化學教學中唯物辯證法教育的實證研究

化

[摘 要] 樹立辯證唯物主義的世界觀是化學教育的重要目標之一。將知識習得、原理解釋和思維抽象作為分析框架，以氧化還原、化學鍵、氫氧化鋁為例，對北京市普通高中的172名學生進行實證研究。結果表明：大部分學生「知道」大部分知識，但是不能對其「解釋」，只有極少學生能站在唯物辯證法的高度進行化學學習。基於此，建議教師應該提升自己的化學哲學素養，在教學中要引導學生思考知識背後的本質原理，從而將化學學科理論抽象為一般的辯證法。

[關鍵詞] 化學教學；辯證思維；對立統一；質量互變

圖1 化學與唯物辯證法

化學是自然科學的重要分支，在分子、原子層次上研究物質性質、組成、結構與變化規律等。從某種層面上講，辯證唯物主義(自然唯物主義)是化學學科的高度抽象，因而化學學科的知識體系、思想方法，均蘊含著很多辯證法原理。諸多化學概念、反應原理以及化學史的發展，都體現了對立與統一觀念、質量互變定律、否定之否定規律、聯繫和發展的特徵。《高中化學課程標準》中將形成辯證唯物主義的世界觀作為情感態度價值觀的目標之一，要求學生「樹立辯證唯物主義的世界觀，養成務實求真、勇於創新、積極實踐的科學態度，崇尚科學，反對迷信」，因此化學教學中的辯證法教育不僅可能，而且十分必要(兩者關係如圖1所示)。

物質第一性。辯證唯物主義強調世界是物質的，是客觀存在的，同時強調：實踐是檢驗真理的唯一標準。化學研究的也是客觀實在的物質的一門自然學科，包括物質的組成、物質的結構、物質的性質以及物質之間的轉化關係，化學也強調實驗事實才是揭示物質變化原理的真實可信的依據。

對立統一。對立統一規律是唯物辯證法最根本的規律，也是辯證法的核心。化學平衡中的正逆反應是對立統一的，正反應與逆反應反向進行，一定程度時達到動態平衡狀態。還有很多對立統一的概念：氧化和還原，酯化和水解，酸和鹼，化合與分解等等。

質量互變。唯物辯證法認為，事物的發展總是由量變到質變，質變又引起新的量變，量變是質變的必要準備，質變是量變的必然結果。恩格斯說過：「化學可以說是研究物體由於量的成分的變化而發生質變的科學。」[1]元素周期表中，同一周期從左往右核電荷數增加，電子層數不變，雖然最外層電子數增加，但依然是金屬性逐漸減弱，非金屬性增強，但是當最外層電子數增加到8的時候，性質突然變得很穩定，具有惰性。

普遍聯繫。辯證唯物主義強調，物質具有普遍性和特殊性。普遍性和特殊性的關係是共性與個性、絕對性與相對性的關係，既相互聯繫又相互區別，普遍性存在於特殊性之中，特殊性之中包含著普遍性。有機化學中的馬爾科夫尼可夫規則：不對稱烯烴與鹵化氫發生加成時，氫原子將加在含氫較多的碳原子上，這是一個普遍適用的規律；但當分子中存在較強的吸電子基團時，則情況恰恰相反，這是馬爾科夫尼可夫規則的一個特例，具有特殊性。

本研究的對象為北京市某普通中學的高二年級學生，測試卷共發放188份，回收有效測試卷為172份，有效率約為91.2%。

測試卷包含四道大題，共含有14道小題，涵蓋了對氧化還原反應、化學鍵、氫氧化鋁等內容的考查。選擇這三部分內容的主要原因：首先，這三部分內容均為高中化學學習的重要內容，分別代表了化學反應的原理、化學物質的構成、元素及其化合物這三大知識內容；其次，三者蘊含的規律也與辯證唯物主義的原理規律高度相近。

考查的層面分為三個層次：下位的知識習得層面(即是否能掌握具體的化學知識)、中位的原理解釋層面(即能否用辯證法解釋相關化學知識)和上位的思維抽象層面(即能否從大量的化學案例抽象出上位的哲學觀點)。

數據統計採用Excel軟體進行分析。

1.下位的知識習得層面：大部分學生「知道」大部分知識

(1) 氧化還原反應。氧化還原反應的基礎知識包含書寫氧化還原反應的方程式(雙線橋表示)，判斷氧化劑、還原劑，判斷氧化產物、還原產物，氧化反應和還原反應的同時發生等具體知識。

測試題呈現及結果分析：

請你寫出過氧化鈉和水反應的化學方程式，並用雙線橋表示，同時回答以下問題：

請指出氧化劑和還原劑；請指出氧化產物和還原產物；同一個反應中，判斷氧化反應和還原反應的發生順序。

表1 氧化還原知識習得情況

題目內容正確率/%書寫方程式89.53判斷氧化劑、還原劑96.51判斷產物80.23判斷發生順序63.95

從知識習得層面分析(如表1所示)，學生對氧化還原反應的基礎知識掌握較好。其中，氧化還原反應方程式的書寫(雙線橋表示)、氧化劑、還原劑、氧化產物、還原產物的判斷，正確率均可達到80%以上，說明學生對氧化還原反應的基礎知識掌握得較為紮實。發現有36.05%學生認為氧化還原反應中先發生失電子的氧化反應，再發生得電子的還原反應。其實不然，過氧化鈉與水反應，氧化和還原過程發生的過氧化鈉與水的界面上，失電子只是反應的引發，電子的傳輸速度極快，飛秒級單位，失電子、得電子幾乎同時發生，故氧化還原反應同時發生。

通過數據分析和訪談，發現在學習氧化還原的知識時，教師注重化學方程式的書寫，對於雙線橋的表示有所忽略；學生在氧化產物、還原產物的判斷上存在問題，也說明了學生對於發生氧化反應得到氧化產物、發生還原反應得到還原產物這個原理不清楚，大部分學生是從「氧化還原口訣」來推導氧化產物和還原產物的，而非從得失電子的本質出發。

(2) 化學鍵。化學鍵的基礎知識考查包含了對離子鍵和共價鍵概念的考查，以及對常見物質含有的化學鍵類型進行判斷。

測試題呈現及結果分析：

請你寫出「共價鍵」和「離子鍵」的本質，並回答以下問題。

判斷下列一組物質含有哪些化學鍵(簡單)：

CO2________；CH4________；N2________；NH4Cl________。

判斷下列一組物質含有哪些化學鍵(提升)：

Na2O________；AlCl3________；MgCl2________；Al2(SO4)3________。

表2 化學鍵知識習得情況

題目內容正確率/%概念65.12判斷化學鍵(簡單組)76.74判斷化學鍵(提升組)19.77

從知識習得層面分析(如表2所示)，學生對於化學鍵的本質概念表達得並不準確，有接近一半的學生不能準確闡述化學鍵的概念。學生對於常見的簡單化合物，能夠判斷含有的化學鍵類型，但是對於稍複雜的物質，學生便不能判斷其化學鍵的類型。比如對於NH4Cl，AlCl3和Al2(SO4)3這三者含有的化學鍵類型判斷不夠準確。其中，前兩者是教師在教學中明確強調過的，NH4Cl中既含有(極性)共價鍵，又含有離子鍵；AlCl3中只含有(極性)共價鍵。對於Al2(SO4)3，學生比較陌生，不能判斷出其中既含有(極性)共價鍵，又含有離子鍵。

學生對於化合物所含有的化學鍵類型不熟悉，通過訪談發現原因主要是在學習典型化合物含有的化學鍵的過程中，只是依靠記憶來解決問題，並沒有真正理解什麼樣的化合物應該具有什麼類型的化學鍵，沒有清楚地認識到形成不同類型化學鍵的原因。所以學生只知其然，而不知其所以然，對於陌生的化合物就無從下手、不會分析。

(3) 氫氧化鋁。氫氧化鋁的基礎知識習題包含對氫氧化鋁的兩性的考查，以及對氫氧化鋁與酸、鹼反應的離子方程式的書寫的考查。

測試題呈現及結果分析：

請你寫出氫氧化鋁與酸、鹼反應的離子方程式，並回答問題：

氫氧化鋁是什麼類型的氫氧化物？寫出原因(方程式表達)。

表3 氫氧化鋁知識習得情況

題目內容正確率/%離子方程式100氫氧化鋁類型81.40呈兩性的原因96.51

從知識習得層面分析(如表3所示)，學生對於氫氧化鋁的基礎知識掌握得較為紮實，幾乎所有的學生都能夠準確寫出氫氧化鋁與酸、鹼反應的離子方程式，絕大部分學生能夠清楚地認識氫氧化鋁的兩性以及呈兩性的原因。

分析學生測試卷上的答案，發現有約16%的學生回答的是中性/雙性氫氧化物，可以看出學生理解氫氧化鋁既能與酸、又能與鹼反應的性質，但是在概念表達的時候欠缺準確度。學生對於氫氧化鋁具有兩性這個性質並不陌生，但是，出現的「中性」「雙性」等不精準的表達，可能是受到酸性、中性、鹼性等知識的影響，或者是受到生活經驗的影響。

2.中位的原理解釋層面：大部分學生不能「解釋」大部分知識

(1) 氧化還原。氧化還原相關的原理解釋的習題主要考查學生的解釋說明能力、能否從電子的角度認識氧化還原的發生。

測試題呈現及結果分析：

請指出氧化劑和還原劑，並說明為什麼；

請指出氧化產物和還原產物，並說明為什麼；

同一個反應中，氧化反應和還原反應的發生順序是什麼？為什麼？

表4 對氧化還原的解釋情況

題目內容正確率/%解釋氧化劑、還原劑59.30解釋產物37.21解釋發生順序26.74

數據分析如表4所示。通過數據分析，發現大部分學生缺乏解釋說明的能力，不知道如何為自己的判斷找到理論依據。多數學生的答案呈現空白，不能找到解釋說明的入手點，沒有意識到電子的轉移是氧化還原反應的關鍵依據。從學生的理論解釋中，看不到學生對於氧化還原理論的哲學高度的思考。

(2) 化學鍵。化學鍵部分的解釋說明類題目，考查學生對化學鍵判斷方法或規律的總結，以及學生對於離子鍵和共價鍵這兩種不同類型的化學鍵的本質的理解。

測試題呈現及結果分析：

判斷下列物質的化學鍵(簡單組)：你發現什麼規律？

判斷下列物質的化學鍵(提升組)：你發現什麼規律？

你覺得「共價鍵」和「離子鍵」的本質差異是什麼(為什麼提出這樣兩個概念)。

通過分析發現(如表5所示)，學生對於物質化學鍵的判斷規律總結得效果不好，大部分學生不會總結規律，部分學生規律總結得較為空泛，極少數學生能夠具體總結。對於離子鍵和共價鍵的本質差異的理解，一半左右的學生能從聯繫的角度出發，分析兩類化學鍵的區別和關係，僅僅有5.81%的學生能從質量互變角度分析兩種化學鍵之間的電子轉移程度的差異以及電負性之間的量變質變關係。

表5 對化學鍵的解釋情況

題目內容答案層次正確率/%(簡單組)規律規律淺顯29.07規律準確詳細7.00(提升組)規律規律淺顯34.88規律準確詳細5.81兩種鍵的本質差異聯繫角度54.65質量互變角度5.81

(3) 氫氧化鋁。氫氧化鋁這部分解釋說明類的題目，考查對於同一周期的元素，其最高價氧化物對應水化物的酸鹼性的判斷和理解。

測試題呈現及結果分析：

判斷氫氧化鈉、氫氧化鎂、氫氧化鋁、硅酸、磷酸中哪些能與酸反應，哪些能與鹼反應？並且請你解釋原因(提示：元素周期律)。

通過對測試題的分析(如表6所示)，發現學生可以判斷出題干中的物質從左往右有一個遞變規律，和元素周期性相關，學生可以回答氫氧化鈉、氫氧化鎂與酸反應，氫氧化鋁與酸、鹼都反應，硅酸、磷酸與鹼反應。但是之所以正確率低，是因為學生忽略或者不清楚硅酸以及其他兩性氫氧化物也是既能與酸又能與鹼反應的。

表6 對氫氧化鋁的解釋情況

題目內容答案層次正確率/%物質與酸鹼反應正確1.20原因解釋聯繫角度11.63質量互變角度15.12

學生給出的解釋也是從兩個角度出發的：聯繫的角度，闡述物質與酸、鹼反應的性質與元素周期性相關，有11.63%；質量互變的角度，從位置角度結合元素周期律詳細地解釋性質的遞變規律，有15.12%；其他均為沒有作答或者不相干答案。

3.上位的思維抽象層面：極少學生能站在哲學的高度進行化學學習

(1) 氧化還原。化學中氧化還原反應的本質與辯證法中對立統一觀念關係緊密。通過對立統一的觀點看氧化還原反應，可以發現氧化和還原反應，雖然在得失電子、化合價升降的方面是對立的過程，但是氧化反應和還原反應必須同時發生，電子得失一致，化合價升降一致，形成統一過程。

測試題呈現及結果分析：

你覺得氧化反應與還原反應、氧化劑與還原劑、氧化產物與還原產物、得電子與失電子，這些概念蘊含什麼道理？(請用你的語言表達)

通過數據分析發現(如表7所示)，學生對於氧化還原體現出來的道理的理解可以分為兩個哲學角度：一是運用聯繫的思維角度認識氧化還原，這類學生將氧化還原區分為兩條單線：氧化劑—得電子—化合價下降—發生還原反應—得到還原產物，還原劑—失電子—化合價上升—發生氧化反應—得到氧化產物，並且能夠闡述清楚氧化反應和還原反應的一連串問題以及它們之間的區別，約有29%的學生；二是運用對立統一的觀點認識氧化還原反應，這類學生能夠認識到氧化和還原反應，雖然在得失電子、化合價升降的方面是對立的過程，但是氧化反應和還原反應必須同時發生，電子得失一致，化合價升降一致，這類學生有3.49%。

表7 對氧化還原的思維抽象情況

題目內容答案層次正確率/%氧化還原蘊含的道理聯繫的角度29.07對立統一角度3.49

從聯繫的角度歸納氧化還原的學生，還只是從知識角度，找到概念、原理之間的關係，沒有跳出知識框架站在哲學思辨的角度審視氧化還原的原理本質。從對立統一角度分析氧化還原的學生，能夠將學科思想與哲學思維結合，具有哲學思辨的高度。

(2) 化學鍵。化學鍵的相關知識內容主要體現辯證法中的質量互變規律，表現在電子的偏移程度和電負性的遞變。非極性共價鍵，由共用電子形成且由於電子對沒有偏移，所以電負性等於0；極性共價鍵，也是由共用電子對形成但是電子對有所偏移，所以電負性大於0，小於1.7。離子鍵，有電子得失，電負性大於1.7。因此從非極性共價鍵—極性共價鍵—離子鍵，有電子偏移程度和電負性的遞變規律，量的不斷積累，引發實質性改變。

測試題呈現及結果分析：你覺得「離子鍵」和「共價鍵」之間蘊含著什麼道理？(請用你的語言表達)

通過數據統計(如表8所示)，發現學生主要從三個角度論述化學鍵中蘊含的道理：其一是聯繫的角度，能夠歸納離子鍵和共價鍵都是電子相互作用的聯繫，以及概念上的區別，佔24.42%；其二是對立統一的觀念，認為無論是電子的共用還是得失，其作用達到穩定才能形成化學鍵，約有3.40%的學生；其三是質量互變的角度，能夠分析出共價鍵與離子鍵之間存在電子偏移程度和電負性大小的遞變和突變的規律，佔4.65%左右。

表8 對化學鍵的思維抽象情況

題目內容答案層次正確率/%聯繫角度24.42化學鍵蘊含的道理對立統一角度3.40質量互變角度4.65

從前兩個角度歸納化學鍵理論中蘊含的道理，只能從淺層分析出離子鍵和共價鍵的區別和關聯，不能剖析化學鍵中離子鍵和共價鍵的本質區別，只有質量互變的角度，才能理解電負性是兩者遞變的根本原因，才表徵具有哲學思辨的角度透視化學知識的能力。

(3) 氫氧化鋁。氫氧化鋁能夠與酸、鹼反應的性質體現了辯證法中的對立統一觀念和質量互變觀念。酸可以與鹼反應，鹼可以與酸反應，氫氧化鋁屬於兩性氫氧化物，同時兼具酸鹼的性質，既能與酸、又能與鹼反應，將兩種對立的性質集於一身；其次，從元素周期表來看，同一周期從左往右，由於最外層電子數的變化，使得元素和物質的性質具有遞變規律，最高價氧化物對應的水化物由鹼向酸變化，量變引發質變。鋁元素處於較中間的位置，所以其氫氧化物具有兩性。

測試題呈現及結果分析：

你覺得氫氧化鋁與酸、鹼反應及原因，蘊含著什麼道理？(請用你的語言表達)

分析發現(如表9所示)，學生從三個角度論述氫氧化鋁中蘊含的道理，聯繫的角度主要是簡單說明與元素周期律有關，並沒有進行詳細闡述，佔4.65%；12.79%的學生從對立統一的角度認識了氫氧化鋁的兩性；質量互變的角度，能夠闡明周期表中位置變化與物質性質的變化關係，以及量變質變的思想，約4.65%。只有從對立統一和質量互變的角度把握氫氧化鋁的兩性，才具有高位的辯證主義哲學思維。

表9 對氫氧化鋁的思維抽象情況

題目內容答案層次正確率/%聯繫角度4.65氫氧化鋁蘊含的道理對立統一角度12.79質量互變角度4.65

4.三個層面學生掌握情況的總體分析：知識習得>原理解釋>思維抽象

圖2 學生在三個層面上的化學學習情況

從下位的知識習得層面、中位的原理解釋層面和上位的思維抽象層面對氧化還原、化學鍵、氫氧化鋁三個內容的正確率分別進行統計(如圖2所示)。

由圖2可以清晰地看到，總體趨勢是下位的知識習得層面的正確率高於中位的原理解釋層面的正確率，而思維抽象層面的正確率最低。說明大部分學生能夠習得知識，運用知識解答一般的問題，但是深入知識背後解釋原理的能力有待提高，最為欠缺的是跳出固有的知識層面，從上位角度總結歸納化學知識中的哲學思維。表明學生學習較為機械、被動，將知識作為固定的一成不變的內容進行記憶，缺乏對知識的深度解構和建構，大部分學生不能思考知識背後形成的原因，因此對其進行上位的哲學抽象就變得遙不可及了。

1.教師應該提升自己的化學哲學素養

化學哲學是研究和探討化學中的哲學問題的學科，是以化學科學中具有世界觀和方法論意義的一般理論問題為研究對象，以化學哲學的本體論、認識論和方法論為主要研究領域。教師的化學哲學素養是指將化學實驗、化學知識、化學原理等作為研究對象，通過體驗知識獲得的過程、探討學科知識的本質、思考相關知識之間的聯繫等，逐漸從化學中抽離出一般的認識論和方法論，並且能夠付諸實踐，即有能力在教學中引導學生站在哲學的高度進行化學學習。

通過對眾多一線化學教師的訪談，發現大部分教師不會關注自身的化學哲學素養，只有極少教師會採取一些行動去提升自身的化學哲學素養，比如閱讀和思考科學哲學、科學史方面的問題。筆者認為，提升化學哲學素養，教師應當通過教材分析和文獻閱讀，了解化學知識、原理與辯證唯物主義哲學的關聯；還應豐富自身對化學史的認知，以唯物主義和辯證法觀點，從源頭和過程體會化學「否定之否定」的歷史發展；還需對教學實踐作深入的反思(如何將化學哲學滲透到教學過程中，如何培養學生的化學哲學素養等)。

2.教師要引導學生思考知識背後的本質原理

正如上文的數據顯示，學生知識方面的正確率遠遠大於對知識的解釋。有研究表明，不同學業水平的學生對化學的掌握存在很大差異，成績優異者往往通過知識背後原理的本質把握，能夠將化學知識進行結構化。[2]而大部分學生往往見山是山、見水是水，不清楚知識之間的關聯，頭腦中充斥著雜亂無雜的眾多知識點，使得學生訪談時表示「化學太煩，需要記的東西太多」。這與我們的教學方式有莫大的關係，大多教師越俎代庖梳理知識點，學生照抄筆記，沉溺於題海戰術，因而導致學生缺乏獨立的思考。我們應鼓勵學生主動思考，引導學生將多而雜的化學知識點結構化。

例如請學生判斷「鈉、鎂、鋁、硅、磷、硫、氯氣等單質能否與氫氧化鈉反應，並且給出理由」時，大部分學生可以回答出鈉、鎂與水反應，後邊的單質都可以與氫氧化鈉反應，部分學生能意識到從鋁到氯氣，越來越容易與氫氧化鈉反應，但是能夠從周期性變化的角度解釋清楚原理的學生寥寥無幾。這就要求教師在教學過程中，不但要給學生傳授知識，更要引導學生思考和探究知識背後的本質原理。教師可以在平常的教學活動中引導學生運用類比、分類、歸納、演繹或建構模型的方法，探究知識的本質，同時訓練學生的思維方式，提升學生的形象思維力、邏輯思維力、抽象思維力以及綜合性的創造思維力。[3]

3.教師要引導學生將化學學科理論抽象上升為一般的辯證法

辯證主義哲學的核心觀點有對立統一、質量互變和否定之否定等。化學教學中的辯證法教育，有助於學生理解事物之間是普遍聯繫、相互影響、相互作用的，同時又是對立統一的(如某些物質既有氧化性又有還原性，某些化學鍵既有離子性又有共價性，化學平衡更是對立統一的典範等)；還能讓學生知道化學反應中量的變化會引起質變，了解「定量」對於實驗及學科本質的重要性，主動建構「定量」概念，逐漸形成「定量」的科學思維和習慣等。[4]

辯證法認為事物都有肯定和否定兩個方面，事物的發展都必須經歷「肯定—否定—否定之否定」的過程，化學史的曲折發展也充分體現了這一規律。例如在進行原子結構的教學時，教師可以通過呈現一系列的化學史料：1808年道爾頓提出「原子不可再分」的觀點；1897年湯姆遜發現了電子，否定了道爾頓的觀念；1911年和1913年盧瑟福和玻爾分別提出原子結構的相關模型和理論；1926年薛定諤又以量子力學為基石，探究更科學的原子模型等等。引導學生體會原子結構探索歷程的艱辛曲折，體會「肯定—否定—否定之否定」讓理論逼近真實的過程，構建將化學與哲學緊密相連的自動鏈接。