化学教学中培养学生科学素质

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一、尽可能按照科学方法论组织教学过程

科学方法就是认识和研究自然界所遵循的过程和手段。主要包括五个步骤。

第一步是搜集事实。通过各种手段收集丰富的事实。事实是有关事物的感性知识，是产生理论的根源，又是检验理论的唯一标准。所以搜集事实这一步非常重要。“鸟的翅膀无论多么完善，如果不依靠空气的支持，就不能使鸟体上升。事实就是科学家的空气，没有事实，你们就永远不能飞腾起来，没有事实，你们的‘理论’就是枉费心机。”（巴甫洛夫）我们必须用物质的性质和反应的基本事实来充实学生的头脑，通过说服和教育使学生认识到基本化学事实的重要性，乐于和善于记住它们。在丰富多彩的实验基础上搞好元素及其化合物的教学，是学好中学化学的坚实基础。

搜集事实的方法是观测和实验。所谓实验就是尽可能地排除外界的许多影响、突出主要因素，并且在能够细致地观察到各种现象之间相互关系的条件下，使某一事物（或过程）发生或重演。例如，化学反应速度是一个复杂的多变量函数，但在实验条件下可以控制只有一个变量改变，从而分别观测到温度、浓度、催化剂等对反应速度影响的规律。加强化学实验是教学优化的的主要模式。因此，提高演示实验和学生实验的效果，变部分演示实验为并进式实验，设计少量探索性实验习题，逐步增加学生在实验室里的实验活动时间，是化学教学发展的一个方向。“化学实验课是实施全面化学教育的一种最有效的教学形式”（戴安邦）。

当搜集和积累足够的事实之后，科学方法的第二步是提出假说。假说就是用已有的事实材料和科学原理为依据，对于未知的事实（包括现象之间的规律性联系、事物的存在或原因、未来事件的出现）的假定性的解释。假说具有解释性，它能对已掌握的有关事实作出统一的解释。假说可以是一个概念（如原子、层子）、一个判断（如微观粒子具有波粒二象性）、一个模型（如DNA双螺旋结构）、一个结构式（如苯的凯库勒式）或一个理论体系（如道尔顿原子假说）等。假说是所要建立的理论的预制品。它的作用是指导我们理解新情况、启发我们做新的实验，从而导致新的发现。

为了检验假说是否正确，需要对其进行验证，这就是科学方法的第三步：验证假说。即进一步搜集事实以检验其是否与假说符合，或由假说推演出结论再通过实验检验其是否符合。如果不符合，表示假说不真实，必须加以修正或废弃。如果符合，假说的真实性和可靠程度就增加一层或即成立。

经过大量事实反复验证为正确的假说就成立理论，这就是科学方法的第四步。理论是概念、原理的体系，是系统化了的理性认识，是事物的本质、规律性的正确反映。从假说到理论虽只一步之差，有时却要经历数年、数十年甚至上百年。理论成立之后不是僵化一成不变的，它要随着新事实的发现而有新的发展，这就是科学方法的第五步：继续发展。

有必要让学生初步了解如何提出假说并进行验证，结合教材内容进行一些练习。现以苯的分子结构为例设计如下教学过程。

教师：实验得知苯的分子式为C6H6，已知碳为四价、氢一价，请写出苯分子可能的结构式。

（巡视学生写的情况后指定一些学生将结构式写到黑板上）

学生：在黑板上写出几个结构式……

教师：已有的化学经验表明，有累积双键的分子是很不稳定的。苯很稳定，甚至在隔绝空气条件下加热几百度也不分解。根据这些事实应删除哪些结构式？

学生：C和D。

教师：根据A式和B式，请预测苯的一元取代物应该有多少种？

学生：A有一种、B有两种。

教师：按教材演示苯与Br2的取代反应。让学生观察纯净溴苯。

教师：大量实验的结果只能制得一种一溴代苯（C6H5Br）。说明苯分子中六个氢原子有什么特点？应该保留哪个结构式？

学生：六个氢原子的地位全同。应该去掉B式保留A式。

教师：请按A式预测苯的二溴代物（C6H4Br2）有几种？

学生：两种。

教师：经多番努力之后却制出了三种二溴代苯。A式不符合这个实验事实，请重新设计苯的结构式，它应该能说明哪些事实？

学生：苯分子很稳定；六个氢原子的地位完全相同；一溴代物只有一种；二溴代物有三种。

（学生进行设计，教师巡视，可启发，然后让学生写出）

学生：在黑板上写出结构式

教师：这个结构式确实可说明一元取代物只有一种，二元取代物有邻、间、对位三种。但是它不满足碳四价的条件。请进一步改进。

学生：添加交替双键后成为教师：这个结构式就是1886年德国化学家凯库勒以假说形式提出的苯结构式，可简写为。请根据这个结构式结合你已有的经验预测苯应有什么化学性质？

学生：可以和氢气加成，和溴加成而使溴水褪色，可被酸性高锰酸钾溶液氧化而使高锰酸钾溶液褪色。

锰酸钾溶液褪色，请大家现在进行实验来证实。（指导学生进行分组实验，所用苯要纯，事先除去还原性杂质。然后让学生报告实验观察到的现象。）

学生：苯不能使溴水和高锰酸钾酸性溶液褪色。

教师：上述实验又启示苯分子结构有什么特点？

学生：没有像烯烃分子那样的双键。

教师：还有什么事实可以证明苯分子没固定的像烯烃那样的双键？（必要时可启发）

学生：如果有的话，苯的二元取代物就不是三种而是四种，因为邻位的有两种。（让学生写出）

教师：正确。苯不跟溴水和高锰酸钾反应，邻位二溴代物只有一种，还有许多其它的事实，都显示苯环上不存在三个固定的双键和三个固定的单键。为说明这些事实，凯库勒在1872年作出一个补充假定，认为苯环上的单键、双键不是固定的，而是按下式迅速地变换位置：

按照这个假设，苯环上不再有一般的单键和一般的双键，发生了平均化，是一种介于单键与双键之间的特殊的化学键；苯环是一个正六边形。于是上述所有实验事实的解释不再有困难了。大约一百年后，更多、更有力的实验都证明了凯库勒式的正确性，并从理论上给以更完满的解释。教师接着介绍键角、键长等。

按照科学方法论组织的这个教学过程，有思考、推理和实验验证，学生不是被灌输者，没有结构式是“从天上掉下来”的感觉，而在某种程度上是苯结构式发现过程的参与者。这种教学模式可以应用到其它有机物结构式的推演上，例如乙醇等。如果我们按照科学方法论来设计元素周期律的教学过程，那将会十分生动而在方法论上又富有启迪。

二、突出科学思维在教学过程中的地位

科学方法的每一步都离不开科学思维的作用。科学思维主要是逻辑思维，也有非逻辑思维。由实验观测搜集到的事实，在人脑中产生感性知识。这种知识只是对事物个体外表属性的认识，大多数是片面的、非本质的。要从丰富的感性知识中整理出规律来，就得借助逻辑思维（或称抽象思维）。抽象思维揭示事物的全体和本质以及内在联系。它主要包括比较、分析和综合、抽象和概括、概念和判断以及推理等形式。

比较是一种用来确定事物相似之点和不同之点的逻辑方法。分析是人们在思维中分剖事物，将它们的各个部分和性质划分出来的方法。相反，综合是在思维中把在分析时分解的事物的各个部分结合为一个整体的方法。分析和综合密切相关。抽象和概括是形成概念的思维过程和方法。抽象是抽取事物的本质属性，撇开非本质属性；概括则是把某些具有若干相同属性的事物中抽取出来的本质属性，推广到具有这些相同属性的一切事物，从而形成这类事物的普遍概念。概念是反映事物本质属性的思维形式。例如，化学元素这个概念就是抽取了相同核电荷数（质子数）这个本质属性，而撇开原子的质量、结合形式和存在状态等非本质属性而成的。明确概念的内涵（属于概念中事物的本质属性）和外延（适合某一概念的一切事物）是掌握和运用概念的前提。在有机化学中学生常写‘脂’代‘酯’，写‘酯化’为‘脂化’，可能是因为我们对脂、酯这两个概念的内涵及外延强调不够。酯的外延大于脂，前者是类概念，后者是种概念。讲解概念时要突出抽象和概括的思维方法，明确内涵和外延。由概念进行判断而得规律。判断是对事物的情况有所断定的思维形式。推理则是由一个或几个已知判断（前提）推出未知判断（结论）的思维形式。主要的推理形式有类比、归纳和演绎等。类比是根据事物某些属性的类似，推出它们的其它属性也可能相似的间接推理，其结论有或然性。科学史上有许多用类比法成功的事例。卢塞福的“原子核模型”就是其一，这是把原子看成“小太阳系”而跟太阳系类比：原子中央有一个带正电的核，电子围绕它在原子空间里运动，正像行星绕太阳旋转一样。归纳和演绎是更重要的推理形式。归纳是由特殊到一般。演绎则由一般到特殊。在认识过程中它们是相互联系相互补充的。演绎的理由来自对特殊事实的归纳和概括，归纳的结论又是演绎的前提。“人们普遍有种错觉，以为科学研究者做结论和概括不应超越观察到的事实。……但是大凡实际接触过科学研究的人都知道，不肯超越事实的人很少会有成就。”（赫胥黎）正是归纳法帮助我们超越观察到的事实，归纳法从大量个别的事例得出新的一般原理和规律。因此这种推理方法比较具有创造性。但归纳得出的结论真实与否要进一步验证。演绎法不可能导出新的概括，单独使用时不可能在科学上做出较大的进展。然而科学上的许多重大成就常是归纳与演绎并用的结果，门捷列夫元素周期律是一个突出的范例。门捷列夫在前人工作的基础上，对当时已知的六十多种元素及其化合物的性质与原子量的关系进行更为广泛的归纳，特别“单质的性质以及各元素化合物的形态和性质，与元素原子量的数值成周期性关系”的规律。这是归纳的结果。然而这个定律最后建立和被公认则应归功于演绎推理。门捷列夫说：“定律的证实，只有靠它导出的推论才是可能的，否则就不可能也不能期待着在实验中去证明这些推论。因此，当我发现元素周期律之后，就开始由它作出足以证明它是否正确的逻辑推论来。”门捷列夫运用演绎推理改正多种元素的原子量，应用演绎推理预言未发现元素的存在及其主要性质，为后来的实验所证实，这些都是我们熟知的。周期律的胜利也是归纳与演绎推理并用取得的胜利。如果我们按照科学方法的五个步骤来组织元素周期律的教学，并阐明其中推理方法，将会收到良好的效果。

科学中常用的是不完全归纳法。它包括简易归纳法和科学归纳法。简易归纳法是由观察某类事物中，一些事物有某种属性，并且未发现与此相矛盾的情况，从而推出该类所有事物都有该属性的归纳推理。元素周期律的形成就是采用这种简易归纳法。化学中的定比定律、倍比定律、气体化合体积比定律和质量守恒定律等都是简易归纳法的结果。在教学中，有的教师做了一、两个实验就引出一个规律或定律，这违背了简易归纳法的要求。初中教材关于质量守恒定律这段

内容写得很合逻辑：“从上面两个实验都可以看出，反应前后天平两边都仍然是平衡的，说明反应前后物质的质量总和没有变化。无数的实验证明，……”请注意教材是在“无数的实验证明”之后才引出质量守恒定律的内容。凡是要用简易归纳法得出规律，我们不要忘掉加上“大量的实验表明”、“无数事实证明”这几个字。另一种不完全归纳法是科学归纳法，是指由观察或实验分析某类事物中，一些事物所以具有某种属性的原因，然后推出该类所有事物都有该属性的推理。科学归纳法是用来判明事物因果关系的基本方法，使人们获得对于事物本质的认识，并以这种认识为基础作出概括性结论。其结论的可靠性取决于被考察事物的数量和对这些事物认识的深刻程度。科学归纳法在教学过程中有广泛的应用。例如，有机化学讲醛类时，先讲乙醛性质，再讲甲醛性质，而后对甲醛、乙醛的化学性质进行比较，找出它们有共同化学性质的原因是都有醛基。接着对醛基的结构进微观分析，揭示醛基易发生氧化、能加成的内在原因，在这个基础上加以推广，概括出醛类的化学共性。这样组织教材内容，体现了科学归纳法的精神。可以做到让学生在掌握知识的过程中，也学会了使用科学方法和科学思维，从而提高了能力。对于无机化学中各个主族元素的教学都可采用这种组织方法：在丰富生动的实验基础上让学生归纳出元素性质，把两种元素讲得透彻些，进行对比并从结构上找出因果关系，从而推理出整族元素的共性和递变性。

以上所谈的是科学思维中常用的逻辑方法，科学思维也用非逻辑方法，即形象思维，它们主要是直觉、灵感和想象。形象思维在科学史上发挥过重大的作用，在现代科学研究中的地位更日趋重要。我们都很清楚培养学生具有丰富想象力的重要性和途径。由于篇幅关系本文就从略了。

为了培养和发展学生的思维能力，教师不仅要熟悉传统的思维方法，而且应该跟踪思维科学的新进展，如创造性思维方法、模糊逻辑等等。

三、抓住教学过程每个环节渗透科学态度教育

我们把科学精神和科学品德合起来称之为科学态度。我国经济和社会的发展需要大批各级各类合格的人才，“所有这些人才都应该有理想、有道德、有文化、有纪律、热爱社会主义祖国和社会主义事业，具有为国家富强和人民富裕而艰苦奋斗的献身精神，都应该不断追求新知，具有实事求是、独立思考、勇于创造的科学精神。”（《中共中央关于教育体制改革的决定》1985）这段话里所提到的“追求新知”、“实事求是”、“独立思考”、“勇于创造”等就是科学态度的部分内容。科学态度是学生获得巩固的知识和技能的保证，科学态度有助于学生智力和能力的发展，科学态度也是现代社会公民必备的素质之一。科学态度的具体内容和培养方法分述如下。

（一）尊重事实、尊重科学

一切科学理论都以事实为依据，又受事实的检验，事实是科学的基础。所以尊重事实是最根本的科学态度。科学容不得半点虚假，因此弄虚作假、浮夸等行为都是反科学的。为了尊重事实，要求学生做到：①不凭主观臆造、书写不存在的分子式和化学反应式；②对于能够发生的化学反应，要注意反应物的状态（或浓度）温度等条件；③真实地反映和记录实验现象及数据。当观察到的实验现象与课本的叙述不一致时，不能违背事实来复述课本中有关实验的描述。首先应该尊重事实，然后找出不一致的原因，必要时重新进行实验。在定量实验中观测数据与预期的不一致时不得拼凑数据。

由于尊重事实导致新的科学发现在科学史上屡见不鲜。英国物理学家瑞利曾从事测定主要气体的密度。他发现从氨分解得到的氮气密度为1.2505克/升，而从空气用化学方法除氧和其它气体后所得氮气的密度为1.2572克/升。这两个数据表明从空气得的氮气要略重些，误差仅为二百分之一（或0.5%）。这个细微的差别一般人会认为这是可接受的实验误差。但是瑞利非常尊重事实，和化学家莱姆塞共同进一步研究，终于发现这种从空气得到的氮气中混有氩气，从而发现了第一个惰性气体氩。这个发现也是一位物理学家和一位化学家真诚合作的胜利。

（二）严肃认真、一丝不苟

科学方法的本质是实事求是。为了实事求是必须严肃认真、一丝不苟。要求学生做到：①在化学实验中切实按照规范的动作进行操作，严格按照规定的剂量取用药品，按照规定控制反应条件。细致观察、及时记录，不放过稍纵即逝的实验现象。养成良好的实验习惯；②不要进行任何未经许可的实验；③对作业、考试题中的错误认真分析原因、加以改正。

一切结论产生于调查研究之后，这才是严肃认真的态度。在这方面连大化学家利比希也有过深刻的教训：1826年法国青年化学家巴拉尔研究从海藻中提取碘。他把海藻烧成灰，用热水浸取，再往浸取液中通进氯气，就得到紫黑色固体（碘的晶体），同时在提取碘后的母液底部，总沉着一层深褐色液体，它具有刺鼻臭味。巴拉尔进行了仔细研究，终于发现一种新元素溴，发表在论文《海藻中的新元素》中。德国化学家利比希读后深为后悔。因为他在几年前也做过与巴拉尔相似的实验，看到过类似的现象。所不同的是，他没有认真研究，只凭空断定，这褐色液体不过是氯化碘。因此他贴上一张“氯化碘”标签了事。从而失去了发现这一新元素的机会。后来他把那张标签取下来挂在床头作为教训。在那以后他在科学研究中变得更为严肃认真，在化学上作出了许多贡献。

（三）热爱科学、不畏劳苦

有成就的科学家大多有崇高的理想。或为人类幸福，或为国家民族利益，或为科学的发展，终身孜孜不倦，不畏劳苦，无私奉献。他们不追求钱财、虚荣和奢侈的生活。他们追求真理，以此为快乐和幸福。我们应该用他们这种伟大精神的光芒来照亮青年学生的心灵，培植年轻一代为科学为祖国的献身精神。

居里夫人堪称是一位热爱科学、对人类无私奉献的伟大科学家。她和丈夫居里以部分薪金为科研费用，向校方借了间破旧板屋为“实验所”，用简陋仪器和她灵巧的双手，不断进行着艰辛的劳动。从1899年到1902年历时四十多个月，终于从两吨铀的废矿渣

中提炼出0.1克光谱纯的氯化镭，并测定了镭的原子量。无可辩驳地宣告了新元素镭的发现。居里夫人认识到镭射线有很大的医疗价值，她放弃了为她的科学成果申请专利而公诸于世。她说镭属于世界，镭应该造福世界。当她后来回忆起在板屋里度过的岁月时，她说那是些最难忘、最幸福的时光。她久久不能忘却当她在一个夜晚来到板屋时，看到装着镭盐溶液的烧瓶在黑暗里发出美丽的萤光时所感受到的无比激动和快乐。

（四）谦虚谨慎、善于协作

科学知识浩如烟海，发展又无止境，而一人所知有限，一人所能更是有限。因此应该谦虚谨慎，勤奋好学。况且，当今科技飞速发展，各门科学又相互渗透，科学上重大课题常涉及许多学科，个人极难单独完成。需要一个科学家群体来承担。在这个群体中，每个人是某个专业的行家里手，对邻近学科又有足够的了解以便和别人沟通。他们必须相互尊重、和谐协作，才能完成科研任务。社会上许多工作也常常需要共事者通力协作才能办好。可见，谦虚谨慎、乐于协作和善于协作，是未来科学工作者或现代社会劳动者之具备的一个科学素质。应该培养学生做到：虚心听取别人意见，吸取有益成分。在解习题的讨论中，学习别人的好方法充实自己。在日常的学习和化学实验中，互相讨论和研究，彼此进行配合，在各种活动中真诚合作。

（五）追求新知、勇于创新

追求新知是科技发展和将来的职业有流动性的需要。第二次世界大战后现代科技迅猛发展，使得生产技术、生产组织、劳动市场结构和劳动性质发生了急剧变化。这种变化加速了劳动的变化和职业的流动性。在这个背景下学校开始以终身教育为指导思想，注意发展学生的继续学习能力，以便将来走出校门以后继续不断地获取新知识。

追求新知在中学阶段表现为独立思考、勤学好问。不满足对化学现象的表面认识，要求追究现象的本质和规律性。有学生问：为什么合成纤维不吸收汗水？棉纤维吸水性为什么好？这是个很好的追寻现象本质的问题（笔者的回答是：棉纤维的纤维素分子链上有大量亲水基羟基，易和水形成氢键因而吸水性好。目前的合成纤维分子链上缺少亲水基团。）讲到戊烷三种同分异构体的沸点，以支链最多的新戊烷沸点最低（支链多，阻碍分子间紧密靠近降低了分子间力所致），有学生就问：熔点是否也是新戊烷最低？我告诉他们新戊烷的熔点是三个异构体中最高的。因为熔点与对称性有关，新戊烷对称性最高。同时又给学生指出：熔点与分子结构的关系是科学中仍未充分理解的问题，仍须进一步探讨。结合教材向学生介绍一些尚未解决或需要研究的问题或许会激发学生追求新知的愿望。

科学的发展、社会的进步都是创新精神作用的结果。锐意进取、勇于探索、敢于破旧立新，不断用新方法解决旧问题等都是创新精神的表现。有的学生学了电化学保护的原理之后，拆下废电池的锌皮焊到铁管上来减缓锈蚀；北京有位中学生多年研究和改进电镀液配方终为一厂家所采用；德国有位中学生研究氯离子对于钢铁腐蚀速度的影响，其成果受到专家的赞扬。这些事例表明中学生不但有创新精神而且有创新能力。我们可用这样的事例来教育学生。

（六）关心社会、关心环境

这种态度要求我们培养学生关心科学的社会效果，关心当代社会面临的重大问题，关心如何保护人类的生存环境等。

要让学生认识科学技术和生产具有二重性。科学技术和生产的发展给人类带来巨大的物质财富，这是有利的一面。但是也带来许多弊端：环境污染、滥用化肥、滥用食品添加剂和造成温室效应等。尤其是环境污染严重地恶化了人类的生存空间。化学对此负有很大责任。造成污染的原因还有社会因素，例如有的生产部门不认真贯彻国家保护环境的法规，为了眼前利益不顾人民的健康和子孙的未来。不加节制地开采、消耗各种天然资源，如今我们面临着能源危机、水源危机、矿产资源危机等。滥伐森林，破坏热带雨林使大片土地沙漠化……因而，要对学生进行持续发展的教育，发展不能以牺牲环境作代价。并从自己做起，从日常生活做起：爱惜一切物资，节约用电，珍惜每一滴水……。相信科学技术和社会各部门通力协作，最终会使地球依然是我们美丽的家园。