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促进学生科学本质理解的教学设计
作者:梁永平    文章来源:化学教学    点击数:    更新时间:2009-11-19

培养学生的科学素养是科学教育的一个永恒目标。适当理解科学本质是科学素养的核心成分之一。帮助学生发展适当的科学本质观(NOS)是“表述最普遍的科学教育目标之一”。这个目标已被大多数科学家,科学教育组织和科学教育者认同达90年,最近在主要的科学教育改革中再次得到强调。美国的科学促进会和国家科学教师协会目前特别强调科学教育要促进学生具备良好的科学本质观。我国国务院颁发的《全民科学素质行动计划纲要(2006-2010-2020年)》中将“初步认识科学本质”作为行动目标之一。在新颁布的科学课程标准中提到,“通过科学教育使学生逐步领会科学的本质”、“发展学生对科学本质的理解”。

实现这一目标的关键是理科教师要设计出促进学生科学本质理解的教学活动。基于科学本质理解的教学有助于促进学生对于科学本质的理解;有助于使学生理解性学习科学内容;有助于培养学生的批判精神和创造性思维。本文结合案例对促进学生科学本质理解的教学设计进行探讨。

1  促进学生科学本质理解的教学设计理论

当代科学本质观的哲学范式是建构主义。建构主义认为,科学知识的获得是科学家根据现有的理论(原有知识)来建构科学知识,建构主义强调科学知识是暂时性的、主观的、建构性的,它会不断地被修正和推翻。“在建构主义看来,知识不再是纯粹客观性的。可以将科学知识看成是由假说和模型所构成的系统,这些假说和模型是描述世界可能是怎样的,而不是描述世界是怎样的。这些假说和模型之所以有效并不是因为它们精确地描述了现实世界,而是以这些假说和模型为基础精确地预言了现实世界。”因此,当代科学本质观的基本内涵可以概括为:科学认识的对象是客观的,科学认识活动的过程不是一个简单的“拷贝”或“反映”,而是一个认识主体对客体的作用过程。在这个作用过程中,认识主体的已有经验或背景起着重要的作用;科学认识活动是以事实为基础的,但事实本身并不是科学。换句话说,知道的并不都是看到的。在观察和推论之间存在着区别,从观察到推论的认识过程并不是一个连续的认识序列;科学定律和科学理论是科学认识的两种形式,它们各自的产生范式是不同的。科学定律的产生范式是归纳式,科学理论的产生范式是建构式;科学认识的结果,并不是纯粹客观的,包含有人的想象性和创造性。正因为在认识的成分中,不完全是客观的,其中含有人的主观性,所以科学认识是相对合理的,有时甚至是错误的,所以科学知识具有暂定性本质。

探究性教学是促进学生科学本质理解的必要条件。学生的科学学习活动应该与科学家的认识活动同构。科学的核心是探究,科学家进行科学认识的基本方式是探究活动,科学知识是科学家在探究基础上获得的,因此学生科学学习活动的基本方式应该是探究活动,学生理解科学及其科学本质的学习活动也应该是科学探究活动。

显性和反思性教学是促进学生科学本质理解的充分条件。我国科学课程标准文本中表述到,“在科学课程中,学生将通过科学探究方式理解科学知识,学习科学技能,体验科学过程与方法,初步理解科学本质,形成科学态度,情感与价值观,培养创新意识和实践能力”。显然,我国科学课程标准将科学本质的理解作为科学探究活动的伴随结果,似乎表达出一种认识:进行科学过程和方法教育就是进行科学本质教育。国外也有学者主张学生通过做中学能够理解科学本质,提倡利用做中学探究活动以及科学过程技能教学(没有显性涉及科学本质)增强学生的科学本质观。然而,研究表明隐性的方法在帮助学生发展理想的科学本质观方面不是有效的。隐性方法对于增强学生科学本质观的无效性归于一个基本假设:学生能够自动发展较好的科学本质观是参与科学探究活动或科学过程技能教学的伴随产物。这个假设是建立在一些科学教育工作者所持有的观点,即认为学习科学本质似乎是一种情感方面的学习结果。其实,理解科学本质应该认为是一种认知性学习结果,应该被显性的教,而不是期望“在科学活动中通过一种渗透过程被同化”。所以有学者倡导通过显性和反思性方法发展学生的科学本质理解,认为促进学生科学本质观的目标“应该计划而不是预期作为变化科学教学方法的副产物或第二种产物”。“显性”不是指说教的策略,而是突出一种意图,即科学本质理解是认知性教学结果,应该是被有意的确定为目标和计划。“反思性”是与教学要素相关的,涉及到为学生提供认识论层面的分析活动机会。简要来说,显性和反思性方法强调学生应意识到一些与他们参与的科学活动有关的科学本质观方面,强调学生在包含这些科学本质观方面的框架下的反思活动。研究表明,显性和反思性方法是促进学生科学本质理解的较为有效的方法。

所以,科学本质教育设计的理论可以概括为:以建构主义为哲学基础,以探究性教学为基本活动方式,以显性和反思性活动为基本教学策略。

 

2促进学生科学本质理解的教学设计策略

2.1 将科学本质理解作为显性教学目标

教学目标是整个教学行为的导向系统,对于教学认识活动设计具有指导性作用。教师在教学目标中如果没有考虑到对科学本质的理解,也就不可能自觉表现出科学本质的具体教学行为。已有研究表明,科学本质理解是一种认知性学习结果。教师具有精深的科学本质理解和进行科学本质教学的意向是发展学生科学本质理解的两个必要条件。因此,将科学本质理解作为显性教学目标是进行科学本质教学的前提。

2.2设计具有认识论水平的教学主题

教学宏观认识活动是以教学主题来展开的。因此,教学主题的设计直接影响着整个宏观教学认识活动。科学作为一种认识的方式,其本质观与科学的认识论有关。为了发展学生对科学本质的理解,教师应该成为认识论者,对科学具有较深的认识论理解,并在其教学行为中组织学生参与较深的认识论讨论。具有一定认识论水平的教学是发展学生科学本质观的关键之一,因此具有一定认识论水平的教学主题也就成为科学本质教学设计的关键构成。教学主题应该具有三个基本功能::认识论指导功能;教学目标指向功能;学习活动驱动功能。考虑到学生的学习应该是有意义的学习,教学主题设计应该遵循四个基本原则,即认识论指导原则、教学目标指向原则、驱动性原则和有意义学习原则。

2.3能够显性区别观察和推论

理解观察和推论之间的根本区别是弄懂隐藏在科学世界的许多推论、理论以及相关术语的前提,也是理解科学本质的前提。如果对于观察和推论不能加以显性区别,就会使学生认为推论就是观察的结果,知道的就是看见的,科学认识就是对于自然世界认识的“拷贝”性“发现”。这样既不利于学生理解科学内容本身,也不利于理解科学本质。因此,只有将观察和推论加以显性区别,并设计出跨越观察到推论之间的话语,才能真正实现学生认识上的跨越,从而在理解内容的基础上理解科学本质。

2.4注重知识的产生方式

与观察和推论之间差别紧密相关的是科学理论和科学定律之间的差别。定律是对观察现象间关系的描述性陈述,理论是对观察现象或这些现象中的规律提出的假设。所以,科学定律和科学理论最本质的区别就在于它们产生方式的不同,科学定律的产生方式是归纳模式,科学理论产生的方式是建构模式。教师在组织学生学习研究科学定律的时候,使用的知识形成话语是“从大量的事实可以归纳出……”。在组织学生学习研究科学理论的时候,使用的知识形成话语是“我们提出……理论能够很好地解释这些事实,这种理论的合理性可以通过证实其预测的情况来间接找到支持性依据。”在理论学习的过程中,使用话语“发现”是不恰当的,因为这会使学生误以为果真如此。

2.5进行反思性评价活动

发展学生的科学本质观是一种认知性教学结果,这种学习需要反思性活动。反思性方法强调学生应意识到一些与他们参与的科学活动有关的科学本质观方面的内容。已有研究表明,反思性活动对于科学本质发展具有显著的效果。教师应该为学生提供多种机会反思科学本质,以帮助学生发展科学本质理解。可以对科学家的认识活动史进行反思,也可以对学生自己的认识活动过程进行反思。在我国目前内容与课时矛盾比较突出的情况下,反思学生自己的认识活动可能是一种较为可行的方案。在反思性活动中,让学生从知识的“来龙去脉”综合评价知识的合理性。“来”指的是知识的产生方式,“去”指的是知识的解释功能和预测指导研究功能。

2.6在作业设计中关注科学本质

作业对于教学目标的落实具有不可替代的功能,同时也具有一定的评价反馈功能。为了让学生对于科学本质有较好的理解,设计一定的含有科学本质理解的作业是必要的。如果学生的科学学习作业仅局限在知识的掌握及其应用上,追求答案的惟一性,就会导致教师只关注知识是什么和知识怎么用的思维方式。如果在科学学习过程中缺乏对于科学本质的理解性作业,就等于没有给学生提供对科学知识进行评价的机会,培养学生的批判性精神和创新精神也就成为一句空话。在作业中对作为显性认知性教学目标的科学本质给予关注,并进行一定程度的反思和评价可以使学生对于科学本质的理解得到强化和深化。在作业设计的具体策略上,除了设计知识的理解性和掌握性作业外,还要设计一定的评价性作业。对于学生科学本质理解的评价性作业可以从以下三个方面来进行:①评价学生对于科学内容的理解;②评价学生对科学知识产生方式的理解;③评价学生对于科学知识合理性的理解。

 

3  教学设计案例

化学键是化学教学的重要内容,其中蕴涵着丰富的科学本质内容。现以“化学键”为例,说明如何进行促进学生科学本质理解的教学设计。

3.1教学目标构建

3.1.1“化学键”教学设计的认识论思考(WWHW模型)

l)化学键概念及其理论内容是什么?(what)

化学键概念:化学键是相邻原子之间强烈的相互作用。化学键理论:原子之间强烈的相互作用与原子的结构有关。原子在形成较为稳定的晶体或分子时,原子之间通过电子得失或共用电子的方式使作用的原子均达到稳定的状态。如果原子之间的作用是通过电子得失达到稳定结构,这种作用称为离子键;如果原子之间的作用通过共用电子的方式达到稳定结构,这种作用称为共价键。

(2)化学键概念及其理论的价值是什么?(What)

化学键概念的引人主要是进一步从微观角度认识化学反应。就中学生来说,在化学键概念学习以前,对于化学反应的认识已经历了三个阶段:

①基于化学变化概念的理解:化学反应是一个有新物质生成的过程。

②基于分子概念的理解:化学反应是一个有新分子生成的过程。

③基于原子概念的理解:化李反应是原子之间重新组合的过程。

化学键概念学习是对化学反应深入认识的第四个阶段。化学键理论具有解释化学反应本质的功能。通过化学键的学习,使学生进一步认识到原子之间的重新组合与原子的结构有关;化学反应的本质是旧键断裂和新键生成的过程;化学反应伴随的能量变化取决于破坏旧键吸收的能量和生成新键放出的能量。

化学键理论还可以指导物质性质的研究。

(3)化学键概念及其理论知识是如何产生的?(How)

①化学键知识的产生方式是对于原子之间作用的一种建构性认识。

②原子之间的化学键是不能观察到的,只能通过让物质发生化学变化来间接推断。

③化学键理论是从原子趋向于形成较为稳定的结构这一角度来进行建构的。

(4)为什么化学键概念及理论知识是合理的?why

①化学键概念是以事实为基础提出来的。

②化学键理论是以事实为基础,并建立在原子结构理论基础上提出的。

③化学键理论能够解释和预测物质的性质。

④化学键理论能够解释化学反应的本质。

⑤化学键理论能够解释化学反应中的能量变化。

⑥化学键理论能够解释物质是能量的贮存体。

 

3.1.2“化学键”与科学本质观

    WWHW思考基础上可以分析出“化学键”内容中的科学本质观:

l)化学键是以一定的事实为基础而建构的一个概念。化学键理论是以事实为基础并结合人们认可的原子结构认识而建构的理论,能够较为满意的解释化学反应的本质和化学反应伴随能量变化的事实,预测物质的性质。

2)“化学键”中折射的科学本质观有:科学是建立在事实基础之上的;知道的并不都是观察到的,在观察和推论之间有明显的区别;科学理论的产生式是建构式;科学理论之所以被人们接受,是因为它能够较为满意的解释相关的事实,同时起到指导物质性质研究的作用。

3.1.3“化学键”教学目标

以“化学键”教学设计的WWHW思考为认识论指导,以“横纵关照”为操作技术可以构建出“化学键”的教学目标:

l)通过典型的物质发生化学反应需要能量的事实,使学生认识到原子之间存在着相互作用,进而建立化学键概念。

(2)从原子结构角度进一步认识原子之间的作用,了解化学键的类型有离子键和共价键。

(3)从化学键的角度解释化学反应的本质,使学生认识到化学反应本质上是旧键的断裂和新键的生成。

(4)从化学反应的本质(旧键的断裂和新键的生成)解释化学反应中的能量变化。

(5)通过化学键的学习和对其知识产生方式的反思,评价其合理性,使学生对于科学理论的本质有一定的认识。

 

3.2教学主题设计

根据教学主题设计的原则,“化学键”教学主题可以设计为:

(l)为什么许多物质参与化学反应需要一定的能量(如加热、通电或点燃)驱动?

在该主题引导下,使学生认识到原子之间存在着相互作用,进而建立化学键概念。

(2)物质构成的进一步研究—原子之间是如何作用构成物质分子的?

在此主题引导下,从原子结构角度进一步认识原子之间的作用,了解化学键的类型有离子键和共价键。

(3)化学反应的本质是什么?

在该主题引导下,从化学键的角度解释化学反应的本质,使学生认识到化学反应本质上是旧键的断裂和新键的生成。

4)为什么化学反应伴随有能量变化?

在此主题引导下,从化学反应的本质(旧键的断裂和新键的生成)解释化学反应中的能量变化。

5)化学键理论为什么是合理的?

在这一主题引导下,通过对化学键知识学习的回顾以及对其知识产生方式的反思,评价其合理性,使学生对于科学理论的本质有一定的认识。

 

3.3教学过程设计

教学过程以教学主题为宏观架构进行设计。在微观的教学活动中要通过显性和反思性活动让学生在理解化学键的同时,理解科学理论的本质。在显性活动中注意区别观察和推论、注重知识的产生方式以及教学话语。在反思性活动中,让学生清晰回顾知识学习过程,对知识产生方式进行反思,评价其合理性,使学生对于科学理论的本质有一定的认识。

3.3.1 为什么许多物质参与化学反应需要一定的能量(如加热、通电或点燃)驱动?

【事实】水分解生成氢气和氧气需要通电。

【推论】通电是为水的分解提供所需的能量,说明水分子内的氢氧原子之间存在着强烈的相互作用。

【化学键定义】分子或晶体中两个或多个原子(离子)之间的强烈的相互吸引作用。

【显性话语】我们观察不到化学键,我们是通过物质反应需要能量来间接判断原子之间存在着作用,将这种作用定义为化学键。所以化学键是我们根据事实建构的知识。

 

3.3.2物质构成的进一步研究—原子之间是如何作用构成物质分子的?

从原子结构角度考虑的依据:化学键是原子之间的相互作用,在学习化合价时曾以离子化合物和共价化合物的形成过程为例,说明为什么元素化合价有正有负,而且元素的化合价与元素原子最外层电子数有关。因此,化学键应该与原子结构有密切的关系。如果能够从原子结构的角度对于化学键进行进一步的解释,就更能说明原子结构理论的合理性。

l)对氯化钠形成过程的考察

【事实推论】氯化钠晶体由氯离子和钠离子构成。

【解释】原子之间通过电子得失形成较为稳定的离子,阴阳离子之间通过静电作用形成离子键。

2)对氯化氢分子形成过程的考察。

【事实推论】氯化氢以分子形式存在。

【解释】原子之间通过共用电子对,即形成共价键使原子达到较为稳定的结构。

【显性话语】我们观察不到原子之间的作用过程,也就是说观察不到离子键形成过程中原子之间的电子得失或共价键形成过程中原子之间的电子共用。离子键和共价键是我们在原子结构知识基础之上提出的解释离子化合物和共价化合物的建构性知识。

 

3.3.3化学反应的本质是什么?

【解释问题】

l)氢气在氧气中点燃生成稳定的水

要点:氢气和氧气单独都能够较为稳定的存在,是因为氢气中氢原子之间存在着强的相互作用,即有化学键。氧气中的氧原子也之间存在着强的相互作用,即有化学键。点燃条件用于破坏氢一氢、氧一氧之间的作用。反应容易进行,说明氢一氧之间的作用强于氢一氢、氧一氧之间的作用。

(2)对氢气在氯气中点燃生成较为稳定的氯化氢进行类似性解释。

(3)对氮气和氢气在高温高压下生成较为稳定的氨气进行类似性解释。

【小结】化学反应中物质变化的实质是旧化学键的断裂和新化学键的生成。

 

3.3.4为什么化学反应伴随有能量变化?

【推论基础】破坏化学键需要吸收能量。

【推论】形成化学键就会放出能量。

【解释】化学反应伴随有能量变化是因为有化学键的断裂和化学键的形成。如果一个化学反应形成化学键放出的热量大于破坏化学键吸收的能量,则这个化学反应为放热反应;如果一个化学反应形成化学键放出的能量小于破坏化学键吸收的能量,则这个化学反应为吸热反应。

【显性话语】我们利用所建构的化学键知识较为满意地解释了化学反应伴随有能量变化,这进一步说明了化学键知识的合理性。

 

3.3.5化学键理论为什么是合理的?

【简要小结学习内容及过程】

(1)化学键是人们对原子之间强烈的相互作用的定义。化学键是我们不能观察到的,只是通过物质反应需要能量来间接推论出原子之间存在着相互作用,将这种作用定义为化学键。所以化学键是我们根据事实建构的知识。

(2)离子键和共价键是我们在原子结构知识基础之上提出的解释离子化合物和共价化合物的建构性知识。阴、阳离子结合成化合物的静电作用叫做离子键。原子之间通过共用电子对所形成的相互作用叫做共价键。

(3)化学反应的本质是旧键的断裂和新键的生成。化学反应伴随有能量变化与化学键的断裂吸收能量和化学键形成放出能量有关。

【强调化学键知识的产生式】

(l)化学键是我们不能观察到的,只是通过物质反应需要能量来间接推论出原子之间存在着作

用,将这种作用定义为化学键。化学键是我们根据事实建构的知识。

(2)离子键和共价键是我们在原子结构知识基础之上,即从原子趋向于形成较为稳定的结构这一角度提出的解释离子化合物和共价化合物的建构性知识。

【强调化学键知识的合理性】

(1)化学键概念是以事实为基础提出来的。

(2)化学键理论是建立在原子结构理论基础上提出的。

(3)化学键理论能够解释和预测一些物质的性质。

(4)化学键理论能够解释化学反应的本质。

 

3.3.4作业设计

按照教学目标,可以设计以下作业:

(l)描述CaC12BrZ中原子之间的作用。

(2)解释在点燃条件下氢气在氯气中燃烧放出热量。

(3)原子之间强烈的相互作用叫做化学键。你能观察到原子之间的相互作用吗?你相信原子之间存在着作用吗?请说明理由。

(4)离子键和共价键是化学键的两种类型。请你说明离子键和共价键是从什么角度解释原子之间的作用的?

(5)你认为化学键知识合理吗?请给出你的观点。

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