呼吸科学家的智慧--思考与渗透高中化学教学中的科学思维方法教育_科学论文

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      科学思维方法是为实现一定思维目的所采用的规则、手段、途径、技能和技巧所构成的复杂体系，本文专指科学家进行科学探索、科学实践、科学研究所采用的一般思想方法，是科学家的智慧表现。

      一、科学思维方法教育是高中化学教学的应然选择

      传承是教育的基本功能，回归科学家探索新知的原型，让学生了解科学家思维活动的过程、感悟科学思维方法，是化学教学的应然选择，原生态的化学教学一直在蹈袭科学家的足迹。

      1.传承了事物分类研究的思维方法

      孔子所倡导的“举一反三”“闻一而知十”及墨子提出的“察类”等推理方法就是人类最早的分类研究思维方法[1]。门捷列夫潜心研究15年，编制了第一张元素周期表，标志着对物质分类研究的思维方法取得了里程碑意义的成果[2]。高中化学教学通过元素周期表将分类研究的思维方法传承了下来。当教师引导学生探究某物质的时候，学生首先想到的是该物质所属类别。如课堂上教师取出钠，用小刀切割，很多学生感到特别好奇，其原因是学生已经将钠与熟知的铁归为一类——铁是不能被切割的，而钠则能被切割。这说明分类研究的思维方法在化学教学中早已深入人心。

      2.沿袭了结构演绎性质的思维方法

      道尔顿提出近代原子理论→汤姆生发现原子中有电子→卢瑟福通过α粒子散射实验探测原子核的存在→玻尔提出核外电子轨道模型→电子云学说的建立，科学家锲而不舍地探究原子结构和核外电子运动规律，就是为了揭开物质内部结构的神秘面纱，进而从微观结构中找到物质宏观变化的原因，这就是结构演绎性质的思维方法。当教师引导学生讨论Fe、

和

的相互转化时，学生自然会从电子得失的角度出发，分析Fe、

和

的还原性或氧化性。假若教师先告知分子结构为

的物质是三元酸，分子结构为

的物质是一元酸，分子结构为

的物质是二元酸，再呈现甲酸的分子结构为

，那么学生就很容易得出甲酸是一元酸。这说明“结构决定性质”已经“植入”学生心中，用结构演绎性质的思维方法已成为高中化学教学的常态。

      3.完善了实验观察论证的思维方法

      自阿基米德在洗澡过程中发现了浮力定律之后，科学发展史上逐步形成了“完全依靠实验观察而得出结论”的阿基米德学派[2]。到了近代，阿基米德学派代表人物伽利略在比萨斜塔上做了自由落体实验，波义耳也成功完成了反驳“空气弹性”的实验，使得“实验观察论证”演进为一种科学思维方法[2]。尽管这一思维方法带有形而上学的色彩，高中化学教学还是对其起到了推波助澜的作用，其原因是高中化学教学中遇到的“反规律性”或“特性”结论太多，必须依靠实验观察论证才能得到清晰的认识。如

与Na反应不如S与Na反应剧烈，靠分类思维方法去解释就显得苍白。再有

、S分别与一般金属反应时，

要容易些，而Hg、Ag在常温下就能与S反应，但与

则不能，这时用结构演绎性质也难自圆其说。高中化学教学强调“实验是最高法庭”的同时也逐步认识到实验手段的有限性。拉瓦锡做了世界上最贵的燃烧钻石实验之后，恐怕再也没有人愿意用金刚石去尝试；地壳中砹的含量少于50g，用作化学实验材料也几乎没有可能。随着化学教学的发展，以实验为背景整合分类研究、定量研究、模型研究等思维方法已成现实，这也让化学实验研究有了更普遍的意义。

      二、现行高中化学教学实施科学思维方法教育的局限

      现行高中化学教学中的科学思维方法教育仍然“凝固”在一个狭小范围内。如“探究SO2性质”时，有经验的教师会从物质分类（酸性氧化物）、结构（化合价处中间）和特性（漂白性）入手，引导学生去构建如图1所示的思维模型。

      

      这种固定的思维模型在引导学生正确把握知识脉络、减轻记忆负担等方面确有积极作用，多数化学教师能够做到这一点就已经很不错了。可是这种思维模型往往也会把学生带进教师编制的思想牢笼。长期按照固定思维模型组织教学，学生的思维就会失去向上升华的空间，直至被“禁锢”。这种“禁锢”是可怕的。牛顿是多么伟大，尽管他承认“那是因为我站在了巨人的肩上，在真理的海边拣到了一个小小的贝壳”，但因为其思想“禁锢”，最后却走向科学的反面；门捷列夫的成就是显赫的，但也因其晚年在学术上墨守成规而反对阿伦尼乌斯的电离学说，不承认电子的存在，等等。

      三、高中化学教学渗透科学思维方法教育的尝试

      在人类发展的历史长河中，每一个时代的科学家总是在怀疑、批判前人的基础上，不断地完善自己的思维方法，使得人类社会由低级向高级发展。这些科学思维方法都是人类宝贵的精神财富，应不失时机地传递给学生。这就需要教师有“破茧”的勇气，敢于改变现有的教学活动轨迹，尝试将科学思想方法注入教学过程，以满足学生未来发展的需要。针对高中化学教学现状，应从以下几个方面强化对科学思维方法的培养和训练。

      1.探究过程应重视猜想

      猜想是一种准科学假说的理性思维形式，是科学探究活动最具思维含量的环节，不可或缺。厄温·穆勒发明了第一台场发射电子显微镜，成为第一个看到原子的人，但科学家在他之前对原子结构早就有了清晰的认识，靠的是什么？不仅靠实验，更靠猜想。在当前高中化学课堂上，实验探究已经模式化为“提出问题→设计方案→实验操作→得出结论”几个环节。这种缺乏猜想与假设的“实验探究”不是科学家的思维方式，直接导致化学实验沦为强化刺激、帮助记忆的工具，缺少思维活动的引导，将主观与客观、主体与客体割裂开来，无法正确地引导学生认识世界和改造世界。如探究“压强对化学平衡影响”时，教师若急于让学生设计实验方案进行求证，学生就无法体验到科学思维过程。若让学生经历“计算平衡常数（

）→赋值假设并求出压强改变后的浓度商（

）→比较

与

相对大小→猜想平衡移动→设计实验求证”过程，就可帮助学生用已有信息做出符合一定经验和事实的猜想与判断。这不仅能培养学生的猜想能力，而且还把化学实验变成培育科学思维的载体。值得注意的是，猜想与假设不是凭空的，只有凭借思考线索，才能让学生展开猜想的翅膀，去严谨思考、发散求异、大胆创新。

      2.理解过程应激活想象

      想象是人脑对已储存的表象进行加工改造而形成新形象的心理过程，是创新思维的“源泉”。爱因斯坦说“理论的真理在你的心智中，不在你的眼睛里”，他与量子力学奠基人薛定谔都很重视思想实验。思想实验就是完全凭想象去进行的实验，是现实中无法做到的抽象实验，是最富有创造性的科学思维方法[1]。这不是否认化学实验在化学教学中的重要地位和作用，更不是主张让高中学生去弄清晦涩难懂的东西，而是强调高中化学教学要适时诱导学生去想象。如为弄清

分子的空间结构，即使教师告诉学生4个H原子与C原子形成的C—H键无差异，学生也难以想象出

分子是什么样的结构。教师用4个气球自然地缠在一起，先压成平面四边形，放手后气球自然成为正四面体型（见图2）。这是把抽象变为具体的教学“金点”，教师的教学智慧值得肯定。但这只是感性认识，只能让学生获得认识表象，还应反思：电子云与带有刚性的气球能相提并论吗？把气球换成电子云，

分子内部结构又是什么样的呢？当然，这不是简单问题，如

分子内部结构比

简单，但是直到2014年才被北京大学的科学家首次拍到。高中化学教学也无意让学生弄清

分子的内部结构，但要借此播下敢想、敢创造的种子。

      

      3.问题解决应求异转换

      转换思维方法就是换一个角度想问题。1999年诺贝尔化学奖获得者艾哈迈德·泽维尔开创了“飞秒（

s）化学”的新领域。他针对简单基元反应的真实过程进行研究，为了知道反应物、过渡态和生成物的能量传递状态，就得解决这一过程发生反应时间在皮秒到飞秒数量级上的问题。艾哈迈德·泽维尔没有纠缠于问题的本身，而是通过研究超短激光光谱技术与测量光程差来达到对皮秒到飞秒级时间的分辨。这就是一种转换思维的方法，是当今化学研究最主要的思维方法，而当下中学化学教学对此几乎完全忽略。其实在化学教学中渗透转换思维方法大有可为，如探究葡萄糖分子结构时，用已学知识确定醛基没有问题，但要弄清多羟基结构就缺少相关知识的支撑。教师可设计实验转换问题：①将新制

加入乙醇中，观察现象；②将新制

悬浊液加入乙二醇中，观察现象；③将新制

悬浊液加入丙三醇中，观察现象。综合分析得出以下两个反应：

      

      结论：“连续多羟基”与新制

悬浊液反应生成绛蓝色溶液。再设计实验：将新制

悬浊液加入到葡萄糖溶液中，观察现象。透过现象得出葡萄糖分子中也有“连续多羟基”，进而推出葡萄糖分子具有多羟基醛结构。

      4.观察过程应引导溯因

      溯因是指依据观察到的客观现象对事物做出概括性解释，为寻求解释性原因而提出新的命题和假说，进而丰富、发展理论的科学思维方法。一位商人送给德国著名化学大师李比希一瓶红棕色液体，恳请他化验其成分，李比希拿到这瓶液体未作认真化验就贸然断定为“氯化碘”，将其搁置在柜子里再不去问津。四年后，当李比希听到巴拉德发现溴的消息后，恍然大悟，早年定论的那瓶“氯化碘”就是溴。像这样与重大科学发现失之交臂的事例还有很多，其原因不是没有观察，而是没有溯因。如教师将钠投入同浓度的

、

及

溶液中，学生观察后会毫不犹豫地得出：钠与水反应，不能从盐溶液中置换出金属。这只一个浅显的结论。如果设置问题引导溯因：都是Na与

反应，为什么剧烈程度不同呢？为何都比纯水更加剧烈呢？教师再顺势引导学生剖析现象，即可引出盐类水解的概念与规律。可见，溯因是探究的灵魂，只有溯因才能沿着更有价值的思维方向直奔探究目标。

      5.思考过程应着眼整体

      徐光宪先生在《21世纪的化学是研究泛分子的科学》一文中，提出了“化学的四维定义”：化学是用Z方法研究X对象的Y内容以达到W目的的科学。他说“科学是一个复杂的知识体系，好比一块蛋糕。为了便于研究，要把它切成大、中、小块”[3]。面对纷繁复杂的事物、神秘莫测的化学现象，科学家的思维方法不再单一，也不拘泥于某一种，而是用多种思维方法去解决问题。如引导学生书写离子方程式时，把化学式拆分成离子形式是一个复杂问题，教师按照“强电解质、弱电解质、可溶物、微溶物、难溶物”进行归类分析，虽能强化学生记忆，却仍然显得复杂。若摒弃固定的思维模式，抓住“物质在溶液中存在形式是什么就写什么”，问题就会变得简单。当学生有了一定认识基础后，再让学生归类整理，回归复杂，既可激起更多的波澜，也显得教法灵活多变。在学习与生活中往往需要多种思维方法相互交错、协同作用，更需要引导学生学会整合。整合思想是学生未来发展所需的重要思想方法之一。

      钱学森之问：“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”一位资深院士在1999年感叹：“我们建国已经50年了，诺贝尔奖离我们究竟还有多远？我们期盼诺贝尔奖的时候，我们要向获得诺贝尔奖的科学巨匠们学习些什么呢？”这些问题值得高中化学教师深思。

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