高中生化学分类结构发展研究

分类不仅作为科学发展的基础和科学发展的产物，也是学生学习科学、理解科学的重要方式。化学学科的分类结构是化学家对纷繁复杂的化学变化的逻辑化和结构化的总结，是化学课程内容组织的重要线索。化学分类结构的发展也在影响着化学课程的发展。

（一）化学学科的分类结构及发展特征

科学是组织化的知识体系，分门别类地划分和组织材料是一切科学的一项必不可少的任务。一个学科的分类结构的微观层面是该学科按类别组织的知识体系，宏观层面是因研究内容差异而形成的分支学科体系。

1.经典化学分类的“树枝式”结构

（1）化学研究对象的“树枝式”结构

物质与变化是化学学科的研究对象。目前通行的物质分类法即依据物质的组成和结构先把物质分为单质和化合物，然后再进一步地划分。例如，将化合物分为无机化合物和有机化合物，无机化合物又分为氧化物、酸、碱和盐等，这种分类方法称为“树枝式”分类法。

依据不同分类角度，对化学反应进行划分和逐级细化，也可以形成“树枝式”的分类结构。例如，依据反应的形式把反应分为分解反应、化合反应、置换反应和复分解反应等；依据反应物的性质分为无机反应、有机反应和生化反应等；依据反应中的电子得失分为氧化还原反应、非氧化还原反应；依据反应中的粒子特征分为分子反应、离子反应和原子反应；依据热力学方法分为焓增减与熵增减相互组合的反应类型。

（2）化学学科体系的“树枝式”结构

上述化学研究对象的“树枝式”分类结构，决定了经典的化学分支学科体系也呈现出“树枝式”的特征。依据研究对象差别，可以划分为无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学、生物化学、放射化学、环境化学等不同的分支学科，每一个分支学科还可以再继续进行分类，得到犹如树枝般的庞大的化学学科体系。

2.现代化学分类结构的特征

经典的化学学科分类主要是为了教学上的方便和学术组织的管理，学科分类之间的边界既非本质的也非严格的，创造性和进步是经常甚至说通常发生在这些学科边界上的。现代化学的发展展现出一幅以化学为轴心的跨学科的壮观图景，现代化学高度分化与高度综合交替发生并正在实现更大的汇流整合，必将造成传统化学的分类根基岌岌可危。科学家越来越倾向于抛开传统树枝式分类，探索新的分类方式。

（1）基于尺度的分类视角

化学是研究从原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态的合成和反应、分离和分析、结构和形态、物理性能和生物活性及其规律和应用的科学。化学的分支结构和分类线索也体现了研究对象尺度不断丰富和多样化的特点，可根据研究对象的不同划分为八个层次，即原子层次的化学、分子片层次的化学、分子层次的化学、超分子层次的化学、生物分子层次的化学、复杂分子体系的化学、介观聚集态的化学、宏观聚集态的化学。

（2）基于功能的分类视角

另外一个分类的视角是按照学科研究宗旨、研究内容和方法以及社会需求进行分类。例如合成化学、分离化学、鉴定化学、分析化学、结构与性能化学、仪器化学、液态固态与表面化学、理论化学、应用化学、核化学等化学研究领域的创立与发展，体现了化学学科基于功能分类的趋势。徐光宪院士把21世纪化学划分为合成化学、分离化学、分析化学、物理化学与理论化学等研究领域，并预测了每一类化学研究领域的发展趋势。

（3）分类间的统整与统一

科学分类的过程在于发现事物之间的类似关系，并用统摄性的概念原理将看似不相关的事物联系起来，这些不相关的事物便被划分为一类。随着认识的发展，新的类别不断建立，类与类之间的联系被不断发掘，由此一个类被归入另一个类，或者几个不同的类抽象、合并为一个统摄性更强的新的类，逐渐形成事物之间联系更加密切、逻辑上更加条理、综合性和统一性更强的知识体系。例如，从阿累尼乌斯、布朗斯特、劳莱到路易斯对酸碱的定义，酸碱的范围依次扩大，更加体现了化学反应的电本性，酸碱概念的统摄性不断增强。

学科统整与学科理论的高度统一性是21世纪科学发展的一个趋势，今天的化学科学已经建立在一整套数学理论的基础之上。随着计算机硬件和软件的发展，这些数学理论在化学研究各个分支领域中的应用将越来越广泛。尽管我们还无法在基于数学理论的学科统整的水平上构建基础化学课程，但是化学学科不断统整的历史演进过程和统整的思想却可以为课程编制所借鉴。

（二）化学分类结构的发展在化学课程发展中的体现

1.课程对经典化学分类结构的体现

任何一门课程的编制都要保留该学科最基础、最核心的部分，这样才能保持课程内容的稳定性。为此，经典的化学分类结构在课程编制中发挥着核心作用。

（1）化学分类作为课程编制的线索

《普通高中化学课程标准（实验）》（2017年版）（以下简称《课标》）的制定反映了化学学科体系“树枝式”分类结构的特征，这一特征由三个版本的教材进一步物化出来。

元素化合物知识主要划分成无机化学和有机化学两大部分。无机化学部分体现了金属和非金属元素及化合物的分类线索。有机部分以烃及烃的衍生物的分类为结构框架，高分子化学的相关内容由于比较复杂而要求不高，主要放入合成材料专题中讨论。

对基本概念原理内容的组织、反应原理部分体现了物理化学中热力学（能量、方向、限度），动力学（速率），氧化还原与电化学（氧化还原、电池、电解）和水溶液化学（电离、水解、沉淀）的学科分类结构。物质结构部分体现了结构化学中原子结构与周期律，化学键、分子结构与分子间作用力以及晶体结构的学科分类结构。

与分析化学有关的内容主要有两类：元素、官能团、物质的定性检验以及几种简单的定量分析方法（中和滴定、重量分析、比色法）。“物质的检测”在三个版本选修教材《实验化学》的编写中均被作为一个独立专题集中呈现。

于是无机化学、有机化学、高分子化学物理化学、结构化学和分析化学等化学的二级学科和它们的下级分支以及关于物质分类和化学反应分类的不同线索在高中课程中得到充分体现。

（2）化学分类作为独立的教学单元

如上所述，课程内容的组织线索体现了经典化学的分类结构，学生在学习的过程中分门别类地组织所学的知识，逐渐丰富和更新头脑中的分类框架。除此之外，教材还把“分类”作为一个独立的教学单元凸显出来（见表6-1），说明编者对分类的重视。

表6-1　不同版本《化学1》教材中有关分类的教学单元(www.xing528.com)

2.课程对现代化学分类结构的体现

课程内容不仅要保证基础性和稳定性，还要符合时代性的要求，需要将学科发展的新成果融入课程之中。随着化学科学的迅速发展，化学分类结构也在不断变化，从而也带来了高中化学课程内容组织形式的改变。

（1）基于尺度的化学层次结构的外显

基于尺度的化学层次结构的大脉络在高中课程中已经得到体现。尤其是《课标》新设置的“物质结构与性质”模块，将《大纲》中分散排布的物质结构知识集中做系统的组织（见表6-2），使化学的层次结构更加外显和清晰。分子聚集态尺度的分子器件、纳米化学、非晶态化学、胶体化学等化学研究的新兴领域，鉴于相关内容的难度等原因，尽管没有作为课程或教材编制的外显线索，不作为教学重点，但也会以资料介绍的形式分散在必修或选修教材中。

表6-2　《课标》“物质结构与性质”模块主题

续表

主题尺度层次

主题4研究物质结构的价值跨尺度层次

（2）基于功能的学科分类视角的外显

在课程和教材编制的过程中，越来越强调核心化学知识的功能属性。例如《课标》将选修课程划分为“化学与生活”“化学与技术”“物质结构与性质”“化学反应原理”“有机化学基础”和“实验化学”等6个模块，鲜明地体现了化学科学的应用领域。

这一变化趋势在教材编写中也得到体现。例如，三个版本的《实验化学》教材均以分离与提纯、性质研究、反应规律研究、物质检测以及物质制备等大的专题搭建教材框架，体现了化学实验的功能和应用领域。类似的，“化学与生活”和“化学与技术”这两个STS取向的课程模块的不同版本教材，也非常明确地反映了化学在健康、环境、材料、能源、资源、化学品、化工生产、农业等领域的应用，这些应用领域成为教材组织外显的线索。

（3）学科统整与统摄性主题的设置

《课标》设置了具有统摄性的主题，这也应当算作我国高中化学课程沿革进程中的一项突破。诸如“认识化学科学”（化学1）、“化学与可持续发展”（化学2）、“化学与资源开发利用”（化学与技术）、“研究物质结构的价值”（物质结构与性质）、“有机化合物的组成与结构”（有机化学基础）等统摄性主题设置的目的是帮助学生建立统摄性的概念或观念。

以《课标》中“有机化学基础”模块设置的“有机化合物的组成与结构”主题为例，其内容标准包括有机化合物的分子式确定、结构测定、结构特征、官能团、异构现象、命名、基团之间的相互影响等内容。该主题与“烃及其衍生物的性质与应用”“糖类、氨基酸和蛋白质”以及“合成高分子化合物”为并列关系。这种统摄性主题的设置对于教材编订和教学设计都有重要启示。

（三）化学课程中化学分类结构发展的任务与方向

1.梳理化学分类结构的内部关系

分类可以从不同的角度进行，学科的分类结构便呈现出多样化的形态。当前，一些基于不同分类视角所划分的类别之间的关系还有待进一步梳理。例如，取代反应、加成反应、消去反应、聚合反应、酯化反应、水解反应、氧化反应、还原反应等是我们习惯使用的有机反应类别名词。其中，水解和酯化都可以看作取代反应；加成和聚合也有一定的联系，与H2的加成反应又被定义为还原；此外，羧酸具有酸性，还可以发生酸碱中和反应等。所以，这些对有机反应的分类属于形式分类，其结构化程度还有待进一步加强，值得去梳理其中的层次关系并探讨如何在高中化学课程中更好地呈现。

2.探讨对化学分类结构如何取舍

化学学科的分类结构非常庞大，而化学课程只能选取其中有限数量的和更为重要的内容进行组织。随着学科的发展，对哪些内容“更为重要”的判断会发生变化，为此课程内容的选取以及不同内容的权重分配也将随之调整，这是学科发展对课程发展提出的要求与挑战。例如，《课标》新增了焓变、熵变的概念，并借助两者理解和判断反应的方向，使热力学这个分支学科的结构在课程中体现得更加充分。

此外，随着学科交叉和学科融合的发展，呈现出越来越多样化的分类视角，选择哪种作为课程编制的线索、不同线索之间如何配合也是课程设计者要考虑的问题。

3.挖掘尺度和功能分类中的学科思想

分子聚集态尺度的分子器件、纳米化学、非晶态化学、胶体化学等化学研究的新兴领域目前还主要以资料介绍的形式呈现；反映化学的功能及应用领域的课程模块或课程内容，也有别于我们熟知的经典的化学知识体系；这些话题背后所承载的学科思想和方法还有待深入地挖掘和外显，这是课程编制者和教师要共同面对的挑战。

4.借助统摄概念和基本观念促进分类的结构化

学习结构就是学习事物怎样相互关联的，因此仅了解类别划分的结果是远远不够的，需要认识类内部和类别之间的联系。统摄性的概念或观念指从若干联系的基本概念中抽象出来的、概括程度更高的、具有更强的解释力和统摄作用的概念或观念，能够起到建立联系的作用，它们是让分类体系结构化的有效途径。学科发展统整与统一的过程，就是不断建立统摄概念和基本观念的过程。

近年来，国内关于基本观念的讨论逐渐增多，但还不够细化。通常探讨的元素观、微粒观、能量观等基本观念有很好的统摄作用，但统摄性越强必然伴随着具体性和操作性的减弱，于是笔者倡导在基本观念和具体概念之间引入统摄概念这个层级。要使统摄概念和基本观念真正发挥促进分类结构化的作用，还需要进一步厘清不同统摄水平的概念或观念之间的关系，构建从具体概念、统摄概念到基本观念的系统化的层次结构，从课程理念到教学实践还有很长的路要走。

5.探索从化学分类结构到教学实践的转化

如何使学科的分类体系更容易转化为学生头脑中的分类体系，要求课程的编制既要考虑学科的结构，又要考虑学生的心理特点。一个概念从学科到课程到教学需要经过一系列的转换，课程编制是按照学生认知结构进行的“翻译”的过程。于是摆在化学教育者面前的任务是，按照学生的认知结构将化学的分类结构、统摄概念和基本观念进行“翻译”，使其成为学生易于理解的知识体系。这一问题仍待课程研究和教学实践层面的深入探索。