教材中科學(xué)方法的呈現(xiàn)及教學(xué)實(shí)現(xiàn)*

宗漢 楊曉麗

摘要： 以人教版高中化學(xué)新教材（必修）為例，著重對(duì)科學(xué)方法呈現(xiàn)的必要性進(jìn)行論證，對(duì)科學(xué)方法的內(nèi)涵和分類進(jìn)行解讀，同時(shí)對(duì)科學(xué)方法在教材中的編寫特點(diǎn)進(jìn)行分析，并由此提出相應(yīng)的教學(xué)啟示。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)方法; 呈現(xiàn); 教學(xué)實(shí)現(xiàn); 化學(xué)教材

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）02-0021-05

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2003實(shí)驗(yàn)版）（以下簡(jiǎn)稱“舊課標(biāo)”）提出，高中化學(xué)課程要構(gòu)建“知識(shí)與技能”“過程與方法”“情感態(tài)度與價(jià)值觀”相融合的高中化學(xué)課程三維目標(biāo)體系[1];高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）在舊課標(biāo)基礎(chǔ)上提出，學(xué)科核心素養(yǎng)是對(duì)知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀三維目標(biāo)進(jìn)行了整合[2]。由此可見，科學(xué)方法是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。人教版高中化學(xué)教材（2019年版）（以下簡(jiǎn)稱“新教材”）以新課標(biāo)為依據(jù)，試圖系統(tǒng)、全方位地凸顯科學(xué)方法，以此促進(jìn)核心知識(shí)向思維和素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。據(jù)此，筆者以人教版高中化學(xué)新教材（必修）為例，論述科學(xué)方法在新教材中呈現(xiàn)的必要性，解讀科學(xué)方法的內(nèi)涵和分類，分析科學(xué)方法在新教材中的編寫特點(diǎn)，并提出相應(yīng)的教學(xué)啟示。

1? 科學(xué)方法呈現(xiàn)的必要性

新教材是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體，教材在編寫過程中充分發(fā)揮科學(xué)方法的理論指導(dǎo)作用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1? 我國課程改革深化的迫切需要

2016年9月，《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》將“能掌握基本的科學(xué)方法”“能夠提出問題、形成假設(shè)，并通過科學(xué)方法檢驗(yàn)求證，得出結(jié)論”作為其中的重點(diǎn)[3]。因此，為了貫徹落實(shí)培育和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，新教材中非常重視呈現(xiàn)科學(xué)方法，并與新課程改革進(jìn)行無縫銜接。

1.2? 我國理科教材編寫思想的積淀

1992年，喬際平指出：“我國傳統(tǒng)教材對(duì)于科學(xué)方法采用隱性處理，不在教材中說明，而是讓學(xué)生自己去悟”[4]。這一思想導(dǎo)源了科學(xué)方法在教材中呈現(xiàn)的方式。1999年，我國教育界提出“教材體系應(yīng)以科學(xué)方法為中心編寫”[5]的觀點(diǎn)。近年來，又有學(xué)者提出，教材編寫應(yīng)當(dāng)將科學(xué)方法作為中心，幫助學(xué)生構(gòu)建優(yōu)良的知識(shí)結(jié)構(gòu)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)。據(jù)此，化學(xué)教材中科學(xué)方法的呈現(xiàn)，有著長期的學(xué)術(shù)爭(zhēng)鳴和相對(duì)理性的思想積淀。

1.3? 我國化學(xué)教育研究發(fā)展的趨勢(shì)

對(duì)化學(xué)科學(xué)方法教育研究，“顯性”教育的提出日益成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界一種重要的思潮，并涌現(xiàn)出一批有研究?jī)r(jià)值的成果。2011年，楊文斌指出：“所謂隱性表征就是通過知識(shí)間的邏輯編排或是化學(xué)過程自然體現(xiàn)，將科學(xué)方法隱含教材之中”“所謂顯性表征就是明確地提出科學(xué)方法名稱，介紹和解釋這種方法的功能與作用”[6]。事實(shí)上，科學(xué)方法“顯性”與“隱性”教學(xué)的區(qū)分早有研究。然而，對(duì)兩種教育方式之間的取舍或偏向則不盡相同。例如楊文斌提出：“起步隱性，顯化適時(shí)”;梁慧姝論述了“化學(xué)教學(xué)中采用隱性和顯性相結(jié)合的方式”[7];吳俊明等則提出了“實(shí)踐中隱性，理論上顯性”[8]的觀點(diǎn)?？梢哉f，化學(xué)教育學(xué)術(shù)研究的積累，為教材中科學(xué)方法的編寫明晰了正確方向和科學(xué)路徑。

2? 科學(xué)方法的內(nèi)涵

所謂科學(xué)方法是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)和改造、保護(hù)客觀世界的實(shí)踐活動(dòng)中直接或間接形成的有效的規(guī)則、方式和手段，是人的活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)程序化、規(guī)范化的結(jié)果，是進(jìn)行科學(xué)研究的有力工具[9]。一般而言，科學(xué)方法按其性質(zhì)適用范圍分為三種層次： 一是哲學(xué)類，它是科學(xué)方法的最高層次;二是自然科學(xué)方法類，它是反映學(xué)科當(dāng)中帶有共性和規(guī)律性的東西;三是各個(gè)學(xué)科所采取的特殊研究方法。在科學(xué)教育過程中，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的心理發(fā)展水平，循序漸進(jìn)地對(duì)學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的科學(xué)方法教育，進(jìn)階式地讓學(xué)生理解和掌握應(yīng)用各個(gè)層次的科學(xué)方法。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，最常用的是科學(xué)方法的第二層次。

3? 科學(xué)方法呈現(xiàn)的特點(diǎn)

科學(xué)方法是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。新教材著力凸顯科學(xué)方法，試圖以“章引言”“方法導(dǎo)引”“整理與提升”等相關(guān)欄目的設(shè)計(jì)，努力構(gòu)建新教材的科學(xué)方法體系。

3.1? 隱性表征——“章引言”和“整理與提升”

新教材精心設(shè)計(jì)每章的“章引言”，通常借問題情境形式引出本章學(xué)習(xí)內(nèi)容，并由此一步提煉重要知識(shí)和核心觀念，提出認(rèn)識(shí)視角和思路，明晰學(xué)習(xí)目標(biāo)和應(yīng)用價(jià)值等，尤其是科學(xué)方法——認(rèn)識(shí)視角和思路的呈現(xiàn)，教材編寫者“煞費(fèi)苦心”，幾經(jīng)修改，反復(fù)推敲，建構(gòu)成整個(gè)章引言的模型圖（如圖1所示）。例如必修1第五章章引言，新教材首先引出問題，如“對(duì)在眾多的化工原料和產(chǎn)品中，都能見到硫和氮等元素的蹤跡。這些元素具有怎樣的性質(zhì)？應(yīng)該如何進(jìn)行研究和利用呢？”[10]。其次提煉重點(diǎn)（重要的化學(xué)概念、化學(xué)觀念、學(xué)科核心知識(shí)），諸如“變量控制是科學(xué)探究中常用的方法，通過變量控制可以使多因素的問題變成幾個(gè)單因素的問題，分別加以研究，最后再將幾個(gè)單因素問題的研究結(jié)果加以綜合”[11]。再次提出認(rèn)識(shí)視角，誠如“依據(jù)物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)，研究硫和氮等元素及其化合物的性質(zhì)和用途，深化對(duì)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化關(guān)系的認(rèn)識(shí)”[12]。最后章引言往往還會(huì)指明學(xué)習(xí)目標(biāo)和應(yīng)用價(jià)值等，例如“工業(yè)上利用這些轉(zhuǎn)化關(guān)系，遵循生態(tài)文明思想，可以獲得相應(yīng)的化工產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與資源利用的和諧統(tǒng)一”[13]。

新教材章末的“整理與提升”是原教材“整理與歸納”的升級(jí)版。新教材試圖通過從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、知識(shí)關(guān)聯(lián)、認(rèn)識(shí)視角和思路、核心觀念等方面對(duì)整章內(nèi)容進(jìn)行歸納與整理，并構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)模型和應(yīng)用實(shí)例。例如必修1第三章的“整理與提升”模型圖（如圖2所示）。在整個(gè)“整理與提升”設(shè)計(jì)中，新教材還特別強(qiáng)調(diào)基于認(rèn)識(shí)視角的科學(xué)方法，努力體現(xiàn)“知識(shí)向素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化觀念”，由此逐步提升學(xué)生的結(jié)構(gòu)化認(rèn)知水平。

3.2? 顯性表征——“方法導(dǎo)引”

“方法導(dǎo)引”是新教材中的新增欄目，該欄目旨在呈現(xiàn)科學(xué)研究、化學(xué)學(xué)習(xí)等過程中常用的一般方法（見表1）。在8種科學(xué)方法中，新教材十分強(qiáng)調(diào)認(rèn)識(shí)視角，特別關(guān)注認(rèn)識(shí)過程和思路，并著力外顯提升學(xué)生認(rèn)識(shí)和思維水平的方法和途徑。

[案例1]分類。分類是根據(jù)研究對(duì)象的共同點(diǎn)和差異點(diǎn)，將它們區(qū)分為不同種類和層次的科學(xué)方法?？茖W(xué)的分類能夠反映事物的本質(zhì)特征，有利于人們分門別類地進(jìn)行深入研究[14]。分類有一定的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，人們對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行不同的分類。

在高中化學(xué)的學(xué)習(xí)中，分類思想經(jīng)常有所涉及，如對(duì)物質(zhì)的逐級(jí)分類，對(duì)分散系的多維分類，對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的多角度分類（性質(zhì)可分為物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)又可再分為氧化性和還原性、熱穩(wěn)定性、酸堿性等），再到反應(yīng)分類（離子反應(yīng)角度、氧化還原角度、能量變化角度等）。

[案例2]認(rèn)識(shí)元素及其化合物性質(zhì)的視角。物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)，是學(xué)習(xí)元素及其化合物性質(zhì)的重要認(rèn)識(shí)視角[15]。在研究物質(zhì)的性質(zhì)時(shí)，可以從物質(zhì)類別、物質(zhì)所含核心元素的化合物這兩個(gè)基本角度預(yù)測(cè)物質(zhì)可能具有的性質(zhì)，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

從物質(zhì)類別的視角預(yù)測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)。首先，判斷物質(zhì)所屬物質(zhì)類別，根據(jù)該類別物質(zhì)的一般性質(zhì)及相關(guān)反應(yīng)規(guī)律預(yù)測(cè)該物質(zhì)發(fā)生的反應(yīng);然后，選擇可能與該物質(zhì)反應(yīng)的各關(guān)物質(zhì)的代表物，推斷可能發(fā)生的具體反應(yīng)。預(yù)測(cè)是否正確，需要用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[16]。例如，工業(yè)上脫除SO2。分析SO2的物質(zhì)類別屬于酸性氧化物，能與氨反應(yīng)而被脫除，其主要化學(xué)原理之一用化學(xué)方程式表示如下：

SO2+2NH3+H2O（NH4）2SO3

從元素價(jià)態(tài)的視角研究物質(zhì)氧化性或還原性的思路。一是根據(jù)物質(zhì)所含元素化合價(jià)升高或降低的可能性，預(yù)測(cè)物質(zhì)可能具有還原性或氧化性。若所含某元素的化合價(jià)有升高的趨勢(shì)，說明該物質(zhì)可能具有還原性;反之，若所含某元素的化合價(jià)有降低的趨勢(shì)，說明該物質(zhì)可能具有氧化性。二是如果預(yù)測(cè)某物質(zhì)具有氧化性，就需要尋找具有還原性的另一物質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)兩者能否發(fā)生氧化還原反應(yīng)，以驗(yàn)證預(yù)測(cè)是否正確。相應(yīng)地，如果預(yù)測(cè)某物質(zhì)具有還原性，就需要尋找具有氧化性的另一物質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證預(yù)測(cè)是否正確[17]。例如，工業(yè)上脫除NO和NO2。分析NO中氮元素的化合價(jià)為+2， NO2中氮元素的化合價(jià)為+4，而氮元素的最低價(jià)態(tài)為-3價(jià)，最高價(jià)態(tài)為+5價(jià)。因此推測(cè)NO、 NO2中的氮元素的化合價(jià)可以升高，也能降低，NO既具有還原性，又具有氧化性，可以尋找氧化劑O3將其氧化，也能用NH3將其還原，其化學(xué)原理用化學(xué)方程式表示如下：

4NH3+6NO催化劑△5N2+6H2O

8NH3+6NO2催化劑△7N2+12H2O

NO+O3NO2+O2

2NO2+2OH-NO-3+NO-2+H2O

基于物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)設(shè)計(jì)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的途徑。例如要想從單質(zhì)鐵獲得FeSO4，既可以基于物質(zhì)類別設(shè)計(jì)從金屬單質(zhì)與酸反應(yīng)獲得，或從金屬氧化物與酸反應(yīng)獲得，也可以通過金屬單質(zhì)與鹽的置換反應(yīng)獲得;還可以基于元素價(jià)態(tài)設(shè)計(jì)單質(zhì)鐵與+3價(jià)鐵反應(yīng)得到+2價(jià)鐵。

4? 幾點(diǎn)啟示

4.1? 理解新教材科學(xué)方法的體系

新教材以新課標(biāo)為依據(jù)，重視科學(xué)方法建構(gòu)的體系化，并將科學(xué)方法貫穿于整套教材，貫穿于教材的每一章。事實(shí)上，在教學(xué)過程中，教師比較重視顯性的科學(xué)方法教育，如“方法導(dǎo)引”等，但隱性的科學(xué)方法則關(guān)注度不夠。因此，對(duì)于“章引言”的教學(xué)，筆者以為可以先用章引言創(chuàng)設(shè)真實(shí)、有意義的問題情境;然后引導(dǎo)學(xué)生在自主學(xué)習(xí)和小組協(xié)作中理順章節(jié)知識(shí)間的“邏輯”，提煉出本章重要的認(rèn)識(shí)視角和思路，從而做到真正讓科學(xué)方法成為科學(xué)知識(shí)和素養(yǎng)發(fā)展的橋梁。對(duì)于單元復(fù)習(xí)教學(xué)，筆者以為要在“整理”中“提升”學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，否則容易“炒冷飯”。因此教師要針對(duì)各章內(nèi)容，基于認(rèn)識(shí)和觀念的視角進(jìn)行科學(xué)的歸納、總結(jié)和提升，真正讓學(xué)生把知識(shí)結(jié)構(gòu)化，讓認(rèn)知建構(gòu)方法化。同時(shí)，也要讓學(xué)生感受本章知識(shí)背后的社會(huì)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

4.2? 認(rèn)知科學(xué)方法的層次教學(xué)

新教材中涉及的科學(xué)方法較多，教師可根據(jù)學(xué)生的年齡特征和認(rèn)知特點(diǎn)，結(jié)合教材知識(shí)間的邏輯順序，引導(dǎo)學(xué)生有重點(diǎn)、有計(jì)劃地分步實(shí)施科學(xué)方法教育。例如在必修1中可以先行凸顯一些分類、預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室中制取氣體裝置的設(shè)計(jì)等基本的科學(xué)方法的教育，而后在學(xué)習(xí)過程中逐步滲透對(duì)認(rèn)識(shí)有機(jī)物的一般思路、變量控制、化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)科學(xué)等科學(xué)方法的教育，以求拾階而上，體現(xiàn)科學(xué)方法認(rèn)知和實(shí)踐上的循序漸進(jìn)。

不僅如此，在不同的學(xué)習(xí)階段，相同科學(xué)方法也可以呈現(xiàn)不同的層次要求。例如科學(xué)方法之“模型”，在必修1電解質(zhì)電離時(shí)，教材提及了模型的概念、功能和分類，但總體而言，語言抽象，學(xué)生難以理解和應(yīng)用;但在必修1第四章中，教材列舉了五種共價(jià)分子的分子結(jié)構(gòu)模型，此時(shí)，學(xué)生對(duì)模型的認(rèn)知相對(duì)而言就顯得較為形象和具體;再后來，教材第七章實(shí)驗(yàn)活動(dòng)8，要求學(xué)生通過搭建球棍模型來認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，學(xué)生在此過程中進(jìn)一步認(rèn)知了模型的“意蘊(yùn)”，“感悟”到有機(jī)物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并能應(yīng)用認(rèn)知的模型預(yù)測(cè)該有機(jī)物可能具有的性質(zhì)。因此有關(guān)“模型”的科學(xué)方法在教材中多次出現(xiàn)，體現(xiàn)出不同階段的不同要求，意在實(shí)現(xiàn)科學(xué)方法的教育由“隱性”走向“顯性”。

4.3? 挖掘隱性的科學(xué)方法素材

新教材中涉及的化學(xué)史是科學(xué)方法教育的好素材?；瘜W(xué)上的每一次發(fā)現(xiàn)，往往都是各種科學(xué)方法綜合應(yīng)用的結(jié)晶，體現(xiàn)了問題解決的“來龍去脈”，凸顯了科學(xué)方法在研究中的價(jià)值。例如，新教材中以我國科學(xué)家屠呦呦對(duì)青蒿素的研究為素材，重點(diǎn)介紹了屠呦呦提取和分離青蒿素的方法選擇，以及測(cè)定青蒿素分子結(jié)構(gòu)方法不斷改進(jìn)的過程，這樣處理的目的是外顯科學(xué)方法選擇的可行性和重要性。其次，在教學(xué)過程中教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生感悟科學(xué)方法的應(yīng)用價(jià)值，如在介紹純堿的生產(chǎn)歷史時(shí)，可以讓學(xué)生先行查閱資料，了解勒布蘭制堿法、索爾維制堿法和侯氏制堿法的原理，其次讓學(xué)生對(duì)三種制堿方法進(jìn)行比較，而后讓學(xué)生感受化學(xué)工業(yè)發(fā)展過程中方法改進(jìn)的重要性，以及建設(shè)生態(tài)文明的意義。總之，這些隱性科學(xué)方法素材的挖掘，可以讓學(xué)生感悟科學(xué)方法形成于人類在發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的過程之中，以及科學(xué)地運(yùn)用這些方法可以更好地去認(rèn)識(shí)自然，更好地造福于人類。

當(dāng)前，化學(xué)核心素養(yǎng)的研究正在全方位推進(jìn)之中，基于核心素養(yǎng)的視域下的新教材對(duì)科學(xué)方法的呈現(xiàn)和應(yīng)用也進(jìn)行了嘗試。作為一線教師也要與時(shí)俱進(jìn)，不斷認(rèn)知和完善科學(xué)方法的功能，要通過科學(xué)方法將科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為科學(xué)素養(yǎng)，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任，以此全面培育和發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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