从科学方法视角建构认识高中化学课程体系的思路

摘 要： 科学方法是构成科学整体框架不可或缺的内容。将科学方法教育从缺失到觉醒，再转变为自觉，其教学理念从隐性到显性，教学实操从知识方法分离到知识方法融合，结构从碎片化到系统性，帮助学生对科学方法的认识从偶有接触到多法综合。实践证明，科学方法是学生思维进阶的帮手，增强科学方法与高中化学课程体系的匹配与衔接，引领学生从科学观视角出发，运用科学方法建构学习高中化学课程的基本思路，能够较好地助力学生完善高中化学课程体系的一体化架构。

关键词： 科学方法； 高中化学； 课程体系； 化学史； 科学哲学

文章编号： 1005-6629（2024）11-0009-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

科学方法是科学实践的产物，也是科学探究的成果。在基础教育阶段实施科学方法教育，

是引导学生获取正确科学认知的前提与保障，也是学校能够给予学生的最具有生命力的教育。掌握科学方法的多少和熟练程度，是学生进一步学习的有力工具，也是学生离开学校忘却知识，但仍然能够施展能力的基础［1］。高中教师要本着倡导科学方法教育的观念，将其落实于日常的科学教学之中，不仅要传授学生基本的科学知识，更要帮助学生掌握具有普遍价值的科学方法。

1 发展科学方法教育的现实背景

究竟把揭示自然规律的知识本身作为目的，还是把知识作为工具以掌握研究自然规律的科学方法为目的，这是当前科学教学中存在的两种完全不同的教育思想。法国科学家笛卡尔说：“最有价值的知识，是关于方法的知识。”当前的高中物理、化学、生物、地理等科学学科中存在的缺乏方法指导的纯知识性教学，容易让学生产生多、杂、散、乱的不良感觉和知识的负迁移，甚至丧失学科兴趣。同样，缺乏多样性科学方法的教学，学生往往仅会运用实验和验证两种方法，甚至将实验操作方法和解题的技巧性方法代替其余的科学方法。打破这种局面，需要建立学科特有的思维方法，即构建这门学科符合自身研究对象特征的形式、符号、数学模型和实验模型的方法，并将科学方法的教学从隐性渗透转变为显性明示［2］，将学科独特的方法与多种科学思维方法结合教学，避免学生陷入少数思维方法的缺陷和误区中，有效提升学生综合运用多种科学思维方法解决问题的能力［3］。

2 科学方法的地位与作用

科学研究始于问题，科学研究的终极目标是解决问题，而解决问题需要方法。因此，在科学学习过程中要把握科学方法。科学本质观是对科学本质问题的认识，科学的本质并不是证实真理，而是发现已有真理的错误，不断更新真理。通过科学方法对知识进行系统性加工、组织、重建及运用，学生头脑中原有的知识结构才会转化为更加清晰的新的认知结构［4］。因此，科学方法对促进学生科学本质观的形成意义重大，起着探索新的生长点、确立新的研究方向、揭示科学思维基本原理的作用。从科学发展的历史来看，科学方法论经历了“自然哲学方法论、哲学方法论、逻辑方法论和理论方法论”四种形态。若将科学方法融入科学本质教育中［5］，能更清晰地定位科学方法，更适切地发挥科学方法的功能。

2.1 科学方法与科学四维度的关系

科学分为相互关联、相互依存的四个维度：科学知识、科学方法、科学态度和科学精神。它们共同构成了科学的本质特征，如图1所示。唯有四者有机结合，才能产生真正的科学研究成果。科学方法本质上归属于科学认识，是认识主体与客体发生互动中采用的工具和手段，是人类在科学认识的发展过程中总结形成的。科学方法贯穿于整个科学领域，维系科学结构的稳定。科学方法是科学发现的手段，是形成与发展科学理论的催化剂，也是规范和优化科学研究程序的指南。

2.2 科学方法与科学思维的关联

思维是建立在实践活动表象基础上的感性认识，借助于语言以知识为媒介而实现表达。科学思维主要包括模型、推理、论证、批判性思维、创新性思维等。科学思维的形式建立在科学方法掌握之上，科学方法的结构见图2。科学思维的基本形式和科学方法几乎叠加在一起。因此，科学方法的运用离不开思维，思维形式的展开也离不开科学方法。在实际教学中，科学方法是思维型课堂的推手。其中，哲学方法能够引导学生运用正确的思维方法解决问题。因此，科学方法教育要以哲学方法体系为总指导纲领，将哲学与自然科学融合。

3 科学方法指导下建构高中化学课程体系

从认识论的角度看，科学教育必须纳入科学史、科学哲学、科学社会学的内容。科学史是科学方法的来源宝库，科学哲学是科学方法的载体，科学社会学是科学方法的价值体现。高中化学学科具有专属的科学方法，如宏微结合法、转化法、平衡法、模型法、分类法、假说法、守恒法、变量控制法、观察法、实验法等［7］。一般采用想象、归纳、演绎法从化学史层面让学生亲历科学家的研究路程，采用观察、实验、推理、论证法从科学哲学视角实施科学探究和科学实践，采用比较、分类、类比、分析、综合、模型法进行四重表征（包括宏观、微观、符号、曲线），进而获得科学概念，落实科学本质观。

正确理解学科的研究方法有助于学生从“应该知道什么”向“如何才能知道”以及“为什么要这样做”转变，也就是从知识到过程再到思考的转变。因此，在高中化学教学中，让学生从科学观视角出发，运用科学方法认识高中化学课程体系，是构建高中化学课程基本框架和思路的正确路径，更加符合学生的学习规律。

3.1 课程标准中高中化学课程体系的建构思路

高中化学必修课程打通了化学1和化学2的边界隔阂，不设模块，只设主题。选择性必修课程依据化学学科的基础性研究领域，设置3个模块，其内容取向各有选择性，其理论知识在必修课程基础上深化拓展，体现发展性，并反映出学科核心素养的高阶要求。但选择性必修课程各模块依然依据主题组织实施。

课程标准提出高中化学课程体系建构的基本思路是采取“主题—学科观念—课程内容”的体例，这种组织方式使得课程内容层级细化，有利于知识结构化、网络化。即在确定课程内容时，先构建若干个主题，在每个主题的统摄下提炼若干个核心概念，然后对核心概念进行认识性描述，而具体的知识点就蕴含在其中。课程标准中高中化学课程体系内容组织方式及其多重价值见图3。将“从科学方法视角认识高中化学课程体系的思路建构”放在各主题实施过程中，在主题式教学中运用科学方法帮助学生跳出知识的束缚，能较好地帮助学生实现核心观念的结构化。

3.2 必修课程体系的建构

必修课程是为全体学生奠定共同的基础而设置的。在必修课程阶段，化学的逻辑主线尚未明晰，教师要引导学生围绕少数大概念来学习各章节的内容，厘清必修知识学习的价值所在，突出化学观念的统领作用和科学方法的指引作用，不必过于纠结琐碎的具体知识。

课程标准提出必修课程内容可以依据5个主题组织，目的是提高课程实施的整体性。主题1“化学科学与实验探究”涉及的内容包括“化学科学的主要特征、科学探究过程、化学实验、科学态度与安全意识、学生必做实验”。教师要采用“分类、模型、化学实验设计、变量控制”等方法整体规划实验及探究教学，让学生能基于物质的量认识物质组成及其化学变化。主题2“常见的无机物及其应用”涉及的内容包括“元素与物质、氧化还原反应、电离与离子反应、金属及其化合物、非金属及其化合物、物质性质及物质转化的价值、学生必做实验”。当前高中化学对元素化合物的教学主要集中在钠、氯、硫、氮、铁这5种元素，淡化了诸多元素化合物具体性质的学习。教师要秉持“认识元素及其化合物性质的视角和预测法”，着力在元素化合物学习的基本方法如分类与转化，认识途径如化合价和物质类别的关系上。主题3“物质结构基础及化学反应规律”涉及的内容包括“原子结构与元素周期律、化学键、化学反应的限度和快慢、化学反应与能量转化、学生必做实验”。人类对元素周期律的漫长认识历程与对物质的认知过程一致。但现代化学已经从物质的结构、性质、用途的关系研究升华到依据需求制造新的物质。主题4“简单的有机化合物及其应用”涉及的内容包括“有机物的结构特点、典型有机物的性质、有机化学研究的价值、学生必做实验”。教师要本着认识有机物的一般思路，引导学生采用观察实验现象、联系生产生活实际、归纳总结等方法学习典型有机物的结构、性质及应用。主题5“化学与社会发展”涉及的内容包括“化学促进可持续发展，化学科学在材料科学、人类健康等方面的重要作用，化学在自然资源和能源综合利用方面的重要价值，化学在环境保护中的作用，化学应用的安全与规则意识”。教师要引导学生关注化学的功能价值，比如“物质及其转化与社会生产生活的联系，对人类、自然和社会可持续发展的作用”等，充分理解化学学科对社会的作用和意义。

必修课程要努力体现化学基本观念与发展趋势，以适应未来社会发展的需求。采用针对性的科学方法挖掘知识背后“具有生长功能的开放系统”，可以帮助学生经历一个由静态到动态、由孤立到关联的有意义的学习过程。

3.3 选择性必修课程体系的建构

课程标准提出选择性必修课程的内容和目标是依据学生对必修课程认识的发展而设置的，教师要将选择性必修课程与化学科学发展的方向关联，帮助学生实现对化学基本观念的发展性理解。这就需要教师将选择性必修课程与大学化学关联，实现自身对化学知识内容的本原性理解，才能游刃有余地站在科学方法的视角引领学生学习选择性必修课程［8］。

选择性必修1《化学反应原理》课程模块的逻辑主线是从认识化学反应到调控化学反应，教师要抓住这条逻辑主线实施相关科学方法引领的教学［9］。《化学反应原理》课程内容可以依据3个主题组织。主题1“化学反应与能量”涉及的内容包括“体系与能量、化学反应与热能、化学反应与电能”，教师要引导学生运用图像分析法、定性分析与定量分析法，建立物质与能量、化学反应与能量转化之间的联系。主题2“化学反应的方向、限度和速率”涉及的内容包括“化学反应的方向与限度、化学反应速率、化学反应的调控”，教师要引导学生运用化学方程式中的变化与守恒法、平衡思想建立认识化学反应、调控化学反应的热力学与动力学两大角度。主题3“水溶液中的离子反应与平衡”涉及的内容包括“电解质在水溶液中的行为、电离平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡、离子反应与平衡的应用”，教师要运用电解质溶液中的电荷守恒与元素质量守恒法，以及平衡思想分析、解释与溶液中离子反应相关的物质转化问题。“化学反应与电能”往往在主题3结束后再将其置于主题1的统领下实施，采用电化学过程的系统思想与方法，围绕电子导体与离子导体界面的电极反应建立调控电极反应的角度，丰富和发展学生调控化学反应的思路。

选择性必修2《物质结构与性质》将“物质微观结构的概念、原理、结构与性质关系”这些模块大概念作为教学结构的中心［10］。其课程内容可以依据3个主题组织，均较多采用想象、类比、模型法来学习。主题1“原子结构与元素的性质”重在帮助学生建立“位置、结构和性质”关系的系统思维框架。涉及的内容包括“原子核外电子的运动状态，核外电子排布规律，核外电子排布与元素周期律（表）”。主题2“微粒间的相互作用与物质的性质”以模块大概念“结构决定性质”统领第二、三两章，依照逻辑关系，阐明分子结构与性质、晶体结构与性质的关系［11］。涉及的内容包括“微粒间的相互作用、共价键的本质和特征、分子的空间结构、晶体和聚集状态”。主题3“研究物质结构的方法与价值”贯穿于主题1和2的始终，涉及的内容包括“物质结构的探索是无止境的，研究物质结构的方法，研究物质结构的价值”。

从高中化学课程的整体看，选择性必修3《有机化学基础》是收官模块，其教学应该成为学生科学方法学习的发展高地［12］，课程内容可以依据3个主题组织。主题1“有机化合物的组成与结构”涉及的内容包括“有机物的分子结构、官能团、化学键”，可以引导学生从碳骨架、官能团、原子团之间的相互影响这三个方面，基于系统思维优化认识有机物的一般思路。主题2“烃及其衍生物的性质与应用”涉及的内容包括“烃的性质与应用、烃的衍生物的性质与应用、有机反应类型与有机合成、有机物的安全使用”，这是将反应原理和结构模型迁移运用的良好实践平台，可以运用“物质结构与性质”模块的科学方法研究有机反应，运用反应原理的科学方法解释有机反应，尽可能帮助学生实现化学科学方法的飞跃发展。主题3“生物大分子及合成高分子”涉及的内容包括“聚合物的结构特点、生物大分子、合成高分子”，内容既丰富又独特，教师要有针对性地选择素材、创设情境，带领学生运用多样化的科学方法深入知识的意义系统。

4 普通高中实施科学方法教育的反思

科学有法，但无定法。科学方法对于高中学科课程体系的整体建构和组织实施起着指导性和指引性的作用。在科学方法教育中要始终注意以下三个方面：一是要在特定的情境中选择合适的方法解决实际问题，不能生搬硬套某一种科学方法［13］，学会运用跨学科的综合科学方法和思维方式解决真实问题已经成为趋势。化学学科中，学生只有在思维方法和化学方法的协同作用下才能获得活化的具有实际价值的知识。二是娴熟的科学方法可以避免学生思想受限，有助于培养学生善于发现有发展前途的研究方向的科学鉴赏力。化学学科中，化学方法教育可以培养学生预见化学研究工作可能产生的结果的敏锐判断力。三是看似普通的日常现象，可能蕴含着深刻的科学原理，这就需要方法创新。化学学科中，化学科学方法对解释和理解生活现象发挥着不可替代的作用。

参考文献：

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［9］陈进前. 从认识化学反应到调控化学反应——论选择性必修1《化学反应原理》的理解思路［J］. 中学化学教学参考， 2024， （4）： 1～5.

［10］王换荣， 肖中荣. 学科大概念多重层级下的主题大概念教学路径——以人教版（2019版）选择性必修2《物质结构与性质》为例［J］. 化学教学， 2023， （9）： 25～28.

［11］王云生. 发挥教科书对教学的引领作用——人教版2020年版《物质结构与性质》教材的编写特色［J］. 化学教学， 2022， （5）： 19～22.

［12］蒋维云， 陈进前. 《有机化学基础》应该成为核心素养发展的高地［J］. 中学化学教学参考， 2023， （19）： 1～4.

［13］万东升， 魏冰. 以当代科学实践为情境的科学教学模式初探［J］. 课程·教材·教法， 2016， 36（12）： 85～90.