跨越時空的對話：IHV教學模式在化學科學本質教育中的應用

嚴文法 穆雯星

摘要：2017版化學新課標提出要利用化學史促進學生對科學本質的理解。IHV為化學史和科學本質的結合提供了一個有效的教學模式。在梳理科學本質的概念以及1HV教學流程的基礎上，以化學鍵理論發展史為例探討了1HV教學模式在化學科學本質教育中的應用。

關鍵詞：化學史;科學本質;1HV

文章編號：1008-0546（2021）05-0006-06中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.002

科學本質（Nature of Science，簡稱NOS）是科學教育的重要目標之一，一直以來也是國際科學教育關注的熱點。《普通高中化學課程標準（2017年版）》中多次強調要利用化學史促進學生對科學本質的理解，并提出可以“有效利用化學史的素材，幫助學生認識科學理論會隨著技術手段的進步和實驗證據的豐富而發展，通過設計角色扮演等活動引導學生理解科學理論發展過程中的爭論，從而增進對科學本質的理解”⑴。化學史能夠承載科學本質的教育功能⑵，但如何將化學史與角色扮演相結合，以化學史上發生的科學理論發展過程中的爭論為內容載體，來促進學生對科學本質的理解呢？ IHV教學模式為我們提供了一個很好的范式。IHV （Inlernative Historical Vignettes）是互動歷史小品，是由美國Wandersee等人開發的一種將科學史融合到科學課程中的教學模式⑶。在化學教學中應用這種教學模式要求教師謹慎地選取與教學主題有關的化學史，將重點集中在某一科學本質上，并將其改編成為簡短的小品，然后由學生與教師共同表演，從而達到把化學史融入到現有課程中的目的。在新課標的背景下，IHV使化學史教學彰顯出新的生命力。本文在梳理科學本質和IHV教學模式涵義的基礎上，以化學鍵發展史為例開展IHV下的科學本質教學設計，探討IHV教學模式在化學科學本質教育中的應用。

一、核心概念界定

1.科學本質內涵分析

科學本質作為一種認識方式，是對科學的認識， 是科學知識及其發展所固有的價值和信念⑷。科學本質建立在科學哲學、科學史學、科學社會學、科學心理學四個向度對科學的審視的交集上[5]，因此不同學者對科學本質的內涵解釋不一，但是因為中小學階段的科學本質觀教育不需要涉及本體論、方法論上深奧晦澀的爭議，因此仍然有很多的共識，具體表現為：（1）知識的暫定性：科學知識一旦被普遍接受，就可以是強有力和持久的，但會隨著新的證據出現和對原有證據的重新解釋而發生變化;（2）知識是基于經驗證據而獲得的：所有科學概念都必須符合觀測或實驗數據才能被認為是有效的;（3）知識是基于觀察和推理而獲得的：科學涉及的不僅是無數觀察的積累，更是來自觀察和推理的結合;（4）科學定律和理論的區別：定律是對自然界中的關系或模式的簡潔描述，通常用數學關系式來表示，而科學理論是對自然現象的解釋性系統，理論和定律構成了兩種不同的知識類型，但都是科學的合理存在形式，而且兩者之間不會相互轉化;（5）科學方法的多樣性：科學家使用各種各樣的方法來產生科學知識，包括觀察、推理、實驗，甚至偶然發現等;（6）創造力：科學知識的產生過程中需要運用創造力和想象力;（7）理論負荷性：科學家的直覺、個人信念和社會價值觀都在科學知識的發展中起著重要作用;（8）科學知識的社會/文化嵌入性：科學作為一項人類事業，在更大的文化背景下進行實踐，它的實踐者也是這個文化的產物，這些文化背景包括但不限于社會結構、權力結構、政治、社會經濟因素、哲學和宗教[6-7]

可見，科學本質的內容不僅包括科學知識（科學定律、理論等）以及科學知識產生過程中所用的方法和影響因素（基于經驗證據、觀察和推理、科學方法、創造力、理論負荷性等），還包括知識的特性（暫定性、科學知識的社會/文化嵌入性等）。因此，促進科學本質理解的教學應為在教師有目的的引導下，學生能夠理解科學知識及其產生過程和蘊含的價值觀，并逐步促進學生正確價值觀念、必備品格和關鍵能力的發展，為學生的終身發展奠定良好基礎的過程。

2.IHV教學模式

IHV教學模式是指通過設計互動式小品情景劇的形式，學生能夠像科學家一樣體驗科學知識探索過程的教學活動結構框架和活動程序。在設計以及表演互動式歷史小品的過程中，學生可以真實地體會并理解科學本質。關于如何進行基于IHV的教學設計與實施，目前普遍比較認同的是Wandersee（2002）所提出的IHV教學設計流程（見圖l）[8-9]

對IHV教學設計流程進行分析，可得出促進學生科學本質理解的IHV教學模式的實施步驟大致可分為：（1）準備階段：由教師選取能夠體現本節課教學本質的化學史小片段;（2）實施階段：教師為學生提供資料或者查詢資料的方式，由學生和教師共同探討完成該化學史小品劇本，并將學生按需要分為導演、扮演者、場記、旁白等角色表演該小品;（3）提問階段：在特定的時機，教師可中斷表演，進行任務驅動型提問，幫助學生理解這個小品中蘊含的科學本質;（4）反思與總結階段：教師引導學生進行集中討論和反思整個歷史過程，并提煉課堂框架，深化學生對科學本質的認識，從而建立起正確的科學本質觀。

二、IHV教學模式下的教學設計：以“化學鍵理論發展史”為例

1.教學設計背景分析

從新課標角度來看，《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》在“模塊2物質結構與性質”下的“主題3：研究物質結構的方法與價值”中提出“能舉例說明人類對物質結構的認識是不斷發展的， 并簡單說明促進這些發展的原因”“了解人類探索物質結構的過程，認同物質結構的探索是無止境的'觀點”，同時在教學策略中明確表示“有效利用化學史的素材，通過設計角色扮演等活動引導學生理解科學理論發展過程中的爭論，從而增進對科學本質的理解”等旳。物質結構的探索過程涉及到的化學史有原子結構發展史、分子結構發展史、微粒間的作用力發展史等，而化學鍵理論的發展史作為微粒間的作用力研究歷程中的一部分，對于促進學生對科學本質的理解有著重要意義。

從學情角度來看，高二學生在學習價鍵理論之前，已經在必修一學習過化學鍵，知道化學鍵可分為共價鍵和離子鍵。進入高二，學生的抽象思維能力和空間想象能力有所提高，選擇性必修2中的微粒間作用力（包括價鍵理論、分子雜化理論、離子鍵、配位鍵、金屬鍵、分子間相互作用力）是在高一化學鍵概念基礎上的進階概念。已有研究發現，學生在學習價鍵理論時存在的障礙點有：價鍵理論不能完整構建，理解程度差，難以運用。具體表現在對鍵的形成過程理解不清楚，難以應用價鍵理論解釋物質的性質等[11]。

綜上所述，由于選擇性必修2中的微粒間作用力部分對學生的各項能力要求較高，所以學生在這部分內容的學習中存在多種困難，而“化學鍵理論發展史”的引入能為學生在學習價鍵理論、VSEPR理論、配位鍵等內容之前奠基一定的理論基礎。故此，無論是從課標要求還是教學需求，對化學鍵理論發展史的學習均具有價值。

2.教學目標

本節課的教學目標是以化學鍵理論發展史為內容載體，通過IHV促進學生對于科學本質的理解。化學鍵理論發展史中能夠體現的科學本質有：知識的暫定性、科學方法、創造力、基于經驗證據、觀察和推理、理論負荷性等。故將本節課的教學目標設計為：

（1）通過化學鍵的發展過程，體會科學知識的暫定性和理論負荷性。

（2）通過科學家的探究過程，能說出證據、觀察、推理、創造等方法在科學知識產生過程中的重要性。

（3）通過化學鍵理論發展歷程的學習，為價鍵理論、VSEPR理論、配位化合物的學習奠定基礎。

3.教學過程

（1）準備階段

化學鍵理論發展史內涵非常廣泛，大致經歷了從“古代樸素主義-經典力學體系-量子力學”三個階段的發展過程。其中“古代樸素主義”包括從我國春秋時期的“夫和生實物，同則不繼”，到之后古希臘哲學家的“愛、憎理論”再到中世紀的J.R.格勞伯提出的“親和力學說”;“經典力學體系”包括波義耳的“齒合作用”、施塔爾等人的“萬有引力下的親和力”、李比希的“基理論”、凱庫勒的“四價學說”、科塞爾的“離子鍵理論”、路易斯的“共價鍵理論”;“量子力學”體系下鮑林的“現代價鍵理論”、馬利肯等人的“分子雜化軌道理論”、歐格爾的“配位場理論”等[12]。

依據本節課課時、教學目標以及學情，本節課截取的教學片段為科塞爾的“離子鍵理論”、路易斯的“共價鍵理論”、鮑林的“價鍵理論”、馬利肯等人的“分子軌道理論”、歐格爾的“配位場理論”。

（2）實施與提問階段

①劇本編輯階段

在已確定好的主題下，教師向學生發放關于這五位化學家的生平簡介以及理論提出過程的介紹。同時提醒學生，若需進一步查找資料，可以通過網絡來獲取相關信息。在信息整合之后，由教師和學生共同完成劇本的編撰工作，并按照劇本需要，挑選部分學生擔任不同的角色。

②排練階段

在劇本編撰和人員確定完成之后，由導演（學生）帶領各位演員（學生）和場記（學生）進行排練，時間約為1周。

③表演階段

（場地說明：以課桌代替實驗臺和工作臺，以教室的不同位置的燈作為追光，其他道具由學生提前準備好。）

【旁白】人類對微粒間的作用力的探索經歷了幾千年的時間，物質到底是如何結合在一起的？這個問題引起了古往今來眾多物理學家和化學家孜孜不倦地探索，從玻爾的原子結構理論提出之后，人類對于微粒間相互作用力的認識迅速發展，接下來，讓我們跨越時空一起重溫這個時期化學家們對微粒間作用力的探索旅程吧。友情提醒：以下各場景均為虛擬， 并非實景再現。

【旁白】1916年，德國化學家科塞爾一直在研究稀有氣體的結構和它的性質，有一天，他發現稀有氣體原子的電子層結構具有高度穩定性，于是他開始了思考……

[科塞爾]靜靜地躺在沙發上，不斷地思考中…時不時在小聲嘟嚷：既然原子結構決定了稀有元素的穩定性，那是不是可以通過原子結構說明金屬元素和非金屬元素的不穩定性呢？

【旁白】科塞爾反復地問自己這樣的問題，時間一天一天地流逝著，他開始不斷地對有代表性的化合物離子所帶電荷數進行反復推算…直到有一天…

【科塞爾】興奮地打開實驗室的門，大聲告訴同事們，我知道了，用路易斯提出的“八隅律”來解釋。

【同事們】一臉驚訝，什么“八隅律”？

【科塞爾】就是最外層電子如果是8個電子，這個原子就是穩定的，所以稀有氣體化學性質穩定，而導致在形成化合物的過程中非稀有氣體原子通過得、失電子形成正、負離子，生成的正、負離子通過靜電作用力形成化學鍵。

【同事們】這真是一個偉大的發現，你快寫下來讓大家都知道。

【旁白】激動的科塞爾拿出了稿紙書寫下這個偉大的理論：離子鍵理論。

教師提問：通過科塞爾“離子鍵理論”的提出過程，大家認為離子鍵理論的發現過程采用了哪些研究方法？

學生回答：這個過程中，科塞爾進行了大量的數據收集、分析和推算，才得以提出“離子鍵理論”，并且借鑒了路易斯的八隅律理論。

場景二

【旁白】科塞爾正在和路易斯進行激烈的辯論，到底發生了什么事情呢？讓我們一起去看一下。

【科塞爾】路易斯先生，您憑什么覺得我的理論有問題？

【路易斯】您的離子鍵理論雖然是正確的，但是它無法解釋共價化合物的形成過程啊。比如，您無法解釋水分子的形成過程，。和H到底是怎么結合的，為什么水分子可以穩定存在呢？

【科塞爾】（聽完后，科塞爾看著路易斯不斷地思考。過了一會兒，反問道）你難道有更好的理論可以解釋水分子可以穩定存在嗎？

【路易斯】是的，先生。我承認您的“離子鍵理論”，在您的基礎上，我認為在分子中來自于一個原子的一個電子與另一個原子的一個電子以“電子對”的形式形成原子間的化學鍵。

【科塞爾】路易斯先生，電子和電子之間有排斥力，您是怎么認為電子和電子之間可以形成電子對呢？這不是天方夜譚嗎？

【路易斯】先生，按照常理是這樣的沒錯，但是，看吧，不久的將來，科學會證明我的正確性。

【旁白】這場爭論誰也沒有說服誰，路易斯轉身離開了科塞爾的辦公室。

教師提問：通過科塞爾和路易斯的爭論，大家發現了什么？科學理論一經提出就可以被廣泛接受嗎？

學生回答：我發現由于科塞爾自己的認識局限性不能意識到路易斯共價鍵理論的正確性，科學理論需要經過檢驗才能被人們所接受。

場景三

【旁白】歷史的車輪繼續向前，最終經過多位科學家的不斷計算證明了路易斯共價理論的正確性，時間來到了1927年。剛結束一天辛苦工作的美國化學家鮑林回到了家，慵懶地躺在沙發里，此時，他順手拿起了今天的報紙隨手翻閱，突然，他看到了一個令人驚訝的發現，報紙上刊登了德國物理學家W.H.海特勒和 F.W.倫敦運用量子力學理論解釋氫分子的成因。他敏銳地感覺到這將是一個偉大理論誕生的先兆，于是，他急匆匆地找到海特勒工作室的電話，撥打了過去

【鮑林】（電話那端響起了嘟嘟的聲音，電話接通了）尊敬的海特勒先生，我是鮑林，很抱歉這么晚打擾您，我剛看了您在報紙上發表的用量子力學處理氫氣分子解決了兩個氫原子之間化學鍵的本質問題，并用近似方法計算了氫分子體系的波函數和能量，這讓我感到非常驚喜，您能不能大概給我講講您是如何進行計算的？

【海特勒】鮑林先生，您不必客氣，我很樂意和您分享我的計算過程。

【旁白】海特勒開始了一系列的講解，鮑林不時露出疑惑的表情，不時拿筆在筆記本上寫著，不知不覺已經天亮了。

【海特勒】好了，先生，這就是我全部的計算過程。

【鮑林】海特勒先生，非常感謝您的分享，這讓我深受啟發。我將按照您的理論繼續研究，再次感謝。

【旁白】在此之后，鮑林開始了不斷地推理和研究，實驗室的桌面上，留下了大量的計算草稿和燈光下他忙碌的身影。1931年鮑林提出了雜化軌道理論， 并于1939年發表了《化學鍵的本質》一書，在這本書中系統地闡述了雜化軌道理論并綜合成了價鍵理論，將海特勒-倫敦的理論進一步應用到多種單質和化合物的多原子分子領域，解釋了路易斯共價鍵理論中所未涉及的共價鍵的方向性，其理論可概括為：①若兩原子軌道互相重疊，兩個軌道上各有一個電子，且電子自旋方向相反，則電子配對給出單重態，形成一個電子對鍵;②兩個電子相互配對后，不能再與第三個電子配對，這就是共價鍵的飽和性;③遵循最大重疊原則，共價鍵沿著原子軌道重疊最大的方向成鍵。共價鍵具有方向性。

教師提問：通過科塞爾的“離子鍵理論”到路易斯的“共價鍵理論”再到鮑林的“價鍵理論”，大家發現了什么？科學知識會不會發生變化？發生這種變化的原因是什么？

學生回答：科學知識是不斷發展的，發生這種變化的原因是時代的進步、新的科學發現和證據不斷彌補了之前理論的缺陷，還需要科學家的創造力。

場景四

【旁白】鮑林的“雜化軌道理論”發布之后，立刻在學術界引起了巨大的反響，但是有一個人開始了思索，他拿著鮑林發表的關于雜化軌道的論文，開始不斷地計算和比對。

【馬利肯】我發現鮑林發表的雜化軌道理論有一個不太完美的地方，還是需要再改進。

【助理】先生，哪里有問題？

【馬利肯】我發現鮑林的雜化軌道理論雖然解釋了共價鍵的本質，也成功地解釋了共價分子的空間構型，但該理論仍然認為共用電子對在成鍵原子間的小區域內運動，這和量子力學不相符啊。

【助理】您這么一說，我也覺得這個理論它也不夠完善

（故事進行到這里，教師打斷1分鐘，詢問學生：如果是你的話，你準備怎么做呢？請同學們先思考，接下來，讓故事繼續，讓我們來看看馬利肯是如何處理的。）

【旁白】馬利肯開始不斷地對鮑林的雜化軌道理論按照量子力學的方式展開計算，在計算的過程中還不時請教鮑林，1932年的一天，經過馬利肯等人的不斷計算和整理，終于形成了一個偉大的理論：分子軌道理論。

【馬利肯】（非常激動地站上了講臺）今天，我將在這里向大家分享我的成就：從分子整體性來看，原子形成分子后，電子便不再屬于個別的原子軌道，而是屬于整個分子的分子軌道，分子軌道是多中心的，但原子軌道形成分子軌道時，依舊遵從能量近似原理、對稱性一致原則、最大重疊原則，電子在填充分子軌道時，符合能量最低原理、泡利不相容原理和洪特規則。

【旁白】此時，現場響起了雷鳴般的掌聲…

教師提問：通過馬利肯“分子軌道理論”的提出，你能否說明什么樣的理論才能被人們所接受？在這個過程中，想象力和創造力有沒有參與其中，如果有的話，起到了什么作用呢？馬利肯對問題的處理和你一樣嗎？這對你有什么啟示呢？

學生回答：科學的理論才能被人們接受，這個科學理論一定是在大量證據和事實的基礎上，再由科學家不斷地推理而獲得的。想象力和創造力為“分子軌道理論”的提出提供了支持，如果沒有想象力和創造力，馬利肯就不可能認為電子在整個分子內做運動。馬利肯更注重科學推理的過程，這教會我以后在進行科學探究的過程中，要基于證據進行推論。

場景五

【旁白】在價鍵理論和量子力學提出之前，人類對于配位化合物的研究已經經歷了一個多世紀，從普魯士藍的合成到維爾納配位理論的發表，無不彰顯著化學家對配位化合物研究的癡迷程度，而新的理論的誕生必將為配位化合物的進一步解釋提供新的方向，到底價鍵理論和量子力學又會怎樣推動配位理論的發展呢？接下來，讓我們走近另一位偉大的科學家：歐格爾。

【歐格爾】今天真是一個令人激動的日子，一會兒我就要見到我的偶像：配位化學之父維爾納先生了。

【維爾納】（輕輕敲門進入房間）尊敬的歐格爾先生，您好。很榮幸能有這個機會和您當面討論配位化合物問題，我聽說您最近對配位化學提出了新的想法，能大概給我講講嗎？

[歐格爾】（非常激動地和維也納握了手）當然，如果沒有您的配位理論，我也不可能取得如此大的成就。

【維爾納】知識本來就是在不斷地發展，您不必謙虛。

【歐格爾】謝謝您，維爾納先生，現在我向您大概介紹以下我的理論，如果哪里有問題，還請您隨時指出來。

【維爾納】好的，您請開始。

【歐格爾】借助于“價鍵理論”“晶體場理論”以及“分子軌道理論”，我認為，可以將三者結合起來解釋配合物的結構和性能。我按照雜化軌道理論用共價配鍵和電價配鍵解釋配位化合物中金屬離子和配位體間的結合力，用晶體場理論解釋配位化合物的結構、光譜、穩定性等性質，用分子軌道理論解釋金屬離子和配位體成鍵作用。具體證明如下…

【旁白】這場交流與討論一直持續到第二天早上

【維爾納】歐格爾先生，您的這些想法簡直太完美了，解開了配位化合物神秘的面紗，希望您能趕緊動手將這些整理成書發表出來，好讓大家都了解這個偉大的發現。

【歐格爾】能得到您的認同，我真的太激動了。

【旁白】沒過多久，歐格爾的“配位場理論”正式發表，得到了學術界一致地稱贊。

（3）反思與總結階段

在本節課的最后，教師引導學生對本節課的內容展開思考，詢問學生通過本堂課的學習你學會了什么？科學知識體現了怎樣的特征？科學家在不斷的研究中都采用了什么方法？這對你今后的學習有什么啟示？

學生按小組自主討論總結上述問題的答案，并選擇代表上臺分享小組答案。通過討論與分享，對“化學鍵理論發展史”進行再次整理。加強了學生對于知識的暫定性和利用觀察和實驗獲得證據、基于證據進行推理、科學方法的理解，意識到想象力和創造力在科學理論提出過程中的重要性，并進一步認識到科學理論在科學發展中的重要作用，促進學生對于科學本質的理解，有利于學生正確的科學本質觀形成。

三、總結與反思

本文在新課標的指導下，梳理了科學本質的內容及其教學意義，并分析了 IHV教學模式的具體操作過程，在此基礎上，以“化學鍵發展史”為例探討了如何利用IHV教學模式促進學生對科學本質的理解并幫助學生建立正確的科學本質觀。從整個教學設計來看，在IHV教學模式中，教師通過有目的的小品設計， 將“活動”“化學史”“科學本質”成功地融為一體，能夠有效建立互動型課堂，提高學生的課堂參與度，寓教于樂，能夠有效地幫助學生在體會化學史的發展進程中加深對于科學本質的理解，從而實現IHV教學模式下的科學本質教學。

不過，在使用IHV教學模式的時候也要注意：化學史的內容要緊扣教學內容，促使學生對于知識的理解;化學史小品不可占時過多，影響正常教學進程;在進行IHV教學的過程中，要善于調動學生自編自演的積極性[13]。同時，化學史小品的內容應盡量貼近史實。在化學史小品的編撰過程中，難免受教學效果的影響，會對原本的化學史有一定的改動，故此要盡量貼近史實，還原真實情況下科學家們的思想與行為， 防止學生對歷史產生錯誤的認識。教師還要注重啟發引導，教學方式的選擇是為了更好地實現教學目標，在IHV教學模式中，教師要善于啟發引導學生積極思考，做好學生發展的“促進者”，防止“假熱鬧”課堂的出現。

新課標的頒布為化學史的教學提供了新的土壤， 而IHV作為一種有效的化學史教學模式，將有效地豐富化學課堂，在這樣的課堂中，學生能夠充分地感受到化學的魅力和化學家的風采，從而激發學生對于化學的熱愛。

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