從科學方法視角建構認識高中化學課程體系的思路

摘 要： 科學方法是構成科學整體框架不可或缺的內容。將科學方法教育從缺失到覺醒，再轉變為自覺，其教學理念從隱性到顯性，教學實操從知識方法分離到知識方法融合，結構從碎片化到系統性，幫助學生對科學方法的認識從偶有接觸到多法綜合。實踐證明，科學方法是學生思維進階的幫手，增強科學方法與高中化學課程體系的匹配與銜接，引領學生從科學觀視角出發，運用科學方法建構學習高中化學課程的基本思路，能夠較好地助力學生完善高中化學課程體系的一體化架構。

關鍵詞： 科學方法； 高中化學； 課程體系； 化學史； 科學哲學

文章編號： 1005-6629（2024）11-0009-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

科學方法是科學實踐的產物，也是科學探究的成果。在基礎教育階段實施科學方法教育，

是引導學生獲取正確科學認知的前提與保障，也是學校能夠給予學生的最具有生命力的教育。掌握科學方法的多少和熟練程度，是學生進一步學習的有力工具，也是學生離開學校忘卻知識，但仍然能夠施展能力的基礎［1］。高中教師要本著倡導科學方法教育的觀念，將其落實于日常的科學教學之中，不僅要傳授學生基本的科學知識，更要幫助學生掌握具有普遍價值的科學方法。

1 發展科學方法教育的現實背景

究竟把揭示自然規律的知識本身作為目的，還是把知識作為工具以掌握研究自然規律的科學方法為目的，這是當前科學教學中存在的兩種完全不同的教育思想。法國科學家笛卡爾說：“最有價值的知識，是關于方法的知識。”當前的高中物理、化學、生物、地理等科學學科中存在的缺乏方法指導的純知識性教學，容易讓學生產生多、雜、散、亂的不良感覺和知識的負遷移，甚至喪失學科興趣。同樣，缺乏多樣性科學方法的教學，學生往往僅會運用實驗和驗證兩種方法，甚至將實驗操作方法和解題的技巧性方法代替其余的科學方法。打破這種局面，需要建立學科特有的思維方法，即構建這門學科符合自身研究對象特征的形式、符號、數學模型和實驗模型的方法，并將科學方法的教學從隱性滲透轉變為顯性明示［2］，將學科獨特的方法與多種科學思維方法結合教學，避免學生陷入少數思維方法的缺陷和誤區中，有效提升學生綜合運用多種科學思維方法解決問題的能力［3］。

2 科學方法的地位與作用

科學研究始于問題，科學研究的終極目標是解決問題，而解決問題需要方法。因此，在科學學習過程中要把握科學方法。科學本質觀是對科學本質問題的認識，科學的本質并不是證實真理，而是發現已有真理的錯誤，不斷更新真理。通過科學方法對知識進行系統性加工、組織、重建及運用，學生頭腦中原有的知識結構才會轉化為更加清晰的新的認知結構［4］。因此，科學方法對促進學生科學本質觀的形成意義重大，起著探索新的生長點、確立新的研究方向、揭示科學思維基本原理的作用。從科學發展的歷史來看，科學方法論經歷了“自然哲學方法論、哲學方法論、邏輯方法論和理論方法論”四種形態。若將科學方法融入科學本質教育中［5］，能更清晰地定位科學方法，更適切地發揮科學方法的功能。

2.1 科學方法與科學四維度的關系

科學分為相互關聯、相互依存的四個維度：科學知識、科學方法、科學態度和科學精神。它們共同構成了科學的本質特征，如圖1所示。唯有四者有機結合，才能產生真正的科學研究成果。科學方法本質上歸屬于科學認識，是認識主體與客體發生互動中采用的工具和手段，是人類在科學認識的發展過程中總結形成的。科學方法貫穿于整個科學領域，維系科學結構的穩定。科學方法是科學發現的手段，是形成與發展科學理論的催化劑，也是規范和優化科學研究程序的指南。

2.2 科學方法與科學思維的關聯

思維是建立在實踐活動表象基礎上的感性認識，借助于語言以知識為媒介而實現表達。科學思維主要包括模型、推理、論證、批判性思維、創新性思維等。科學思維的形式建立在科學方法掌握之上，科學方法的結構見圖2。科學思維的基本形式和科學方法幾乎疊加在一起。因此，科學方法的運用離不開思維，思維形式的展開也離不開科學方法。在實際教學中，科學方法是思維型課堂的推手。其中，哲學方法能夠引導學生運用正確的思維方法解決問題。因此，科學方法教育要以哲學方法體系為總指導綱領，將哲學與自然科學融合。

3 科學方法指導下建構高中化學課程體系

從認識論的角度看，科學教育必須納入科學史、科學哲學、科學社會學的內容。科學史是科學方法的來源寶庫，科學哲學是科學方法的載體，科學社會學是科學方法的價值體現。高中化學學科具有專屬的科學方法，如宏微結合法、轉化法、平衡法、模型法、分類法、假說法、守恒法、變量控制法、觀察法、實驗法等［7］。一般采用想象、歸納、演繹法從化學史層面讓學生親歷科學家的研究路程，采用觀察、實驗、推理、論證法從科學哲學視角實施科學探究和科學實踐，采用比較、分類、類比、分析、綜合、模型法進行四重表征（包括宏觀、微觀、符號、曲線），進而獲得科學概念，落實科學本質觀。

正確理解學科的研究方法有助于學生從“應該知道什么”向“如何才能知道”以及“為什么要這樣做”轉變，也就是從知識到過程再到思考的轉變。因此，在高中化學教學中，讓學生從科學觀視角出發，運用科學方法認識高中化學課程體系，是構建高中化學課程基本框架和思路的正確路徑，更加符合學生的學習規律。

3.1 課程標準中高中化學課程體系的建構思路

高中化學必修課程打通了化學1和化學2的邊界隔閡，不設模塊，只設主題。選擇性必修課程依據化學學科的基礎性研究領域，設置3個模塊，其內容取向各有選擇性，其理論知識在必修課程基礎上深化拓展，體現發展性，并反映出學科核心素養的高階要求。但選擇性必修課程各模塊依然依據主題組織實施。

課程標準提出高中化學課程體系建構的基本思路是采取“主題—學科觀念—課程內容”的體例，這種組織方式使得課程內容層級細化，有利于知識結構化、網絡化。即在確定課程內容時，先構建若干個主題，在每個主題的統攝下提煉若干個核心概念，然后對核心概念進行認識性描述，而具體的知識點就蘊含在其中。課程標準中高中化學課程體系內容組織方式及其多重價值見圖3。將“從科學方法視角認識高中化學課程體系的思路建構”放在各主題實施過程中，在主題式教學中運用科學方法幫助學生跳出知識的束縛，能較好地幫助學生實現核心觀念的結構化。

3.2 必修課程體系的建構

必修課程是為全體學生奠定共同的基礎而設置的。在必修課程階段，化學的邏輯主線尚未明晰，教師要引導學生圍繞少數大概念來學習各章節的內容，厘清必修知識學習的價值所在，突出化學觀念的統領作用和科學方法的指引作用，不必過于糾結瑣碎的具體知識。

課程標準提出必修課程內容可以依據5個主題組織，目的是提高課程實施的整體性。主題1“化學科學與實驗探究”涉及的內容包括“化學科學的主要特征、科學探究過程、化學實驗、科學態度與安全意識、學生必做實驗”。教師要采用“分類、模型、化學實驗設計、變量控制”等方法整體規劃實驗及探究教學，讓學生能基于物質的量認識物質組成及其化學變化。主題2“常見的無機物及其應用”涉及的內容包括“元素與物質、氧化還原反應、電離與離子反應、金屬及其化合物、非金屬及其化合物、物質性質及物質轉化的價值、學生必做實驗”。當前高中化學對元素化合物的教學主要集中在鈉、氯、硫、氮、鐵這5種元素，淡化了諸多元素化合物具體性質的學習。教師要秉持“認識元素及其化合物性質的視角和預測法”，著力在元素化合物學習的基本方法如分類與轉化，認識途徑如化合價和物質類別的關系上。主題3“物質結構基礎及化學反應規律”涉及的內容包括“原子結構與元素周期律、化學鍵、化學反應的限度和快慢、化學反應與能量轉化、學生必做實驗”。人類對元素周期律的漫長認識歷程與對物質的認知過程一致。但現代化學已經從物質的結構、性質、用途的關系研究升華到依據需求制造新的物質。主題4“簡單的有機化合物及其應用”涉及的內容包括“有機物的結構特點、典型有機物的性質、有機化學研究的價值、學生必做實驗”。教師要本著認識有機物的一般思路，引導學生采用觀察實驗現象、聯系生產生活實際、歸納總結等方法學習典型有機物的結構、性質及應用。主題5“化學與社會發展”涉及的內容包括“化學促進可持續發展，化學科學在材料科學、人類健康等方面的重要作用，化學在自然資源和能源綜合利用方面的重要價值，化學在環境保護中的作用，化學應用的安全與規則意識”。教師要引導學生關注化學的功能價值，比如“物質及其轉化與社會生產生活的聯系，對人類、自然和社會可持續發展的作用”等，充分理解化學學科對社會的作用和意義。

必修課程要努力體現化學基本觀念與發展趨勢，以適應未來社會發展的需求。采用針對性的科學方法挖掘知識背后“具有生長功能的開放系統”，可以幫助學生經歷一個由靜態到動態、由孤立到關聯的有意義的學習過程。

3.3 選擇性必修課程體系的建構

課程標準提出選擇性必修課程的內容和目標是依據學生對必修課程認識的發展而設置的，教師要將選擇性必修課程與化學科學發展的方向關聯，幫助學生實現對化學基本觀念的發展性理解。這就需要教師將選擇性必修課程與大學化學關聯，實現自身對化學知識內容的本原性理解，才能游刃有余地站在科學方法的視角引領學生學習選擇性必修課程［8］。

選擇性必修1《化學反應原理》課程模塊的邏輯主線是從認識化學反應到調控化學反應，教師要抓住這條邏輯主線實施相關科學方法引領的教學［9］。《化學反應原理》課程內容可以依據3個主題組織。主題1“化學反應與能量”涉及的內容包括“體系與能量、化學反應與熱能、化學反應與電能”，教師要引導學生運用圖像分析法、定性分析與定量分析法，建立物質與能量、化學反應與能量轉化之間的聯系。主題2“化學反應的方向、限度和速率”涉及的內容包括“化學反應的方向與限度、化學反應速率、化學反應的調控”，教師要引導學生運用化學方程式中的變化與守恒法、平衡思想建立認識化學反應、調控化學反應的熱力學與動力學兩大角度。主題3“水溶液中的離子反應與平衡”涉及的內容包括“電解質在水溶液中的行為、電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡、離子反應與平衡的應用”，教師要運用電解質溶液中的電荷守恒與元素質量守恒法，以及平衡思想分析、解釋與溶液中離子反應相關的物質轉化問題。“化學反應與電能”往往在主題3結束后再將其置于主題1的統領下實施，采用電化學過程的系統思想與方法，圍繞電子導體與離子導體界面的電極反應建立調控電極反應的角度，豐富和發展學生調控化學反應的思路。

選擇性必修2《物質結構與性質》將“物質微觀結構的概念、原理、結構與性質關系”這些模塊大概念作為教學結構的中心［10］。其課程內容可以依據3個主題組織，均較多采用想象、類比、模型法來學習。主題1“原子結構與元素的性質”重在幫助學生建立“位置、結構和性質”關系的系統思維框架。涉及的內容包括“原子核外電子的運動狀態，核外電子排布規律，核外電子排布與元素周期律（表）”。主題2“微粒間的相互作用與物質的性質”以模塊大概念“結構決定性質”統領第二、三兩章，依照邏輯關系，闡明分子結構與性質、晶體結構與性質的關系［11］。涉及的內容包括“微粒間的相互作用、共價鍵的本質和特征、分子的空間結構、晶體和聚集狀態”。主題3“研究物質結構的方法與價值”貫穿于主題1和2的始終，涉及的內容包括“物質結構的探索是無止境的，研究物質結構的方法，研究物質結構的價值”。

從高中化學課程的整體看，選擇性必修3《有機化學基礎》是收官模塊，其教學應該成為學生科學方法學習的發展高地［12］，課程內容可以依據3個主題組織。主題1“有機化合物的組成與結構”涉及的內容包括“有機物的分子結構、官能團、化學鍵”，可以引導學生從碳骨架、官能團、原子團之間的相互影響這三個方面，基于系統思維優化認識有機物的一般思路。主題2“烴及其衍生物的性質與應用”涉及的內容包括“烴的性質與應用、烴的衍生物的性質與應用、有機反應類型與有機合成、有機物的安全使用”，這是將反應原理和結構模型遷移運用的良好實踐平臺，可以運用“物質結構與性質”模塊的科學方法研究有機反應，運用反應原理的科學方法解釋有機反應，盡可能幫助學生實現化學科學方法的飛躍發展。主題3“生物大分子及合成高分子”涉及的內容包括“聚合物的結構特點、生物大分子、合成高分子”，內容既豐富又獨特，教師要有針對性地選擇素材、創設情境，帶領學生運用多樣化的科學方法深入知識的意義系統。

4 普通高中實施科學方法教育的反思

科學有法，但無定法。科學方法對于高中學科課程體系的整體建構和組織實施起著指導性和指引性的作用。在科學方法教育中要始終注意以下三個方面：一是要在特定的情境中選擇合適的方法解決實際問題，不能生搬硬套某一種科學方法［13］，學會運用跨學科的綜合科學方法和思維方式解決真實問題已經成為趨勢。化學學科中，學生只有在思維方法和化學方法的協同作用下才能獲得活化的具有實際價值的知識。二是嫻熟的科學方法可以避免學生思想受限，有助于培養學生善于發現有發展前途的研究方向的科學鑒賞力。化學學科中，化學方法教育可以培養學生預見化學研究工作可能產生的結果的敏銳判斷力。三是看似普通的日常現象，可能蘊含著深刻的科學原理，這就需要方法創新。化學學科中，化學科學方法對解釋和理解生活現象發揮著不可替代的作用。

參考文獻：

［1］李正福， 谷雅慧. 百年中學物理教科書中科學方法教育的變遷研究［J］. 物理教師， 2017， 38（3）： 69～73， 78.

［2］姜智萌， 魏冰. 科學方法多樣性： 科學方法教育的新思路［J］. 化學教學， 2023， （1）： 3～6， 18.

［3］朱玉軍， 王香鳳. 科學思維： 內涵、要素與方法［J］. 化學教育（中英文）， 2024， 45（1）： 9～14Hiv2iklAxIR/C+FWYY41VA==.

［4］邵鋒星. 科學方法教育： 拓展科學學科育人價值的關鍵環節［J］. 基礎教育課程， 2020， （10）： 64～68.

［5］

Kampourakis K. （The） Nature（s） of science（s） and （the） scientific method（s） ［J］. Science & Education， 2016， 25（1）： 1～2.

［6］蔡鐵權， 薛真. 踐行科學方法的科學教育［J/OL］. 浙江師范大學學報（自然科學版）. https：//link.cnki.net/urlid/33.1291.N.20231225.1605.001.

［7］龔文慧， 邢紅軍. 我國化學科學方法教育的回顧、探索與前瞻［J］. 化學教學， 2022， （9）： 9～13.

［8］陳進前. 從發展角度理解選擇性必修課程——基于人教版普通高中化學選擇性必修教科書［J］. 中學化學教學參考， 2024， （1）： 1～5.

［9］陳進前. 從認識化學反應到調控化學反應——論選擇性必修1《化學反應原理》的理解思路［J］. 中學化學教學參考， 2024， （4）： 1～5.

［10］王換榮， 肖中榮. 學科大概念多重層級下的主題大概念教學路徑——以人教版（2019版）選擇性必修2《物質結構與性質》為例［J］. 化學教學， 2023， （9）： 25～28.

［11］王云生. 發揮教科書對教學的引領作用——人教版2020年版《物質結構與性質》教材的編寫特色［J］. 化學教學， 2022， （5）： 19～22.

［12］蔣維云， 陳進前. 《有機化學基礎》應該成為核心素養發展的高地［J］. 中學化學教學參考， 2023， （19）： 1～4.

［13］萬東升， 魏冰. 以當代科學實踐為情境的科學教學模式初探［J］. 課程·教材·教法， 2016， 36（12）： 85～90.