跨越时空的对话：IHV教学模式在化学科学本质教育中的应用

严文法 穆雯星

摘要：2017版化学新课标提出要利用化学史促进学生对科学本质的理解。IHV为化学史和科学本质的结合提供了一个有效的教学模式。在梳理科学本质的概念以及1HV教学流程的基础上，以化学键理论发展史为例探讨了1HV教学模式在化学科学本质教育中的应用。

关键词：化学史;科学本质;1HV

文章编号：1008-0546（2021）05-0006-06中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.002

科学本质（Nature of Science，简称NOS）是科学教育的重要目标之一，一直以来也是国际科学教育关注的热点。《普通高中化学课程标准（2017年版）》中多次强调要利用化学史促进学生对科学本质的理解，并提出可以“有效利用化学史的素材，帮助学生认识科学理论会随着技术手段的进步和实验证据的丰富而发展，通过设计角色扮演等活动引导学生理解科学理论发展过程中的争论，从而增进对科学本质的理解”⑴。化学史能够承载科学本质的教育功能⑵，但如何将化学史与角色扮演相结合，以化学史上发生的科学理论发展过程中的争论为内容载体，来促进学生对科学本质的理解呢？ IHV教学模式为我们提供了一个很好的范式。IHV （Inlernative Historical Vignettes）是互动历史小品，是由美国Wandersee等人开发的一种将科学史融合到科学课程中的教学模式⑶。在化学教学中应用这种教学模式要求教师谨慎地选取与教学主题有关的化学史，将重点集中在某一科学本质上，并将其改编成为简短的小品，然后由学生与教师共同表演，从而达到把化学史融入到现有课程中的目的。在新课标的背景下，IHV使化学史教学彰显出新的生命力。本文在梳理科学本质和IHV教学模式涵义的基础上，以化学键发展史为例开展IHV下的科学本质教学设计，探讨IHV教学模式在化学科学本质教育中的应用。

一、核心概念界定

1.科学本质内涵分析

科学本质作为一种认识方式，是对科学的认识， 是科学知识及其发展所固有的价值和信念⑷。科学本质建立在科学哲学、科学史学、科学社会学、科学心理学四个向度对科学的审视的交集上[5]，因此不同学者对科学本质的内涵解释不一，但是因为中小学阶段的科学本质观教育不需要涉及本体论、方法论上深奥晦涩的争议，因此仍然有很多的共识，具体表现为：（1）知识的暂定性：科学知识一旦被普遍接受，就可以是强有力和持久的，但会随着新的证据出现和对原有证据的重新解释而发生变化;（2）知识是基于经验证据而获得的：所有科学概念都必须符合观测或实验数据才能被认为是有效的;（3）知识是基于观察和推理而获得的：科学涉及的不仅是无数观察的积累，更是来自观察和推理的结合;（4）科学定律和理论的区别：定律是对自然界中的关系或模式的简洁描述，通常用数学关系式来表示，而科学理论是对自然现象的解释性系统，理论和定律构成了两种不同的知识类型，但都是科学的合理存在形式，而且两者之间不会相互转化;（5）科学方法的多样性：科学家使用各种各样的方法来产生科学知识，包括观察、推理、实验，甚至偶然发现等;（6）创造力：科学知识的产生过程中需要运用创造力和想象力;（7）理论负荷性：科学家的直觉、个人信念和社会价值观都在科学知识的发展中起着重要作用;（8）科学知识的社会/文化嵌入性：科学作为一项人类事业，在更大的文化背景下进行实践，它的实践者也是这个文化的产物，这些文化背景包括但不限于社会结构、权力结构、政治、社会经济因素、哲学和宗教[6-7]

可见，科學本质的内容不仅包括科学知识（科学定律、理论等）以及科学知识产生过程中所用的方法和影响因素（基于经验证据、观察和推理、科学方法、创造力、理论负荷性等），还包括知识的特性（暂定性、科学知识的社会/文化嵌入性等）。因此，促进科学本质理解的教学应为在教师有目的的引导下，学生能够理解科学知识及其产生过程和蕴含的价值观，并逐步促进学生正确价值观念、必备品格和关键能力的发展，为学生的终身发展奠定良好基础的过程。

2.IHV教学模式

IHV教学模式是指通过设计互动式小品情景剧的形式，学生能够像科学家一样体验科学知识探索过程的教学活动结构框架和活动程序。在设计以及表演互动式历史小品的过程中，学生可以真实地体会并理解科学本质。关于如何进行基于IHV的教学设计与实施，目前普遍比较认同的是Wandersee（2002）所提出的IHV教学设计流程（见图l）[8-9]

对IHV教学设计流程进行分析，可得出促进学生科学本质理解的IHV教学模式的实施步骤大致可分为：（1）准备阶段：由教师选取能够体现本节课教学本质的化学史小片段;（2）实施阶段：教师为学生提供资料或者查询资料的方式，由学生和教师共同探讨完成该化学史小品剧本，并将学生按需要分为导演、扮演者、场记、旁白等角色表演该小品;（3）提问阶段：在特定的时机，教师可中断表演，进行任务驱动型提问，帮助学生理解这个小品中蕴含的科学本质;（4）反思与总结阶段：教师引导学生进行集中讨论和反思整个历史过程，并提炼课堂框架，深化学生对科学本质的认识，从而建立起正确的科学本质观。

二、IHV教学模式下的教学设计：以“化学键理论发展史”为例

1.教学设计背景分析

从新课标角度来看，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在“模块2物质结构与性质”下的“主题3：研究物质结构的方法与价值”中提出“能举例说明人类对物质结构的认识是不断发展的， 并简单说明促进这些发展的原因”“了解人类探索物质结构的过程，认同物质结构的探索是无止境的'观点”，同时在教学策略中明确表示“有效利用化学史的素材，通过设计角色扮演等活动引导学生理解科学理论发展过程中的争论，从而增进对科学本质的理解”等旳。物质结构的探索过程涉及到的化学史有原子结构发展史、分子结构发展史、微粒间的作用力发展史等，而化学键理论的发展史作为微粒间的作用力研究历程中的一部分，对于促进学生对科学本质的理解有着重要意义。

从学情角度来看，高二学生在学习价键理论之前，已经在必修一学习过化学键，知道化学键可分为共价键和离子键。进入高二，学生的抽象思维能力和空间想象能力有所提高，选择性必修2中的微粒间作用力（包括价键理论、分子杂化理论、离子键、配位键、金属键、分子间相互作用力）是在高一化学键概念基础上的进阶概念。已有研究发现，学生在学习价键理论时存在的障碍点有：价键理论不能完整构建，理解程度差，难以运用。具体表现在对键的形成过程理解不清楚，难以应用价键理论解释物质的性质等[11]。

综上所述，由于选择性必修2中的微粒间作用力部分对学生的各项能力要求较高，所以学生在这部分内容的学习中存在多种困难，而“化学键理论发展史”的引入能为学生在学习价键理论、VSEPR理论、配位键等内容之前奠基一定的理论基础。故此，无论是从课标要求还是教学需求，对化学键理论发展史的学习均具有价值。

2.教学目标

本节课的教学目标是以化学键理论发展史为内容载体，通过IHV促进学生对于科学本质的理解。化学键理论发展史中能够体现的科学本质有：知识的暂定性、科学方法、创造力、基于经验证据、观察和推理、理论负荷性等。故将本节课的教学目标设计为：

（1）通过化学键的发展过程，体会科学知识的暂定性和理论负荷性。

（2）通过科学家的探究过程，能说出证据、观察、推理、创造等方法在科学知识产生过程中的重要性。

（3）通过化学键理论发展历程的学习，为价键理论、VSEPR理论、配位化合物的学习奠定基础。

3.教学过程

（1）准备阶段

化学键理论发展史内涵非常广泛，大致经历了从“古代朴素主义-经典力学体系-量子力学”三个阶段的发展过程。其中“古代朴素主义”包括从我国春秋时期的“夫和生实物，同则不继”，到之后古希腊哲学家的“爱、憎理论”再到中世纪的J.R.格劳伯提出的“亲和力学说”;“经典力学体系”包括波义耳的“齿合作用”、施塔尔等人的“万有引力下的亲和力”、李比希的“基理论”、凯库勒的“四价学说”、科塞尔的“离子键理论”、路易斯的“共价键理论”;“量子力学”体系下鲍林的“现代价键理论”、马利肯等人的“分子杂化轨道理论”、欧格尔的“配位场理论”等[12]。

依据本节课课时、教学目标以及学情，本节课截取的教学片段为科塞尔的“离子键理论”、路易斯的“共价键理论”、鲍林的“价键理论”、马利肯等人的“分子轨道理论”、欧格尔的“配位场理论”。

（2）实施与提问阶段

①剧本编辑阶段

在已确定好的主题下，教师向学生发放关于这五位化学家的生平简介以及理论提出过程的介绍。同时提醒学生，若需进一步查找资料，可以通过网络来获取相关信息。在信息整合之后，由教师和学生共同完成剧本的编撰工作，并按照剧本需要，挑选部分学生担任不同的角色。

②排练阶段

在剧本编撰和人员确定完成之后，由导演（学生）带领各位演员（学生）和场记（学生）进行排练，时间约为1周。

③表演阶段

（场地说明：以课桌代替实验台和工作台，以教室的不同位置的灯作为追光，其他道具由学生提前准备好。）

【旁白】人类对微粒间的作用力的探索经历了几千年的时间，物质到底是如何结合在一起的？这个问题引起了古往今来众多物理学家和化学家孜孜不倦地探索，从玻尔的原子结构理论提出之后，人类对于微粒间相互作用力的认识迅速发展，接下来，让我們跨越时空一起重温这个时期化学家们对微粒间作用力的探索旅程吧。友情提醒：以下各场景均为虚拟， 并非实景再现。

【旁白】1916年，德国化学家科塞尔一直在研究稀有气体的结构和它的性质，有一天，他发现稀有气体原子的电子层结构具有高度稳定性，于是他开始了思考……

[科塞尔]静静地躺在沙发上，不断地思考中…时不时在小声嘟嚷：既然原子结构决定了稀有元素的稳定性，那是不是可以通过原子结构说明金属元素和非金属元素的不稳定性呢？

【旁白】科塞尔反复地问自己这样的问题，时间一天一天地流逝着，他开始不断地对有代表性的化合物离子所带电荷数进行反复推算…直到有一天…

【科塞尔】兴奋地打开实验室的门，大声告诉同事们，我知道了，用路易斯提出的“八隅律”来解释。

【同事们】一脸惊讶，什么“八隅律”？

【科塞尔】就是最外层电子如果是8个电子，这个原子就是稳定的，所以稀有气体化学性质稳定，而导致在形成化合物的过程中非稀有气体原子通过得、失电子形成正、负离子，生成的正、负离子通过静电作用力形成化学键。

【同事们】这真是一个伟大的发现，你快写下来让大家都知道。

【旁白】激动的科塞尔拿出了稿纸书写下这个伟大的理论：离子键理论。

教师提问：通过科塞尔“离子键理论”的提出过程，大家认为离子键理论的发现过程采用了哪些研究方法？

学生回答：这个过程中，科塞尔进行了大量的数据收集、分析和推算，才得以提出“离子键理论”，并且借鉴了路易斯的八隅律理论。

场景二

【旁白】科塞尔正在和路易斯进行激烈的辩论，到底发生了什么事情呢？让我们一起去看一下。

【科塞尔】路易斯先生，您凭什么觉得我的理论有问题？

【路易斯】您的离子键理论虽然是正确的，但是它无法解释共价化合物的形成过程啊。比如，您无法解释水分子的形成过程，。和H到底是怎么结合的，为什么水分子可以稳定存在呢？

【科塞尔】（听完后，科塞尔看着路易斯不断地思考。过了一会儿，反问道）你难道有更好的理论可以解释水分子可以稳定存在吗？

【路易斯】是的，先生。我承认您的“离子键理论”，在您的基础上，我认为在分子中来自于一个原子的一个电子与另一个原子的一个电子以“电子对”的形式形成原子间的化学键。

【科塞尔】路易斯先生，电子和电子之间有排斥力，您是怎么认为电子和电子之间可以形成电子对呢？这不是天方夜谭吗？

【路易斯】先生，按照常理是这样的没错，但是，看吧，不久的将来，科学会证明我的正确性。

【旁白】这场争论谁也没有说服谁，路易斯转身离开了科塞尔的办公室。

教师提问：通过科塞尔和路易斯的争论，大家发现了什么？科学理论一经提出就可以被广泛接受吗？

学生回答：我发现由于科塞尔自己的认识局限性不能意识到路易斯共价键理论的正确性，科学理论需要经过检验才能被人们所接受。

场景三

【旁白】历史的车轮继续向前，最终经过多位科学家的不断计算证明了路易斯共价理论的正确性，时间来到了1927年。刚结束一天辛苦工作的美国化学家鲍林回到了家，慵懒地躺在沙发里，此时，他顺手拿起了今天的报纸随手翻阅，突然，他看到了一个令人惊讶的发现，报纸上刊登了德国物理学家W.H.海特勒和 F.W.伦敦运用量子力学理论解释氢分子的成因。他敏锐地感觉到这将是一个伟大理论诞生的先兆，于是，他急匆匆地找到海特勒工作室的电话，拨打了过去

【鲍林】（电话那端响起了嘟嘟的声音，电话接通了）尊敬的海特勒先生，我是鲍林，很抱歉这么晚打扰您，我刚看了您在报纸上发表的用量子力学处理氢气分子解决了两個氢原子之间化学键的本质问题，并用近似方法计算了氢分子体系的波函数和能量，这让我感到非常惊喜，您能不能大概给我讲讲您是如何进行计算的？

【海特勒】鲍林先生，您不必客气，我很乐意和您分享我的计算过程。

【旁白】海特勒开始了一系列的讲解，鲍林不时露出疑惑的表情，不时拿笔在笔记本上写着，不知不觉已经天亮了。

【海特勒】好了，先生，这就是我全部的计算过程。

【鲍林】海特勒先生，非常感谢您的分享，这让我深受启发。我将按照您的理论继续研究，再次感谢。

【旁白】在此之后，鲍林开始了不断地推理和研究，实验室的桌面上，留下了大量的计算草稿和灯光下他忙碌的身影。1931年鲍林提出了杂化轨道理论， 并于1939年发表了《化学键的本质》一书，在这本书中系统地阐述了杂化轨道理论并综合成了价键理论，将海特勒-伦敦的理论进一步应用到多种单质和化合物的多原子分子领域，解释了路易斯共价键理论中所未涉及的共价键的方向性，其理论可概括为：①若两原子轨道互相重叠，两个轨道上各有一个电子，且电子自旋方向相反，则电子配对给出单重态，形成一个电子对键;②两个电子相互配对后，不能再与第三个电子配对，这就是共价键的饱和性;③遵循最大重叠原则，共价键沿着原子轨道重叠最大的方向成键。共价键具有方向性。

教师提问：通过科塞尔的“离子键理论”到路易斯的“共价键理论”再到鲍林的“价键理论”，大家发现了什么？科学知识会不会发生变化？发生这种变化的原因是什么？

学生回答：科学知识是不断发展的，发生这种变化的原因是时代的进步、新的科学发现和证据不断弥补了之前理论的缺陷，还需要科学家的创造力。

场景四

【旁白】鲍林的“杂化轨道理论”发布之后，立刻在学术界引起了巨大的反响，但是有一个人开始了思索，他拿着鲍林发表的关于杂化轨道的论文，开始不断地计算和比对。

【马利肯】我发现鲍林发表的杂化轨道理论有一个不太完美的地方，还是需要再改进。

【助理】先生，哪里有问题？

【马利肯】我发现鲍林的杂化轨道理论虽然解释了共价键的本质，也成功地解释了共价分子的空间构型，但该理论仍然认为共用电子对在成键原子间的小区域内运动，这和量子力学不相符啊。

【助理】您这么一说，我也觉得这个理论它也不够完善

（故事进行到这里，教师打断1分钟，询问学生：如果是你的话，你准备怎么做呢？请同学们先思考，接下来，让故事继续，让我们来看看马利肯是如何处理的。）

【旁白】马利肯开始不断地对鲍林的杂化轨道理论按照量子力学的方式展开计算，在计算的过程中还不时请教鲍林，1932年的一天，经过马利肯等人的不断计算和整理，终于形成了一个伟大的理论：分子轨道理论。

【马利肯】（非常激动地站上了讲台）今天，我将在这里向大家分享我的成就：从分子整体性来看，原子形成分子后，电子便不再属于个别的原子轨道，而是属于整个分子的分子轨道，分子轨道是多中心的，但原子轨道形成分子轨道时，依旧遵从能量近似原理、对称性一致原则、最大重叠原则，电子在填充分子轨道时，符合能量最低原理、泡利不相容原理和洪特规则。

【旁白】此时，现场响起了雷鸣般的掌声…

教师提问：通过马利肯“分子轨道理论”的提出，你能否说明什么样的理论才能被人们所接受？在这个过程中，想象力和创造力有没有参与其中，如果有的话，起到了什么作用呢？马利肯对问题的处理和你一样吗？这对你有什么启示呢？

学生回答：科学的理论才能被人们接受，这个科学理论一定是在大量证据和事实的基础上，再由科学家不断地推理而获得的。想象力和创造力为“分子轨道理论”的提出提供了支持，如果没有想象力和创造力，马利肯就不可能认为电子在整个分子内做运动。马利肯更注重科学推理的过程，这教会我以后在进行科学探究的过程中，要基于证据进行推论。

场景五

【旁白】在价键理论和量子力学提出之前，人类对于配位化合物的研究已经经历了一个多世纪，从普鲁士蓝的合成到维尔纳配位理论的发表，无不彰显着化学家对配位化合物研究的痴迷程度，而新的理论的诞生必将为配位化合物的进一步解释提供新的方向，到底价键理论和量子力学又会怎样推动配位理论的发展呢？接下来，让我们走近另一位伟大的科学家：欧格尔。

【欧格尔】今天真是一个令人激动的日子，一会儿我就要见到我的偶像：配位化学之父维尔纳先生了。

【维尔纳】（轻轻敲门进入房间）尊敬的欧格尔先生，您好。很荣幸能有这个机会和您当面讨论配位化合物问题，我听说您最近对配位化学提出了新的想法，能大概给我讲讲吗？

[欧格尔】（非常激动地和维也纳握了手）当然，如果没有您的配位理论，我也不可能取得如此大的成就。

【维尔纳】知识本来就是在不断地发展，您不必谦虚。

【欧格尔】谢谢您，维尔纳先生，现在我向您大概介绍以下我的理论，如果哪里有问题，还请您随时指出来。

【维尔纳】好的，您请开始。

【欧格尔】借助于“价键理论”“晶体场理论”以及“分子轨道理论”，我认为，可以将三者结合起来解释配合物的结构和性能。我按照杂化轨道理论用共价配键和电价配键解释配位化合物中金属离子和配位体间的结合力，用晶体场理论解释配位化合物的结构、光谱、稳定性等性质，用分子轨道理论解释金属离子和配位体成键作用。具体证明如下…

【旁白】这场交流与讨论一直持续到第二天早上

【维尔纳】欧格尔先生，您的这些想法简直太完美了，解开了配位化合物神秘的面纱，希望您能赶紧动手将这些整理成书发表出来，好让大家都了解这个伟大的发现。

【欧格尔】能得到您的认同，我真的太激动了。

【旁白】没过多久，欧格尔的“配位场理论”正式发表，得到了学术界一致地称赞。

（3）反思与总结阶段

在本节课的最后，教师引导学生对本节课的内容展开思考，询问学生通过本堂课的学习你学会了什么？科学知识体现了怎样的特征？科学家在不断的研究中都采用了什么方法？这对你今后的学习有什么启示？

学生按小组自主讨论总结上述问题的答案，并选择代表上台分享小组答案。通过讨论与分享，对“化学键理论发展史”进行再次整理。加强了学生对于知识的暂定性和利用观察和实验获得证据、基于证据进行推理、科学方法的理解，意识到想象力和创造力在科学理论提出过程中的重要性，并进一步认识到科学理论在科学发展中的重要作用，促进学生对于科学本质的理解，有利于学生正确的科学本质观形成。

三、总结与反思

本文在新课标的指导下，梳理了科学本质的内容及其教学意义，并分析了 IHV教学模式的具体操作过程，在此基础上，以“化学键发展史”为例探讨了如何利用IHV教学模式促进学生对科学本质的理解并帮助学生建立正确的科学本质观。从整个教学设计来看，在IHV教学模式中，教师通过有目的的小品设计， 将“活动”“化学史”“科学本质”成功地融为一体，能够有效建立互动型课堂，提高学生的课堂参与度，寓教于乐，能够有效地帮助学生在体会化学史的发展进程中加深对于科学本质的理解，从而实现IHV教学模式下的科学本质教学。

不过，在使用IHV教学模式的时候也要注意：化学史的内容要紧扣教学内容，促使学生对于知识的理解;化学史小品不可占时过多，影响正常教学进程;在进行IHV教学的过程中，要善于调动学生自编自演的积极性[13]。同时，化学史小品的内容应尽量贴近史实。在化学史小品的编撰过程中，难免受教学效果的影响，会对原本的化学史有一定的改动，故此要尽量贴近史实，还原真实情况下科学家们的思想与行为， 防止学生对历史产生错误的认识。教师还要注重启发引导，教学方式的选择是为了更好地实现教学目标，在IHV教学模式中，教师要善于启发引导学生积极思考，做好学生发展的“促进者”，防止“假热闹”课堂的出现。

新课标的颁布为化学史的教学提供了新的土壤， 而IHV作为一种有效的化学史教学模式，将有效地丰富化学课堂，在这样的课堂中，学生能够充分地感受到化学的魅力和化学家的风采，从而激发学生对于化学的热爱。

参考文献

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