根本原因,才表征具有哲学思辨的角度透视化学知识的能力。
(3)氢氧化铝。氢氧化铝能够与酸、碱反应的性质体现了辩证法中的对立统一观念和质量互变观念。酸可以与碱反应,碱可以与酸反应,氢氧化铝属于两性氢氧化物,同时兼具酸碱的性质,既能与酸、又能与碱反应,将两种对立的性质集于一身;其次,从元素周期表来看,同一周期从左往右,由于最外层
电子数的变化,使得元素和物质的性质具有递变规律,最高价氧化物对应的水化物由碱向酸变化,量变引发质变。铝元素处于较中间的位置,所以其氢氧化物具有两性。测试题呈现及结果分析:
你觉得氢氧化铝与酸、碱反应及原因,蕴含着什么道理?(请用你的语言表达)分析发现(如表9所示),学生从三个角度论述氢氧化铝中蕴含的道理,联系的角度主要是简单说明
与元素周期律有关,并没有进行详细阐述,占4.65%;12.79%的学生从对立统一的角度认识了氢氧化铝的两性;质量互变的角度,能够阐明周期表中位置变化与物质性质的变化关系,以及量变质变的思想,约4.65%。只有从对立统一和质量互变的角度把握氢氧化铝的两性,才具有高位的辩证主义哲学思维。
表9 对氢氧化铝的思维抽象情况
题目内容 答案层次 正确率/%
联系角度 4.65
氢氧化铝蕴含的道理 对立统一角度 12.79
质量互变角度 4.65
4.三个层面学生掌握情况的总体分析:知识习得>原理解释>思维抽象图2 学生在三个层面上的化学学习情况从下位的知识习得层面、中位的原理解释层面和上
位的思维抽象层面对氧化还原、化学键、氢氧化铝三个内容的正确率分别进行统计(如图2所示)。由图2可以清晰地看到,总体趋势是下位的知识习得层面的正确率高于中位的原理解释层面正确率,而思维抽象层面的正确率最低。说明大部分学生能够习得知识,运用知识解答一般的问题,但是深入知识背后解释原理的能力有待提高,最为欠缺的是跳出固有的知识层面,从上位角度总结归纳化学知识中的哲学思维。表明学生学习较为机械、被动,将知识作为固定的一成不变的内容进行记忆,缺乏对知识的深度解构和建构,大部分学生不能思考知识背后形成的原因,因此对其进行上位的哲学抽象就变得遥不可及了。
三、化学教学中进行唯物辩证法教育的建议
1.教师应该提升自己的化学哲学素养
化学哲学是研究和探讨化学中的哲学问题的学科,是以化学科学中具有世界观和方法论意义的一般理论问题为研究对象,以化学哲学的本体论、认识论和方法论为主要研究领域。教师的化学哲学素养是指将化学实验、化学知识、化学原理等作为研究对象,通过体验知识获得的过程、探讨学科知识的本质、思考相关知识之间的联系等,逐渐从化学中抽离出一般的认识论和方法论,并且能够付诸实践,即有能力在教学中引导学生站在哲学的高度进行化学学习。通过对众多一线化学教师的访谈,发现大部分教师不会关注自身的化学哲学素养,只有极少教师会采
取一些行动去提升自身的化学哲学素养,比如阅读和思考科学哲学、科学史方面的问题。笔者认为,提升化学哲学素养,教师应当通过教材分析和文献阅读,了解化学知识、原理与辩证唯物主义哲学的关联;还应丰富自身对化学史的认知,以唯物主义和辩证法观点,从源头和过程体会化学“否定之否定”的历史发展;还需对教学实践作深入的反思(如何将化学哲学渗透到教学过程中,如何培养学生的化学哲学素养等)。
2.教师要引导学生思考知识背后的本质原理
正如上文的数据显示,学生知识方面的正确率远远大于对知识的解释。有研究表明,不同学业水平的学生对化学的掌握存在很大差异,成绩优异者往往通过知识背后原理的本质把握,能够将化学知识进行结构化。[2]而大部分学生往往见山是山、见水是水,不清楚知识之间的关联,头脑中充斥着杂乱无杂的众多知识点,使得学生访谈时表示“化学太烦,需要记的东西太多”。这与我们的教学方式有莫大的关系,大多教师越俎代庖梳理知识点,学生照抄笔记,沉溺于题海战术,因而导致学生缺乏独立的思考。我们应鼓励学生主动思考,引导学生将多而杂的化学知识点结构化。例如请学生判断“钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯气等单质能否与氢氧化钠反应,并且给出理由”时,大部分学生可以回答出钠、镁与水反应,后边的单质都可以与氢氧化钠反应,部分学生能意识到从铝到氯气,越来越容易与氢氧化钠反应,但是能够从周期性变化的角度解释清楚原理的学生寥寥无几。这就要求教师在教学过程中,不但要给学生传授知识,更要引导学生思考和探究知识背后的本质原理。教师可以在平常的教学活动中引导学生运用类比、分类、归纳、演绎或建构模型的方法,探究知识的本质,同时训练学生的思维方式,提升学生的形象思维力、逻辑思维力、抽象思维力以及综合性的创造思维力。[3]
3.教师要引导学生将化学学科理论抽象上升为一般的辩证法
辩证主义哲学的核心观点有对立统一、质量互变和否定之否定等。化学教学中的辩证法教育,有助于学生理解事物之间是普遍联系、相互影响、相互作用的,同时又是对立统一的(如某些物质既有氧化性又有还原性,某些化学键既有离子性又有共价性,化学平衡更是对立统一的典范等);还能让学生知道化学反应中量的变化会引起质变,了解“定量”对于实验及学科本质的重要性,主动建构“定量”概念,逐渐形成“定量”的科学思维和习惯等。[4]辩证法认为事物都有肯定和否定两个方面,事物的发展都必须经历“肯定—否定—否定之否定”的过程,化学史的曲折发展也充分体现了这一规律。例如在进行原子结构的教学时,教师可以通过呈现一系列的化学史料:1808年道尔顿提出“原子不可再分”的观点;1897年汤姆逊发现了电子,否定了道尔观念;1911年和1913年卢瑟福和玻尔分别提出原子结构的相关模型和理论;1926年薛定谔又以量力学为基石,探究更科学的原子模型等等。引导学生体会原子结构探索历程的艰辛曲折,体会“肯定—否定—否定之否定”让理论逼近真实的过程,构建将化学与哲学紧密相连的自动链接。
[参 考 文 献]
[1]马克思恩格斯选集:第3卷[M].北京:人民出版社,1972:487-548.
[2]吴晗清.化学知识结构与学业成绩关联的实证研究[J].中国教育学刊,2014(3):67-70.
[3]吴晗清.化学问题解决中的科学方法教育[J].化学教育,2011(3):3-5.
[4]吴晗清.化学教育价值及其实现[J].教育理论与实践,2014(2):53-55.
[责任编辑:陈学涛]
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