《Chemistry Education Research and Practice》：Multiple ways of knowing and acting in chemistry: the epistemic plurality of chemical practiceOpen Access
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化学课程常将化学描绘为一门以探索和解释物质性质为中心的、统一的科学事业。尽管这一视角涵盖了化学的本质方面，但它掩盖了组织化学实践的认知目的的多样性。本视角（Perspective）认为，化学是一门认识论上多元的学科，由认识物质世界与作用于物质世界的互补方式构成
化学课程常将化学描绘为一门以探索和解释物质性质为中心的、统一的科学事业。尽管这一视角涵盖了化学的本质方面，但它掩盖了组织化学实践的认知目的的多样性。本视角（Perspective）认为，化学是一门认识论上多元的学科，由认识物质世界与作用于物质世界的互补方式构成。四种主要的化学实践形式——分析（analysis）、合成（synthesis）、控制（control）与探究（investigation）——依据其主导的认知目的加以分析性区分，并通过其认知与行动方式及 underlying 认识论承诺（epistemological commitments）加以刻画。这些实践共享一种化学本体论（chemical ontology）、推断资源（inferential resources）与认知活动（epistemic activities），它们相互塑造，并在真实的化学工作中深度互联。基于这一框架，本文讨论了化学教育如何拓宽所有学生对化学实践的理解，同时支持与不同教育和职业轨迹相关的认识论承诺的渐进发展。本文识别出若干宏观认识论转变（epistemological transitions），包括从直接观察到推断性解释、从关于孤立变量的推理到协调多个相互作用因素、从确定性推理到概率性推理，以及从将表征视为描述到将其用作推断资源。本视角最后主张，化学教育应创造机会使学生有意义地参与多样化的化学实践，超越既定知识的获取，转向发展表征该学科特征的认知与行动方式。
**研究背景与问题** 化学课程中隐含地嵌入了关于"像化学家一样思考和工作的含义"的假设，这些假设塑造了被重视的智力表现、被强调的推理类型以及学生可见的专业实践形式。然而，在许多课程中，化学主要被表征为一套既定知识体系以及一门以探索和解释自然现象为中心的、统一的智力事业。这种表征虽然反映了学校科学教育对探究、证据、建模和解释的强调，但并未充分体现组织化学工作的认知目的的多样性。部分化学研究者确实致力于理解物质系统的性质和行为，但分析化学家寻求识别和表征物质，合成化学家设计并创造新的化学实体，而在工业和技术环境中工作的化学家则寻求调节和控制化学过程。尽管这些实践形式依赖许多相同的概念、模型和认知活动，但它们追求不同的目的，并发展出不同的认识世界与作用于世界的方式。以往关于化学实践本质的研究主要来自两条路径：一是植根于化学哲学、旨在刻画化学作为一门学科区别于其他科学的独特目标、价值、方法和知识形式的学术传统；二是聚焦学生如何在化学中思考知识与认知的研究，包括个人认识论、认知认知、认知资源、框架、认知游戏和认知实践等。这些视角丰富了人们对化学本质以及学习者如何概念化化学知识与认知的理解，但它们大多要么通过将学科表征为典型科学的特征来刻画化学，要么通过观察、实验、建模、解释和论证等横切性认知活动来刻画化学，相对较少关注不同形式的化学实践是否围绕不同的认知目的组织、从而体现不同的认识论承诺这一问题。这一问题之所以重要，是因为许多相同的认知活动出现在分析、合成、控制取向和探究性工作中，却服务于不同的智力目的。因此，研究人员提出一个围绕分析、合成、控制和探究四种主要化学实践组织的框架，旨在既提供刻画化学认识论多元性的概念透镜，又提供拓宽所有学生对化学实践理解、引导学科专长发展的教育透镜。
**主要结论与意义** 研究人员认为，化学应在其各个教育阶段被更真实地表征为一门认识论上多元的学科，由认识世界与作用于世界的多种互补方式构成。四种实践共享共同的化学本体论、共同的推断资源和许多共同的认知活动，但在目的和指导化学生成与应用知识的假设上存在差异。通过明确这些区分，该框架有助于使化学的认知多样性更加显性化。其重要意义在于：一方面为课程设计、教学和化学教师培养提供概念资源；另一方面为化学教育研究开辟机会，考察学生的认识论承诺如何在实践内部和实践之间发展、其认知框架如何在实践之间转换、教学如何赋予某些实践以特权，以及评估如何捕捉学生协调多种认知与行动方式的能力增长。
**关键技术方法** 本文为视角（Perspective）文章，未产生新的原创研究结果、软件或代码，未生成或分析新数据。研究方法本质上属于概念分析与理论综合：通过梳理化学哲学、科学教育及化学教育研究中关于化学实践本质、个人认识论、认知认知、认知资源、认知框架、认知游戏与认知实践的文献，对化学实践进行认识论层面的分析性刻画。作者依据主导认知目的对四种化学实践加以区分，并通过考察各实践如何实现其目的来刻画其独特的认知与行动方式，进而概述其核心认识论承诺。文中提出的各实践的认识论承诺被定位为一种受化学本质与实践学术研究启发的概念综合，而非穷尽性或确定性的集合。研究人员同时说明，分析聚焦于化学实践的认识论维度，并承认化学实践还受价值论、规范性和社会政治承诺的塑造，但这些值得单独考察，超出本文范围。
**研究结果** （1）化学实践的共同基础。研究人员指出，尽管不同形式的化学实践追求不同的认知目的，但它们并非彼此独立的事业，而是植根于共同的的概念基础设施。该基础设施包括三个相互关联的组成部分。其一是共享的本体论承诺：化学主要围绕物质世界组织，其研究对象是物质、材料和反应系统；化学在经验上植根于可触知的世界，同时在理论上承诺将亚微观层面化学实体的组成与结构同宏观层面的可观察性质和行为联系起来。由此产生若干本体论承诺，包括物理世界由具有特征性身份和性质的独特物质构成、每种物质具有特征性性质和行为、物质可以结合或分解生成具有不同身份和性质的新物质，以及物质的身份、性质和转化由亚微观化学实体的组成、结构及其相互作用决定。其二是共同的推断资源：推断资源指支持推理的概念系统，使化学家能够识别有意义的模式、构建解释、作出预测并指导决策；模型、分类系统和规则在化学思维中占据特别核心的地位，且在实践中很少孤立运作，化学专长不仅在于拥有这些推断资源，更在于知道如何富有成效地协调它们以支持解释、预测、决策和问题解决。其三是共享的认知活动：认知活动指生成、评价、交流和运用化学知识的行动，观察、实验、测量、数据解释、建模、解释和论证均属此类；推断资源与认知活动应当区分——前者是支持推理的概念系统，后者是运用、评价和转化这些资源以探究问题、解释观察、证明主张、作出决策和交流发现的行动。认知活动因嵌入其中的具体化学实践而获得不同的意义和功能，区分分析、合成、探究和控制的不是这些活动本身，而是它们所朝向的不同认知目的和所遵循的不同认识论承诺。研究人员还强调，三类基础动态互联、相互塑造，应被理解为不断演化学科的相互塑造维度而非固定层级。（2）认识世界与作用于世界的多种方式。研究人员通过共同的分析透镜考察每种化学实践形式，主要依据认知目的而非所采用的具体活动或推断资源加以区分，并从实践的认知目的、独特的认知与行动方式以及核心认识论承诺三方面加以刻画。化学分析的核心认知目的是生成并运用关于如何确定系统中物质的身份、组成、数量和分布的可靠知识，其独特方式包括有意图地设计和编排与物质系统的受控相互作用以诱导揭示信息的响应，以及通过开发新的相互作用、测量策略和分析工具推进知识；其认识论承诺包括：关于化学身份的可靠知识可通过有意图地引发物质系统的特征性响应来建立；可靠的analytical结论依赖从可观察响应进行的间接推断；推断资源中介分析知识；可靠的分析知识通过协调多种证据来源而得到辩护。化学合成的核心认知目的是生成并运用关于如何产生具有所需组成、结构和性质的化学实体的可靠知识，其方式包括有意图地设计和编排化学系统的受控转化以创造所需分子结构，以及通过开发新反应和合成方法学推进知识；其认识论承诺包括：关于如何产生新化学实体的可靠知识可通过有意图地转化物质来建立；合成设计通过协调使用互补的推断资源而得到辩护；关于可行合成路线的可靠知识通过评价相互竞争的转化可能性而建立；关于构建复杂分子系统的可靠知识通过战略性地协调多个化学转化而建立。化学控制的核心认知目的是生成并运用关于如何有效调节化学系统行为的可靠知识，其方式包括通过操纵化学系统的组成和条件进行有意图的干预以确定其行为在不同情形下如何响应，以及通过创造性地使用和开发过程控制实体、结构和方法学推进知识；其认识论承诺包括：关于化学系统可控性的可靠知识通过有目的的干预建立；关于化学系统如何被调节的可靠知识依赖干预与系统行为之间的可预测关系；关于可控性的可靠知识通过识别支配系统行为的因素和约束而得到辩护；关于化学调节的可靠知识通过在特定条件下证明可重现行为而建立。化学探究的核心认知目的是通过识别和刻画支配化学系统行为的原理和机制来生成可靠的解释性知识，其方式包括设计经验和理论研究以产生观察、测量和预测以检验假设并在竞争性解释之间作出判别，以及通过开发新的实验方法、理论模型、计算方法和概念框架推进知识；其认识论承诺包括：可靠的解释性知识通过探索化学系统并发展解释其性质与行为的模型而建立；关于不可观察化学实体和过程的可靠解释性知识通过模型以推断方式建立；可靠的解释性知识通过模型的经验检验、精炼和替换而发展；解释性主张通过协调证据、模型和既定化学知识而得到辩护和评价。（3）化学中的认识论多元性。四种实践揭示化学包含多种互补的认知与行动方式而非单一统一的探究模式。研究人员指出，分析围绕通过有目的的相互作用揭示物质系统的身份和特征而组织，合成围绕创造新化学实体和发展转化物质的新方式而组织，控制围绕通过有意图的干预调节化学系统行为而组织，探究围绕通过发展和评价解释性模型解释化学现象而组织；这些不同目的引导化学家以不同方式与物质系统接触，并朝向不同形式的化学成就。研究人员强调，该框架并非旨在对化学分支学科或化学家类型进行分类，真实的化学工作 routine 地在同一研究项目甚至同一项目中整合多种实践，例如开发新型催化材料可能需要合成新化合物、分析其组成与性能、研究其行为背后的机制并设计在不同操作条件下调节其活性的策略；在这些活动之间变化的不是化学领域，而是被置于前景的主导目的和认知与行动方式。区分这些实践使它们不同的认识论贡献可见，并有助于澄清它们如何互补和相互依赖，但不应被解释为真实化学工作可分解为独立活动或这些实践应通过教学孤立发展。认识这些互补实践有助于澄清化学作为一门学科如何进步：分析提供支持合成、控制和探究的信息，探究产生为分析解释、合成设计和控制策略提供依据的理解，合成扩展可用于进一步工作的物质和转化策略范围，控制展示化学行为如何被调节，同时创造新的科学和技术挑战以激发额外的分析、合成和探究努力；化学的进步因此不取决于赋予某一种实践形式以特权，而取决于协调这些互补的认知与行动方式，以同时扩展人们对物质世界的理解和参与物质世界的能力。（4）发展领域特定的认识论。研究人员指出，若四种实践代表化学中不同的认知与行动方式，那么该学科的学习应帮助学生逐步理解其认识论承诺，并发展以适合其教育和职业目标的水平参与这些实践的能力。学生并非在没有关于知识如何生成或辩护的思考方式的情况下进入化学，而是带来由日常与物理世界互动和先前教育经验塑造的期望和直觉；这些初始思考方式常为参与化学问题提供有价值的资源，但可能与表征专家化学实践的认识论承诺存在重要差异。有效的化学教学应基于学生既有认知资源，同时创造机会使其认识这些资源在复杂情境中的局限。发展专长因此不仅涉及获得新概念和技能，还涉及逐步精炼和重组既有认知与行动方式，以更好地符合化学实践的要求。研究人员提出，化学教育应帮助学生经历若干将影响其在不同化学实践形式中思考和行动的宏观认识论转变，并明确这些讨论必然是推测性的，依据的是关于学生在化学和科学中推理的现有研究以及本文所述四种实践的认识论承诺。第一，从直接观察到推断性解释。现有研究表明，新手学生的推理强烈受系统与过程的可感特征影响并受表面相似性引导，许多化学学习者自然期望可观察特征提供通向物质系统身份、性质和行为的直接通道；这一期望是学习的重要基础，但有意义地参与化学需要认识到化学知识通常是推断而非直接观察的。这一转变在四种实践中表现不同：在分析中，学生可能依赖物理外观、来源或单次测量来识别物质，发展专长需要认识到分析信号只有通过理论模型、经验相关性、校准程序和多种证据来源的协调来解释才获得意义；在合成中，学生可能从反应物和产物的表面相似性判断转化的可行性或成功，发展专长需要认识到成功的合成设计依赖使用分子表征、反应机制、分类系统和经验规则来推断哪些转化在化学上可行以及如何控制竞争性反应路径；在控制中，学生可能期望系统的可见变化为决定如何影响其行为或评价干预效果提供充分指导，发展专长需要认识到成功的调节依赖推断宏观条件变化如何改变无法直接观察的亚微观相互作用和动态过程；在探究中，学生常将模型和解释视为对现实的直接描述而非为解释证据而发展的推断性建构，发展专长涉及认识到解释性模型是依据其组织观察、产生预测和经受经验检验的能力而非其与所表征系统的相似性来评价的。第二，从单一原因到协调多个因素。现有研究表明，新手学习者常通过聚焦单一显著特征或因果因素来解释化学行为，而忽视多个变量如何同时影响化学系统的行为；这种推理在日常情境和入门化学任务中常富有成效，但有意义地参与化学日益需要认识到化学性质、转化和系统行为通常源自多个相互作用因素的共同影响。这一转变在四种实践中各有体现：在分析中，学生可能假设单次测量或分析响应足以识别物质，而非认识到可靠的分析结论常需要协调互补测量并考虑潜在干扰和实验条件；在合成中，学生可能将反应结果归因于单一因素如反应物身份，而忽视溶剂、催化剂、温度、浓度、反应时间、竞争路径和分子结构如何共同决定形成的产物；在控制中，学生可能期望操纵单一变量将可靠地产生所需结果，而非认识到有效调节依赖理解多个相互作用因素如何塑造系统行为并可能相互放大、削弱或抵消；在探究中，学生可能为观察到的现象寻求单一原因，而非发展协调多个变量、机制和相互作用过程以形成化学行为连贯解释的解释。第三，从确定性思维到概率性推理。学生常将化学系统推理为特定条件必然产生特定结果，这种确定性视角反映日常经验并由将化学反应、测量和解释呈现为具有单一可预测结果的教学任务所强化；尽管这种推理对许多入门情境可能足够，但有意义地参与化学日益需要认识到化学行为本质上是概率性的，多种结果常是可能的，观察到的行为源自竞争过程的相对可能性而非确定性规则。这一转变在四种实践中表现不同：在分析中，学生可能将测量解释为为单一结论提供确定性证据，而专家分析推理需要在赋予分析主张置信度之前评价不确定性、检测限、测量变异性和替代解释；在合成中，学生可能假设结合适当反应物必然产生所需产物，发展专长需要认识到多个反应路径经常竞争，成功的合成依赖设计提高所需转化概率同时抑制替代结果的条件；在控制中，学生可能期望改变单一变量将可靠地产生所需效果，而专家实践涉及理解干预如何改变不同条件下竞争化学过程的概率和相对速率；在探究中，学生可能为观察到的现象寻求确定性解释，而专家探究者评价竞争性假设、认识不确定性并随新证据出现不断修正解释性模型。化学专长涉及从将化学行为视为确定性的转向认识化学知识常涉及评价、预测和有意图地影响替代结果的概率；化学实践不是消除不确定性，而是寻求理解其起源、估计其后果并设计使所需结果日益可能实现的策略。第四，从表征到推断资源。学生最初倾向于将化学中使用的表征视为对化学系统或现象的描述，而有意义地参与化学需要认识到这些表征作为推断资源发挥作用，使化学家能够解释证据、解释现象、预期转化、设计干预和证明决策。这一转变在四种实践中形式不同：在分析中，学生逐步认识到校准曲线、光谱、参考标准和分析模型不仅是实验结果的表征，而是用于识别、区分和量化物质的推断资源；在合成中，反应机制、结构—反应性关系、反应分类和经验规则成为规划、评价和修正合成策略的资源而非简单描述化学转化；在控制中，动力学模型、平衡关系和预测框架用于预期干预如何影响化学行为并设计有效的调节策略；在探究中，解释性模型从被视为现实的表征演变为被理解为用于解释观察、产生预测和指导经验探究的理论建构。专长发展因此涉及逐步认识到化学的概念和表征资源之所以有价值，不是因为它们忠实描绘物理世界，而是因为它们支持日益强大的推断、决策和有目的行动形式。（5）对化学教育的启示。研究人员指出，该框架表明化学教育应旨在帮助学生发展对支持化学多种认知与行动方式的认识论承诺的理解。传统教学强调理解和解释化学现象，但解释只是组织化学工作的若干互补认知目的之一；化学还通过揭示物质系统的组成和性质、创造新物质和转化策略以及调节化学行为以实现所需结果而进步，这些活动不仅是化学知识的应用，而是该学科生成、验证和扩展知识的基本方式。所有学生都能从理解这些多样实践及其互补贡献中受益；对于追求化学相关职业的学生，教育应逐步加强其对共同基础的掌握、发展其对实践特定承诺的理解，并提供更深入参与与其专业领域最相关实践的机会。从这一视角看，化学教学应帮助学生发展对四个广泛认识论问题的日益复杂的回答：化学家如何生成关于物质系统的可靠知识？他们如何理解和影响化学系统的行为？他们如何推理可能性和不确定性？他们如何使用概念和表征资源来推理和行动？这些问题横跨化学实践，但其答案因每种实践独特的目的和承诺而异；探索这些差异可以拓宽学生对化学工作的理解，同时使教学中常保持隐性的推理形式显性化。发展这些理解和承诺对主要围绕获取既定知识和产生预期答案组织的教育方法构成挑战；学生在传统课程中的目标常集中于满足评估要求而非生成知识或有目的地作用于物质系统，支持认识论发展因此需要有机会参与对学生个人生活、未来职业或更广泛社会关切有意义的真实化学实践问题。尽管现有课程通过实验室工作、课程项目和研究经历提供认识论发展机会，但参与真实化学实践常处于教育经验的边缘、是偶发而非渐进的，且跨课程协调不足；此外，这些实践 underlying 的认识论承诺常保持隐性而非成为教学和反思的有意图对象。解决这些局限需要重新思考课程、教学和评估，使参与真实化学实践问题成为化学教育的中心组织原则；入门课程可通过可及的问题开始这一发展，使化学实践的多样性可见，而后续课程可逐步深化和整合学生的认知与行动方式，并根据需要提供专业化机会。研究表明，认识论发展涉及宏观转变，教学可通过共同的 pedagogical 循环支持这些转变：使学生初始认识论承诺显性化，使其参与揭示这些承诺优势与局限的任务，并支持逐步精炼其认知与行动方式的反思。此类任务不应被视为偶尔的 enrichment 活动，而应被视为渐进组织课程的整体组成部分，学生在其中有目的地参与化学实践以发展共同基础和认识论承诺。该框架对化学教育研究也有启示：现有许多工作考察学生的概念理解、科学推理和关于科学本质的观点，而未明确区分表征化学实践的认知目的；所提出的框架为研究学生的认识论承诺如何在实践内部和实践之间发展、其认知框架如何在实践之间转换、教学如何赋予某些实践以特权以及评估如何捕捉其协调多种认知与行动方式的能力增长提供了机会，也为考察教学任务、课程和教育方法中强调的化学实践形式和认识论发展提供了透镜。
**讨论与结论** 研究人员在讨论部分指出，本视角最终寻求使化学的智力多样性更加显性化。近期工作强调化学专长依赖在推理化学系统时灵活协调多种概念视角，而本框架通过突显化学的认识论多元性——围绕不同目的和承诺组织的互补认知与行动方式——扩展了这一观点。研究人员同时承认这一刻画必然是部分的：化学实践还受价值论和规范性承诺的塑造，涉及哪些问题值得关注、哪些结果被重视、服务于谁的利益以及物质世界干预伴随何种责任；这些承诺与化学运作的历史、社会和政治背景不可分割，但其系统考察超出本视角范围。因此，发展化学专长不仅需要概念知识和技术技能，还需要有意义地参与化学揭示、创造、调节和解释物质世界的多样实践所需的概念和认识论灵活性。文末声明无利益冲突；无原创研究结果、软件或代码，未生成或分析新数据；作者在本文开发过程中使用生成式人工智能系统（ChatGPT, OpenAI GPT-5.6 Sol）支持头脑风暴、批评论证、改进组织、生成示例和精炼写作清晰度，所有概念决策、解释、论证和最终文本均由作者批判性评价、实质性修订和批准，作者对稿件内容承担全部责任。研究结论部分可译为：本视角认为化学应被表征为一门认识论上多元的学科，由分析、合成、控制和探究四种围绕不同认知目的和认识论承诺组织的互补实践构成；这些实践共享化学本体论、推断资源和认知活动，并在真实化学工作中深度互联；化学教育应帮助学生逐步经历从直接观察到推断性解释、从单一原因到协调多个因素、从确定性到概率性推理、从表征到推断资源的认识论转变，并通过使初始认识论承诺显性化、参与揭示其优势与局限的任务以及支持反思的教学循环加以促进，从而使所有学生理解化学实践的多样性，并为未来专业人员有意义地参与这些实践做好准备。
