凸顯科學(xué)本質(zhì)的化學(xué)教學(xué)：內(nèi)涵、價(jià)值及實(shí)踐策略

許玉明 張賢金 鄭旭輝

摘要：科學(xué)本質(zhì)教育是新課標(biāo)的要求，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)生活及后續(xù)發(fā)展有重要的意義。文章闡述了科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵及功能價(jià)值，并提出化學(xué)教學(xué)課堂滲透科學(xué)本質(zhì)觀的策略，具體包括：創(chuàng)設(shè)情境，預(yù)設(shè)問(wèn)題；品讀歷史，建構(gòu)概念；適時(shí)評(píng)價(jià)，領(lǐng)悟內(nèi)涵等。

關(guān)鍵詞：科學(xué)本質(zhì)觀；化學(xué)教學(xué)；化學(xué)史；實(shí)踐策略

文章編號(hào)：1008-0546（2021）12-0008-04中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.002

*本文系教育部福建師范大學(xué)基礎(chǔ)教育課程研究中心2021年度立項(xiàng)課題“基于變異理論的高中化學(xué)深度學(xué)習(xí)研究”（課題編號(hào)：KCZ2021127）及福建省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度立項(xiàng)課題“促進(jìn)高階思維能力發(fā)展高中化學(xué)教學(xué)研究（課題編于：FJJ？ KZX 21-557）”階段研究成果。

培養(yǎng)科學(xué)本質(zhì)觀是現(xiàn)代科學(xué)教育的重要任務(wù)，人們常將對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解稱為“科學(xué)本質(zhì)觀”。新修訂普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)除了在多處章節(jié)出現(xiàn)一些如：“提出假設(shè)”“通過(guò)分析推理加以證實(shí)”“建立模型”“揭示本質(zhì)和規(guī)律”“敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新”等詞語(yǔ)，還多次提到“促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解”[1]，顯然這些都是科學(xué)本質(zhì)的范疇，新課標(biāo)未對(duì)科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵作具體闡述。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵梳理，闡述其教育功能價(jià)值及化學(xué)教學(xué)的實(shí)踐策略，期待為科學(xué)本質(zhì)教學(xué)提供參考。

一、科學(xué)本質(zhì)觀的內(nèi)涵

1907年美國(guó)國(guó)家科學(xué)數(shù)學(xué)教師協(xié)會(huì)提出“科學(xué)本質(zhì)”一詞，當(dāng)時(shí)并未對(duì)其進(jìn)行明確的概念界定?？茖W(xué)本質(zhì)的內(nèi)涵是什么，從目前已有的文獻(xiàn)來(lái)看，很難給出一個(gè)統(tǒng)一的、精準(zhǔn)的定義。因?yàn)榭茖W(xué)本質(zhì)并非單一的觀點(diǎn)，有些問(wèn)題還在探討。隨著科學(xué)事業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)外不同時(shí)期不同機(jī)構(gòu)和專家提出的觀點(diǎn)各不相同[2]（見(jiàn)表1）。

美國(guó)學(xué)者M(jìn)cComas，W.F和Olson，J.K.基于美國(guó)、英國(guó)等五個(gè)國(guó)家的八份教育研究文獻(xiàn)中有關(guān)科學(xué)本質(zhì)的分析，總結(jié)對(duì)科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵概括相同的觀點(diǎn)，認(rèn)為與科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)哲學(xué)等四個(gè)學(xué)科有關(guān)聯(lián)，如圖1所示，其中科學(xué)史的貢獻(xiàn)量最大[3]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者王晶瑩將科學(xué)本質(zhì)分為“觀察和推論”“科學(xué)的創(chuàng)造性”“科學(xué)的暫時(shí)性”“科學(xué)以實(shí)證為基礎(chǔ)”“科學(xué)的主觀性”五個(gè)方面[4]；不同研究者對(duì)科學(xué)本質(zhì)觀的界定內(nèi)容不同，其原因是根據(jù)科學(xué)研究的基本方法和認(rèn)識(shí)物質(zhì)的不同視角得出的，因此目前對(duì)科學(xué)本質(zhì)觀的界定是暫定性的，未來(lái)有可能會(huì)隨著科學(xué)思維的變化，對(duì)科學(xué)本質(zhì)觀的要素和結(jié)構(gòu)重新審視。雖然不同學(xué)者對(duì)科學(xué)本質(zhì)界定不同，但都認(rèn)為基礎(chǔ)教育階段應(yīng)該教授一些大眾認(rèn)可的科學(xué)本質(zhì)的特征。例如：科學(xué)知識(shí)是暫時(shí)性的、基于實(shí)證的、主觀性的、負(fù)載理論的，同時(shí)還是人類推理、想象、創(chuàng)造的產(chǎn)物，是植根于社會(huì)和文化背景中的等，這些特征可以為我們化學(xué)教學(xué)中提供相對(duì)明確而穩(wěn)定的價(jià)值參照。

二、科學(xué)本質(zhì)觀的功能價(jià)值

培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀已經(jīng)成為各國(guó)教育教學(xué)目標(biāo)之一。已有研究表明，由于我國(guó)的“尊權(quán)”“考試文化”等傳統(tǒng)社會(huì)文化的影響，對(duì)教師和學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀形成起到不小的負(fù)作用，教師科學(xué)本質(zhì)觀大都處于較為樸素水平[5]，現(xiàn)新課標(biāo)要求在化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀，具有十分重要的意義。

1.教師科學(xué)本質(zhì)觀：有助于發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)

教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀，首先需要教師樹(shù)立正確的科學(xué)本質(zhì)觀。如果化學(xué)教師對(duì)于科學(xué)本質(zhì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)比較膚淺，教學(xué)中存在著缺失甚至錯(cuò)誤。例如，化合價(jià)是一個(gè)概念，并不是客觀存在的，但許多教師在教學(xué)中，都在讓學(xué)生記憶化合價(jià)，相當(dāng)一部分學(xué)生都誤認(rèn)為化合價(jià)是真實(shí)存在于物質(zhì)中，這些都說(shuō)明我們教師因?yàn)榭茖W(xué)本質(zhì)觀的理解模糊而影響教學(xué)行為。

王偉和王后雄認(rèn)為化學(xué)核心素養(yǎng)與化學(xué)學(xué)科本質(zhì)有天然的內(nèi)在聯(lián)系。二者的關(guān)系所示的“冰山模型”（見(jiàn)圖2），化學(xué)學(xué)科本質(zhì)位于水面之下，化學(xué)核心素養(yǎng)是化學(xué)教學(xué)中需要達(dá)成的顯性目標(biāo)，位于水面之上[6]。

理解學(xué)科本質(zhì)是發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)和條件，如果教師理解了學(xué)科的本質(zhì)，同時(shí)在課堂教學(xué)中統(tǒng)籌好知識(shí)載體、方法引領(lǐng)和價(jià)值驅(qū)動(dòng)三者之間的關(guān)系，就能發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀：促進(jìn)學(xué)生客觀欣賞、理解、評(píng)價(jià)及探索科學(xué)事業(yè)

已有研究表明，目前許多學(xué)生在思維方式上的思考主要是“知識(shí)是什么”以及“知識(shí)有什么用”，很少思考“知識(shí)是怎么產(chǎn)生的”和“知識(shí)是否具有合理性”等，科學(xué)本質(zhì)觀處在待提高的水平，學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)觀對(duì)其將來(lái)融入社會(huì)后的生活方式將起著非常重要的影響。例如，若學(xué)會(huì)科學(xué)觀察和推理，將會(huì)形成實(shí)證意識(shí)；若滲透科學(xué)主觀性和創(chuàng)造性，今后將更懂得人與人之間相互尊重，努力發(fā)揮自身潛能；若認(rèn)為所學(xué)的知識(shí)是絕對(duì)正確的，可能只是反復(fù)記憶書(shū)本上的知識(shí)，若有科學(xué)的暫時(shí)性的意識(shí)，就會(huì)對(duì)書(shū)本上的知識(shí)批判質(zhì)疑以及選擇吸收。如果具有良好的科學(xué)本質(zhì)觀，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷更新，就能正確理解新科學(xué)知識(shí)和產(chǎn)品，做出科學(xué)的決策。因此，培養(yǎng)科學(xué)本質(zhì)觀，能幫助學(xué)生客觀欣賞、理解、評(píng)價(jià)及探索科學(xué)事業(yè)，即便他們將來(lái)從事科學(xué)研究之外的事業(yè)，在日常生活中對(duì)與科學(xué)有關(guān)的一些議題也能做出更理性的判斷。

三、化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)科學(xué)本質(zhì)觀的實(shí)踐策略

科學(xué)本質(zhì)觀本身并不是知識(shí)，是個(gè)人在學(xué)校教學(xué)和社會(huì)文化中潛移默化而形成的。如果我們利用一節(jié)化學(xué)課為學(xué)生講述科學(xué)本質(zhì)觀，學(xué)生只能了解科學(xué)本質(zhì)觀是什么，但學(xué)生不會(huì)因此成為一個(gè)具備科學(xué)本質(zhì)觀的人，因此促進(jìn)化學(xué)學(xué)科本質(zhì)觀教學(xué)策略的探索有著重要的意義。新課標(biāo)多次強(qiáng)調(diào)將化學(xué)史與促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解聯(lián)系起來(lái)，國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者關(guān)于這方面的探索和實(shí)踐，畢華林和劉冰認(rèn)為科學(xué)的本質(zhì)蘊(yùn)涵于科學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，避開(kāi)化學(xué)史研究科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容比較空洞，化學(xué)史素材是發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)理解的重要手段[7]；白建娥認(rèn)為促進(jìn)科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)的策略是設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性任務(wù)以及探究問(wèn)題，讓學(xué)生在解決問(wèn)題中體驗(yàn)科學(xué)的本質(zhì)[8]。

筆者研究發(fā)現(xiàn)高中“化學(xué)鍵”內(nèi)容蘊(yùn)藏科學(xué)本質(zhì)豐富的內(nèi)涵（見(jiàn)表2），基于以上設(shè)計(jì)思路，下面提供以“化學(xué)鍵”教學(xué)為案例的具體策略，教學(xué)設(shè)計(jì)如下：

1.創(chuàng)設(shè)情境，預(yù)設(shè)問(wèn)題

“化學(xué)鍵”教材內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生的都是結(jié)論性的敘述，比較枯燥，引不起學(xué)習(xí)興趣，不容易建構(gòu)化學(xué)鍵概念，也不利于培養(yǎng)科學(xué)本質(zhì)觀。為了更有效幫助學(xué)生建構(gòu)概念，引入新課時(shí)聯(lián)系生活的真實(shí)情境，設(shè)置分組實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲，從而滲透觀察與推理、基于實(shí)證等科學(xué)本質(zhì)觀。

【展示】NaCl晶體結(jié)構(gòu)的模型、金剛石模型和CO2（干冰晶體）的模型。

【教師】構(gòu)成自然界中化合物的微粒是什么？這些微粒之間存在怎樣的相互作用構(gòu)成物質(zhì)的？

【學(xué)習(xí)任務(wù)】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)比較氯化鈉溶液、熔融氯化鈉、鹽酸的導(dǎo)電性。

【教師】為什么同樣是電解質(zhì)，液態(tài)HCl不能導(dǎo)電而NaCl在熔融狀態(tài)能導(dǎo)電呢？

心理學(xué)研究表明，思維來(lái)自于疑問(wèn)。問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，不只是挖掘?qū)W生身邊生活中的現(xiàn)象，而是通過(guò)“組成NaCl晶體、金剛石和CO2（干冰晶體）微粒是什么”引發(fā)學(xué)生積極思考，引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)的視角去觀察思考問(wèn)題，探究化學(xué)鍵概念的本質(zhì)。

2.品讀歷史，建構(gòu)概念

化學(xué)鍵有關(guān)理論的發(fā)展是曲折的，材料非常豐富，我們根據(jù)化學(xué)鍵發(fā)展史挖掘其后面蘊(yùn)藏的科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵，讓學(xué)生品讀化學(xué)鍵發(fā)展史，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)興趣，明白化學(xué)鍵發(fā)展的歷程，同時(shí)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性任務(wù)，建構(gòu)化學(xué)鍵概念，以促進(jìn)學(xué)生形成正確的科學(xué)本質(zhì)觀。

史實(shí)1：著名的“八隅律”理論?？茖W(xué)家們對(duì)微粒之間作用的探索和研究中，經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子后，使人們認(rèn)識(shí)到原子是由更小的微粒構(gòu)成的，才致力于研究化學(xué)鍵的理論。1918年德國(guó)的W.Kossel根據(jù)湯姆遜發(fā)現(xiàn)的電子來(lái)解釋離子化合物，認(rèn)為原子穩(wěn)定存在的基本條件是最外層軌道上保持有8個(gè)電子的狀態(tài)，這就是著名的“八隅律”理論。

【問(wèn)題1】請(qǐng)根據(jù)“八隅律”理論，思考Na原子與Cl原子是怎樣形成氯化鈉的？

【教師】Na送給Cl一個(gè)電子后，形成的離子Na+和Cl-，最外層都是8個(gè)電子。像氯化鈉這樣帶相反電荷離子（陰、陽(yáng)離子）之間的相互作用稱為離子鍵。

【觀點(diǎn)】八隅律理論只能解釋離子穩(wěn)定性，對(duì)許多的共價(jià)化合物如H2O中H原子最外層不需要8個(gè)電子卻也穩(wěn)定存在現(xiàn)象，卻無(wú)法作出解釋，但是八隅律理論的提出啟發(fā)了美國(guó)路易斯的研究。

史實(shí)2：共價(jià)鍵理論。1923年美國(guó)的路易斯根據(jù)研究提出“原子間通過(guò)共用電子對(duì)作用形成共價(jià)化合物，符合八隅律”的共價(jià)鍵理論，這個(gè)理論指出了化學(xué)鍵的本質(zhì)。

【問(wèn)題2】請(qǐng)根據(jù)路易斯共價(jià)鍵理論，思考?xì)湓优c氯原子是怎樣形成HCl的？

【教師】共價(jià)鍵的形成因素。

【觀點(diǎn)】共價(jià)鍵理論解釋了共價(jià)鍵的飽和性，卻對(duì)共價(jià)鍵的方向性無(wú)法作出回答。比如水分子的氫氧鍵應(yīng)該成90度，而不是104.5度。也不能解釋許多化合物的中心原子的外圍電子超過(guò)8個(gè)仍然很穩(wěn)定的事實(shí)，如PCl5分子中的磷原子的外圍電子是10個(gè)而不是8個(gè)。

史實(shí)3：雜化軌道理論。1927年薛定諤等科學(xué)家用量子力學(xué)的觀點(diǎn)解釋了化學(xué)鍵的本質(zhì)。隨后逐漸發(fā)展為兩個(gè)分支理論：鮑林提出的雜化軌道理論以及Sidgwick NV等人提出的價(jià)層電子對(duì)互斥理論。價(jià)層電子對(duì)互斥理論成功地解釋了水的鍵角是104.5度，而不是109度。

【展示】多媒體展示水分子模型。

【問(wèn)題3】比較離子鍵、共價(jià)鍵的組成微粒是什么？用電子式表示NaCl和HCl的形成過(guò)程。離子鍵與共價(jià)鍵之間有怎樣的關(guān)系？

【教師】比較離子鍵、共價(jià)鍵的特征。

傅鷹曾說(shuō)“化學(xué)給人以知識(shí)，化學(xué)史給人以智慧”。如果教師直接介紹離子鍵和共價(jià)鍵的概念，學(xué)生不易理解化學(xué)鍵的形成過(guò)程和本質(zhì)特征，但在教師的引導(dǎo)下，通過(guò)W.Kossel提出的的“八隅律”理論來(lái)說(shuō)明離子鍵、路易斯的共價(jià)鍵理論事例，思考化學(xué)鍵概念的起源背景，了解其發(fā)展過(guò)程中所面臨的問(wèn)題，體驗(yàn)化學(xué)家探究的歷程，有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)展科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)核心素養(yǎng)，同時(shí)也加深學(xué)生對(duì)化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的理解。

3.適時(shí)評(píng)價(jià)，領(lǐng)悟內(nèi)涵

通過(guò)對(duì)金屬的冶煉的電解分析和教師引導(dǎo)，學(xué)生進(jìn)一步理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，完成了自我認(rèn)識(shí)和構(gòu)建化學(xué)鍵概念的過(guò)程，通過(guò)學(xué)生交流，領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵。

【問(wèn)題1】閱讀下列工業(yè)冶煉鈉、鎂、鋁等金屬的資料卡信息。思考其原料的選擇有什么不同？

【生1】冶煉鈉和鎂的生產(chǎn)原料應(yīng)該要考慮熔點(diǎn)較低的化合物，經(jīng)濟(jì)成本低，而冶煉鋁的原料是氧化物。

【生2】離子化合物才可用于電解冶煉金屬，AlCl3是共價(jià)化合物，所以只能選擇Al2O3作為原料。

【教師】?jī)晌煌瑢W(xué)能較好地依據(jù)物質(zhì)物理性質(zhì)，判斷所含化學(xué)鍵的類型，確定生產(chǎn)原料。

【問(wèn)題2】閱讀下列“化學(xué)鍵發(fā)展年代表”資料卡（見(jiàn)圖3），結(jié)合本節(jié)課的學(xué)習(xí)，請(qǐng)同學(xué)們思考最能凸顯科學(xué)本質(zhì)“觀察和推論”“科學(xué)的創(chuàng)造性”“科學(xué)的暫時(shí)性”“科學(xué)以實(shí)證為基礎(chǔ)”“科學(xué)的主觀性”五個(gè)方面等內(nèi)涵的哪些方面？

【生3】我覺(jué)得最能體現(xiàn)“科學(xué)觀察和推論”，從冶煉鈉、鎂、鋁等金屬原料的選擇中，我們觀察原料物質(zhì)的性質(zhì)，推斷是否為離子化合物問(wèn)題，再考慮熔點(diǎn)低經(jīng)濟(jì)成本問(wèn)題，這就是一個(gè)科學(xué)的研究過(guò)程。

【生4】我認(rèn)為最能體現(xiàn)“科學(xué)的暫時(shí)性”，我從化學(xué)鍵發(fā)展年代表就感覺(jué)科學(xué)知識(shí)和理論在一個(gè)時(shí)期是正確的，但過(guò)一段時(shí)間又有可能不完善，所以科學(xué)是暫時(shí)的，是不斷發(fā)展的。

【生5】……

【教師】對(duì)于剛才同學(xué)們的回答，我覺(jué)得都講得很好。這邊我再補(bǔ)充一點(diǎn)，從化學(xué)鍵發(fā)展年代表中，還體現(xiàn)了“科學(xué)的主觀性”。面對(duì)同樣的任務(wù)，科學(xué)家們的想法不盡相同，所以，科學(xué)既然是認(rèn)識(shí)世界的一種方式，就一定具有主觀性，同時(shí)每個(gè)人的思維過(guò)程還體現(xiàn)了創(chuàng)造性。

化學(xué)鍵的概念形成以后，如何利用化學(xué)鍵概念解決生產(chǎn)生活中的問(wèn)題，也影響化學(xué)鍵概念的鞏固，同時(shí)教師理解了教材內(nèi)容中蘊(yùn)含的科學(xué)本質(zhì)，不能說(shuō)明學(xué)生也能夠理解。教師要營(yíng)造民主寬松的課堂，鼓勵(lì)學(xué)生交流討論，如選擇工業(yè)冶煉鈉、鎂、鋁等金屬的原料以及表達(dá)自己對(duì)科學(xué)本質(zhì)觀的理解，這種以思維外顯的方式引導(dǎo)學(xué)生分析，不僅可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生在認(rèn)知過(guò)程中的障礙，而且在交流過(guò)程中促進(jìn)他們深入的思考問(wèn)題，本身就是滲透科學(xué)本質(zhì)觀的一種途徑。

對(duì)于上述三條教學(xué)策略，在不同的環(huán)節(jié)中發(fā)揮獨(dú)特的作用。教是為了引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，評(píng)是為了促進(jìn)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)，教和評(píng)都是為了學(xué)服務(wù)的，整個(gè)教學(xué)過(guò)程以化學(xué)鍵的發(fā)展科學(xué)史為明線，以科學(xué)本質(zhì)內(nèi)容為暗線，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、學(xué)生交流、適時(shí)評(píng)價(jià)等教學(xué)方法，將課堂教學(xué)中教、學(xué)、評(píng)緊密聯(lián)系在一起，促進(jìn)了學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵。

總之，教育教學(xué)活動(dòng)的本質(zhì)是一種喚醒，是一種點(diǎn)燃，也是一種提升?？茖W(xué)的本質(zhì)不是科學(xué)知識(shí)，而是產(chǎn)生知識(shí)的方法與過(guò)程。在化學(xué)教學(xué)中埋下科學(xué)本質(zhì)觀的種子，有利于積極啟迪學(xué)生思維，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，這也是化學(xué)教學(xué)的本源和價(jià)值所在。我國(guó)教育改革持續(xù)向前，培養(yǎng)科學(xué)本質(zhì)觀的教學(xué)還處于探索階段，期待更多的探討和研究指向引領(lǐng)科學(xué)本質(zhì)的化學(xué)教學(xué)。

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