水溶液稀释过程中的空间哲学教育尝试.pdf

2023年第6 期水溶液稀释过程中的空间哲学教育尝试任圣颖（深圳外国语学校，广东深圳518000)摘要：基于“鱼是否知道水的存在”这一哲学问题，解决了水溶液中离子反应平衡类比于气体反应平衡来处理的思维过渡问题，并利用思想实验，以醋酸分子为工具将这种思维应用在空间哲学的理解上；提出化学哲学教育不仅需要从现有的化学素材中总结出哲学思想，还可以利用化学知识作为工具对哲学问题进行考察，以吸引学生的兴趣。关键词：化学哲学；思想实验；水溶液；平衡移动文章编号：10 0 5-6 6 2 9(2 0 2 3)0 6-0 0 47-0 5中图分类号：G633.8文献标识码：B溶液的稀释引起的平衡移动是高中化学反应原理的重要内容。对该知识的考察，经常涉及到平衡移动的方向这个核心问题。在教学中，教师一般从定量和定性两个角度来讲解。定量分析主要依据一定温度下化学平衡常数不变，通过Q和K值的比较考察稀释这一因素引发的变化，方法可靠，学生易于接受；定性分析多来自于教师的教学实践：溶液中的可逆反应表达式类似于气体的形式，解题的经验告诉我们，用气体平衡的知识点类比处理溶液中的平衡问题，总能够得到正确的答案。与定量的方法相比，来自经验的定性分析无需计算，无疑是一种捷径。例如,醋酸钠与盐酸混合溶液中存在着如下平衡：CH,COO（a q)+H（a q)C H,C O O H(a q）,加水稀释,平衡朝着哪个方向移动？按照类比于气体的处理方式，只需要将上述平衡中物质看成气体即可快速得到答案：对于“气体”反应，CH,COO（g）+H（g）CH,COOH（g），加水稀释,CH,COO（g）、H*（g）和CH,COOH(g)浓度均降低,相当于“气体”总压强降低。根据勒夏特列原理，化学平衡将朝着压强增大（气体分子数增多）的方向移动，因此上述化学平衡将逆向移动。毫无疑问，将气体中的平衡规律“迁移”到溶液里，在处理习题时是非常有用的。但是教师将这种解题经验“迁移”给学生时，学生不免会问：为什么液体中的可逆反应可以类比气体来处理？毕竞，气体是气体分子分散在空间（容器）里，而溶液是分子、离子分散在容器中的水里。因此，就这种“迁移”而言，学生需要一种思维过渡。在教学中，笔者对这个问题的解决进行了哲学上的处理，在此分享给各位同仁。1空间哲学1.1空间哲学思想及教学关键问题的设置学生的这个问题，隐含着空间哲学思想。水中的鱼是否知道水的存在，是一个有趣的哲学问题。如果鱼一直生活在水里，可以想象，鱼不会知道水的存在。就像人类在相当长的一段时间，都没意识到空气的存在一样。既然水中的鱼不知道水的存在，那么对于鱼来说,水是什么？不难得出，对于意识不到水存在的鱼来说,水其实就是空间。类似于此，如果把溶液中的溶质看成是水中的鱼，我们就会发现，对于溶质来说，液体和气体的空间差别就消失了，存在于溶液中的溶质和这些溶质分子以气体形式存在于一定空间内的行为是一样的。增加了水，就是增大了空间；减少了水，就是减小了空间。也就是说，对于水溶液中存在的分子、离子来说，水就是空间，而它们自已，如同气体分子一样在这个空间里不断运动（就运动而言，水溶液中溶质粒子的运动和气体分子的运动是相似的）。通过这种哲学思考，我们可以顺利地引导学生将溶液中的粒48化学教学案例研究聚焦课堂子行为转化为容器中气体的行为来考虑，见图1。水空间分子或离子分子或离子图1从水到空间的思想转换这种空间哲学思想，在惰性气体影响平衡的移动已经有所体现。在考察惰性气体对平衡移动的影响时，必然会谈及惰性气体的通人是否引起反应空间的变化（进而影响浓度）。例如，对于2 NO，（g）一N,04（g），恒容下通人Ar，由于空间没有发生变化，NO2、N,O 4浓度不变，因此平衡不移动；而恒压下通人Ar,由于空间增大,NO2、N,O 4浓度变小,因此平衡逆向移动。恒压下通人Ar，和溶液中加人水是一样的，都造成了空间增大，从而引起浓度的改变。上述空间哲学思想能够有效解决水溶液中离子反应平衡类比于气体反应平衡来处理的思维过渡问题。如何把这种哲学思想有效传递给学生？这种哲学思想是借助鱼与水的空间关系来获得的，所以我们可以把“鱼与水的空间关系”作为空间哲学教育的起点。在学生已有的认知中，“鱼与水”素材已经存在：八年级语文教材中的“庄子与惠子游于濠梁之上”一文，庄子和惠子正是借助水中的鱼进行辩论，引出了认知的范围是有限还是无限这一哲学问题争论。但是，“鱼是否知道水的存在”对于多数学生来说，是难以回答的问题。而学生对空气的感受则有助于回答这个问题。在教学中，笔者首先设计如下教学内容和关键问题来解决学生的“思维过渡”问题，见表1。表1解决“思维过渡”的教学内容和关键问题设置教学内容关键问题设计说明这个问题能够引起学生的思考，通常来讲，大多数学生会得出“鱼知道水的存在，因为鱼在水中”这【教师】引导学生简单回顾“庄子与惠子游于濠梁之上”内容及一错误结论，这是由于学生是基于自己的感受思体现出的认知范围是有限还是无限的哲学问题争论，提出新问（1）鱼知道水的存在吗？考这个问题造成的。这个错误的结论对于学生形题：鱼知道水的存在吗？成正确的结论非常重要，因此,要给予学生充分的【学生 讨论问题、形成答案。讨论时间，讨论得越充分，对正确结论的理解才能越深入。【教师 在学生形成结论后，创造安静的空间环境（关闭风扇、创造安静的空间环境是为了减少一些不必要的气空调、窗户等），继续提出问题：请同学们用心感受，你能感受到流干扰，人在安静的环境中是感受不到空气的存空气的存在吗？在的。学生对这一问题的回答来自于自身的感【学生用心感受，得出“空气虽然存在，而且正被我们呼吸，我（2）你能感受到空气的受，很容易迁移到上述关键问题（1）中去。考虑们却觉察不到空气的存在”的结论。存在吗？到课堂时间的原因，这里不建议在课堂时间讨论【教师 请同学们通过自身的感受去想一想前面的问题：鱼知“同学们觉察不到空气的存在”的原因（高中思想道水的存在吗？政治有所涉及，可参考2 0 19 年高考江苏卷政治试【学生】学生得出“鱼不知道水的存在”的结论。题第2 8 题）。【教师 继续提问：既然水中的鱼不知道水的存在，那么对于鱼来说，水是什么？由“水”过渡到“空间”，引导学生形成“增加了水，【学生】类比于自身对于空气的感受，很容易得出“对于鱼来（3）既然水中的鱼不知对于鱼来说，其实质是增大了空间”这一结论，下说，水其实就是空间这一结论。道水的存在，那么对于鱼一步只需要将鱼换成溶质，即可完成水溶液的空【教师 追问：对于鱼来说，增加了水，就是增大了活动范围，而来说，水是什么？间转换。鱼感受不到水的存在，实质增大了什么？【学生 不难得出“实质是增大了空间”这一结论。【教师 如果用溶质替代鱼，把水中的鱼换成溶液中的溶质，比如换成醋酸，那么对于醋酸分子来说，水是什么？加水稀释会在由“水”过渡到“空间”的基础之上，将“鱼”替（4）对醋酸分子来说，水引起醋酸分子活动范围增加吗？换成溶质（醋酸），完成化学中的水溶液空间是什么？【学生 对于醋酸分子来说，水也是空间。增加了水，就是增大转换。了空间，醋酸分子的活动范围会增加。492023年第6 期案例研究聚焦课堂续表教学内容关键问题设计说明【教师对于溶质来说，水如果是“空间”的话，溶质分子在这个“空间”的行为表现和一定空间的气体分子像不像？如果是涉及到可逆反应的粒子，比如醋酸钠与盐酸混合溶液中存在着如下平衡：CH,COO（a q）+H（a q)C H,C O O H(a q），这些粒子的表现会和一定空间内的气体类似吗，勒夏特列原理有可能会适用吗？（5）溶质分子在这个“空【学生如果水是“空间”的话，溶质分子在这个“空间”的行为间”的表现和一定空间的解决水溶液中离子反应平衡类比于气体反应平衡表现和一定空间的气体分子非常像。勒夏特列原理有可能会气体分子像不像？来处理的“思维过渡”问题。适用于 CH,CO0(g)+H*(g)CH,COOH(g)。【教师引导学生将水溶液中离子反应平衡类比于气体反应平衡来处理，把CH,COO（a q)+H（a q)C H,C O O H(a g）转化为CH,COO（g）+H（g)C H C O O H(g）以适用空间哲学下的勒夏特列原理。1.2利用有意识、会观察的醋酸分子对空间的进一步考察在物理化学领域，物理学家麦克斯韦18 6 7 年设想了一个会观察的麦克斯韦妖（Maxwells demon），以此作为工具，对热力学第二定律提出了挑战2 。这个思想实验引发了科学家对热力学第二定律的热烈讨论，促进了信息负熵论的发展。同时，这个思想实验也引起了哲学上的关注3.41。受此启发，本文对利用有意识、会观察的CH,COOH分子作为工具,对空间做出哲学上的进一步考察，以辅助理解一些“匪夷所思”的空间现象。将溶液中的水看成空间，这一思维让学生体会到了溶液中粒子和气态粒子的空间在哲学思维上的同一性。从“水中的鱼是否知道水的存在”这一哲学问题来看，这一思维具有合理性。但是，从水溶液中粒子间的反应机理来看，这一思维方法具有一定的局限性（除水外，其余粒子全部看成气体，解题时依然有效）：被看成“空间”的水，与粒子并非毫不相干，在一些可逆过程中，一部分水是要参与反应的，比如醋酸分子的电离过程。这一局限性将会引发对空间的进一步哲学思考。首先我们设想一个有意识、会观察的CH,COOH分子。CH,COOH分子在水溶液中存在电离平衡CH,COOH(aq)+H,O(1)CH,CO0(aq)+H,O*(aq)。这个有意识、会观察的CH,COOH分子会看到其他醋酸分子在什么都没有的“空间”里被分解掉、又会重新生成这一现象。虽然我们知道，作为空间的一部分，H,0分子的参与是CH,COOH发生电离的原因，但是要知道的是,CH,COOH分子是意识不到水的存在的。对于有意识的CH,COOH分子来说，这个现象是不可思议的：它会观察到其他CH,COOH分子被“无（空间）”分解掉了，又能在“无（空间）”中重新生成。由此我们可以想象出，人类对于空间的认识很有可能也受到了经验的限制。长久以来，科学家先是认为，真空里什么都不存在，真空就是单纯的空间。但是量子涨落现象告诉我们，真空（空间）并不像人们所想象的一无所有。科学家发现，真空中会凭空出现大量的虚粒子对，它们一正一反，然后又在极短的时间内潼灭消失，这种现象被称为真空量子涨落5 。这种从“无（真空）”里产生粒子对，对于我们来说，就像CH,COOH分子观察到其他CH,COOH分子在“无（空间）”里被分解和生成了一样，也是不可思议的。借助有意识、会观察的CH,COOH分子这一思想实验，量子涨落现象就会容易理解得多：我们观察到的量子涨落现象很有可能是我们意识不到的“无”（空间里）的作用的结果。事实上，量子场论认为，真空中其实蕴含着巨大的暗能量，这是造成量子涨落的原因6 对空间进一步考察可以引导学生形成“无中有（包含）有”“无中生有”“有到无中去（变化）”的哲学观念，在教学中，笔者依然通过关键问题引导学生对空间进行哲学上的进一步思考，见表2。1.3对化学哲学教育的思考近些年，在化学教学中强调了哲学教育的重要性。从现有的文献来看，目前哲学教育，通常是从已知的化学结构、化学反应、化学原理、化学现象、化学史等中总结出哲学思想、方法，从而影响学生的发展。但是，这些化学素材中所体现出的许多哲学观，学生在平时学50化学教学案例研究聚焦课堂表2形成新空间哲学观的教学内容和关键问题设置教学内容关键问题设计说明【教师刚刚我们说“对于醋酸分子来说，水是什么？”，其实已经假设（1）对于有意识、会观察的醋酸分子会思考了。那么，对于有意识、会观察的醋酸分子，就其他醋醋酸分子，就其他醋酸分子为醋酸分子“如何思考”其他醋酸分子酸分子在水中电离的过程，它能观察到什么现象？在水中电离的过程，它能观电离现象做铺垫。【学生 讨论问题、描述醋酸电离过程现象。察到什么现象？【教师 我们知道，醋酸之所以会在水溶液中电离，是因为水分子参与的缘故。但是，通过上面的学习，我们已经知道，这个有意识的醋酸分子是觉察不到水的存在的。那么，对于这个有意识的醋酸分子，它会（2）对于有意识的、会观察引导学生的思考对象从醋酸分子转向学怎么思考其他醋酸分子在水中电离的过程？的醋酸分子，它会怎么思考生自己，认识空间中“无”的可能的局限【学生】醋酸分子可以被空间里的“无”所分解掉，也可以在“无”的空其他醋酸分子在水中电离性以及“无”的可能作用，初步形成“无间里重新生成。的过程？中有（包含）有”的哲学观念。【教师】追问“无”一定是一无所有吗？“无”一定不会起作用吗？【学生】我们对“无”的认识很可能具有一定的局限性。“无”中可能包含“有”，进而会对某些过程起到一定的作用。【教师提供学生真空量子涨落现象资料，提出问题：你对“无”、物质（3）对于真空量子涨落现形成新的空间哲学观：真空中存在着和空间有什么新的认识？象，你对“无”、物质和空间“无中生有”“有到无中去”中的现象。【学生】真空量子涨落现象说明“无中可以生有”“有也可到无中去”。有什么新的认识？【教师】提供真空量子涨落现象的可能原因（真空中其实蕴含着巨大的暗能量），提问：对于真空，你有什么新的认识？（4）对于真空，你有什么新引导学生形成“无中生有”“有到无中去【学生】真空“不空”，就像鱼或醋酸分子认为水不存在一样，我们对于的认识？（变化）的哲学观念。“无”或空的认识很可能受到了人类认识局限性的影响。【教师“庄子与惠子游于濠梁之上”中庄子、惠子之辩反映出的认知与“庄子与惠子游于濠梁之上”体现的的范围是有限还是无限的哲学问题引起了很多人的思考，同学们通过（5）你认为认知的范围是认知是否有局限性的哲学问题相呼应，本次课的学习，你认为认知的范围是有限还是无限的？有限还是无限的？并对这个问题做出回答。【学生 人类认识范围应该是有限的。习生活中或多或少都已经听说过，学生并没有太大的学习热情。比如化学哲学中常见的世界的物质观、对立统一规律、辩证唯物主义等，在高中政治必修4哲学与文化中都有详细的介绍。鉴于此，本文尝试利用化学知识作为工具对哲学问题进行突破性的考察，以引起学生的兴趣。在教学过程中，笔者发现学生普遍能够接受以上空间哲学思想，并显露出较大的学习热情。一个非常重要的原因就是，与以往的化学哲学教育相比，学生觉得这样的化学哲学比较有新意，对自己的世界观有实质性的影响。本文中对空间这一哲学核心问题的思考，显然和常见的从已有的化学素材中获取哲学思想不同，这种不同体现在突破了“知道道理”范围。因此，化学哲学的教育还可以更进一步：不仅仅告诉学生道理（哲学思想和方法），还可以利用化学知识作为工具对现有的哲学问题进行考察。从历史上来看，化学家多是朴素的科学实在论者，习惯于将原子、分子、离子等粒子作为世界的构成部分。由于化学与技术之间的紧密联系以及历史上化学家注重实用的传统，他们忙于制造新的化学物质，为人类的物质文明带来巨大贡献。然而，也正是由于以上原因，他们在意念上却视哲学，养成了回避形而上学问题及其争论的习惯7 。与化学家的情况类似，化学教师的哲学素养因为各种原因通常也是匮乏的。因此，如果化学教师要承担起化学哲学教育这一任务，不仅需要从现有的化学素材总结、吸收哲学思想和方法，还需要重视利用化学知识对哲学问题进行一些突破性的考察。2结语有文献认为，很多学生学习化学课程之后，从化学的视角去审视和解决生活中的相关问题方面并没有得到很好的发展。最主要的一个原因是教师对化学教学内容缺乏反思和质疑，经常用线性、单维的教学方式进行教学,很少超出教材所呈现的范畴8 。以有限的形式表现出来的无限就是美，本文中空间思维转换的思想显然超越了化学和教材的界限，这种思想不仅能帮助学生解决一种类型的题目,更是能深刻地影响学生的世界观。在其他学科中,基本遇不到溶液的稀释引起的离子反应的平衡移动问题，也就无法引起空间哲512023年第6 期（上接第19 页）案例研究聚焦课堂学的进一步思考。只有在化学的学习中，遇到这个问题,才能进一步阐述空间哲学。因此,在高中化学学习中,这种空间哲学教育的机会是非常珍贵的。参考文献：【1白建娥从空气组成发现史中获得智慧一一对“我们周围的空气”复习课的思考J化学教学，2 0 14，（4）：3234.【2 傅献彩，沈文霞，姚天扬等物理化学M北京：高列补救教学方案。相比于仅在章节测验后对学生出错较多的题目进行讲解的补救方式，基于认知诊断的教学补救方案能够系统地针对不同学生的学习困难进行补救，提高补救教学的针对性和有效性，帮助学生形成完整的知识结构，提高学生迁移知识解决问题的能力。6.3应用DINA模型开展教学评价教师进行日常教学评价时可以尝试应用DINA模型,以更好地发挥评价的诊断和发展功能。如在某一知识主题的章节测验中，教师可以以教研组为单位，结合课标、教材等讨论确定该知识主题下包括的知识点及知识点之间的层级关系；接着确定理想掌握模式与典型项目考核模式，依据典型项目考核模式编制题目形成章节测验，使用DINA模型分析测验结果，科学地诊断学生的认知结构。参考文献：1 Leighton,J.P.,Gierl M.Cognitive Diagnostic Assessmentfor Education:Theory and Applications M.Cambridge,UK:Cambridge University Press,2007:3 18.2 关丹丹认知诊断理论与考试评价J中国考试（研究版），2 0 0 9，（4)：8 12.31415 涂冬波，蔡艳，丁树良认知诊断理论、方法与应用M北京：北京师范大学出版社，2 0 12：1 6 1.【4房喻，徐端钧普通高中化学课程标准（2 0 17 版）解读M .北京：高等教育出版社，2 0 18：10 9 110.5 何彩霞在多重关联中探寻知识的意义一以高中等教育出版社，2 0 0 6：19 6 19 7.【3孙圣.科学思想实验的划界问题研究：技术细节及其缺省J自然辩证法研究，2 0 2 2，38（6：10 9 114.【4陈贻安、环境问题与世界观一一关于：一种新的世界观的评价问题J哲学研究，19 9 4，（7）：7 1 7 6.5【6 邢志忠浩瀚的宇宙来自“真空涨落”吗J现代物理知识，2 0 18，30（3）：7 0 7 1.【7 邢如萍，桂起权化学哲学研究的新走向J哲学动态，2 0 0 8,(12)：5 4 6 0.【8 万延岚，毕华林，维森特塔兰克化学教育研究的十个视角J化学教学，2 0 14，（6）：8 12.化学2“化学键”单元教学为例J化学教学，2 0 14，（8）：4649.6 秦璐，陈晓娜，闫春更等.基于FLOWMAP的“化学键”学习结果测查与多维评析J化学教学，2 0 19，（2）：2025,35.7 范士青，刘华山常见的认知诊断模型及其比较J.教育测量与评价（理论版），2 0 15，（7）：4 9.【8 涂冬波，蔡艳，戴海琦几种常用非补偿型认知诊断模型的比较与选用：基于属性层级关系的考量J心理学报，2013,45(2):243252.9 蔡艳，涂冬波，丁树良，五大认知诊断模型的诊断正确率比较及其影响因素：基于分布形态、属性数及样本容量的比较J心理学报，2 0 13，45（11)：12 9 5 130 4.10 高旭亮，涂冬波。参数化认知诊断模型：心理计量特征、比较及其转换J江西师范大学学报（哲学社会科学版),2 0 17,5 0(1)：8 8 10 4.11 Junker B.W.,Sijtsma K.Cognitive Assessment Modelswith Few Assumptions,and Connections with Nonparametric ItemResponse Theory J.Applied Psychological Measurement,2001,25(3):258272.12 17 张潇，沙如雪认知诊断DINA模型研究进展J中国考试，2 0 13，（0 1）：32 37.13 Leighton J.P.,Hunka G.S.M.The Attribute HierarchyMethod for Cognitive Assessment:A Variation on TatsuokasRule-Space Approach J.Journal of Educational Measurement,2004,41(3):205237.16 Ying C.,Leighton J.P.The Hierarchy Consistency Index:Evaluating Person Fit for Cognitive Diagnostic Assessment J.Journal of Educational Measurement,2010,46(4):429449.