凸显科学本质的化学教学：内涵、价值及实践策略

许玉明 张贤金 郑旭辉

摘要：科学本质教育是新课标的要求，对学生的学习生活及后续发展有重要的意义。文章阐述了科学本质的内涵及功能价值，并提出化学教学课堂渗透科学本质观的策略，具体包括：创设情境，预设问题；品读历史，建构概念；适时评价，领悟内涵等。

关键词：科学本质观；化学教学；化学史；实践策略

文章编号：1008-0546（2021）12-0008-04中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.12.002

*本文系教育部福建师范大学基础教育课程研究中心2021年度立项课题“基于变异理论的高中化学深度学习研究”（课题编号：KCZ2021127）及福建省教育科学“十四五”规划2021年度立项课题“促进高阶思维能力发展高中化学教学研究（课题编于：FJJ？ KZX 21-557）”阶段研究成果。

培养科学本质观是现代科学教育的重要任务，人们常将对科学本质的理解称为“科学本质观”。新修订普通高中化学课程标准除了在多处章节出现一些如：“提出假设”“通过分析推理加以证实”“建立模型”“揭示本质和规律”“敢于质疑，勇于创新”等词语，还多次提到“促进学生对科学本质的理解”[1]，显然这些都是科学本质的范畴，新课标未对科学本质的内涵作具体阐述。本文通过对国内外研究科学本质的内涵梳理，阐述其教育功能价值及化学教学的实践策略，期待为科学本质教学提供参考。

一、科学本质观的内涵

1907年美国国家科学数学教师协会提出“科学本质”一词，当时并未对其进行明确的概念界定。科学本质的内涵是什么，从目前已有的文献来看，很难给出一个统一的、精准的定义。因为科学本质并非单一的观点，有些问题还在探讨。随着科学事业的不断发展，国外不同时期不同机构和专家提出的观点各不相同[2]（见表1）。

美国学者McComas，W.F和Olson，J.K.基于美国、英国等五个国家的八份教育研究文献中有关科学本质的分析，总结对科学本质内涵概括相同的观点，认为与科学本质与科学哲学等四个学科有关联，如图1所示，其中科学史的贡献量最大[3]。

国内学者王晶莹将科学本质分为“观察和推论”“科学的创造性”“科学的暂时性”“科学以实证为基础”“科学的主观性”五个方面[4]；不同研究者对科学本质观的界定内容不同，其原因是根据科学研究的基本方法和认识物质的不同视角得出的，因此目前对科学本质观的界定是暂定性的，未来有可能会随着科学思维的变化，对科学本质观的要素和结构重新审视。虽然不同学者对科学本质界定不同，但都认为基础教育阶段应该教授一些大众认可的科学本质的特征。例如：科学知识是暂时性的、基于实证的、主观性的、负载理论的，同时还是人类推理、想象、创造的产物，是植根于社会和文化背景中的等，这些特征可以为我们化学教学中提供相对明确而稳定的价值参照。

二、科学本质观的功能价值

培养和发展学生的科学本质观已经成为各国教育教学目标之一。已有研究表明，由于我国的“尊权”“考试文化”等传统社会文化的影响，对教师和学生的科学本质观形成起到不小的负作用，教师科学本质观大都处于较为朴素水平[5]，现新课标要求在化学教学中培养学生的科学本质观，具有十分重要的意义。

1.教师科学本质观：有助于发展学生核心素养

教学中要培养学生的科学本质观，首先需要教师树立正确的科学本质观。如果化学教师对于科学本质问题的认识比较肤浅，教学中存在着缺失甚至错误。例如，化合价是一个概念，并不是客观存在的，但许多教师在教学中，都在让学生记忆化合价，相当一部分学生都误认为化合价是真实存在于物质中，这些都说明我们教师因为科学本质观的理解模糊而影响教学行为。

王伟和王后雄认为化学核心素养与化学学科本质有天然的内在联系。二者的关系所示的“冰山模型”（见图2），化学学科本质位于水面之下，化学核心素养是化学教学中需要达成的显性目标，位于水面之上[6]。

理解学科本质是发展学生学科核心素养的基础和条件，如果教师理解了学科的本质，同时在课堂教学中统筹好知识载体、方法引领和价值驱动三者之间的关系，就能发展学生化学学科核心素养。

2.学生科学本质观：促进学生客观欣赏、理解、评价及探索科学事业

已有研究表明，目前许多学生在思维方式上的思考主要是“知识是什么”以及“知识有什么用”，很少思考“知识是怎么产生的”和“知识是否具有合理性”等，科学本质观处在待提高的水平，学生的科学本质观对其将来融入社会后的生活方式将起着非常重要的影响。例如，若学会科学观察和推理，将会形成实证意识；若渗透科学主观性和创造性，今后将更懂得人与人之间相互尊重，努力发挥自身潜能；若认为所学的知识是绝对正确的，可能只是反复记忆书本上的知识，若有科学的暂时性的意识，就会对书本上的知识批判质疑以及选择吸收。如果具有良好的科学本质观，随着科学技术的进步而不断更新，就能正确理解新科学知识和产品，做出科学的决策。因此，培养科学本质观，能帮助学生客观欣赏、理解、评价及探索科学事业，即便他们将来从事科学研究之外的事业，在日常生活中对与科学有关的一些议题也能做出更理性的判断。

三、化学教学中培养科学本质观的实践策略

科学本质观本身并不是知識，是个人在学校教学和社会文化中潜移默化而形成的。如果我们利用一节化学课为学生讲述科学本质观，学生只能了解科学本质观是什么，但学生不会因此成为一个具备科学本质观的人，因此促进化学学科本质观教学策略的探索有着重要的意义。新课标多次强调将化学史与促进学生对科学本质的理解联系起来，国内也有许多学者关于这方面的探索和实践，毕华林和刘冰认为科学的本质蕴涵于科学的发展过程中，避开化学史研究科学本质内容比较空洞，化学史素材是发展学生对科学本质理解的重要手段[7]；白建娥认为促进科学本质的教学的策略是设计驱动性任务以及探究问题，让学生在解决问题中体验科学的本质[8]。

笔者研究发现高中“化学键”内容蕴藏科学本质丰富的内涵（见表2），基于以上设计思路，下面提供以“化学键”教学为案例的具体策略，教学设计如下：

1.创设情境，预设问题

“化学键”教材内容呈现给学生的都是结论性的叙述，比较枯燥，引不起学习兴趣，不容易建构化学键概念，也不利于培养科学本质观。为了更有效帮助学生建构概念，引入新课时联系生活的真实情境，设置分组实验，有利于培养学习兴趣，激发学生的求知欲，从而渗透观察与推理、基于实证等科学本质观。

【展示】NaCl晶体结构的模型、金刚石模型和CO2（干冰晶体）的模型。

【教师】构成自然界中化合物的微粒是什么？这些微粒之间存在怎样的相互作用构成物质的？

【学习任务】设计实验比较氯化钠溶液、熔融氯化钠、盐酸的导电性。

【教师】为什么同样是电解质，液态HCl不能导电而NaCl在熔融状态能导电呢？

心理学研究表明，思维来自于疑问。问题情境的创设，不只是挖掘学生身边生活中的现象，而是通过“组成NaCl晶体、金刚石和CO2（干冰晶体）微粒是什么”引发学生积极思考，引导学生从科学的视角去观察思考问题，探究化学键概念的本质。

2.品读历史，建构概念

化学键有关理论的发展是曲折的，材料非常丰富，我们根据化学键发展史挖掘其后面蕴藏的科学本质内涵，让学生品读化学键发展史，调动学习兴趣，明白化学键发展的历程，同时创设问题情境，设计驱动性任务，建构化学键概念，以促进学生形成正确的科学本质观。

史实1：著名的“八隅律”理论。科学家们对微粒之间作用的探索和研究中，经历了一个漫长的过程。1897年汤姆逊发现电子后，使人们认识到原子是由更小的微粒构成的，才致力于研究化学键的理论。1918年德国的W.Kossel根据汤姆逊发现的电子来解释离子化合物，认为原子稳定存在的基本条件是最外层轨道上保持有8个电子的状态，这就是著名的“八隅律”理论。

【问题1】请根据“八隅律”理论，思考Na原子与Cl原子是怎样形成氯化钠的？

【教师】Na送给Cl一个电子后，形成的离子Na+和Cl-，最外层都是8个电子。像氯化钠这样带相反电荷离子（阴、阳离子）之间的相互作用称为离子键。

【观点】八隅律理论只能解释离子稳定性，对许多的共价化合物如H2O中H原子最外层不需要8个电子却也稳定存在现象，却无法作出解释，但是八隅律理论的提出启发了美国路易斯的研究。

史实2：共价键理论。1923年美国的路易斯根据研究提出“原子间通过共用电子对作用形成共价化合物，符合八隅律”的共价键理论，这个理论指出了化学键的本质。

【问题2】请根据路易斯共价键理论，思考氢原子与氯原子是怎样形成HCl的？

【教师】共价键的形成因素。

【观点】共价键理论解释了共价键的饱和性，却对共价键的方向性无法作出回答。比如水分子的氢氧键应该成90度，而不是104.5度。也不能解释许多化合物的中心原子的外围电子超过8个仍然很稳定的事实，如PCl5分子中的磷原子的外围电子是10个而不是8个。

史实3：杂化轨道理论。1927年薛定谔等科学家用量子力学的观点解释了化学键的本质。随后逐渐发展为两个分支理论：鲍林提出的杂化轨道理论以及Sidgwick NV等人提出的价层电子对互斥理论。价层电子对互斥理论成功地解释了水的键角是104.5度，而不是109度。

【展示】多媒体展示水分子模型。

【问题3】比较离子键、共价键的组成微粒是什么？用电子式表示NaCl和HCl的形成过程。离子键与共价键之间有怎样的关系？

【教师】比较离子键、共价键的特征。

傅鹰曾说“化学给人以知识，化学史给人以智慧”。如果教师直接介绍离子键和共价键的概念，学生不易理解化学键的形成过程和本质特征，但在教师的引导下，通过W.Kossel提出的的“八隅律”理论来说明离子键、路易斯的共价键理论事例，思考化学键概念的起源背景，了解其发展过程中所面临的问题，体验化学家探究的历程，有利于培养学生发展科学探究與创新意识核心素养，同时也加深学生对化学科学本质的理解。

3.适时评价，领悟内涵

通过对金属的冶炼的电解分析和教师引导，学生进一步理解化学反应的本质，完成了自我认识和构建化学键概念的过程，通过学生交流，领悟科学本质内涵。

【问题1】阅读下列工业冶炼钠、镁、铝等金属的资料卡信息。思考其原料的选择有什么不同？

【生1】冶炼钠和镁的生产原料应该要考虑熔点较低的化合物，经济成本低，而冶炼铝的原料是氧化物。

【生2】离子化合物才可用于电解冶炼金属，AlCl3是共价化合物，所以只能选择Al2O3作为原料。

【教师】两位同学能较好地依据物质物理性质，判断所含化学键的类型，确定生产原料。

【问题2】阅读下列“化学键发展年代表”资料卡（见图3），结合本节课的学习，请同学们思考最能凸显科学本质“观察和推论”“科学的创造性”“科学的暂时性”“科学以实证为基础”“科学的主观性”五个方面等内涵的哪些方面？

【生3】我觉得最能体现“科学观察和推论”，从冶炼钠、镁、铝等金属原料的选择中，我们观察原料物质的性质，推断是否为离子化合物问题，再考虑熔点低经济成本问题，这就是一个科学的研究过程。

【生4】我认为最能体现“科学的暂时性”，我从化学键发展年代表就感觉科学知识和理论在一个时期是正确的，但过一段时间又有可能不完善，所以科学是暂时的，是不断发展的。

【生5】……

【教师】对于刚才同學们的回答，我觉得都讲得很好。这边我再补充一点，从化学键发展年代表中，还体现了“科学的主观性”。面对同样的任务，科学家们的想法不尽相同，所以，科学既然是认识世界的一种方式，就一定具有主观性，同时每个人的思维过程还体现了创造性。

化学键的概念形成以后，如何利用化学键概念解决生产生活中的问题，也影响化学键概念的巩固，同时教师理解了教材内容中蕴含的科学本质，不能说明学生也能够理解。教师要营造民主宽松的课堂，鼓励学生交流讨论，如选择工业冶炼钠、镁、铝等金属的原料以及表达自己对科学本质观的理解，这种以思维外显的方式引导学生分析，不仅可以发现学生在认知过程中的障碍，而且在交流过程中促进他们深入的思考问题，本身就是渗透科学本质观的一种途径。

对于上述三条教学策略，在不同的环节中发挥独特的作用。教是为了引导学生的学习，评是为了促进学生更好地学习，教和评都是为了学服务的，整个教学过程以化学键的发展科学史为明线，以科学本质内容为暗线，通过实验探究、学生交流、适时评价等教学方法，将课堂教学中教、学、评紧密联系在一起，促进了学生领悟科学本质内涵。

总之，教育教学活动的本质是一种唤醒，是一种点燃，也是一种提升。科学的本质不是科学知识，而是产生知识的方法与过程。在化学教学中埋下科学本质观的种子，有利于积极启迪学生思维，提升学生的核心素养，这也是化学教学的本源和价值所在。我国教育改革持续向前，培养科学本质观的教学还处于探索阶段，期待更多的探讨和研究指向引领科学本质的化学教学。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1

[2]张培.科学本质理论研究述评[J].化学教学，2015（5）：12-16

[3]王晶莹.美国理科教师科学本质观研究述评[J].首都师范大学学报，2011（4）：22-23

[4]王晶莹.科学本质观与科学探究的意义及实践——美国李德曼教授访谈录[J].全球教育展望，2008（2）：3-6

[5]梁永平.理科教师科学本质观调查研究[J].教育科学，2005（3）：59-61

[6]王伟，王后雄.学科核心素养视域下的化学学科本质理解：意义与视角[J].化学教学，2019（11）：5-6

[7]毕华林，刘冰.基于科学本质教育的化学教科书设计——以元素周期律的发现和学习为例[J].化学教育，2007（5）：11-15

[8]白建娥.体现科学本质的化学教学[J].中学化学教学参考，2018（6）：14-17