教材中科學方法的呈現及教學實現*

宗漢 楊曉麗

摘要： 以人教版高中化學新教材（必修）為例，著重對科學方法呈現的必要性進行論證，對科學方法的內涵和分類進行解讀，同時對科學方法在教材中的編寫特點進行分析，并由此提出相應的教學啟示。

關鍵詞： 科學方法; 呈現; 教學實現; 化學教材

文章編號： 1005-6629（2021）02-0021-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

高中化學課程標準（2003實驗版）（以下簡稱“舊課標”）提出，高中化學課程要構建“知識與技能”“過程與方法”“情感態度與價值觀”相融合的高中化學課程三維目標體系[1];高中化學課程標準（2017年版）（以下簡稱“新課標”）在舊課標基礎上提出，學科核心素養是對知識與技能、過程與方法、情感態度價值觀三維目標進行了整合[2]。由此可見，科學方法是化學學科核心素養的重要組成部分。人教版高中化學教材（2019年版）（以下簡稱“新教材”）以新課標為依據，試圖系統、全方位地凸顯科學方法，以此促進核心知識向思維和素養的轉化。據此，筆者以人教版高中化學新教材（必修）為例，論述科學方法在新教材中呈現的必要性，解讀科學方法的內涵和分類，分析科學方法在新教材中的編寫特點，并提出相應的教學啟示。

1? 科學方法呈現的必要性

新教材是培養學生化學學科核心素養的重要載體，教材在編寫過程中充分發揮科學方法的理論指導作用，主要體現在以下幾個方面。

1.1? 我國課程改革深化的迫切需要

2016年9月，《中國學生發展核心素養》將“能掌握基本的科學方法”“能夠提出問題、形成假設，并通過科學方法檢驗求證，得出結論”作為其中的重點[3]。因此，為了貫徹落實培育和發展學生核心素養的要求，新教材中非常重視呈現科學方法，并與新課程改革進行無縫銜接。

1.2? 我國理科教材編寫思想的積淀

1992年，喬際平指出：“我國傳統教材對于科學方法采用隱性處理，不在教材中說明，而是讓學生自己去悟”[4]。這一思想導源了科學方法在教材中呈現的方式。1999年，我國教育界提出“教材體系應以科學方法為中心編寫”[5]的觀點。近年來，又有學者提出，教材編寫應當將科學方法作為中心，幫助學生構建優良的知識結構和認知結構。據此，化學教材中科學方法的呈現，有著長期的學術爭鳴和相對理性的思想積淀。

1.3? 我國化學教育研究發展的趨勢

對化學科學方法教育研究，“顯性”教育的提出日益成為當前學術界一種重要的思潮，并涌現出一批有研究價值的成果。2011年，楊文斌指出：“所謂隱性表征就是通過知識間的邏輯編排或是化學過程自然體現，將科學方法隱含教材之中”“所謂顯性表征就是明確地提出科學方法名稱，介紹和解釋這種方法的功能與作用”[6]。事實上，科學方法“顯性”與“隱性”教學的區分早有研究。然而，對兩種教育方式之間的取舍或偏向則不盡相同。例如楊文斌提出：“起步隱性，顯化適時”;梁慧姝論述了“化學教學中采用隱性和顯性相結合的方式”[7];吳俊明等則提出了“實踐中隱性，理論上顯性”[8]的觀點。可以說，化學教育學術研究的積累，為教材中科學方法的編寫明晰了正確方向和科學路徑。

2? 科學方法的內涵

所謂科學方法是人們在認識和改造、保護客觀世界的實踐活動中直接或間接形成的有效的規則、方式和手段，是人的活動經驗程序化、規范化的結果，是進行科學研究的有力工具[9]。一般而言，科學方法按其性質適用范圍分為三種層次： 一是哲學類，它是科學方法的最高層次;二是自然科學方法類，它是反映學科當中帶有共性和規律性的東西;三是各個學科所采取的特殊研究方法。在科學教育過程中，教師應根據教學目標、教學內容和學生的心理發展水平，循序漸進地對學生進行有針對性的科學方法教育，進階式地讓學生理解和掌握應用各個層次的科學方法。在中學化學教學中，最常用的是科學方法的第二層次。

3? 科學方法呈現的特點

科學方法是化學學科核心素養的重要組成部分。新教材著力凸顯科學方法，試圖以“章引言”“方法導引”“整理與提升”等相關欄目的設計，努力構建新教材的科學方法體系。

3.1? 隱性表征——“章引言”和“整理與提升”

新教材精心設計每章的“章引言”，通常借問題情境形式引出本章學習內容，并由此一步提煉重要知識和核心觀念，提出認識視角和思路，明晰學習目標和應用價值等，尤其是科學方法——認識視角和思路的呈現，教材編寫者“煞費苦心”，幾經修改，反復推敲，建構成整個章引言的模型圖（如圖1所示）。例如必修1第五章章引言，新教材首先引出問題，如“對在眾多的化工原料和產品中，都能見到硫和氮等元素的蹤跡。這些元素具有怎樣的性質？應該如何進行研究和利用呢？”[10]。其次提煉重點（重要的化學概念、化學觀念、學科核心知識），諸如“變量控制是科學探究中常用的方法，通過變量控制可以使多因素的問題變成幾個單因素的問題，分別加以研究，最后再將幾個單因素問題的研究結果加以綜合”[11]。再次提出認識視角，誠如“依據物質類別和元素價態，研究硫和氮等元素及其化合物的性質和用途，深化對物質間轉化關系的認識”[12]。最后章引言往往還會指明學習目標和應用價值等，例如“工業上利用這些轉化關系，遵循生態文明思想，可以獲得相應的化工產品，實現環境保護與資源利用的和諧統一”[13]。

新教材章末的“整理與提升”是原教材“整理與歸納”的升級版。新教材試圖通過從系統設計、知識關聯、認識視角和思路、核心觀念等方面對整章內容進行歸納與整理，并構建結構化的認識模型和應用實例。例如必修1第三章的“整理與提升”模型圖（如圖2所示）。在整個“整理與提升”設計中，新教材還特別強調基于認識視角的科學方法，努力體現“知識向素養的轉化觀念”，由此逐步提升學生的結構化認知水平。

3.2? 顯性表征——“方法導引”

“方法導引”是新教材中的新增欄目，該欄目旨在呈現科學研究、化學學習等過程中常用的一般方法（見表1）。在8種科學方法中，新教材十分強調認識視角，特別關注認識過程和思路，并著力外顯提升學生認識和思維水平的方法和途徑。

[案例1]分類。分類是根據研究對象的共同點和差異點，將它們區分為不同種類和層次的科學方法。科學的分類能夠反映事物的本質特征，有利于人們分門別類地進行深入研究[14]。分類有一定的標準，根據不同的標準，人們對研究對象進行不同的分類。

在高中化學的學習中，分類思想經常有所涉及，如對物質的逐級分類，對分散系的多維分類，對物質性質的多角度分類（性質可分為物理性質和化學性質，化學性質又可再分為氧化性和還原性、熱穩定性、酸堿性等），再到反應分類（離子反應角度、氧化還原角度、能量變化角度等）。

[案例2]認識元素及其化合物性質的視角。物質類別和元素價態，是學習元素及其化合物性質的重要認識視角[15]。在研究物質的性質時，可以從物質類別、物質所含核心元素的化合物這兩個基本角度預測物質可能具有的性質，并通過實驗進行驗證。

從物質類別的視角預測物質的性質。首先，判斷物質所屬物質類別，根據該類別物質的一般性質及相關反應規律預測該物質發生的反應;然后，選擇可能與該物質反應的各關物質的代表物，推斷可能發生的具體反應。預測是否正確，需要用實驗驗證[16]。例如，工業上脫除SO2。分析SO2的物質類別屬于酸性氧化物，能與氨反應而被脫除，其主要化學原理之一用化學方程式表示如下：

SO2+2NH3+H2O（NH4）2SO3

從元素價態的視角研究物質氧化性或還原性的思路。一是根據物質所含元素化合價升高或降低的可能性，預測物質可能具有還原性或氧化性。若所含某元素的化合價有升高的趨勢，說明該物質可能具有還原性;反之，若所含某元素的化合價有降低的趨勢，說明該物質可能具有氧化性。二是如果預測某物質具有氧化性，就需要尋找具有還原性的另一物質，通過實驗檢驗兩者能否發生氧化還原反應，以驗證預測是否正確。相應地，如果預測某物質具有還原性，就需要尋找具有氧化性的另一物質，通過實驗來驗證預測是否正確[17]。例如，工業上脫除NO和NO2。分析NO中氮元素的化合價為+2， NO2中氮元素的化合價為+4，而氮元素的最低價態為-3價，最高價態為+5價。因此推測NO、 NO2中的氮元素的化合價可以升高，也能降低，NO既具有還原性，又具有氧化性，可以尋找氧化劑O3將其氧化，也能用NH3將其還原，其化學原理用化學方程式表示如下：

4NH3+6NO催化劑△5N2+6H2O

8NH3+6NO2催化劑△7N2+12H2O

NO+O3NO2+O2

2NO2+2OH-NO-3+NO-2+H2O

基于物質類別和元素價態設計物質間轉化的途徑。例如要想從單質鐵獲得FeSO4，既可以基于物質類別設計從金屬單質與酸反應獲得，或從金屬氧化物與酸反應獲得，也可以通過金屬單質與鹽的置換反應獲得;還可以基于元素價態設計單質鐵與+3價鐵反應得到+2價鐵。

4? 幾點啟示

4.1? 理解新教材科學方法的體系

新教材以新課標為依據，重視科學方法建構的體系化，并將科學方法貫穿于整套教材，貫穿于教材的每一章。事實上，在教學過程中，教師比較重視顯性的科學方法教育，如“方法導引”等，但隱性的科學方法則關注度不夠。因此，對于“章引言”的教學，筆者以為可以先用章引言創設真實、有意義的問題情境;然后引導學生在自主學習和小組協作中理順章節知識間的“邏輯”，提煉出本章重要的認識視角和思路，從而做到真正讓科學方法成為科學知識和素養發展的橋梁。對于單元復習教學，筆者以為要在“整理”中“提升”學生的學科素養，否則容易“炒冷飯”。因此教師要針對各章內容，基于認識和觀念的視角進行科學的歸納、總結和提升，真正讓學生把知識結構化，讓認知建構方法化。同時，也要讓學生感受本章知識背后的社會價值和應用價值。

4.2? 認知科學方法的層次教學

新教材中涉及的科學方法較多，教師可根據學生的年齡特征和認知特點，結合教材知識間的邏輯順序，引導學生有重點、有計劃地分步實施科學方法教育。例如在必修1中可以先行凸顯一些分類、預測、實驗室中制取氣體裝置的設計等基本的科學方法的教育，而后在學習過程中逐步滲透對認識有機物的一般思路、變量控制、化學實驗設計、系統科學等科學方法的教育，以求拾階而上，體現科學方法認知和實踐上的循序漸進。

不僅如此，在不同的學習階段，相同科學方法也可以呈現不同的層次要求。例如科學方法之“模型”，在必修1電解質電離時，教材提及了模型的概念、功能和分類，但總體而言，語言抽象，學生難以理解和應用;但在必修1第四章中，教材列舉了五種共價分子的分子結構模型，此時，學生對模型的認知相對而言就顯得較為形象和具體;再后來，教材第七章實驗活動8，要求學生通過搭建球棍模型來認識有機化合物分子結構的特點，學生在此過程中進一步認知了模型的“意蘊”，“感悟”到有機物的結構特點，并能應用認知的模型預測該有機物可能具有的性質。因此有關“模型”的科學方法在教材中多次出現，體現出不同階段的不同要求，意在實現科學方法的教育由“隱性”走向“顯性”。

4.3? 挖掘隱性的科學方法素材

新教材中涉及的化學史是科學方法教育的好素材。化學上的每一次發現，往往都是各種科學方法綜合應用的結晶，體現了問題解決的“來龍去脈”，凸顯了科學方法在研究中的價值。例如，新教材中以我國科學家屠呦呦對青蒿素的研究為素材，重點介紹了屠呦呦提取和分離青蒿素的方法選擇，以及測定青蒿素分子結構方法不斷改進的過程，這樣處理的目的是外顯科學方法選擇的可行性和重要性。其次，在教學過程中教師應引導學生感悟科學方法的應用價值，如在介紹純堿的生產歷史時，可以讓學生先行查閱資料，了解勒布蘭制堿法、索爾維制堿法和侯氏制堿法的原理，其次讓學生對三種制堿方法進行比較，而后讓學生感受化學工業發展過程中方法改進的重要性，以及建設生態文明的意義。總之，這些隱性科學方法素材的挖掘，可以讓學生感悟科學方法形成于人類在發現自然規律的過程之中，以及科學地運用這些方法可以更好地去認識自然，更好地造福于人類。

當前，化學核心素養的研究正在全方位推進之中，基于核心素養的視域下的新教材對科學方法的呈現和應用也進行了嘗試。作為一線教師也要與時俱進，不斷認知和完善科學方法的功能，要通過科學方法將科學知識轉化為科學素養，潛移默化地培養學生的科學態度和社會責任，以此全面培育和發展學生的化學學科核心素養。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2003年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2003.

[2]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

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[4]喬際平， 續佩君. 物理教育學[M]. 南昌： 江西教育出版社， 1992： 99.

[5]邢紅軍. 物理教育研究[M]. 北京： 中國民航出版社， 1999： 221～222.

[6]楊文斌. 高中化學教材中科學方法的表征及其對學習的影響——以滬科版高中化學教材為例[J]. 中學化學教學參考， 2011，（9）： 3～6.

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[9]吳俊明. 科學方法與過程[J]. 化學教學， 2015， （12）： 3～4.

[10][11][12][13]王晶， 鄭長龍. 普通高中教科書·化學（必修第二冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019.

[14][15]王晶， 畢華林. 普通高中教科書·化學（必修第一冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019.

[16][17]王磊， 陳光巨. 普通高中教科書·化學（必修第一冊）[M]. 濟南： 山東科學技術出版社， 2019.