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由于与科学知识相比,科学方法具有更大的稳定性和更普遍的适用性。从这个意义上讲,学生掌握科学方法比掌握科学知识更重要。1自上世纪末以探究为基础成为国际中小学科学课程改革的重要基本理念之一以来,科学方法也成了科学教育的主要目标。美国《国家科学教育标准》规定学校科学的目标要培养学生能在进行个人决策之时恰当地运用科学的方法和原理2,我国普通高中物理、化学、生物等学科的课程标准都有培养学生科学方法的相关要求,如认识实验、假说、模型、比较、分类等科学方法对化学研究的作用,生物课程标准更要求,应当在设计教科书知识体系的同时,设计较完整的科学方法体系,将两者进行整合,使之形成有机的整体

 

由于化学教育中科学方法教育的目标包括科学认识的一般过程和科学认识过程的方法两个层面3。人教版新课程高中化学必修教科书(以下简称教科书)在着力构建化学知识体系的同时,力图从这两个层面构建符合高中学生探究能力发展需要的科学方法体系。一是通过教科书中不同栏目的设计,体现科学认识的一般过程:

 

 

二是重视科学认识过程方法的渗透。这些科学方法大致可以分为三个层次4:第一个层次是化学学科内的特殊方法,如物质的分离和提纯方法、化学性质的试验方法等;第二层次是科学研究的一般方法,包括获取事实材料的观察、实验等方法,加工事实材料的逻辑方法、假说方法、模型方法等;第三层次是哲学方法,如唯物辩证法、系统方法等。以下拟对其中第二层次的科学方法体系进行简要分析。

 

获取事实材料的方法

 

收集事实材料是科学研究的基础性工作,也是化学教学活动的重要环节。教科书所采用的获取事实材料的方法主要是观察法和实验法,同时也涉及了调查法和文献法。

 

1观察法

 

观察法是人们有目的、有计划地通过感官或借助于仪器,对研究对象进行考察,从而获得有关事实材料的一种科学方法。观察在科学研究中居于十分重要的地位,正如门捷列夫所说的,“科学的原理起源于实验的世界和观察的领域,观察是第一步,没有观察就不会有接踵而来的前进”5。根据对研究对象是否进行人为的控制和干预,观察可以分为自然观察和实验观察。教科书安排的观察绝大多数属于实验观察,主要包括对物质物理性质实验现象的观察(如切去钠块一端的外皮后观察钠表面的光泽和颜色)、对物质化学性质实验现象的观察以及对揭示化学规律实验现象的观察等。另外,为了使获得的感性材料更为客观,并突破人的感官能力的局限,教科书还注意了其他仪器在观察中的运用,如用温度计测量盐酸与氢氧化钠溶液等反应过程中温度的变化、用电流表检测原电池装置中产生的电流、用酸度计测量水样的酸度等。

 

1实验法

 

在科学研究中,事实材料的获取仅靠观察是不够的,许多情况下还需要通过实验,所以,实验是中学化学教学活动中获取事实材料的最基本方法。实验的目的是探索仅靠观察所看不到的未知。为了探索这样的未知,必须对研究对象进行人为控制或施加某种影响。由于具体的化学实验目的和要求不同,因而实验条件的控制方式也不尽相同,从所需控制的实验条件(因素)的多少来看,化学实验条件的控制方式有单因素控制和多因素控制两种情况。教科书中的实验则主要选取了单因素控制,即只对一种实验条件进行控制。如点燃使钠在空气中燃烧,加热使铁粉与水蒸汽反应等等。事实上,任何一个化学实验都包含多种实验条件。对此,教科书都采取了固定其他条件,而只改变一种实验条件控制的方法。如教科书探究温度对化学反应速率的影响时,虽然在双氧水中既加了具有催化作用的氯化铁溶液,又将试管放入水浴中(5 ℃左右的冷水和40℃左右的热水)改变了反应温度,但实验中控制了不同试管中的双氧水和氯化铁溶液的体积相等,改变的只是温度,所以该实验仍属于单因素控制。

 

在进行实验条件控制的过程中,为了能获得更为准确的事实材料,教科书还采用了对照实验的方法,对照的因素主要包括反应物和反应条件两大类。其中,不同反应物的对照实验是让一组物质参加同一反应,使学生从中获取不同反应物对应的实验现象,为比较该组物质的性质或形成有关化学规律提供事实材料。这类实验是教科书中对照实验的主体,包括碳酸钠和碳酸氢钠的性质、钠镁铝分别与水和酸的反应、乙醇和水与钠的反应等等。不同反应条件的对照实验则主要用于探究化学反应速率的影响因素。在对照实验的条件控制中,教科书主要采用加法原理,即人为增加某种影响因素,而在甲烷取代反应的实验中运用的则是减法原理,即“一支试管用黑纸包好”,人为地去除了“光”的因素,让学生获得“光”是该反应必备条件的事实材料。

 

1调查法和文献法

 

调查法和文献法也是获得事实材料的有效方法。其中,调查法是通过调查获得事实材料,文献法是收集文献中记载的事实材料。虽然这两种方法不是化学教学活动中获得事实材料的主流方法,但它们对于科学认识的形成有时也会起到重要的作用。为了使学生体验获得事实材料的多种途径,教科书在“思考与交流”栏目中设置的有关问题涉及了调查和文献等方法。这些问题都与生产、生活密切相关。如“某家庭准备装修窗户(计划使用10年)可供使用的材料有:木材、钢铁、铝合金、塑钢,请你调查每种材料的性能、价格、制造或安装成本、利弊等,进行综合分析、比较,试着提出一个你认为切实可行的选择方案。”“通过调查访问和查阅资料,了解回收废旧钢铁、铝制品等在节约能源、保护环境、降低成本等方面的意义。”“你认为在农村和城市造成的这种水体污染各有什么特点,并请查阅资料了解有关的污染及治理情况。”

 

2        加工事实材料的方法

 

达尔文曾说过,“科学就是整理事实,以便从中得出普遍的规律或结论”6。化学教学活动中对事实材料的加工处理,能揭示化学物质的性质和化学变化的规律。加工事实材料的方法包括比较和分类、归纳和演绎以及类比等逻辑方法,也包括假说、模型、数学、直觉等其他方法。

 

2逻辑方法

 

21比较和分类

 

比较是把不同的对象加以联系和对照,确定它们的差异和相同点的逻辑方法。分类则以比较为基础,通过比较找出对象之间的共同点和差异,然后将对象区分为不同的种类,并形成一定从属关系的不同等级的系统。为了使学生初步掌握比较和分类的方法,《化学1》专门安排了《物质的分类》一节,根据物质分类标准的不同,介绍了树状分类法和交叉分类法两种常用的分类方法,又结合分散系的分类、四种基本反应类型与氧化还原反应的关系等内容对这些分类方法进行了运用和巩固。另外,对照实验的设计也是基于比较的思想,对这类实验事实的加工处理更需要比较的方法,只有通过比较才能找出事实材料中的共同点,然后进行分类,归纳概括出物质及其变化的特征和规律性

 

21归纳和演绎

 

归纳是从个别事实中概括出共同本质或一般原理的逻辑方法。根据其前提是否涉及事物中的全部对象,可以将归纳法分为完全归纳法和不完全归纳法两类。前者是由某类事物中的每一对象都有某属性而得出该类事物全部对象都具有某属性的结论;后者是由某类事物中部分对象具有某属性而得出全部对象都具有某属性的结论。教科书中使用的是不完全归纳法。下表列举的是教科书中不完全归纳法的部分事例。

 

知识点

   

   

离子方程式的意义

化学方程式

离子方程式

离子方程式不仅可以表示某一个具体的化学反应,而且还可以表示同一类型的离子反应

NaOHHClNaClH2O

KOHHClKClH2O

2NaOHNa2SO4K2SO42H2O

2KOHH2SO4K2SO42H2O

HOHH2O

HOHH2O

HOHH2O

HOHH2O

氧化还原反应

2CuOC2CuCO2↑中Cu化合价降低、C化合价升高

H2OCH2COH化合价降低、C化合价升高

CuOH2CuH2OCu化合价降低、H化合价升高

氧化还原反应是有元素化合价升降的反应

2NaCl22NaClNa的电子转移到Cl

H2Cl22HClH的电子转移到Cl

氧化还原反应是有电子转移的反应

元素周期律

随着原子序数的递增:元素原子的核外电子排布呈现周期性变化;元素的原子半径呈现周期性变化;元素的化合价呈现周期性变化;元素的金属性和非金属性呈现周期性变化

元素的性质随着原子序数的递增呈现周期性变化

 

与归纳相反,演绎是从一般原理推论个别事物的推理方法。三段论是演绎推理基本的经典形式,它由大前提(概括性的一般原理)、小前提(对个别事物的判断)和结论(根据两个前提作出的推理)三部分组成。在演绎推理过程中,如果大前提(概括性的一般原理)是大家所熟知的,也可以省略。如由于酸性氧化物的性质是学生已经掌握的初中知识,教科书引入二氧化硅化学性质的演绎推理就只给出了小前提和结论两部分:二氧化硅是酸性氧化物,所以,二氧化硅能与碱性氧化物(如CaO)反应生成盐,也能与强碱(如NaOH)反应生成盐。

 

归纳与演绎是必然相互联系着的,其中演绎是以归纳为基础的,而归纳又需要通过演绎才能进行验证。教科书中“物质的量的单位——摩尔”的引入就运用了先归纳后演绎的方法:人们常用米、厘米等单位计量长度,用千克、毫克等单位计量质量,即根据不同物理量的需要使用不同的计量单位,所以,用摩尔等单位来计量物质的量。另外,过去的教材在编排体系上充分体现了归纳与演绎的关系:以卤族元素和碱金属元素等知识为前提归纳出元素周期律,然后运用元素周期律分别对碳族、氮族和氧族等元素性质的相似性和递变性进行理论推演。这样既验证了元素周期律的归纳,又促进了学生旧知识的巩固和新知识的习得。由于新课程降低了元素化合物知识的要求,因而教科书没有再使用原教材的这一编排模式。

 

2.1.3            类比方法

 

类比是根据两个(或两类)研究对象在一些属性上相同或相似而推出它们在其他属性上的相同或相似。与归纳和演绎不同,类比是由个别到个别(或一般到一般)的思维方法。教科书采用类比的事例中,最形象的要数水能与化学能变化的对比:水由高处向低处流要释放能量,反应物的总能量大于生成物的总能量时,化学反应放出能量;将水由低处抽向高处需提供能量,反应物的总能量小于生成物的总能量时,化学反应吸收能量。另外在介绍或探究物质化学性质时教科书也运用了类比方法。如NaOH是碱,氯气与NaOH溶液能发生反应:Cl22NaOHNaClNaClOH2OCa(OH)2也是碱,氯气与Ca(OH)2溶液也能发生类似反应:2Cl22Ca(OH)2CaCl2Ca(ClO)22H2O。再如,钠元素原子最外层只有一个电子,钠单质能与氧气、水等发生反应,钾等碱金属元素原子最外层也只有一个电子,所以钾等碱金属单质也能与氧气、水等发生反应。

 

2.2                  假说方法

 

假说是人们根据已有的知识对于所研究的事物或现象所做的初步解释,它是在人们对于该事物或现象的原因没有认识的情况下作出的推测。这种推测可能是正确的,也可能是错误的,需要在进一步的研究中加以证实或证伪。科学理论最初都是以假说的形式出现的,随着科学研究的深入,不断得到修正、完善和发展。教科书用假说方法组织教学内容或引导学生探究时,都突出了发现问题、提出假说、验证假说、得出结论的四个步骤。如关于卤族元素的性质:(1)发现问题——卤族元素的原子结构与碱金属元素类似,都是最外层电子数相同,电子层数随核电荷数的增加逐渐增多,卤素在化学性质上也能与碱金属元素一样表现出相似性和递变性?(2)提出假说——氟、氯、溴、碘在化学性质上能表现出一定的相似性和递变性。(3)验证假说——获取卤族单质与氢气的反应、卤族单质间的置换反应等事实材料。(4)得出结论——卤族都是活泼的非金属,随着核电荷数的增加,元素的非金属逐渐减弱。再如关于苯分子结构的确定:1)发现问题——苯的分子式为C6H6,和乙烯一样都不是烷烃,它的结构中有与乙烯类似的双键吗?(2)提出假设——若存在与乙烯分子中类似的双键,则能使溴水或高锰酸钾溶液褪色。(3验证假说——苯不能使溴水或高锰酸钾溶液褪色。(4)得出结论——苯分子中没有与乙烯类似的双键。

 

由于演绎推理(不完全归纳基础上的)和类比推理的结论大都具有一定的或然性,所以演绎推理和类比推理是建立假说的常用手段,以上从教科书中摘录的两个事例都属于类比推理形成的假说,建立假说也可以通过具体经验和科学原理等其他途径。我们在“用教科书教”的过程中要注意引导学生通过多种途径建立假说,培养学生建立假说的能力。如关于原电池原理的教学,可设计如下程序:(1发现问题——在盛有少量稀硫酸的试管中先后分别插入铜丝和放入锌粒,只有锌粒表面有气泡产生;当将铜丝抵在锌粒上时,铜丝表面也有气泡产生。铜丝表面为什么有气体产生呢?(2)提出假说——金属具有导电性,铜和锌是金属,锌失去的电子流向铜丝,氢离子在铜丝上获得电子生成氢气,即锌粒和铜丝之间有电子流(即电流)产生。(3)验证假说——检验原电池装置中的电流。(4)得出结论——将铜片和锌片用导线连接后平行地插入稀硫酸中,能构成原电池,其中锌片是负极,铜片是正极。

 

2.3                  模型方法

 

模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法,是以简化和直观的形式来显示复杂事物或过程的手段。化学科学对微观粒子结构的研究离不开模型方法,所以课程标准将模型方法规定为高中学生必须掌握的科学方法之一。关于模型的形式或种类,不同论著中的说法不尽相同。教科书所涉及到的模型主要指物理模型,即用于直观地表达认识对象特征的模型,包括原子结构示意图、分子(球棍和比例)模型以及蓄电池和燃料电池的构造示意图等。而教科书在介绍气体摩尔体积时,关于“在相同的温度和压强下,任何气体粒子间的距离可以看成是相等的”,实际是物理中的理想气体模型理想模型在物理学中运用较为普遍,有实体模型、过程模型和状态模型等,这在基础化学中并不常用。

 

2数学方法

 

近现代科学的发展,是同数学方法的应用和发展紧密相联的。科学数学化成了现代科学发展的一个重要特点。马克思认为,科学只有在成功地运用了数学之后,才算达到了完善的地步。由于受化学必修内容的限制,教科书中涉及到的数学方法比较简单,一是在定义摩尔质量、摩尔体积、溶质的物质的量浓度和反应速率时运用了数学方法,由于这些物理量都可以看作是另两个物理量的比值,因此都采用了比值定义的方法;二是在分析一定条件下的可逆反应中,正反应速率和逆反应速率随时间变化情况时,运用了vt关系示意图,以揭示可逆反应在达到化学平衡前后正、逆反应速率的关系。另外,虽然在《化学1》的《金属的化学性质》一节中列入了“物质的量在化学方程式计算中的运用”的内容,但对数学的要求也仅限于物质的量与质量守恒定律的简单结合。

 

2直觉思维

直觉思维是指未经推理分析而直接对问题的答案作出猜测、设想或顿悟的思维。直觉思维的本质特征是非逻辑性的,它能打破常规思维定势和逻辑规则的束缚,因而是创造性思维的重要形式,发挥着逻辑思维不可取代的作用。但是凭借直觉和灵感所产生的认识往往有一定的模糊性和猜测性,有时也可能是错误的,还必须运用证据和逻辑做大量的工作才能使之渐趋完善。而且一个人的直觉和灵感也是无法训练出来的,它是研究者长期孜孜以求的结果,同时又是可遇而不可求的。为此,教科书只在科学史话中介绍了凯库勒发现苯分子环状结构的故事,以期学生在这方面有所感悟。

 

综上所述,新课程人教版高中化学必修教科书中的科学方法非常丰富,并且根据不同教学内容的特点和学生认知规律进行了整体化的设计和编排。这些科学方法有的是让学生在科学探究、思考与交流等活动中练习和运用,有些是让学生通过阅读科学史话进行体会和领悟。在教学过程中,教师应当对教科书中的科学方法体系了然于胸,在按照科学认识的一般过程组织学科知识教学的基础上,有计划、有步骤地落实科学方法内容的教学,不断提高学生的科学探究能力。

 

     

1]涂艳国.论科学教育的基本要素[J].教育研究,1990,(9):6366

2]美国国家研究理事会.美国国家科学教育标准[M].北京:科学技术文献出版社,199917

3]林长春.论高中化学新教材实施科学方法教育的几个问题[J].课程?教材?教法,2003,(8):5762

4]吴俊明.中学化学中的科学方法教育与课程教材改革[J].化学教育,2002,(6):610

5]转引自梁慧姝、郑长龙著.化学实验论[M].南宁:广西教育出版社,1996130

6]转引自贝弗里奇.科学研究的艺术[M].北京:科学出版社,197996

 

(刊于《中学化学教学参考》2007年第7期)

 

作者介绍:

陆 军(1964-),江苏省首批教授级中学高级教师,江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年科学技术带头人。

 

 

 

    
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