體驗(yàn)科學(xué)家的思維歷程

文章編號(hào)：1005－6629(2007)04－0035－05中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 教學(xué)設(shè)計(jì)的思想

提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是基礎(chǔ)教育承擔(dān)的重要任務(wù)，也是化學(xué)新課程改革的基本理念。按照新課程標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)素養(yǎng)包括三個(gè)方面：知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀。然而，如何在課堂教學(xué)中全面、有效地提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)卻是一個(gè)難題。近年來(lái)的研究表明，利用科學(xué)史進(jìn)行教學(xué)是一種可行的方法。化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)也明確指出“結(jié)合人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和基本方法，形成科學(xué)的世界觀”，因此新課程注意“在人類文化背景下構(gòu)建高中化學(xué)課程體系，充分體現(xiàn)化學(xué)課程的人文內(nèi)涵，發(fā)揮化學(xué)課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生人文精神的積極作用”。

為了使化學(xué)史的教學(xué)在提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)中充分發(fā)揮作用，讓學(xué)生在學(xué)到化學(xué)知識(shí)的同時(shí)，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法，體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，感受化學(xué)的發(fā)展和了解化學(xué)家的工作，我們從化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的精神出發(fā)，結(jié)合科學(xué)探究的特點(diǎn)，依據(jù)化學(xué)史上的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程，進(jìn)行“讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家的思維歷程”的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)的依據(jù)

通過(guò)查閱和分析化學(xué)史料，我們發(fā)現(xiàn)科學(xué)家們?cè)诓煌A段或面對(duì)不同的化學(xué)問(wèn)題時(shí)，活動(dòng)的方式各不相同。有的以思辯、想像為主，如最初的“原子”概念的形成過(guò)程：有的通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)，如氧氣等的發(fā)現(xiàn)；有的通過(guò)整理、加工所收集的資料找出其中的規(guī)律，如元素周期律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程；還有的是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立或修正理論模型，如近代對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和發(fā)展過(guò)程，等等。科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)活動(dòng)過(guò)程是學(xué)生“體驗(yàn)科學(xué)家思維歷程”教學(xué)設(shè)計(jì)的最重要依據(jù)。不同的科學(xué)活動(dòng)類型可以讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家不同的思維歷程，體驗(yàn)不同科學(xué)知識(shí)形成和發(fā)展的過(guò)程，體驗(yàn)科學(xué)研究中證據(jù)的重要性、科學(xué)真理的相對(duì)性，更好地理解科學(xué)的本質(zhì)。

然而學(xué)生解決問(wèn)題的能力與科學(xué)家畢竟有很大的不同，首先，無(wú)論是知識(shí)的深度還是廣度，學(xué)生與科學(xué)家有差異；其次是對(duì)問(wèn)題的洞察力和解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)和能力存在差異；再次科學(xué)研究總是要經(jīng)歷曲折、困惑，甚至痛苦，往往需要通過(guò)科學(xué)家頑強(qiáng)的拼搏和不懈努力才能達(dá)到，但課堂教學(xué)時(shí)間的有限性及教學(xué)本身追求的最大效益性卻不允許學(xué)生經(jīng)歷同樣的歷程。因此，完全從學(xué)生的知識(shí)背景、思維水平出發(fā)讓學(xué)生“體驗(yàn)科學(xué)家的思維歷程”在現(xiàn)實(shí)中是很難實(shí)現(xiàn)的，從教學(xué)效益的角度考慮也是不合算的。教學(xué)設(shè)計(jì)的目的就是要求教師能創(chuàng)設(shè)合適的教學(xué)情境，通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和引導(dǎo)，在解決目前所遇到的問(wèn)題中拉近學(xué)生與科學(xué)家的距離，從而使得學(xué)生能嘗試沿著科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的足跡去體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程。

3案例教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程

科學(xué)，一個(gè)重要的觀念是“自然界是可理解的”，因此“科學(xué)家總是利用觀察、實(shí)驗(yàn)、理論以及數(shù)學(xué)的方法來(lái)形成和驗(yàn)證他們對(duì)自然現(xiàn)象所提出的解釋”，從而形成科學(xué)知識(shí)。然而一旦發(fā)現(xiàn)新的證據(jù)與已有解釋不相符合，就需要修改已有的解釋或建立新的解釋，科學(xué)知識(shí)就此改變、發(fā)展。人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過(guò)程就是科學(xué)家對(duì)不斷觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行不同解釋的過(guò)程，也是原子結(jié)構(gòu)知識(shí)不斷深入發(fā)展的過(guò)程。蘇教版高中化學(xué)選修課程《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》專題2第一單元的《人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史》一節(jié)內(nèi)容向我們展現(xiàn)了這個(gè)發(fā)展過(guò)程。其中最有代表性的是這樣兩個(gè)過(guò)程：當(dāng)盧瑟福發(fā)現(xiàn)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，而用湯姆生的棗粒原子模型無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，問(wèn)題出現(xiàn)，于是他就根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象建立核式原子模型；可是不久后人們又發(fā)現(xiàn)核式原子模型與經(jīng)典的物理學(xué)理論有矛盾，問(wèn)題又出現(xiàn)，玻爾在系統(tǒng)研究光譜學(xué)的基礎(chǔ)上，把量子化概念引進(jìn)盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型，提出了原子結(jié)構(gòu)中量子化的軌道理論。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取相關(guān)信息，進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)原有理論存在問(wèn)題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的信息重新推理、猜測(cè)，形成新的假說(shuō)，然后將假說(shuō)用于解釋問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，最終建立自己的新理論，是科學(xué)家構(gòu)建原子模型的主要思維方法。表示如下：

根據(jù)科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)歷程，教學(xué)設(shè)計(jì)的具體思路是：創(chuàng)設(shè)一定的情境讓學(xué)生了解研究的歷史背景，對(duì)要研究的問(wèn)題產(chǎn)生興趣。給學(xué)生展示歷史上科學(xué)家做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生獲得與當(dāng)年研究同一問(wèn)題的科學(xué)家獲得相同的材料和信息，引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)和思考同樣的問(wèn)題，讓學(xué)生嘗試問(wèn)題的解決，體驗(yàn)科學(xué)家的思路歷程。通過(guò)討論，作出推測(cè)或結(jié)論。然后向?qū)W生展示當(dāng)年研究同一問(wèn)題的科學(xué)家的思維歷程和研究結(jié)果，分析對(duì)比，使其產(chǎn)生強(qiáng)烈的情感體驗(yàn)。在此過(guò)程中，學(xué)生體驗(yàn)了科學(xué)家的思維活動(dòng)，在獲得相應(yīng)的知識(shí)的同時(shí)，對(duì)于科學(xué)、科學(xué)家會(huì)有更深刻的認(rèn)識(shí)，這對(duì)他們理解科學(xué)本質(zhì)，提高科學(xué)素養(yǎng)，有重要意義。設(shè)計(jì)思路如下：

4 案例教學(xué)的課堂紀(jì)實(shí)

在教學(xué)中，我們選擇了成績(jī)無(wú)顯著差異的兩個(gè)班級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)。隨機(jī)選擇一個(gè)班為試驗(yàn)班，按照體驗(yàn)科學(xué)家的思維的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行教學(xué)；另一班為對(duì)照班，由教師按照教材內(nèi)容介紹人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史。并采用了課堂記錄和課后測(cè)試等方式作為教學(xué)效果分析的依據(jù)。以下是按照設(shè)計(jì)思路的不同階段整理的課堂紀(jì)實(shí)及學(xué)生對(duì)問(wèn)題的反應(yīng)記錄。

4.1 盧瑟福原子模型的提出

4.1.1 創(chuàng)設(shè)情境，了解背景

這一階段的設(shè)計(jì)旨在通過(guò)展示道爾頓的實(shí)心球原子模型向湯姆生棗糕原子模型的轉(zhuǎn)變，讓學(xué)生回顧人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的早期認(rèn)識(shí)，了解當(dāng)時(shí)研究的歷史背景，了解科學(xué)家的研究方法，激發(fā)學(xué)生研究學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣。

4.1.2展示歷史實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題

旨在通過(guò)展示α粒子散射實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生獲取跟科學(xué)家一樣的相關(guān)信息和事實(shí)，在此基礎(chǔ)上激勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察、認(rèn)真分析，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題。

4.1.3 引導(dǎo)學(xué)生思考，嘗試問(wèn)題解決

學(xué)生通過(guò)對(duì)歷史實(shí)驗(yàn)和事實(shí)的了解，基本獲取了與當(dāng)年的科學(xué)家們相似的相關(guān)資源和信息。這時(shí)教師要進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，彌補(bǔ)學(xué)生與科學(xué)家的差別，再要求他們充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性和想象力，通過(guò)自己的大腦思考思考問(wèn)題，解決與科學(xué)家遇到的相同的科學(xué)問(wèn)題。

4.1.4 對(duì)照科學(xué)家的思維歷程，讓學(xué)生產(chǎn)生情感體驗(yàn)

通過(guò)展示當(dāng)年科學(xué)家的思維歷程，讓學(xué)生了解科學(xué)家的思維特點(diǎn)，并與自己的思維過(guò)程相比較，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的情感體驗(yàn)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)家與其自身的差異，深刻理解科學(xué)本質(zhì)，并對(duì)科學(xué)研究產(chǎn)生強(qiáng)烈興趣。

4.2 玻爾原子模型的提出

我們用同樣的教學(xué)方法讓學(xué)生體驗(yàn)了玻爾原子模型的建立。首先創(chuàng)設(shè)情境，與學(xué)生一起回憶物理知識(shí)，介紹古典電磁理論和原子光譜，討論盧瑟福核式原子模型了解當(dāng)電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然自動(dòng)放出能量。隨著原子能量的漸少，頻率也逐步改變，所以發(fā)出的光譜是連續(xù)的。而電子由于能量的不斷減少，最終會(huì)墜落到原子核上，原子必然是一個(gè)不穩(wěn)定的體系。其次，展示實(shí)驗(yàn)史實(shí)：一是當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的各種元素的原子都是穩(wěn)定的；二是氫原子光譜實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)原子光譜是不連續(xù)。這是用盧瑟福核式原子模型和古典電磁理論無(wú)法解釋的，說(shuō)明其中必定存在問(wèn)題。再次，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)猜測(cè)，得出電子在原子核外的運(yùn)動(dòng)是在特定的軌道上的。最后，讓學(xué)生對(duì)照科學(xué)家的思維歷程，說(shuō)明玻爾是怎樣系統(tǒng)地研究光譜學(xué)，把普朗克的量子化概念引進(jìn)盧瑟福的原子模型，提出了原子結(jié)構(gòu)中量子化的軌道理論。并說(shuō)明玻爾的原子模型也不是完美的，介紹電子云的概念。使學(xué)生進(jìn)一步了解，科學(xué)知識(shí)是可以不斷完善的，科學(xué)是一個(gè)不斷進(jìn)步、不斷發(fā)展的過(guò)程。

5教學(xué)測(cè)評(píng)及結(jié)果分析

課堂教學(xué)結(jié)束后，給學(xué)生布置了五個(gè)開(kāi)放式問(wèn)題讓學(xué)生完成。問(wèn)題以本節(jié)內(nèi)容為載體，側(cè)重考查學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解和認(rèn)識(shí)。以下為測(cè)試結(jié)果：

分析測(cè)試結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解方面沒(méi)有顯著差異，但在理解科學(xué)本質(zhì)方面有明顯差異：如在回答關(guān)于科學(xué)方法的問(wèn)題時(shí)，施教班學(xué)生有22人提到根據(jù)科學(xué)家們采用了經(jīng)驗(yàn)類推建立模型的方法，而對(duì)照班只有9人提到。在回答對(duì)科學(xué)家的認(rèn)識(shí)時(shí)，施教班有18人認(rèn)為科學(xué)家的思維不神秘，而對(duì)照班只有7人這樣回答。在回答科學(xué)理論的建立時(shí)，施教班有17人認(rèn)為科學(xué)發(fā)現(xiàn)是后人在前人經(jīng)驗(yàn)和理論的基礎(chǔ)上的不斷補(bǔ)充，是科學(xué)家們的共同成果，而對(duì)照班只有7人這樣回答。

通過(guò)課堂記錄、測(cè)試和課后訪談，我們得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)體驗(yàn)科學(xué)家思維的教學(xué)，學(xué)生普遍反映這種教學(xué)形式很新穎，也很有趣，不僅有效地激發(fā)了他們的思維，也體驗(yàn)到了當(dāng)科學(xué)家的快樂(lè)。因此教學(xué)過(guò)程中，課堂氣氛活躍，學(xué)生參與的積極性和熱情極高，能進(jìn)行廣泛的交流和討論。

(2)通過(guò)體驗(yàn)科學(xué)家思維的教學(xué)，學(xué)生不僅了解了人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)歷史，還體驗(yàn)到了科學(xué)家認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的具體過(guò)程，親身感受了科學(xué)理論的形成過(guò)程，并認(rèn)識(shí)到科學(xué)家認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的思維并不神秘，自己通過(guò)努力也可以成為科學(xué)家。

(3)通過(guò)體驗(yàn)科學(xué)家思維的教學(xué)，學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和理解更深刻，能認(rèn)識(shí)到科學(xué)的動(dòng)態(tài)發(fā)展和科學(xué)家在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的作用。

當(dāng)然，我們也發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行課堂教學(xué)的過(guò)程中，有少部分同學(xué)反應(yīng)冷淡，不能積極參與和認(rèn)真思考，通過(guò)訪談得知，個(gè)別同學(xué)認(rèn)為這些內(nèi)容都是和考試無(wú)關(guān)的內(nèi)容，沒(méi)有必要花費(fèi)時(shí)間去思考，只要應(yīng)付了老師就行；個(gè)別同學(xué)認(rèn)為這樣的內(nèi)容以前都是“教師講，學(xué)生聽(tīng)”，很少有這種教學(xué)形式，不知該怎么做，有些不習(xí)慣。這些問(wèn)題的存在也使我們意識(shí)到：教師在教學(xué)過(guò)程中，不僅要教知識(shí)，還要教意識(shí)。必須讓學(xué)生明白，學(xué)習(xí)不止是為了考試。同時(shí)這種教學(xué)對(duì)教師的教學(xué)水平也提出了更高的要求，教師如何激發(fā)全體學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)設(shè)計(jì)的問(wèn)題的難易照顧到每一位學(xué)生，都是值得繼續(xù)探討的。

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