化学符号中的科学思维

2014-07-31张一览

化学教与学 2014年7期

关键词：科学思维

张一览

摘要：文章从卡西尔的文化符号学原理出发，通过对化学符号的教学实例分析，探寻其在“宏观—符号—微观”的“三重表征”中的文化意义，形成科学思维。

关键词：化学符号；三重表征；科学思维；文化符号学

文章编号：1008-0546（2014）07-0027-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.07.009

一、理论基础

德国著名的哲学家恩内斯特·卡西尔在将符号学理论和方法应用于人类文化领域的研究时涉及到了大量的人类文化现象，从而建立了一个独特的符号形式哲学和人类文化哲学体系。卡西尔所研究的文化符号学理论将知识文化的本性从符号学的角度进行阐述。符号所构建的意义世界，既包含外在于人类意识生命的物理世界又包含内在于人的精神与心理世界。在特定关系中符号承担着某种功能，并且产生一定的意义，起到媒介作用。符号的内涵不仅在于它是一种客观存在，更重要的是它们能在关系系统中编织意义，并且承担起某种功能。

化学符号是一种国际上规定的运用于化学领域的科学符号，用它可以表示化学物质的结构、组成以及化学变化的过程。它将丰富的化学内涵以简单直观的形式表达出来，是化学学习和化学科学研究特有的语言。从卡西尔的文化符号学理论视角来看，化学符号不仅仅是中学化学知识重要的组成部分，也是学生学习化学事实的表征形式之一，更是学生将化学知识内化为化学观念的重要媒介，它有着知识性和工具性的高度统一。正是因为化学符号承担着有这样的功能，学生在解决化学问题时可以运用化学符号提取化学知识、转换化学信息，甚至进行化学符号组合或转换等一系列思维活动。可以说，化学符号是化学科学思维的载体，化学符号的运用体现了学习者的科学思维能力。

科学思维是人的意识掌握客观事物的高级形式，是通过归纳、演绎、分析和综合的方法形成的合乎逻辑的理论体系。科学思维形成的重要载体之一是科学概念，而化学概念教学的重要方法之一是“三重表征”。化学学科的内容包括三大领域：可观察的宏观世界，分子原子离子等微粒构成的微观世界以及由化学用语组成的符号世界。在“宏观——符号——微观”的“三重表征”中，学生通过化学符号的表征和转换，不仅在头脑中建立起新的化学概念，而且形成归纳、演绎、分析和综合等的科学思维。它们之间的关系可以用下图1表示：

科学思维的形成，正是化学符号在化学教学系统中编织的意义所在。因此，在教学实践中如何让化学符号更好地承担起学科思维形成的功能是化学教学工作者必须去思考的问题之一。

二、化学符号的教学实例分析

科学思维的形成包括归纳、演绎、分析和综合等方法的运用。归纳，是从个别中发现一般的思维方法和推理形式，即从个别事实中概括出一般原理；演绎，是从一般中发现个别的思维方法和推理形式，即用已知的一般原理考察某一特殊对象，推演出有关这个对象的结论；分析，是在思维中把认识对象分解为各个部分、方面、要素，对他们分别加以研究的思维方法；综合，是在思维中把认识对象的各个部分、方面、要素结合为一个统一整体的思维方法。

1. 化学符号在信息转换中的运用体现归纳、演绎能力

学生在解决化学问题时常常利用化学符号进行信息转换。这种转换包含两个层次，一是将文字信息转换成化学符号，另一层次是将一种化学符号转换成另一种化学符号。

在问题表征阶段，第一种形式的转换有利于学生快速将化学物质与其结构联系起来。在信息材料中出现文字形式的化学物质名称时，例如苯，学生会在头脑中呈现出它的三种形式：宏观映象，即对苯的物理性质等的外在认识；微观映象，即苯是由苯分子构成，每个苯分子由6个碳原子和6个氢原子组成；化学符号，即苯的化学式。在这三重表征的系统中，苯的化学式不仅将物质与其宏观现象紧密联系起来，还直观地揭示了苯的微观本质以及微粒间的数量关系。因此，这种高度概括和抽象的化学语言符号能帮助学生在微观和宏观之间建立起有效的联系，利用它的中介和桥梁作用，实现对问题的表征。归纳和演绎能力强的学生能灵活运用化学符号解决化学问题，而在运用化学符号解决问题的同时，学生的归纳和演绎能力又会得到进一步的加强。例如在苏教版高中化学选修《物质结构与基础》中讲到晶体的结构时，需要学生掌握各种晶体的构成微观结构，并且能根据化学式判断物质的晶体类型。例如下题所示：

下列化学式既能表示物质的组成，又能表示物质分子式的是（）

A. NH4NO3 B. SiO2 C. C2H4 D. Fe

要解决这个问题，学生必须理解两点：首先，化学式能表示物质构成微粒的个数关系，即比值，而分子式不仅能表示物质构成微粒的个数关系，而且能表示出构成物质微粒的真实组成，即数目；其次，分子晶体的构成微粒是分子，故其化学式是分子式，而离子晶体、原子晶体的构成微粒是离子和原子，金属晶体的构成微粒是金属离子和自由电子，故它们没有分子式，其化学式只表示构成微粒的个数关系，即最简比。熟练掌握这两点，就不难根据化学式的形式解决上述问题。因为C项中C2H4的原子个数没有约简，故它是分子式。要得出以上两点结论，在学习时可采用以下方式，具体过程如下表所示：

这种形式的转换在化学中是普遍存在的，例如在讲到离子方程式的书写时，教师可以让学生在学习过程中体会离子反应方程式的本质，从而形成分析、归纳等科学思维。具体过程见下图2。

2.在化学符号变换的模式识别策略中体现分析、综合能力

学生将问题表述中的文字信息转换为化学符号后，就使得它们在更高的层次上运用化学符号成为可能，这种运用的形式就是化学符号进行信息转换的另一种层次——将一种化学符号转换成另一种化学符号。例如，比较等物质的量的乙烯和乙醇充分燃烧的耗氧量大小时，学生利用化学式表征乙烯（C2H4）和乙醇（C2H6O）后，便能较为直观地发现两者分子组成的差别，即化学式间的关系，然后可以将乙醇的分子式C2H6O转化成C2H4（H2O）。转化成的乙醇的分子式C2H4（H2O）又表达给学生新的信息：乙醇C2H4（H2O）燃烧仅C2H4部分耗氧，而（H2O）部分不消耗氧气，因此，等物质的量的乙醇与乙烯的耗氧量相同。endprint

学生能顺利通过化学符号间的转化解决问题，首先必须在他的知识结构中清晰地存在化学符号变换的模式，然后依靠化学符号的转换进行推理分析。由于化学符号（如化学式）体现了物质构成元素之间的数量关系，这种化学符号间的转化推理实际上将数学计算简化，化学符号严格的语法规则是这种推理正确性的保证。化学符号变换的模式不仅体现了化学符号作为一种语言在科学思维中的优势，而且能帮助学生进一步完善知识结构中的符号系统，进而提高问题解决中的分析、综合能力。

符号学的“三元”学说揭示了“对象——符号——解释”三者间的关系（见图3），在化学符号系统中，可具体表现为“化学问题——化学符号系统——化学问题的解决”间的三元关系（见图4），而化学符号系统间的转化，充分体现了分析、综合等科学思维。

三、结论与思考

化学符号是化学学科不同于其他学科的一种独特的思维方式，学生通过化学符号的表征和转换提高科学思维能力，是化学符号在化学教学系统中编织的意义所在，这与卡西尔的文化符号学观点是相契合的。从本文的论述中可以得出以下结论：

1. 化学问题的解决过程就是不断利用化学符号转换进行归纳、演绎、分析和综合的过程。

化学符号系统与非化学符号系统间的转换，以及化学符号系统内部的转换将微观与宏观紧密联系。

2. 化学符号系统与非化学符号系统间的转换一般在问题表征阶段运用。

这种形式的转换是被使用较多的方式，它可以帮助学生在头脑中建立直观的微观结构映象。这种转换形式需要学生具备一定的归纳演绎能力。

3. 化学符号系统内部的转换是较高层次的符号转换，一般是建立在化学符号系统与非化学符号系统间转换的基础上。

即在用化学符号表征文字信息后，直接运用符号间的转换进行运算或解决化学问题。这种转换形式需要学生具备一定的分析综合能力。

4. 在“宏观—符号—微观”三重表征的过程中，需要学生具备一定的科学思维，而学生在运用化学符号进行表征的过程中，又有利于学生科学思维能力的提高。

参考文献

[1] 付勇.化学符号在中学生化学问题解决中的作用研究[J]. 化学教育，2007，（4）：26-28