基于科學本質觀培養(yǎng)的元素周期律教學及反思

王振芳　張賢金　吳新建

摘 要 科學本質觀是科學素養(yǎng)的重要內(nèi)容，如何有效培養(yǎng)學生的科學本質觀是當前高中化學教育工作者需要深入實踐研究的問題。本文選取魯科版高中化學《必修2》第一章第2節(jié)“元素周期律和元素周期表”第一課時為研究對象，從學生課前查閱化學史資料、課中體驗科學探究的過程與方法、教師利用“歷史回眸”總結等三個教學板塊探尋課堂教學中學生科學本質觀培養(yǎng)的途徑與方法，并基于教學實踐進行教學反思。

關鍵詞 科學本質觀 元素周期律 化學史 反思

隨著社會的不斷發(fā)展，科學素養(yǎng)越來越受到各國基礎教育改革的重視，科學本質則是近二十年來世界科學教育改革所關注的熱點問題之一。尤其是美國制定的“科學素養(yǎng)基準”（1993年）和“美國國家課程標準”（1996年）就明確指出：科學素養(yǎng)的重要組成部分就是對科學本質的理解[1]。而我國制定并實施的《全民科學素質行動計劃綱要》（2006～2010～2020年）也明確提出：“初步認識科學本質”將成為我國未成年人科學素質教育的主要任務。但是，我國的基礎教育由于深受高考指揮棒的影響，相當一部分教師對科學本質的研究重視不夠。因此，目前對科學本質研究較多的只是針對教材的編排，而在課堂設計和課堂教學中涉及的較少?？梢哉f，在科學本質觀問題上，出現(xiàn)了國家層面上的重視與現(xiàn)實教育教學工作中的缺失之間的巨大反差。

針對這一現(xiàn)狀，我們在高中化學教學實踐中進行了一些實踐探索，在一些課程教學內(nèi)容中引入了科學本質觀培養(yǎng)的內(nèi)容。由于元素周期律的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展的整個歷程都蘊含著科學本質的探究，本文選取魯科版高中化學《必修2》第一章第2節(jié)“元素周期律和元素周期表”第一課時為研究對象，在化學課堂教學設計和課堂教學過程中充分體現(xiàn)出科學本質觀的理念，通過課堂教學有意識地培養(yǎng)和發(fā)展學生的科學本質觀。

一、通過“課前預習課中點撥”幫助學生初步認識科學本質內(nèi)涵

傳統(tǒng)的教學方法，一般是教師簡單利用教材中“聯(lián)想·質疑”欄目，過渡到元素周期律的教學。而本節(jié)課課前教師安排學生按學習小組上網(wǎng)查閱資料，使學生在查閱相關資料的過程中對元素周期表的發(fā)展史有一定的了解，課堂上利用5～8分鐘讓完成較好的學生到講臺上展示自己的成果并講解，教師對學生的成果中蘊含著的科學本質內(nèi)容進行分析、點評，通過學生課前預習、課中教師點拔的教學過程初步讓學生對科學本質有以下認識。

1.認識科學的發(fā)展需要經(jīng)歷一個漫長的過程

以往對化學史的介紹，大都采用教師講故事、學生聽故事的方式進行。因此，即使教師講得再生動，學生聽到再入神，許多學生還是不能體會科學探索的漫長性?，F(xiàn)在，改為先由學生自己查閱資料，再由學生代表上臺講解，教師只需要略加點撥，導引學生注意時間發(fā)展：從1789年首開元素分類先河的拉瓦錫，到1869年提出人類歷史上第一張化學元素周期表的俄國化學家門捷列夫，最后到1913年應用x射線測定原子核所帶的正電荷數(shù)目的英國物理學家莫斯萊，人類社會才對元素周期律的實質有了真正的認識[2]。從1789年到1913年經(jīng)歷了124年的時間，學生能體會到科學的發(fā)展經(jīng)過一個漫長的過程。在這過程中體現(xiàn)出各國科學家的聰明才智，這對學生初步認識、理解科學本質極具價值。

2.認識科學知識具有局限性

通過課前預習，學生發(fā)現(xiàn)元素周期表有很多版本，比如德貝萊納的四個元素組，尚古爾多的圓柱形螺旋圖，邁爾制作的六元素表，牛蘭茲的八音律元素表，門捷列夫的元素周期表。學生們提出質疑：為什么元素周期表在不同時期有不同的表現(xiàn)？教師答疑點撥：因為從道爾頓到門捷列夫，各國科學家都認為原子是不可再分的，人們認為，隨著原子量的遞增而呈現(xiàn)周期性的變化這一元素性質的觀點，在當時是正確的；但是，隨著科學家對原子結構的深入探索，人類逐步認識到元素周期律是按原子序數(shù)排列而成，并非都按門捷列夫的原子量排列；當然，隨著先進的科學實驗手段的持續(xù)運用，各領域科學研究的持續(xù)深入，這一觀點也可能會發(fā)生改變，所以，科學知識具有主觀性和局限性。

3.認識科學知識的發(fā)展具有創(chuàng)造性

從研究方法看，從道爾頓的原子學說開始到1869年門捷列夫的元素周期表，科學家都認為元素周期表是按元素的原子量進行排列的，直到1913年，莫斯萊測定了一系列元素的特征x射線后指出：核電荷才是元素周期表中元素排列順序的真正依據(jù)，1913年到1925年洪特規(guī)則和泡利不相容原理的出現(xiàn)，才完全發(fā)現(xiàn)了元素周期律的本質。伴隨著對元素周期表本質的揭示，元素周期表被賦予了真正的靈魂，這說明科學知識的發(fā)展具有創(chuàng)造性，也讓學生充分明白科學知識的形成依賴細致的觀察、科學的實驗證據(jù)、合理的論證以及大膽懷疑的態(tài)度。

通過學生的課前預習，課中學生的講解、質疑，教師的解疑點撥，學生才能充分理解元素周期表的產(chǎn)生、發(fā)展和趨向完善，是經(jīng)歷了一個多世紀、多代科學家接力賽般努力探索的過程，推動著現(xiàn)代物質結構理論的建立和發(fā)展，尤其是促進了現(xiàn)代化學諸多分支的建立和發(fā)展。

二、利用“活動·探究”欄目幫助學生體驗科學探究本質

在了解元素周期表的發(fā)展史的基礎上，再利用教材的“活動·探究”欄目中“元素周期律初探”，讓學生親身體驗科學探究的過程，活動問題：（1）學生完成表中所缺內(nèi)容。（2）學生按學習小組對表中的各項內(nèi)容進行比較、分析，繪出三張對應的柱狀圖和折線圖，尋找其中的規(guī)律。通過“活動·探究”欄目讓學生深入體會科學家的科學探究過程，掌握科學研究的一般方法。

1.學會掌握科學研究的一般過程

科學研究過程一般包括發(fā)現(xiàn)問題、提出假設、實驗驗證、數(shù)據(jù)分析、得出結論等。本節(jié)先讓學生完成教材的表格所缺內(nèi)容，然后學生依據(jù)表格數(shù)據(jù)分析并作圖，進行相關規(guī)律的探索。從而讓學生更深入理解科學研究就是人們探索事物真相、性質或規(guī)律，以便獲得新信息的活動，由此為學生今后從事科學研究打下基礎。

2.學會分析實驗數(shù)據(jù)總結規(guī)律

科學上對數(shù)據(jù)分析常用的一種方法是把定量的數(shù)字問題轉化為圖像處理，通過研究變化趨勢從而更加簡潔直觀地找到其變化規(guī)律，而元素周期律的教學重點是讓學生會利用各種圖表處理數(shù)據(jù)，使學生了解科學研究的方法。本節(jié)讓學生以小組合作形式合作完成教材的“活動·探究”欄目中元素周期律初探，學生以元素的原子序數(shù)為橫坐標、原子的最外層電子數(shù)為縱坐標，繪出柱狀圖。同樣方法讓學生繪出其他兩張折線圖，讓學生觀察圖表，通過觀察得出元素核外電子排布的周期性決定了元素性質的周期性。通過這一活動讓學生明白數(shù)據(jù)分析是科學研究的基本手段，圖表是整理數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律的重要工具。

三、利用“歷史回眸”欄目，幫助學生領悟科學理論建構本質

本節(jié)先讓學生課前預習化學史，初步認識科學本質內(nèi)涵，再通過教材的“活動·探究”欄目，讓學生體驗科學探究的過程和方法，最后學生閱讀“人類對元素周期律的認識”，師生共同總結，幫助學生領悟科學理論建構的本質。

1.理解科學理論的建構是“實驗-觀察-推理”的過程

在“歷史回眸”欄目中提到，到19世紀中葉已經(jīng)獲得60多種元素的原子量，人們對元素周期律的早期認識是從門捷列夫（D.L.Mendeleev）和邁爾（J.L.Meyer）等科學家依據(jù)原子量的大小對元素進行分類排列，并發(fā)現(xiàn)元素性質隨著原子量的遞增呈現(xiàn)明顯的周期性變化得出的。學生初步認識到了科學理論的建構遵循“實驗-觀察-推理”的過程。

2.理解科學知識具有暫時性、動態(tài)性

在“歷史回眸”欄目中提到，根據(jù)元素周期律門捷列夫（D.L.Mendeleev）就預測出三種新元素及其性質。隨著科學家的努力，元素鎵（Ga）、鈧（Sc）、鍺（Ge）在十五年內(nèi)相繼被發(fā)現(xiàn)，它們的原子量、密度和有關性質都與門捷列夫的預言驚人的相符，這時元素周期表才逐漸被人們承認。但是，一直到1913年英國物理學家莫斯萊利用x射線對原子核所帶的正電荷數(shù)目進行了測定后，人類社會對元素周期律的實質才有了真正的認識[3]。通過師生交流，學生理解了科學家建立起的科學知識體系，都必須經(jīng)過人們長期的質疑、驗證或重新修改，其合理性才會被接受?？梢姡茖W知識具有暫時性、動態(tài)性，即對于科學知識來說，只有相對的真理，沒有絕對的真理。

四、基于科學本質觀培養(yǎng)的教學實踐反思

由于受高考指揮棒的影響，加之教師和學生對科學本質的理解程度不同，教材中出現(xiàn)的化學史大多不會得到教師的重視。為了培養(yǎng)學生的科學本質觀，本節(jié)“元素周期律”的教學設計及課堂教學重點就放在“化學史”的認識及其后面所揭示的科學本質，以培養(yǎng)學生對科學本質的理解。通過教學實踐，筆者有以下幾點反思。

1.化學史是學生理解科學本質的重要途徑

化學史可以直接傳達科學本質，以達到科學本質教育的教學目標，因此如何用好化學史就顯得非常重要。目前教師講化學史的形式是講故事或簡單介紹化學家的重要貢獻，對化學家研究經(jīng)歷和如何得出重要貢獻沒有認真分析、點撥，所以在教學中無法挖掘隱含在化學史后面的科學本質要素。本節(jié)試圖從元素周期律和元素周期表的發(fā)展史多角度去詮釋科學本質。課前教師布置學生獨立完成有關元素周期律和元素周期表發(fā)展史資料的查閱，讓學生個體對有關史料有一個概述性了解；課中教師首先讓學生分學習小組合作討論，補充、完善資料；隨后請學生代表上講臺歸納講解，教師點撥歸納提高；最后學生對本堂課學習所得進行總結分享。有的學生總結說：“元素周期表的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展、完善的歷史，只是科學發(fā)現(xiàn)的一個縮影，它讓我知道了任何科學的發(fā)現(xiàn)都需要長期不懈地努力才能獲得成功，在這個過程中，科學不是一帆風順的，而是力盡艱辛、充滿挫折、失敗、猜想、頓悟的不斷探索的過程?！睂W生的這種理解，已經(jīng)遠遠超越了對化學史的掌握，而反映出他們對科學本質有了更深入的領悟。

2.設計模仿科學家探索的活動，幫助學生體驗科學探究過程

為了幫助學生更好地理解科學本質，教師在課堂教學中設計模仿科學家探索的活動，讓學生分學習小組討論，分析原子序數(shù)1～18號的元素其原子序數(shù)與元素性質之間的關系并作出圖表。學生通過觀察、推論，發(fā)現(xiàn)隨著原子序數(shù)的遞增呈周期性變化規(guī)律這一元素的性質。并讓學生通過這一探究活動體驗到科學家的科學探究過程，理解科學研究中圖表是整理數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)科學規(guī)律的有效手段，同時領悟科學理論的建構是從觀察到推論的過程，科學也是一種不斷“探究”的過程。

3.充分利用教材資源“歷史回眸”總結科學本質特征

“歷史回眸”欄目中全面介紹了人類對元素周期律的認識，從道爾頓的原子學說和原子量概念的提出，到俄國著名化學家門捷列夫和德國化學家邁爾等分別利用已發(fā)現(xiàn)的60多種元素原子量數(shù)據(jù)，開始研究原子量與元素性質間的關系，門捷列夫的第一張元素周期表是按原子量排序，并根據(jù)元素周期律修正了9種元素的原子量，還預言和發(fā)現(xiàn)了三種新元素及其特性。最后到1925年量子力學的產(chǎn)生，人類才明確元素原子核外電子排布規(guī)律，最終發(fā)現(xiàn)元素周期律的本質，這個過程歷經(jīng)一個多世紀。這充分說明科學知識的發(fā)展都要經(jīng)歷一個漫長的過程，科學知識的發(fā)展具有暫時性、動態(tài)性、創(chuàng)新性、發(fā)展性的特征，教師必須充分利用此資源讓學生對科學本質的理解更具體、更全面。

總之，“元素周期律”的教學，讓我們深入認識到對教材中體現(xiàn)科學本質要素的挖掘，必須由教師巧妙設計，多角度、多維度去思考，并把這些設計和思考融入到學生自主學習和合作探究的整個學習過程之中，讓學生不僅僅學到“元素周期律”的知識，更重要的是領悟到人類社會科學發(fā)展過程中一代代科學家接力賽般進行著科學的研究和發(fā)現(xiàn)，真正把科學本質根植于學生的腦海。

參考文獻

[1] 劉克文.試論科學的本質及其在科學教育中的價值[J].教育科學，2003（4）.

[2] 畢華林，劉冰.基于科學本質教育的化學教科書設計[J].化學教育，2007（5）.

[3] 王磊.普通高中課程標準實驗教科書·化學2[M].濟南：山東科技出版社，2007.

【責任編輯 郭振玲】