科學本質在化學教科書中的呈現特點與教學對策研究

張永雙

摘 要：使學生理解科學本質是我國新課程改革積極倡導的理念之一，教科書作為知識的重要載體，其科學本質的呈現方式直接影響到學生對這一內容的學習效果。通過對科學本質發展史和我國在科學本質領域的研究現狀的分析，探索科學本質研究的必要性，進一步探討強調科學本質的意義，為本研究尋找理論支撐。根據課程標準中對高中必修模塊的主題組成，分別在人教版、魯科版和蘇教版化學教科書中選取代表性章節，對各章節進行科學本質呈現方面的評價。再對代表性章節進行呈現方式分析，總結科學本質呈現的理想方式。之后基于研究結果，提出了科學本質在教學實踐中的應用和教學對策。

關鍵詞：科學本質；教科書；教學對策；化學

全面提升學生的科學素養是現當代科學教育改革所追求的目標之一，而科學本質是科學素養的核心內涵，如何提升學生對科學本質的理解已經成為國際科學教育改革關注的焦點。《普通高中化學課程標準》明確提出要培養學生“具備適應未來生存和發展所必備的科學素養”以及“加深對科學本質的認識”的要求。科學本質教育正在從科學教育的邊緣進入科學教育的中心。

化學教科書是化學課程標準的具體化產物，既然課程標準明確提出了科學本質教育，那么教科書理應承載科學本質教育的重任，主動幫助學生建立起學習內容與科學本質之間的聯系，增進學生對科學本質的認識與理解。本文將在回顧科學本質的研究歷史和我國科學本質研究的現狀的基礎上，對我國新課程改革后出版的三套高中化學教科書進行一系列分析，探索理想的科學本質呈現形式，并進一步探討基于科學本質的化學教學對策研究。

一、關于科學本質

1.科學本質的研究綜述

（1）科學本質的研究歷史

對國外科學本質研究歷史的回顧與分析，有助于我們更好地理解科學本質的內涵、為什么要強調科學本質以及如何在教科書中體現科學本質等問題。對進一步推動我國科學教育改革具有十分重要的借鑒意義。

十九世紀英國教育家斯賓塞自問自答：“什么知識最有價值？——最重要的知識是科學；最大價值的知識是科學；正確指導的是科學；最有效的學習還是科學。”在此之后，科學一直受到高度的重視，他對科學知識的實質價值和形式價值的肯定，在理論上正式確立了科學教育在學校課程中的地位。對科學教育價值的爭論由此展開。

直到十九世紀末期，當科學已普遍進入學校課程，人們開始了對科學教育的教育意義、文化意義和科學意義的系統研究。1895年德國哲學家兼科學家馬赫指出：任何科學教育都必須重視科學的歷史與哲學問題，如果希望通過科學教育達到提升文化品質、改善公共生活的目的，這就必須要求學生領悟科學本質、養成科學精神。杜威則更為明確地主張“理解科學方法比獲得科學知識更加重要”。

進入到二十世紀，人們雖然沒有明確提出“理解科學本質”這一目標，但已經開始了對科學本質的某些要素的關注。比如，賈菲在1938年編寫的高中教科書《化學新世界》中列出了這樣的目標：以實驗結果為依據，修正過去的觀點，當出現新的實驗證據時，要果斷放棄原有的理論。康納特在1946年進一步主張將歷史研究方法運用到科學教育中來。

二十世紀下半葉，科學本質開始受到了科學教育界的廣泛關注。施瓦布通過一系列研究論證了將科學本質融入科學教育的必要性，這使得一些課程開發者將目光從“科學家知道什么”轉移到了“科學家是如何知道的”上來。在此期間，一大批相關的理論著作出版，同時還提出了科學本質要素必須納入學校科學課程中去。在進行理論研究的同時，人們對科學教育的實踐也進行了批判和研究，并開發出了教師和學生科學本質觀的評價工具。這一階段的研究成果非常豐富，如表1所示。

在步入二十一世紀的新課程改革浪潮中，理解科學本質成了各國科學教育課程革新的核心目標。這使得人們對科學本質的研究也發生了重大變化：逐漸由對科學意義、教育意義和文化意義的理論探討，轉向對課程和教學策略的實踐研究。

（2）國對科學本質研究的現狀

前面對于國外科學本質研究歷史回顧目的就是明確國際上在科學本質研究領域的現狀，為了解和反思我國的科學本質研究現狀提供指向和依據。

通過檢索中國知識資源總庫“教育與社會科學綜合”類收錄的文獻，我國對科學本質的研究是從2002年開始的，該領域研究處于起步階段，到2013年關于科學本質研究的論文數量統計呈現了逐年增長趨勢，這就表明我國對科學本質的研究日漸引起重視。

相對于國際科學教育的漫長歷史發展，我國內地的科學教育起步較晚。相比較而言，國內科學史與科學教育的論文數量較多，但對科學哲學的關注太少。這表明我們的科學本質研究還處于初步關注階段，只有通過大量的國外研究成果引入介紹以及開展具體的一線科學本質教學研究，才能進一步深入和拓展我國對科學本質的研究與創新。

2.強調科學本質的原因

（1）國外對這一問題的研究

在《民主與教育》一書中，杜威對科學教育的教育意義和文化意義這樣回答：“科學是人類的守護神，阻止了這種天性及其可能帶來的害處……科學是一種人為的習得的、求知藝術，而不是天然的、與生俱來的。因此，科學在教育中具有不可替代的和無法估量的價值。”可見，科學對人類文明的發展是非常重要的，但人們對“為什么要強調科學本質？”這一問題的解讀卻眾說紛紜。

從狹義的層面，有些研究者提出，如果希望學生學會科學并運用科學，那么必須教給他們一些科學本質的內容。

從實證的角度，研究者則對科學本質作為科學教育目標之一的必要性做了研究。他們基于對教師和學生科學本質觀的探查，認為教師和學生普遍持有不夠完善的科學本質觀，造成這種現狀的原因在于學校教育的失誤。科學教育中應該整合科學本質的內容。在論證這種必要性的同時，德瑞芙等人在1996年提出了將科學本質作為科學教育的目標之一。

還有一些研究者從教師教育的角度，研究了教師的科學本質觀與其教學行為之間的關系。他們通過眾多的實證研究認為：教師的科學本質觀不僅會影響他所教的內容，還會影響他的教學方式。

不過，1992年，萊德曼在大量研究的基礎上，反駁了這一觀點，他認為“科學理論的本質與地位在影響教師的教育決定的各種因素中，并非不可或缺的成分……影響學生科學本質信念的最重要的變量，是課堂情境中那些特定的教學行為、活動以及決定的實施”。就幫助學生理解科學本質而言，教師理解科學本質只是一個必要條件，而非充分條件。

（2）新課程標準對學生發展目標的要求

“授人以魚，不如授人以漁。”人生有限、知識無限，我們現在所學習的知識都是前人對經驗的總結，然而人的意識形態和社會形態無時無刻不在發生著變化，在任意時刻的任意領域，都會產生新的知識。學生在學校里所學習到的內容與無際的知識海洋相比，不過是滄海一粟。正是基于這種理念，在《普通高中化學課程標準》中有這樣的表述：高中化學課程應“有利于學生體驗科學探究的過程，學習科學研究的基本方法，加深對科學本質的認識，增強創新精神和實踐能力；有利于學生形成科學的自然觀和嚴謹求實的科學態度，更深刻地認識科學、技術和社會之間的相互關系，逐步樹立可持續發展的思想。”可見，在新課程改革中，讓學生們掌握科學探究的思路方法比掌握單純的知識概念要重要得多。而科學探究是科學本質內容在理科教科書中最為普遍的表述之一。

二、科學本質在現行化學教科書中的呈現方式

1.對教科書的初步分析

（1）課程標準的解讀

課程標準是教科書的編寫依據和評價標準，教科書是課程標準的具體化，所以，在分析教科書之前應該首先分析課程標準，從而發現不同版本教科書的共性：一方面為進一步研究的平行性和評價公平性尋找支撐，另一方面為教科書中代表性章節的選取提供依據。

為適應21世紀科學技術和社會可持續發展的需要，培養符合時代要求的高素質人才，我國于2003年頒布了《普通高中化學課程標準》取代以前的“教學大綱”，構建了新的高中化學課程體系。高中化學課程由若干課程模塊構成，分為必修、選修兩類。其中必修模塊包括“認識化學科學”“化學實驗基礎”“常見無機物及其應用”“物質結構基礎”“化學反應與能量”和“化學與可持續發展”六個主題。課程標準對這六個主題的分別列出了“內容標準”和“活動與探究建議”兩個部分，對各個主題所承擔的知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀三個層面的教學目標進行了詳細的闡述。

（2）代表性章節的選取

本次研究以新課程改革后出版的三種主流高中化學教科書為研究對象，這三套教科書分別是：①2004年人民教育出版社的《普通高中課程標準實驗教科書·化學》（以下簡稱“人教版化學”）；②2005年山東科學技術出版社的《普通高中課程標準實驗教科書·化學》（以下簡稱“魯科版化學”）；③2009年江蘇教育出版社的《普通高中課程標準實驗教科書·化學》（以下簡稱“蘇教版化學”）。研究內容均為教科書的必修模塊。

在對教科書中的章節進行選擇的時候，力求所選內容覆蓋課程標準中所列的六大主題。首先，按照六大主題所包含內容對教科書中的內容進行劃分；然后，選取三種版本教科書中共有的并且能夠反映科學本質某些方面的章節。所選擇的章節包括了“科學發展”

“科學過程”以及“科學方法”等方面與科學實驗方法、元素周期律、化學反應和生活中的有機物等課題。之所以選擇這些章節進行分析還因為這些課題與科學本質的某些方面直接或間接相關，并且在三套教科書中對這些課題提供了科學發展史材料，即提供了與科學本質某些方面相關的背景知識。

本次研究所選的章節如表2所示，需要說明的是：三種版本教科書的必修模塊均為兩冊，為便于分析將第一冊簡稱為A、第二冊簡稱為B，之后的兩個數字分別代表章目和節數（例如，人教版中的“A.2.1物質的分類”代表人教版化學第一冊第2章的第1節：物質的分類）。其中人教版化學沒有對主題“認識化學科學”單獨列出章節，為保證比較的平行性，通過分析選取了該版本的“引言”部分進行比較研究。還有些課題在不同版本中所占用的章節數不同，所以，出現了一種版本的一個章節與其他版本的兩個章節進行比較的情況。

2.教科書呈現科學本質的評價指標

本次研究將科學本質的內涵在教科書中的體現形式和程度作為教科書中科學本質呈現的評價指標。由于科學本身的復雜性，人們對科學本質的理解至今還沒有達成廣泛的統一，所以，對科學本質在不同版本教科書中呈現形式的評價指標參考并匯總了國內外科學本質研究領域的諸多成果。從中總結出為大多數研究者共同接受的科學本質的內涵，再結合我國《普通高中化學課程標準》對科學本質部分的要求和表述，最終選定以下十個科學本質層面作為評價指標：創新性、發展性、客觀性、生活性、科學理論、科學定律、科學方法、科學家的“偏見”、科學受社會文化的影響、科學對技術的重要性。

三、科學本質在教科書中的呈現特點與教學對策

筆者授課的教材為“蘇教版”，因此在分析科學本質的呈現特點主要參考本教材，同時對另外兩種版本的教科書中科學本質的呈現特點也進行了對比研究，為下一步設計“科學本質在教科書中呈現范例”奠定基礎。本部分從科學本質的十個方面和課程標準中的主題兩個維度進行探討，其中以科學本質的十個方面為主線。需要說明的是：（1）對于三種版本教科書在同一主題的設計中都沒有呈現科學本質某一方面的情況，如“認識化學科學”中“科學定律”的呈現，不進行闡述；（2）對于有多個代表性章節同時呈現方式最好的，將進一步分析教科書內容，選擇章節。

“發展性”的呈現特點與教學對策：蘇教版化學“認識化學科學”主題下，“交流與討論”欄目中有一段題為《人類對酸堿認識的發展》的資料：

17世紀前，人們憑借判斷酸堿，認為一切有酸味的物質都是酸，一切有澀味而溶液有滑膩感的物質就是堿。17世紀末，英國化學家波義耳（R.Boyle，1627～1691）根據實驗提出新的定義。拉瓦錫在波義耳之后提出，一切非金屬氧化物溶于水后生成的物質是酸，一切金屬氧化物溶于水后生成的物質是堿。1883年，瑞典化學家阿倫尼烏斯（S.Arrhennius，1859～1927）創立電離學說。1923年，由于人們研究范圍的擴大，又有化學家提出了在非水溶液和無水條件也適用的酸堿質子理論，進一步擴大了人們對酸堿的認識。

這一段資料按照時間順序從17世紀前到1923年，詳細介紹了人們對酸堿的認識發展過程：根據感覺劃分—根據酸堿指示劑劃分—根據原氧化物的種類劃分—酸堿電離理論—酸堿質子理論。充分體現了人們對科學問題或自然現象所作的發展性解釋，顯性地呈現了科學會隨著研究的深入而不斷發展。除“發展性”之外，這段資料表述的科學史知識還體現了“科學理論”和“科學家的‘偏見”方面的內容。

“客觀性”地呈現特點與教學對策：蘇教版化學“物質結構基礎”主題下的一個“活動與探究”欄目中探究活動：

進行下列實驗，探究鈉、鎂、鋁的金屬性強弱。

【實驗1】切取綠豆般大小的一小塊金屬鈉，……將金屬鈉投入燒杯中，觀察并記錄實驗現象。

【實驗2】將已經打磨除去氧化膜的一小段鎂條放入試管中，……然后加熱試管，觀察并記錄實驗現象。

本實驗意在通過探究鈉、鎂、鋁的金屬性強弱來探索同一周期元素的性質遞變規律，從而豐富元素周期律。該探究活動充分說明了科學是對自然現象或實驗現象的客觀反映，這一實驗體現了科學研究對象的客觀性和科學研究方法的客觀性。

“創新性”的呈現特點與教學對策：魯科版化學“認識化學科學”主題下有這樣的表述：化學將繼續推動材料科學地發展，使各種新型功能材料的生產成為可能，進一步豐富與人類地生存和發展息息相關的物質世界。

化學將為環境問題的解決提供有力保障。可以制造出對環境無害的化學品和生活用品，減少對環境的污染。

除文字表述之外，在旁邊還配有相應的插圖。這段文字不僅對科學本質的“創新性”方面科學工作者永不衰竭的創新意識和進取精神進行了理性、顯性呈現，同時還結合了科學本質的“生活性”以及“科學對技術的影響”，具備很強的內部一致性。

“生活性”的呈現特點與教學對策：人教版化學“化學與可持續發展”主題下有這樣一段描述“酯”的文字：

酯化反應的產物是酯，一般由有機酸與醇脫水而成。很多鮮花和水果的香味都來自酯的混合物。現在可以通過人工方法合成各種酯，用作飲料、糖果、香水、化妝品中的香料，也可以用作指甲油、膠水的溶劑。

這段話中呈現了“酯”的來源和用途，很好地體現了“科學源于生活、高于生活、最終回歸生活”的科學本質方面。

“科學理論”的呈現特點與教學對策：蘇教版化學“化學反應與能量”主題下代表性章節“化學反應速率與反應限度”的最后有這樣的總結：

可逆反應在一定條件下進行到一定程度時，正反應速率和逆反應速率相等，反應物和生成物的濃度不再發生變化，反應達到化學平衡（chemical equilibrium）狀態。

化學平衡是一種動態平衡。在化學平衡狀態下化學反應仍在進行，但反應混合物的組成保持不變。當反應條件改變時，原化學平衡狀態被破壞，一段時間后會達到新的平衡狀態。

這兩段話高度地概括了化學反應動態平衡理論，將化學反應動態平衡理論的精華用通俗易懂的語言進行呈現。這段文字可以體現出科學理論是經過良好確定、高度證實的解釋性系統，但對“科學理論通常基于理論假設、數學公理以及其他不能觀察到的實體”的呈現明顯不足。

“科學方法”的呈現特點與教學對策：魯科版化學“化學實驗基礎”主題下單獨列出了一個二級章目“研究物質性質的基本程序”，介紹到：

在研究物質的性質時，通常首先要觀察物質的外觀，了解物質的存在狀態、顏色、氣味等；其次，要通過實驗來探究物質的有關性質……然后，通過對實驗現象的觀察和分析，歸納出與預測一致的性質，并對實驗中出現的特殊現象進行進一步研究……

這段話呈現了研究物質性質的基本程序，條理清晰、邏輯性強。顯性并且理性地對“科學方法”這一方面進行了闡述。另外，在教科書中還有根據這段文字設計的流程圖，生動形象，利于學生接受和掌握科學本質的這一方面。

“科學受社會文化的影響”的呈現特點與教學對策：魯科版化學“物質結構性質”主題下的“歷史回眸”中提到了化學家利用元素周期表來尋找制冷劑的研究過程：

米利奇選定氟化合物為自己的研究對象，經過努力，終于制得優良的制冷劑——二氟二氯甲烷（CC12F2），商業上稱為氟利昂-12。

氟利昂制冷劑曾風靡一時，不過，由于它對大氣的臭氧層有強烈的破壞作用，現已被無氟制冷劑代替。

這段材料簡要概括了制冷劑氟利昂的興衰：興，是因為社會對制冷劑的需求；衰，是由于可持續發展理念的提出和人們日益增長的環境保護意識。可見，科學研究是在大環境下進行實踐的事業，受到不同領域和文化的影響。

“科學對技術的重要性”的呈現特點與教學對策：人教版“化學實驗基礎”主題下在分析完過濾操作和蒸餾操作之后，做了這樣的補充：

我們日常食用的精鹽，就是將粗鹽中的雜質除掉后得到的。在工業生產中，分離和提純物質要用到多種大型的設備，但所依據的原理與我們在實驗室中常用的方法大致相同，而且，工業設備設計時的數據往往要靠小型實驗提供……尋找淡化海水的其他方法是化學研究和應用中的重要課題之一。

這些補充材料符合理論聯系實際的實踐觀，非常理性地表達出“技術的發展是建立在科學理論不斷發展的基礎之上”的科學本質觀。

通過對科學本質十個方面在所選擇的代表性章節呈現的分析，可以很清楚地看出，教科書中的以上材料對科學本質的某一方面進行純粹的闡述，同時結合了科學本質的其他方面進行統一的設計。各版本教科書在科學本質呈現方面都有亮點，所以，各版本教科書之間應該相互借鑒、取長補短，更好的構建起新的基于科學本質的教科書設計范式。

四、結論及建議

通過研究，發現我國高中化學新課程標準頒布之后三種版本

教科書的設計都盡可能地去體現科學本質的諸多方面，尤其是對科學本質的生活性和科學方法兩個方面的呈現處理較好。另外，雖然各版本教科書中都融入了科學史和科學家的內容，但呈現不夠理性、目的性不強，對科學本質“科學家的‘偏見”與“科學受社會文化的影響”處理得有些混亂。

通過對課程標準六大主題呈現科學本質差異的分析可以發現：由于主題“物質結構基礎”所選擇的代表性章節是“元素周期表和元素周期律”的知識，各版本教材在對元素周期表的發明、元素周期律的發現以及元素周期律的應用上都融入了化學史、化學家、科學探究等科學本質的方面，而且都聯系了現實生活和科學對技術發展的影響，所以，更容易體現科學本質的多個方面。在其他主題中，“化學與可持續發展”“認識化學科學”和“化學反應與能量”在科學本質的呈現方面都表現了一定的優勢。

在基于科學本質在教科書中的呈現特點，筆者認為在教學實踐中應注重以下幾個方面：

1.在教學實踐中應該注重傳統知識點與學生現實生活相結合，理論聯系實際，便于引導學生學以致用。

2.在教學實踐中盡可能地融入科學史和科學家的內容，激發學生的學習興趣，感受科學家對科學的探索歷程和科研態度。

3.在教學實踐中的教學設計能夠調動學生積極性的探究性實驗，使學生成為課堂的主體，激發學生潛能，引導學生掌握多種科學方法。

4.在教學實踐中充分利用教科書的習題設計以及對學生評價方面，適當地增加對科學本質的感悟和理解內容的考查，培養學生的創新意識和能力。

5.在教學實踐中適當增加課程中實踐環節的內容，讓學生把在課堂中所學的知識帶回生活。

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（作者單位 浙江省杭州市余杭文昌高級中學）