创建“让我们一起想”的科学思维课堂

2020-08-04保志明

江苏教育·中学教学版 2020年6期

【摘要】科学学科要培养学生的科学思维，让他们掌握科学方法。为此，教师应情境化重构学科知识，提供适当工具，从教育学的角度对学术研究成果进行转化。

【关键词】科学方法；科学思维；高中化学

【中图分类号】G633.8【文献标志码】A【文章编号】1005-6009（2020）43-0076-04

【作者简介】保志明，南京师范大学附属中学（南京，210003）教师，正高级教师，江苏省特级教师，全国模范教师。

“物质是由原子、分子等微小粒子构成的。”“光既有粒子性，又有波动性。”“自然选择是使种群变化的一种机制。”如今，这些科学知识就安静地呈现在教科书上，是我们科学课堂上的重要教学内容。但我们有没有带学生一起想过，人类是怎么知道的呢？我们又没看见，凭什么“想”出原子的存在呢？这就是科学特有的“想”——科学思维。“科学实际上是一种思维方法，一种生动的、不断变化的对世界的看法。它是发现世界背后机制的一种方式——一种非常特别的方式，用的是科学家设计的一系列有助于发现自己错误的规则。”[1]也就是说，科学知识与发现这些知识时使用的科学思维是密不可分的。然而现在的问题是，科学思维是隐性的，科学知识是显性的；科学思维是难以测查的，科学知识是容易出题考的；科学思维的形成是缓慢的，科学知识的掌握是较快的。因此，科学思维并未在课堂教学中得到应有的重视与落实。

科学思维在实践层面表现为一套科学方法。科学方法是人们在认识和改造世界中遵循或运用的、符合科学一般原则的各种途径和手段，通过几个世纪的发展慢慢演变而来。然而，在中学课堂教学中，因受制于教学时间及学生认知程度，并不能完全复原科学知识当初发现时的科学方法，这就需要教师重新组织教学内容，从教育学的角度对学术研究成果进行情境化重构。不过，科学方法的基本要素仍需体现。笔者所在的学校南京师大附中倡导与实践的“让我们一起想”的课堂，就是遵循这套科学方法去发展学生科学思维的课堂。

一、引导观察，引发好奇

科学的方法始于对世界的观察，识别出那些需要解释的有趣的事物。尽管在科学实验中，观察的过程包括以某种方式有意识地干扰实验对象。但在最开始，科学家往往是被那些有趣的，不同寻常的现象所吸引，引发好奇心，激起探究欲望。课堂教学中，要让学生愿意想，有趣是必不可少的。

有趣可能隐藏在平常中，没有善于发现的眼睛，可能会对它们视而不见。课堂上教师需要策略性地引导学生注意这些有趣现象。认知心理学告诉我们，“熟悉+意外”是激发好奇心的公式。

例如，在认识“化学反应中的能量变化”时，我们可以从燃料的燃烧、能源危机等话题引入，但如果从“熟悉+意外”的角度来设计教学，则可提出这样的问题：人、哺乳动物和鸟类都是恒温动物，为什么从生物进化的角度来说，恒温动物要比变温动物更高级些？人体的正常体温为37℃，一般高于环境温度，因此在环境中不断在散热，为什么还能保持体温？植物有体温吗？植物的体温哪里来的？这些问题都来自学生的生活世界，由它们引导学生走向科学世界。课堂实践表明学生对这些问题是很感兴趣的，他们的“想”就从这些问题开始了。

要在熟悉中发现意外，需要靠教师的引导，在观察化学实验中亦是如此。例如，在认识硅酸钠的性质时，常规实验是依据碳与硅在元素周期表中处于同一主族，通过类比碳酸钠的性质来了解硅酸钠的性质，发现它们的相似之处：水溶液都能使酚酞呈现红色，都能与盐酸反应生成相应的弱酸，都能与钙盐等反应生成沉淀，等等。如果实验下来发现一切尽在掌握中，那就忽视了有趣且有价值的现象。在教师的引导下，学生会发觉硅酸钠溶液有黏性，这点与碳酸钠溶液很不同。于是，问题自然产生：硅酸钠溶液为何为有黏性？硅酸鈉与碳酸钠在结构上是否存在着不同？

再如，在学习“纯碱的制法”时观察实验：向充满CO2的矿泉水瓶中倒入20mL饱和氨食盐水，瓶内先缓缓升起白雾，外壁温热，然后瓶子越来越瘪，最后两边瓶壁几乎贴合在一起。这样的现象说明了什么？学生在观察到瓶子变瘪以及温热的现象后会不假思索地说，CO2气体与氨盐水反应，被充分吸收了。如果追问是被氨水吸收了还是被食盐水吸收了，学生通常会根据氨水的碱性来回答是被氨水。这一切似乎都是“熟悉”，可如果只有“熟悉”没有“意外”，还不足以激起学生强烈的好奇。此时，需要教师追问：能不能“看见”CO2气体是与氨反应的？再次演示，引导学生观察“熟悉”中的“意外”——白雾，并追问白雾产生的原因。学生先会认为是熟悉的水蒸气，可只要摸下瓶壁，会发觉只有稍许的温热感，便知那主要不是水蒸气。此外，它们在瓶子“上空”的部位出现，而20mL氨盐水只在500mL的矿泉水瓶中占着底部少量体积。氨盐水中有H2O分子、NH3分子、Na+、Cl-，而在没有振荡的情况下，CO2分子仅大量存在于瓶子“上空”的部位，那么，什么微粒会“飞”出来与CO2分子反应呢？答案是挥发出的NH3分子和H2O分子。因此，那些白雾应当是NH3、CO2、H2O反应后形成的小液滴。这样的过程，学生会不由自主地跟着教师一起想，因为这些观察已经引发了他们的好奇。

二、重视证据与逻辑

科学概念的得来通常十分不易，都是在观察的基础上作出假设，收集证据，沿着逻辑上升，反复经历了证实或证伪后得来的。因此，在课堂教学中，我们也需要像科学家一样想，注重证据与逻辑推理。

“1911年，英国物理学家卢瑟福（E.Rutherford）根据α粒子散射实验提出了原子结构的核式模型。”[2]现行教材中已经关注到提出原子结构模型实验证据。教学中我们若想要引导学生像科学家那样思考问题，就需要对该实验的3个主要结果进行认真分析。

α粒子是具有一定质量的、带正电荷的微粒。α粒子散射实验的数据显示了3个主要结果。第一，也是最让人惊奇的，绝大多数α粒子直接穿过金箔，没有发生任何偏转。第二，有少量α粒子发生小角度的偏转。第三，有非常少的α粒子（大约为1/50，000）沿着来的方向被弹回。

在教学中引导学生根据第一和第三条实验结果，我们可以给出一种简单的原子结构模型。金原子里绝大多数地方是空的，大多数金原子的质量都集中在原子中一块很小的区域里。我们管这个质量集中的地方叫“原子核”。经过仔细计算α粒子偏转和折射的角度后可以得出原子核的直径大约比原子本身直径小100，000倍。

这个有趣的核式模型，指出了原子核与原子的质量关系、体积关系，可以解释三条实验结果中的两条。但如何理解第二条实验结果呢？如果α粒子只发生小角度的偏转的话，它们一定没有撞上质量较大的原子核，但是如何解释“偏转”呢？只能从电荷角度考虑。α粒子带有正电荷，它们一定靠近但并没有碰上原子中的正电荷。这意味着原子核一定带有正电荷。如果原子核集中了原子中的正电荷，那么带负电荷的电子只能在核外了。这样，一个原子核式结构模型呈现在我们面前：原子由居于中心的体积很小且带电荷的原子核和核外带负电荷的电子构成，原子的质量主要集中在原子核上。

科学研究中，科学家不仅收集数据，更要分析与处理数据，而这一过程，常常需要利用数学工具。教师也需要带领学生，进入定量层面一起想。

例如，在研究化学反应速率时，我们可以给学生提供反应C60O3=C60O+O2↑中不同时间溶液吸光度的变化来研究浓度与反应速率的关系，因为溶液的吸光度与C60O3的浓度成正比。图1显示了一些实验结果。

学生之前已经知道化学反应速率的定义v（A）=Δc（A）/Δt，因此由图1提供的数据，我们可以计算出每个时间间隔内平均的化学反应速率值，并将其再次作图得到图2。

图1表明随着时间推移，C60O3溶液的吸光度在减小，即C60O3的浓度在减小，这是对实验现象的记录。图2表明随着时间推移，该反应的速率也在减小，这是对实验数据进行数学处理的结果。而图1与图2的相似性表明，该反应的反应速率一定与C60O3的浓度相关，到底如何相关呢？还是通过作图：我们通过图1、图2的时间变量来联系反应速率与C60O3浓度（仍以吸光度来表达），作出图3。

图3中得到的直线清楚地说明了反应速率与反应C60O3的浓度成正比：v∝c（C60O3），通过引入常数将这个比例关系转化为一个方程：v = k·c（C60O3）

至此，我们得到了反应C60O3=C60O+O2↑确切的反应速率与浓度关系。

三、拓展课堂的时空维度

思维与方法需要学习者经历体验才能习得，科学方法作为研究工具需要经常使用才能内化为思维习惯。课堂时间有限，如果学生在课后甚至日常生活中仍能保持好奇心，养成观察与思考的习惯，才是我们希望看到的。因此，每节课的最后，不应只是个句号，而应是新的问号。

例如，在学习过“浓度对化学反应速率的影响”之后，教师可演示一个实验：锥形瓶中装有20mL 30%双氧水溶液，撒入少量MnO2，反应开始，通过观察气泡产生的快慢可以直观地感受到反应速率。随着双氧水浓度的减少，气泡产生变慢，这在预料之中。可在反应进行一段时间后，突然加快，大量气泡伴随着大量水汽生成，甚至冲出锥形瓶，非常震撼。这样的现象促使学生思考：之后的反应速率加快是怎么造成的？如果用此系统研究浓度对反应速率的影响，实验设计时要注意什么？

每位学生都是独特的个体。他们的兴趣、爱好、天赋也不尽相同，那么在构建“让我们一起想”的思维课堂体系时，也需关注到学生的差异性，使思维课堂呈现不同的层级。在作为共同基础的必修课堂之外，我们还可为不同的学生提供不同的选修课堂，在不同的方向上对“让我们一起想”进行延续与拓展。例如，开设名为“经典重现”的选修课，深度剖析重现科学史上经典的100个实验，让学生与历史上的科学大师一起想。再如，开设“物理圆桌派”“化学圆桌派”等选修课，以小班讨论课方式，就感兴趣的问题与同学一起想。

综上，中学教学承担着立德树人的根本任务，今日的中学生未来需要成为在认识和改造世界中担负历史使命的创新人才。这样的教育目标要求科学教师必须以科学方法来教授科学知识，或者说，通过科学知识来教授科学方法。它们两者是不可分割的。“让我们一起想”的科学课堂，就是由科学教师带着学生，激情地鼓励学生敢“想”，理智地帮助学生会“想”，还智慧地引导学生一辈子都在“想”！