融合科學人文素養的化學教學實踐

潘武忠

[摘? ?要]基于學科核心素養，論證了化學教學中融合與培育科學素養、人文素養以及科學人文素養的認知科學原理，探索了化學教學中科學人文素養培育的思維與策略;同時進行了融合科學人文素養的化學教學理論思考與具體實踐，并通過幾個生動有趣的原創性教學案例，具體論述了學科教學中基于學科素養培育科學人文素養的可行路徑與操作方法。

[關鍵詞]學科核心素養;科學人文素養;化學教學

[中圖分類號]? ?G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ?A? ? ? ? [文章編號]? ?1674-6058（2019）29-0057-03

隨著課程改革的深入，我國課程體系及實施經歷了從“知識立意”到“能力立意”的過程與巨變，現在進一步發展到倡導促進學科素養的轉變等“素養立意”階段，這透射出學科素養乃至超越學科素養的科學與人文綜合素養的培養已經成為課程改革的大趨勢。

一、學科核心素養、科學與人文及其綜合素養的內涵理解

學科核心素養或學科思想（Subject Core Literacy）。是對具體學科事實、概念、知識、方法和理論的高度概括和本質認識，是一個學科的靈魂。它包容了學科知識和學科能力，并通過學科方法表現出來，是一個學科中最核心的精神，也是精髓，是最經典的思維方式，是學科的主線和特有的思維方式。

科學素養（Scientific Literacy）。其中的“科學”主要指自然科學（如數學、物理學、化學、生物學等），是按基礎教育階段的課程大致劃分的。學界大致上將“科學素養”概括為三個部分，即對科學知識、科學研究過程和方法、科學技術對社會和個人所產生的影響三方面達到基本的了解程度。這是目前測度公眾科學素養普遍采用的國際標準，只有在上述三個方面都達到基本要求者才算具備基本的科學素養。

人文素養（Humanistic Quality）。其中的“人文”指“人文科學”（如文學、哲學、政治學、經濟學、歷史學等）;而“素養”是由“能力要素”和“精神要素”組合而成的，即人文科學的研究能力、知識水平、人文科學體現出來的以人為對象、以人為中心的精神而形成的人的內在品質等復雜的情感、態度與價值系統。人文素養可分為三個要素，即人文知識、人文精神和人文方法。

科學與人文綜合素養（Scientific and Humanistic Comprehensive? Literacy），簡稱為“科學人文素養”。本文給出的定義是：基于學科素養形成的科學素養與人文素養之間在更高層次上通過“素養共振”形成的動態融合性、系統結構化和即時創造性的科學與人文綜合素養系統。

由于科學人文素養的動態性、系統性和融合性，在實際教學過程中對各層次素養不必加以清晰分別。筆者認為從人本主義的角度來看，學科核心素養、科學素養與人文素養及其綜合素養的發展不僅是一個逐漸自我建構的過程，同時也是一個積極尋求滿足自我實現的過程，因此離不開自我發展的內在需求，因為學習是人固有能量的自我實現過程，強調人的尊嚴和價值，強調無條件積極關注在個體成長過程中的重要作用。受到人本主義心理學家馬斯洛“人的需求層次理論”的影響和啟發，筆者從教學實際操作角度，將學科核心素養、科學與人文素養及其綜合素養的形成分為三個發展階段或層次，各素養層次之間的關系為：

筆者以幾種基礎性的化學學科核心素養為指引，從科學人文素養的培育角度，研究和實踐了一些化學知識教學的思想與方法，現以“化學平衡”這一知識板塊為依托分析一些教學案例，介紹將科學人文素養融入化學教學的一些思想、策略和方法，以供同行參考。

二、化學教學中培育科學人文素養的策略與實踐

古希臘哲學家赫拉克利特說過一段發人深省的話：“多數知識本身畢竟不是智慧。智慧必須以原理與原因的知識為前提，特別是要以形成規則的邏輯原理為前提。”赫拉克利特所說的“智慧”，可以理解為類似于本文所述的科學人文素養，這些素養（或智慧）的培養，是以形成知識的原理、原因，特別是以形成知識的邏輯原理為前提的。因此，科學人文素養融合化學教學的特征應為重視知識形成的邏輯原理，而邏輯思維和方法論也是科學人文素養的重要組成部分。

1.樹欲靜而風不止——“宏觀辨識與微觀探析”中的科學人文素養

化學學科的核心素養之一是“宏觀辨識與微觀探析”。它要求能從物質的微觀層面理解其組成、結構和性質的聯系，形成“結構決定性質，性質決定應用”的觀念;能根據物質的微觀結構預測物質在特定條件下可能具有的性質和可能發生的變化;等等。這些均為化學學科核心素養的應有之義。

統計學是認識客觀現象數量規律性的方法論科學，是實證研究的最重要的方法，廣泛適用于自然、社會、經濟、科學技術各個領域的分析研究。筆者在教學實踐中感受到，統計學是連接科學素養和人文素養的重要橋梁。

如果引導學生從統計學的意義來分析，化學變化系統的宏觀性質就是微觀運動的統計表現，這樣一來，便形成了“微觀決定宏觀，宏觀反映微觀”的科學規律，這就是科學素養的表現。因為科學素養與學科核心素養密切相關，從建構主義觀點來看也是如此，科學素養是建構于學科素養基礎之上的更高層次素養，沒有學科素養便沒有科學素養，也很難建構人文素養。能從宏觀和微觀相結合的視角分析與解決實際問題，除了體現科學素養之外，也體現了人文素養。

在“可逆反應的化學平衡”這一知識教學中，我們認為一個封閉體系中的化學平衡狀態具有微觀和宏觀兩大特征。微觀特征是正逆反應速率相等（V正=V逆）;而宏觀特征則是系統中各成分的物質的量保持不變。一般的教學策略是由宏觀到微觀。最容易被學生觀察到的宏觀特征有溫度、顏色、氣體壓強、固體質量的變化等;而微觀特征因為無法由感官直接觀察，所以只好變為宏觀特征的一種微觀解釋。引導學生從現象變化，通過邏輯分析介入微觀的正逆反應速率的變化，這種從宏觀到微觀的教學體現了化學教學中對學科素養與科學素養的培養。

“探究教學無止境”，對于化學平衡概念中的動靜抽象難題，為了讓學生更容易理解，筆者想到一句話：“樹欲靜而風不止，子欲養而親不待。”此時，可順勢引導學生將思想延伸到“樹欲靜而風不止”的哲學人文智慧之中。將化學平衡的宏觀標志當作“樹”，是表象;而微觀標志則是“風”，是本質。因為樹是可以用肉眼直接觀察的，所以是宏觀現象;風則是空氣分子的復雜流動，無法直接用肉眼看見，因此是微觀現象。實際上，看見的不是微觀的“風不止”，而是宏觀的“樹欲靜”。通過觀察樹的動靜狀態，才知道風的運動狀況。這正是利用了哲學人文意境，將不可見的微觀運動巧妙地轉化為可觀察的宏觀現象，形成了一種將不同世界相互轉化的科學人文素養。

據此引導學生認識到的化學平衡移動規律就是：在觀察一個化學反應體系時，若某種可觀察的宏觀量（如溫度、顏色、固體的量、氣體體積和壓強等）在發生變化，就可以推斷出微觀上正逆反應速率的相對大小了。“樹欲靜而風不止”的哲理精神就是科學人文素養的體現。當具備了這種素養與智慧，原來抽象難懂的化學平衡狀態的奧秘也就水落石出了，這也顯現了南宋詩人陸游在《游山西村》中所刻畫的科學人文境界：“山重水復疑無路，柳暗花明又一村。”

2.表象走向本質——“變化觀念與平衡思想”中的科學人文素養

“變化觀念與平衡思想”也是化學學科的核心素養之一。它是指能夠從不同視角對紛繁復雜的化學變化進行分類研究，揭示各類化學變化的特征和規律;能用對立統一、聯系發展和動態平衡的觀點考察、分析化學反應，并能夠預測在一定條件下某種物質可能發生的化學變化;等等。

例如，在高三化學“平衡圖像”這一知識板塊的復習中，我們知道，當外界條件改變，化學平衡受到破壞時，就會遵循勒夏特列原理建立新的化學平衡。這一過程中，各種化學量的變化過程可以用各種不同的幾何圖像來顯示，但每當展示近幾年各地模擬題和高考真題中出現的化學平衡圖像時，學生都感覺到繁多、復雜和困難。反思教學中常用來判斷化學平衡移動規律的勒夏特列原理，實際上是一個機械描述動態系統平衡變化方向的非本質性原理。它與高中物理學中的胡克定律（F=-kx）非常相似。胡克定律只描述彈簧受力與形變量的關系，而不涉及彈性力的本質原理。它與勒夏特列原理都屬于不探究內在原因只概括觀察事實的“唯象”定律。從這個角度看，勒夏特列原理都稱不上是“原理”，它只是一個定性描述變化方向的“定律”，只說變化的方向，不管變化的原因和過程，它使我們只知其然而不知其所以然。如果總是運用這一“唯象”規律進行化學平衡圖像教學，學生的思維將停留在機械的、表象的層面，不能深入認識化學平衡的本質，因而不能有效降低認知的難度。

培育科學人文素養可以有效降低學生對此類難題的畏懼感。筆者在教學中創造性地運用了人們常說的“萬變不離其宗”。這句話出自道家哲學，意思是許多事物盡管形式上變化多端，但其本質或目的不變。而從科學人文素養角度來看，運用對立統一、聯系發展和動態平衡的觀點考查勒夏特列與胡克定律的本質原因，更有利于師生科學人文素養的塑造。運用對立統一、聯系發展的觀點來分析，勒夏特列原理的本質就是微觀上正逆反應速率的對立統一，這與“萬變不離其宗”的寓意殊途同歸。因此，筆者在教學中直接從正逆反應速率的相對大小的判斷入手分析化學平衡，從本質上使學生理解平衡移動原理的真正邏輯關系，而不是停留在表象上。為了克服這個困難，在教學中筆者盡量運用正逆反應速率來引導學生對化學平衡的移動狀況進行綜合判斷，這有助于加深學生對化學平衡的建立和移動的本質理解。

于是在教學實踐中，筆者把眾多的化學平衡變化圖像歸納為更基本的“萬變不離速率，速率引起變化，變化反映速率”，即任何化學平衡狀態的變化都是由正逆反應速率的此消彼長引起的。圍繞“速率相對變化”這個核心本質引導學生根據具體題目和圖像做出正確分析，歸納出解決化學反應速率與化學平衡圖像題的思路——“一看二想三判斷”，一是看懂圖像，二是聯想規律，三是推理判斷。通過此方式，消除了大部分學生對此類難題的恐懼感，增強了學習信心。這一點對于高三學子的備考特別具有啟發性。雖然高考題目千變萬化，陌生度高，但考查的知識點和綜合能力是不會變的。只有注意觀察并牢牢掌握化學知識的本質，才有希望做到“處考不驚”。

《荀子·儒效》中有“千舉萬變，其道一也”，《莊子·天下》亦有“不離于宗，謂之天人”。學科教學中融合與培養學科素養和科學人文素養，注意觀察事物的變化，抓住變化的本質，即可掌握千變萬化的事物發展的本質性規律，達到“縱橫不出方圓，萬變不離其宗”的境界。

3.創設思維模型——“證據推理與模型認知”中的科學人文素養

“證據推理與模型認知”作為化學學科的核心素養，其內涵為能通過分析推理加以證實或證偽，建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系;能通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，并建立模型;能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。

“證據推理與模型認知”核心素養培養的關鍵是思維模型的創造性設計，而這也是最能體現科學人文素養的地方。所謂思維模型，是指其根本特征或構成形態不具有物質實體的性質，是一種特殊的思想形式，是對原型的摹寫、反映和抽象。這個特點決定了在學科教育中運用此法的簡便易行性。思維模型設計與創建的操作程序可以簡單地表示為：

筆者將科學人文素養融入化學教學實踐，廣泛采用思維模型推理方法，進行了培養學生科學思維能力和探究能力及科學人文素養的嘗試，大量使用了思維模型推理法展開對學生的科學素養訓練，大多數學生反映很有趣并樂于接受。學生在有趣的思維模型的邏輯推理氣氛熏陶下進入活躍的思維狀態，在自己設計的思維模型中享受思維邏輯的樂趣，有效促進了學生科學人文素養的提升，進一步形成了良好的科學探究能力。下面是化學思維模型設計之“證據邏輯推理”的眾多實例之一。

問題：在所有外界條件的改變中，為什么唯獨催化劑不影響化學平衡？

要解決此問題必須對催化劑的原理進行科學探究。為了展開探究，先引導學生創建一個思維模型。如在一定條件（如高溫）下，下列化學反應是可逆的，因此會達到化學平衡狀態：

（3）對結論進行檢驗

這個裝置不需要從外界輸入能量，僅僅靠這種“有效的催化劑”就能夠不斷地運轉而輸出能量，顯然這臺“內燃機”是一臺真正的第一類永動機。

而這樣一來顯然違反了能量守恒定律，第一類永動機是不可能被制造出來的，所以這樣的“第一類催化劑”永遠都不可能找得到。通過思維模型的邏輯反證，得出結論：催化劑不會影響化學平衡。

除了第一類永動機外，還有第二類永動機。假設某種高效催化劑可以使反應①從環境中吸收無窮無盡的能量，然后循環做功，這便是第二類永動機。雖然沒有違反能量守恒定律（熱力學第一定律），卻違反了熱力學第二定律，所以也是不可能制造出來的。這樣一來，就連“第二類催化劑”也是不可能存在的。總而言之，無論是熱力學第一定律還是第二定律，都是“得罪不起”的，因此，催化劑不能影響平衡乃“命中注定”。由此可見，“證據推理與模型認知”核心素養培養中融合科學人文素養的重要意義。

三、科學人文素養培育的總結與反思

以上論述中提到的幾項化學學科核心素養，體現了化學學科特質的思想和方法。只有先打好了核心素養的方法論基礎，充分培育科學人文素養，才能逐步培育“科學探究與創新意識”，最終形成“科學精神和社會責任”。基于化學學科核心素養的科學素養、人文素養及科學人文素養在化學教學的融合過程中，根據具體教學情境各有側重，相輔相成，自成一體，自然而然將各種素養要求融為一體，形成完整的具有科學人文素養的化學學科知識能力體系。

從現代教育系統觀來看，教師與學生是教學系統兩大基本互動要素，因此培育科學素養和科學人文素養是師生之間共同發生的事情。在師生科學素養充分培育的基礎上，進入更高層次的師生科學人文素養的培育，通過科學素養到科學人文素養的三層次提升，使師生達到科學人文素養新境界。

（責任編輯 羅? ?艷）