創(chuàng)建“讓我們一起想”的科學(xué)思維課堂

保志明

“物質(zhì)是由原子、分子等微小粒子構(gòu)成的?！薄肮饧扔辛Ｗ有裕钟胁▌有??！薄白匀贿x擇是使種群變化的一種機(jī)制?！比缃?，這些科學(xué)知識就安靜地呈現(xiàn)在教科書上，是我們科學(xué)課堂上的重要教學(xué)內(nèi)容。但我們有沒有帶學(xué)生一起想過，人類是怎么知道的呢？我們又沒看見，憑什么“想”出原子的存在呢？這就是科學(xué)特有的“想”——科學(xué)思維?！翱茖W(xué)實際上是一種思維方法，一種生動的、不斷變化的對世界的看法。它是發(fā)現(xiàn)世界背后機(jī)制的一種方式——一種非常特別的方式，用的是科學(xué)家設(shè)計的一系列有助于發(fā)現(xiàn)自己錯誤的規(guī)則?！保?］也就是說，科學(xué)知識與發(fā)現(xiàn)這些知識時使用的科學(xué)思維是密不可分的。然而現(xiàn)在的問題是，科學(xué)思維是隱性的，科學(xué)知識是顯性的；科學(xué)思維是難以測查的，科學(xué)知識是容易出題考的；科學(xué)思維的形成是緩慢的，科學(xué)知識的掌握是較快的。因此，科學(xué)思維并未在課堂教學(xué)中得到應(yīng)有的重視與落實。

科學(xué)思維在實踐層面表現(xiàn)為一套科學(xué)方法。科學(xué)方法是人們在認(rèn)識和改造世界中遵循或運(yùn)用的、符合科學(xué)一般原則的各種途徑和手段，通過幾個世紀(jì)的發(fā)展慢慢演變而來。然而，在中學(xué)課堂教學(xué)中，因受制于教學(xué)時間及學(xué)生認(rèn)知程度，并不能完全復(fù)原科學(xué)知識當(dāng)初發(fā)現(xiàn)時的科學(xué)方法，這就需要教師重新組織教學(xué)內(nèi)容，從教育學(xué)的角度對學(xué)術(shù)研究成果進(jìn)行情境化重構(gòu)。不過，科學(xué)方法的基本要素仍需體現(xiàn)。筆者所在的學(xué)校南京師大附中倡導(dǎo)與實踐的“讓我們一起想”的課堂，就是遵循這套科學(xué)方法去發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的課堂。

一、引導(dǎo)觀察，引發(fā)好奇

科學(xué)的方法始于對世界的觀察，識別出那些需要解釋的有趣的事物。盡管在科學(xué)實驗中，觀察的過程包括以某種方式有意識地干擾實驗對象。但在最開始，科學(xué)家往往是被那些有趣的，不同尋常的現(xiàn)象所吸引，引發(fā)好奇心，激起探究欲望。課堂教學(xué)中，要讓學(xué)生愿意想，有趣是必不可少的。

有趣可能隱藏在平常中，沒有善于發(fā)現(xiàn)的眼睛，可能會對它們視而不見。課堂上教師需要策略性地引導(dǎo)學(xué)生注意這些有趣現(xiàn)象。認(rèn)知心理學(xué)告訴我們，“熟悉+意外”是激發(fā)好奇心的公式。

例如，在認(rèn)識“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”時，我們可以從燃料的燃燒、能源危機(jī)等話題引入，但如果從“熟悉+意外”的角度來設(shè)計教學(xué)，則可提出這樣的問題：人、哺乳動物和鳥類都是恒溫動物，為什么從生物進(jìn)化的角度來說，恒溫動物要比變溫動物更高級些？人體的正常體溫為37℃，一般高于環(huán)境溫度，因此在環(huán)境中不斷在散熱，為什么還能保持體溫？植物有體溫嗎？植物的體溫哪里來的？這些問題都來自學(xué)生的生活世界，由它們引導(dǎo)學(xué)生走向科學(xué)世界。課堂實踐表明學(xué)生對這些問題是很感興趣的，他們的“想”就從這些問題開始了。

要在熟悉中發(fā)現(xiàn)意外，需要靠教師的引導(dǎo)，在觀察化學(xué)實驗中亦是如此。例如，在認(rèn)識硅酸鈉的性質(zhì)時，常規(guī)實驗是依據(jù)碳與硅在元素周期表中處于同一主族，通過類比碳酸鈉的性質(zhì)來了解硅酸鈉的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它們的相似之處：水溶液都能使酚酞呈現(xiàn)紅色，都能與鹽酸反應(yīng)生成相應(yīng)的弱酸，都能與鈣鹽等反應(yīng)生成沉淀，等等。如果實驗下來發(fā)現(xiàn)一切盡在掌握中，那就忽視了有趣且有價值的現(xiàn)象。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生會發(fā)覺硅酸鈉溶液有黏性，這點與碳酸鈉溶液很不同。于是，問題自然產(chǎn)生：硅酸鈉溶液為何為有黏性？硅酸鈉與碳酸鈉在結(jié)構(gòu)上是否存在著不同？

再如，在學(xué)習(xí)“純堿的制法”時觀察實驗：向充滿CO2的礦泉水瓶中倒入20mL 飽和氨食鹽水，瓶內(nèi)先緩緩升起白霧，外壁溫?zé)幔缓笃孔釉絹碓桨T，最后兩邊瓶壁幾乎貼合在一起。這樣的現(xiàn)象說明了什么？學(xué)生在觀察到瓶子變癟以及溫?zé)岬默F(xiàn)象后會不假思索地說，CO2氣體與氨鹽水反應(yīng)，被充分吸收了。如果追問是被氨水吸收了還是被食鹽水吸收了，學(xué)生通常會根據(jù)氨水的堿性來回答是被氨水。這一切似乎都是“熟悉”，可如果只有“熟悉”沒有“意外”，還不足以激起學(xué)生強(qiáng)烈的好奇。此時，需要教師追問：能不能“看見”CO2氣體是與氨反應(yīng)的？再次演示，引導(dǎo)學(xué)生觀察“熟悉”中的“意外”——白霧，并追問白霧產(chǎn)生的原因。學(xué)生先會認(rèn)為是熟悉的水蒸氣，可只要摸下瓶壁，會發(fā)覺只有稍許的溫?zé)岣?，便知那主要不是水蒸氣。此外，它們在瓶子“上空”的部位出現(xiàn)，而20mL氨鹽水只在500mL 的礦泉水瓶中占著底部少量體積。氨鹽水中有H2O 分子、NH3分子、Na+、Cl-，而在沒有振蕩的情況下，CO2分子僅大量存在于瓶子“上空”的部位，那么，什么微粒會“飛”出來與CO2分子反應(yīng)呢？答案是揮發(fā)出的NH3分子和H2O 分子。因此，那些白霧應(yīng)當(dāng)是NH3、CO2、H2O 反應(yīng)后形成的小液滴。這樣的過程，學(xué)生會不由自主地跟著教師一起想，因為這些觀察已經(jīng)引發(fā)了他們的好奇。

二、重視證據(jù)與邏輯

科學(xué)概念的得來通常十分不易，都是在觀察的基礎(chǔ)上作出假設(shè)，收集證據(jù)，沿著邏輯上升，反復(fù)經(jīng)歷了證實或證偽后得來的。因此，在課堂教學(xué)中，我們也需要像科學(xué)家一樣想，注重證據(jù)與邏輯推理。

“1911 年，英國物理學(xué)家盧瑟福（E.Rutherford）根據(jù)α 粒子散射實驗提出了原子結(jié)構(gòu)的核式模型?！保?］現(xiàn)行教材中已經(jīng)關(guān)注到提出原子結(jié)構(gòu)模型實驗證據(jù)。教學(xué)中我們?nèi)粝胍龑?dǎo)學(xué)生像科學(xué)家那樣思考問題，就需要對該實驗的3個主要結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真分析。

α 粒子是具有一定質(zhì)量的、帶正電荷的微粒。α 粒子散射實驗的數(shù)據(jù)顯示了3 個主要結(jié)果。第一，也是最讓人驚奇的，絕大多數(shù)α 粒子直接穿過金箔，沒有發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)。第二，有少量α 粒子發(fā)生小角度的偏轉(zhuǎn)。第三，有非常少的α 粒子（大約為1/50，000）沿著來的方向被彈回。

在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)第一和第三條實驗結(jié)果，我們可以給出一種簡單的原子結(jié)構(gòu)模型。金原子里絕大多數(shù)地方是空的，大多數(shù)金原子的質(zhì)量都集中在原子中一塊很小的區(qū)域里。我們管這個質(zhì)量集中的地方叫“原子核”。經(jīng)過仔細(xì)計算α 粒子偏轉(zhuǎn)和折射的角度后可以得出原子核的直徑大約比原子本身直徑小100，000 倍。

這個有趣的核式模型，指出了原子核與原子的質(zhì)量關(guān)系、體積關(guān)系，可以解釋三條實驗結(jié)果中的兩條。但如何理解第二條實驗結(jié)果呢？如果α 粒子只發(fā)生小角度的偏轉(zhuǎn)的話，它們一定沒有撞上質(zhì)量較大的原子核，但是如何解釋“偏轉(zhuǎn)”呢？只能從電荷角度考慮。α 粒子帶有正電荷，它們一定靠近但并沒有碰上原子中的正電荷。這意味著原子核一定帶有正電荷。如果原子核集中了原子中的正電荷，那么帶負(fù)電荷的電子只能在核外了。這樣，一個原子核式結(jié)構(gòu)模型呈現(xiàn)在我們面前：原子由居于中心的體積很小且?guī)щ姾傻脑雍撕秃送鈳ж?fù)電荷的電子構(gòu)成，原子的質(zhì)量主要集中在原子核上。

科學(xué)研究中，科學(xué)家不僅收集數(shù)據(jù)，更要分析與處理數(shù)據(jù)，而這一過程，常常需要利用數(shù)學(xué)工具。教師也需要帶領(lǐng)學(xué)生，進(jìn)入定量層面一起想。

例如，在研究化學(xué)反應(yīng)速率時，我們可以給學(xué)生提供反應(yīng)C60O3=C60O+O2↑中不同時間溶液吸光度的變化來研究濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系，因為溶液的吸光度與C60O3的濃度成正比。圖1顯示了一些實驗結(jié)果。

學(xué)生之前已經(jīng)知道化學(xué)反應(yīng)速率的定義v（A）=Δc（A）/Δt，因此由圖1 提供的數(shù)據(jù)，我們可以計算出每個時間間隔內(nèi)平均的化學(xué)反應(yīng)速率值，并將其再次作圖得到圖2。

圖1 表明隨著時間推移，C60O3溶液的吸光度在減小，即C60O3的濃度在減小，這是對實驗現(xiàn)象的記錄。圖2 表明隨著時間推移，該反應(yīng)的速率也在減小，這是對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理的結(jié)果。而圖1與圖2的相似性表明，該反應(yīng)的反應(yīng)速率一定與C60O3的濃度相關(guān)，到底如何相關(guān)呢？還是通過作圖：我們通過圖1、圖2 的時間變量來聯(lián)系反應(yīng)速率與C60O3濃度（仍以吸光度來表達(dá)），作出圖3。

三、拓展課堂的時空維度

思維與方法需要學(xué)習(xí)者經(jīng)歷體驗才能習(xí)得，科學(xué)方法作為研究工具需要經(jīng)常使用才能內(nèi)化為思維習(xí)慣。課堂時間有限，如果學(xué)生在課后甚至日常生活中仍能保持好奇心，養(yǎng)成觀察與思考的習(xí)慣，才是我們希望看到的。因此，每節(jié)課的最后，不應(yīng)只是個句號，而應(yīng)是新的問號。

例如，在學(xué)習(xí)過“濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”之后，教師可演示一個實驗：錐形瓶中裝有20mL 30%雙氧水溶液，撒入少量MnO2，反應(yīng)開始，通過觀察氣泡產(chǎn)生的快慢可以直觀地感受到反應(yīng)速率。隨著雙氧水濃度的減少，氣泡產(chǎn)生變慢，這在預(yù)料之中。可在反應(yīng)進(jìn)行一段時間后，突然加快，大量氣泡伴隨著大量水汽生成，甚至沖出錐形瓶，非常震撼。這樣的現(xiàn)象促使學(xué)生思考：之后的反應(yīng)速率加快是怎么造成的？如果用此系統(tǒng)研究濃度對反應(yīng)速率的影響，實驗設(shè)計時要注意什么？

每位學(xué)生都是獨(dú)特的個體。他們的興趣、愛好、天賦也不盡相同，那么在構(gòu)建“讓我們一起想”的思維課堂體系時，也需關(guān)注到學(xué)生的差異性，使思維課堂呈現(xiàn)不同的層級。在作為共同基礎(chǔ)的必修課堂之外，我們還可為不同的學(xué)生提供不同的選修課堂，在不同的方向上對“讓我們一起想”進(jìn)行延續(xù)與拓展。例如，開設(shè)名為“經(jīng)典重現(xiàn)”的選修課，深度剖析重現(xiàn)科學(xué)史上經(jīng)典的100 個實驗，讓學(xué)生與歷史上的科學(xué)大師一起想。再如，開設(shè)“物理圓桌派”“化學(xué)圓桌派”等選修課，以小班討論課方式，就感興趣的問題與同學(xué)一起想。

綜上，中學(xué)教學(xué)承擔(dān)著立德樹人的根本任務(wù)，今日的中學(xué)生未來需要成為在認(rèn)識和改造世界中擔(dān)負(fù)歷史使命的創(chuàng)新人才。這樣的教育目標(biāo)要求科學(xué)教師必須以科學(xué)方法來教授科學(xué)知識，或者說，通過科學(xué)知識來教授科學(xué)方法。它們兩者是不可分割的?！白屛覀円黄鹣搿钡目茖W(xué)課堂，就是由科學(xué)教師帶著學(xué)生，激情地鼓勵學(xué)生敢“想”，理智地幫助學(xué)生會“想”，還智慧地引導(dǎo)學(xué)生一輩子都在“想”！