化学学科核心素养的学科溯源：化学史的视角

2020-12-07宗国庆

化学教学 2020年11期

宗国庆

摘要：通过近代以来化学发展历程的考察，探寻影响其发展的四类关键性知识：化学研究范式型知识、化学研究对象型知识、化学研究方法型知识与化学研究精神型知识。此四类知识奠定了化学教育的学科知识与经验基础，是化学学科核心素养的关键性与基础性来源，并限定了化学学科核心素养的内容范围与作用载体，与化学学科核心素养具有一种对应关系。

关键词：化学学科核心素养; 学科溯源; 化学史; 学科知识

文章编号： 1005-6629（2020）11-0003-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

2018年新修订高中化学课程标准的颁布，标志着我国化学教育已进入学科核心素养时代[1]。课程标准的理解是其实施前提。通过近代以来化学发展历程的考察，探寻出影响其发展的关键性知识。从而阐明化学学科核心素养的学科来源，为推进新修订化学课程标准的理解与实施提供裨益。主要分为三大部分，化学史的考察、从考察结果中提取的四类化学学科知识及其与化学学科核心素养的对应关系。

1 化学史的考察

1.1 16世纪：近代化学诞生前夜——炼金术的实用化转向

化学伴随人类生产生活实践的需要产生与发展，它与人类文明进程同步。直至17世纪化学才赢得一门独立科学的地位[2]。而这种独立地位的赢得是脱胎于炼金术的必然结果。古希腊炼金术士们一直致力于寻求长生不老与点石成金的物质——“哲人之石”，他们那充满神秘与隐喻色彩的术语、符号与理论阐述方式使得炼金术体系混乱与模糊不堪，以至于骗子横行，使其声名狼藉。历经千年的失败后，炼金术士们不再寻求贵贱金属转变的炼金方法，而只关心如何达成某种现实目的（如寻找某种医术与医药、寻找某种采矿的方法、器械和试剂等）[3]。这种思潮对古老的炼金术冲击巨大，使之发生了实用化范式转向。“炼金术一词具有比过去广泛得多的含义，它可以表示加工天然原料使之适用新要求的任何过程，其首要目的在于制取药物。”医药化学始祖——帕拉塞尔苏斯（P.A. Paracelsus， 1493～1541）就持这种观点[4]。更为重要的是这种实用化范式转向广泛渗透于炼金术的研究内容（医药化学与冶金化学）、研究方法（实地调查与实验）与研究精神（宗教性的创新精神）中。但这种紧密联系医药、冶金且过于注重实验方法而忽略化学理论研究的研究范式，随着时间的推移，越发遭人诟病，当时的自然哲学家常常轻蔑地称化学家是“被浓烟熏得漆黑的经验主义者”。由于缺乏合理的理论体系，大量零散的化学知识无法被人把握，导致化学尚未确立为一门独立的学科。至17世纪中叶后，炼金术的实用化范式逐渐为清教主义的宏观化与日常经验化——即科学研究中，通过研究对象的宏观化与日常经验化范式、研究方法（主要为实验方法）愈加显要化，研究思想机械论自然观化，造福社会以达至颂扬与彰显上帝荣耀。如此，化学面貌方得以改观，逐渐确立为一门科学。

研究对象的宏观化与日常经验化范式表现为愈加关注现实生活，广泛研究当时英国社会在煤矿、交通运输与军事、纺织等方面的诸多问题。研究方法的宏观化与日常经验化范式表现为实验方法的愈加显要化。实验方法是清教徒注重实际、积极活跃、有条有理的倾向在化学方法上的表现。清教精神本身就是实验方法的来源之一。它将思辨视为游手好闲，把体能消耗、对物质客体的处置视为勤劳与刻苦[5]。“主动的实验方法体现着一切经过拣选的德行而摈弃一切有害的恶习。它代表着对那种传统上跟天主教联系在一起的亚里士多德主义的一种反叛;它用主动的操作取代被动的默思……”[6]。

而将自然界视为上帝伟大作品的机械论自然观则是清教主义的宏观化与日常经验化自然观的典型代表。波义耳是持该自然观的代表性人物。“用机械论观点解释自然界，用这种方法研究化学，对各种化学反应进行机械论的描述……用与一架机器对比的方式来说明各种物质的作用，尤其是要把世界看作是‘一座巨大的时钟”[7]。

清教主义的宏观化与日常经验化范式于诸研究面向的渗透与展开显示出宗教与科学的一种交互关系。这种交互促进了科学的有效普及，也促使科学作为一项事业与职业广为社会大众接受与认可：正是由于研究内容与研究方法贴近日常经验，虽稍显粗糙、浅薄，然却可为专业训练人员掌握，亦可为未受专业训练的人员理解。当其再与新教伦理相互结合时，科学作为一项社会尊敬的事业就被广泛接受与认可了[8]！

1.2 17世纪下半叶—18世纪下半叶：燃素说的危机

这种清教主义的宏观化与日常经验化的显著表现即对燃烧现象的关注。至17世纪中叶后，金属的冶炼、煅烧及其他高温反应都迫切需要对燃烧现象从理论上给出解释，所以，建立燃烧理论已成为整个化学发展的中心课题。

波义耳和同时代人积累了关于燃烧过程的浩瀚实验资料，完成了对燃烧现象研究的前半部分工作，而其后半部分工作——对燃烧现象的解释则由系统性与连贯性的燃素学说完成。与此同时，在气体研究领域以布莱克（Joseph Black， 1728～1799）为首的诸多化学家（如贝克托莱、拉瓦锡等）发现的很多实验现象均无法以燃素说加以合理、清晰的解释，如金属灰重于未经焙燒的金属[9]，这便暴露出燃素说的定量维度缺失[10]。拉瓦锡对燃素说这种含糊解释给予了最为猛烈的抨击。他以高超的实验技巧、精密的定量分析以及系统的理论抽象构建出替代燃素说的新理论——氧化学说与质量守恒定律，使近代化学踏上了定量化革命道路。其中之一即对化学命名系统的革新。他认识到，语言是推理所必须的工具，混乱、矛盾、怪异的化学术语会导致虚妄的观念。所以，与定量方法相匹配的是，必须明确化学元素概念，必须提出系统一致而又清晰合理的化学物质命名方法。于是，拉瓦锡和他的同时代人做出了良好表率，为现代化学命名机制发展提供了坚实基础[11]。

1.3 18世纪下半叶—19世纪末：原子—分子学说

自拉瓦锡以来，人们逐渐认识到定量方法的重要意义，竭力在化学中引入数学方法，得到了大量化学计量定律（如当量定律）。如何从化学原理上解释化学变化中物质重量之间的规律性关系，就成为19世纪化学科学的中心课题。这便是道尔顿原子学说提出的历史背景。

对于原子质量的强调，是道尔顿原子学说超越古希腊原子学说的最为显著之处。道尔顿发扬了自拉瓦锡以来优良的化学定量研究传统，系统测定了当时已知的20种普通元素的原子量。并使其与实验事实密切相联，提出元素及其构成的化合物符号表示系统[12]，他对化学变化过程中元素化合的规律给予了简单而明确的说明[13]，为以后化学家定量探索化学变化规律提供了依据。

该学说首次将化学研究的基本问题——物质的组成、结构与变化统一起来[14]。并逐渐从研究物质组成过渡到研究物质结构，进而研究化学反应规律，直到如今深入原子内部，以电子运动规律为基础，研究分子结构和化学反应机理[15]。尤为重要的是，它阐明了化学变化的统一理论基础，向人们表明了宏观世界与微观世界的紧密关联，且这种关联能够从微观物质结构进行探析，从而大大深化了人们的化学思想认识，为19世纪的化学思想发展提供了坚实基点[16]。

阿伏伽德罗分子学说是为扩展道尔顿原子论的实验解释效力而提出（如气体反应体积定律的解释），经过19世纪后半叶的发展，原子—分子论已经作为一个整体理论，进一步巩固和拓展了化学家的物质观基础及其应用效果[17]。这种拓展了的物质观基础在有机化学领域得到极大体现。化学家们知道了化合物中即使组分相同，若原子排列（即微观结构）不同，其性质亦迥异。通过系统研究有机化合物分子结构，即研究构成分子的原子或原子团的排列与结合规律（同分异构学说、基团学说、原子链学说、同系列学说、类型学说、立体结构学说等）[18]，有机合成得以可能，有机化学大厦得以建立。从而进一步揭示出宏观现象和性质与微观结构的普遍联系，这种普遍联系广泛存在于有机化学与无机化学两个领域。

化学发展走向对微观结构的探析，促使模型法、类比和想象思维的应运而生。通过与类比思维和想象思维的紧密联系，相应模型得以建立，从而将较为微观、复杂、抽象、模糊的关系宏观化、简洁化、具体化与明晰化。卢瑟福在建立他的原子结构模型时，将原子结构与太阳系结构类比，通过知识的深入分析，在发挥丰富想象与联想基础上，得出他的原子结构模型。这种方法包含非理性与非线性思维成分，正是这种非理性，使化学科学具有了无限创造性。“不管我们日常生活世界走开多么远，抽象也不能通过它本身起作用，必须伴之以直觉或想象”[19]。

1.4 19世纪末以来：现代化学的建立

19世纪末，放射性、X射线、电子的发现，使得近代化学家（如道尔顿、门捷列夫等）信奉的“原子不可分”的信仰被打破，一个个原子结构模型（如汤姆逊模型、卢瑟福模型、玻尔模型、量子力学模型等）的建立，使人们对由原子及分子构成的聚集体参与的化学反应有了更为本质的认识，建立了如价键理论、分子轨道理论等理论模型，开拓了纳米化学、超分子化学等诸多新研究领域。理论在化学发展中所发挥的作用愈加显著，逐渐中和了自近代以来化学的“经验主义”色彩，改变了化学科学的性质，使其“在非经验化的大道上大踏步前进”[20]。而這明显的表现即化学与数学关系更加密切了。从以初等数学为主要数学方法的近代化学发展至以拓扑学、图论、群论等高等数学为主要数学方法的现代化学[21]。“化学是一门以实验为基础的科学”的观念，即便不算过时，也应该加以适当修正——“化学是一门实验与理论互相推动、并驾齐驱的科学”[22]。亦是从这时期始，各种技术（如激光技术、微波技术、分子束、电子计算机等）的不断兴起与发展，使得传统实验技术在移植上述技术的基础上，面貌焕然一新[23]。由重实验描述转至重实验推理。开始更加关注实验问题、假设与化学理论间的因果解释，注重收集相关证据（包括实验现象、实验数据、实验结果与其他化学理论）论证（包括证实或证伪）相关理论。这种基于证据的推理很明显是一种重要的研究方法与思维方法，与模型法、类比法、想象法、（现代）数学法一样，都是自19世纪末化学微观化、理论化转向后所广泛应用的方法。

现代化学所蕴含的科学精神已与16、17世纪浓烈的新教主义完全不同。随着科学的发展，“科学观念被实证地简化为纯粹事实的科学”，“现代人让自己的整个世界观受实证科学支配，并迷惑于实证科学所造成的‘繁荣……现代人漫不经心地抹去了那些对于真正的人来说至关重要的问题。只见事实的科学造成了只见事实的人”[24]。公众的价值判断必然出现转变，两次世界战争中科学所带来的灾难即为例证。科学不仅丧失了生活意义更丧失了哲学意义，即丧失了对人类生存意义和命运的纯粹理性思考[25]。应该扩展科学的哲学向度，即科学不应仅专注于自然现象与规律的探求，亦应培养与弘扬所蕴含的科学精神、科学态度与科学责任，从而使得人类能理性地生存、生长与生活。这既是科学的本真内涵——科学是一种获得力量的活动，即知情意行的系统活动（包括科学知识、科学精神、科学态度与科学责任）。亦是科学的时代使命需要——通过知识的探索以弘扬科学精神、科学态度与科学责任，从而改变当前科学的公众刻板印象（如科学家的刻板印象：科学家都是某一方面的天才但却是日常生活的低能儿[26];科学活动的刻板印象：科学发现是完全纯粹的理性过程等;科学价值的刻板印象：负面价值远多于其正面价值）。这种对科学内涵的本真理解及时代使命的践行是响彻在那璀璨的化学星河（波义耳、拉瓦锡、道尔顿、鲍林、福井谦一……）中的永恒旋律……

2 化学史考察结果与四类化学学科知识

2.1 考察结果

透过这些生动的历史画面，可以发现某一时代的化学研究对象、研究方法与研究精神皆与该时代的化学研究范式相匹配：近代化学批判继承了16世纪炼金术的实用化范式，具有一种清教主义的宏观化与经验化范式，广泛渗透在它的研究内容、研究方法与研究精神中;在燃素说（促进了化学的定量化与理论化发展进程）与原子—分子学说（促进了化学微观化、理论化发展进程）的过渡下，走向了现代化学。现代化学以微观化、理论化为其范式，匹配相应的研究内容、方法与精神（如表1所示）。

近代化学现代化学

研究范式清教主义的宏观化与日常经验化微观化、理论化

研究对象宏观与经验性物质组成与变化，对物质结构的探索深入到原子内部更加注重从微观上研究三者的统一性。从研究物质的组成过渡到研究物质的结构，进而研究化学反应的规律性，直到如今深入到原子内部，以其内部电子运动规律为基础，研究分子结构和化学反应机理。组成、结构与变化仍然是化学研究的基本问题

研究方法重描述的实验法模型法、类比、想象、数学法、证据推理应运而生且广泛运用。

实验法由重描述转至重推理。开始更加关注实验问题、假设与化学理论间的因果解释，收集相关证据（包括实验现象、实验数据、实验结果与其他化学理论）论证（包括证实或证伪）相关理论

研究精神颂扬与荣耀上帝的清教主义宗教精神科学精神、科学态度与科学责任的弘扬

注：在燃素说（促进了化学的定量化与理论化发展进程）与原子—分子学说（促进了化学微观化、理论化发展进程）的过渡下，近代化学方才走向了现代化学。

2.2 四类化学学科知识

通过考察近代以来的化学发展历程，我们得到了化学学科发展的四类关键知识：研究范式型知识、研究对象型知识、研究方法型知识与研究精神型知识。其内涵分别列于表2中。四类化学学科知识是化学学科核心素养的载体来源。

3 化学学科核心素养与化学学科知识关系

化学学科核心素养作为一种课程目标范畴，其来源至少应包含化学学科、历史、政治、社会与学生等五个方面。虽然化学学科核心素养是五种目标来源共同作用的结果，不能将化学学科要素单纯等同于化学学科核心素养，但本文通过化学史的考察而得出的四类化学学科知识，却是其关键性来源，该来源是其余四类来源的基础与载体，它限定了化学学科核心素养的内容范围。我们将化学学科核心素养与四类化学学科知识的对应关系及其对应项列于表3，以更好理解化学学科要素作为化学学科核心素养的关键性来源的意义。

至此，我们通过考察化学自近代诞生以来，其研究范式、研究对象、研究方法与研究精神所走过的发展历程，阐明了化学学科核心素养的学科来源。类似地，亦可对化学学科核心素养的历史、政治、社会与学生等来源进行追溯。以此，方能对2017年版新修订高中化学课程标准形成全面而深刻的理解与认识，从而为更好地实施课程提供扫清认知迷雾。希冀会有更多的研究者投入到这场化学学科核心素养溯源研究中来！

参考文献：

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