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在化学微观认识学习中发展学生科学本质理解的思考
作者:梁永平    文章来源:化学教育    点击数:    更新时间:2009-11-25

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”。但是,这些理念在我国基础科学教育界并没有引起广大理科教师的重视。

科学的本质是什么?化学学科的基本特征是从微观的角度认识和研究物质转化,化学学科的这一基本特征与发展科学本质观有何关系?如何在化学微观认识学习中发展学生的科学本质观?这些问题就成为本文研究的基本问题。

1   科学的本质

科学作为一种认识的方式,其本质观与科学的认识论和科学社会学有关,也与科学知识及其发展所固有的价值和信念有关。科学哲学家、科学史学家、科学社会学家和科学教育家对科学本质观的具体定义是不一致的。这些观念会随着科学的发展和关于科学本质的系统思维的发展而改变。也就是说,人们对于科学的本质认识是在不断深化和发展的。总的来说,人们对科学本质的认识经历了由科学的“真理观”向科学的“建构观”的转变,或是由科学的“客观性”向科学的“二重性(客观性和建构性)”的转变。人们一般将“真理观”称为传统科学本质观,将“建构观”称为当代科学本质观。

传统科学本质观的哲学范式是逻辑实证主义。逻辑实证主义认为科学知识是客观真理,科学知识的产生范式是以纯粹客观的观察为基础,经由培根的归纳法得到科学知识或理论。整个科学研究的过程,就是以客观的眼光观察自然现象,通过归纳发现获得某些规则,进而在头脑中形成某种假设,再收集资料验证假说,若假说成立就变成科学知识。所以只要完全遵循上述的过程,所产生的知识就可称为科学知识。由于科学知识形成过程被认为相当客观,而且它是对自然界的本质的真实的描述,因此是极不容易改变的,故科学知识被视为客观的真理。由于视科学知识是客观真理,人们自然把知识及其结构看作是科学的本质。

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”。正如波普尔指出的,科学知识的本性就是“猜测”,其中“混杂着我们的错误、我们的偏见、我们的梦想、我们的希望”。近年来,欧美各国对科学本质的探究较为深入,在对于科学本质理解的一些重要方面形成了一些共识。科学本质的7个方面被认为是代表了当代的科学本质观:

1)当发现新的证据和与对已有事实有新的解释时,科学知识将会改变。

2)科学知识最终是建立在经验证据基础之上,那就是对自然世界的观察。

3)人类的想象和创造性参与了科学知识发展的所有阶段,包括假设提出、实验设计和数据的解释。

4)科学观察受到个体科学价值观和先前知识等主观性的影响。

5)科学影响和受到文化和社会价值观念的影响。

6)学知识是建立在观察和推论基础之上。观察是通过人的感官或这些感官的扩展收集的,推论是这些观察的解释。

7)科学定律和理论是不同的科学知识。科学定律描述观察现象之间的关系,而科学理论是对自然现象的推论解释。

 

2 化学微观认识的基本内容与科学本质观

为了说明化学微观认识与科学本质观的基本关系,下面主要以微观认识要点、微观认识的产生式以及微观认识的合理性为架构陈述化学微观认识。

2.1 以分子概念建立为标志的微观认识

物质是由肉眼不能直接观察到的物质的相应微粒——分子构成的;分子总是在不断地运动着的;分子间有一定的间隔;分子间存在着相互作用。这些认识不是从直接的观察而得来的,而是对一些相关事实进行的推论性解释。

分子是保持物质化学性质的基本微粒,化学变化是有新分子生成的过程。物理变化是物质分子不变的过程,只是分子之间的距离发生了变化。

在科学家提出分子概念的时候,人们并没有观察到分子,只是在事实基础之上想象和推测出了分子以及分子所具有的性质,并用这样的认识解释了大量的事实,进一步支持了这种认识的合理性,现在人们已能通过科学仪器把分子放大几十万倍,观察到了分子的图像,更加支持了科学家当初的推测。

2.2 以原子概念建立为标志的微观认识

分子是由比其更小的微粒——原子构成的。这一认识不是人们直接从观察而得来的,而是在对于物质分解的事实进行解释时所提出的一种认识。在此基础上所建构的“原子重新组合模型”较好地解释了人们不能观察到的化学变化过程,将原子定义为化学变化过程中的最小微粒。从原子间的重新组合解释化学变化也很好地说明了化学变化的质量守恒定律。在提出原子概念时,科学家还不能观察到原子的存在。现在,科学家已能利用电子显微镜和扫描隧道显微镜拍摄表示原子图像的照片。这一事实进一步支持了已经建构的有关原子的认识。

2.3 以原子结构认识为标志的微观认识

科学家利用原子结构模型来描述原子结构。原子结构模型是科学家根据自己的认识,对原子结构的形象描摹。人类对原子结构的认识经历了道尔顿原子模型、汤姆生原子模型、卢瑟福原子模型、玻尔原子模型和电子云模型。

现代物质结构学说认为:原子是由居于原子中心的带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子构成的。原子核是由质子和中子构成的。电子在原子核外很小的空间内作高速运动时,其运动规律跟普通物体不同,它们没有确定的轨道。因此,我们不能同时准确地测定电子在某一时刻所处的位置和运动的速度,也不能描画出它的运动轨迹。我们在描述核外电子的运动时,只能指出它在原子核外空间某处出现机会的多少。在含有多个电子的原子里,由于电子的能量不相同,它们运动的区域也不相同。通常,能量低的电子在离核较近的区域运动,而能量高的电子就在离核较远的区域运动,根据这种差别,我们可以把核外电子运动的不同区域看成不同的电子层。核外电子的分层运动,又叫核外电子的分层排布。原子最外电子层中有8个电子(最外层为K层时,最多只有2个电子)的结构是相对稳定的结构。

有关原子结构的这些认识较好地解释和预测了物质的结构及其性质,进一步说明了原子结构认识的合理性。但是,至今科学家还不能观察到原子的内部结构。

2.4 以化学键概念建立为标志的微观认识

在物质分子或化合物内的原子之间存在着强烈的相互作用,这种作用被定义为化学键。这种作用不能被我们看到,而是通过化学变化需要能量驱动做出的间接推论。人们结合物质宏观性质,从已建构的原子结构知识基础之上提出了解释化学键的理论。根据原子之间作用的方式将化学键分为离子键和共价键。离子键是原子间通过电子得失而形成阴、阳离子进而结合成化合物的静电作用。共价键是原子间通过共用电子对所形成的相互作用。从所建构的化学键理论可以较好地解释化学变化的本质以及化学变化伴随能量的事实。化学变化是旧键的断裂和新键的生成,打破旧键需要吸收能量,生成新键就会释放能量。

2.5 以氧化还原反应的理解性学习为标志的微观认识

原子之间的重新组合与原子最外层电子有关,原子之间形成化合物或分子时,为了达到8电子稳定结构大多是通过电子转移(得失或偏移)进行的。这种电子的得失或偏移并不能被我们直接观察到,而是在实验测定组成的基础上,通过建构的化合价知识以及原子的8电子稳定结构知识而做出的推论。从氧化还原反应角度认识化学变化可以进一步认识化学变化中原子之间的作用。

2.6 以化学反应速率和化学平衡知识建构为标志的微观认识

化学反应往往需要在一定的条件下进行。对于一个反应进行所需要的条件要从2个方面认识:一个是反应进行的快慢,即化学反应速率问题;一个是反应进行的程度,也就是化学平衡问题。

通常用单位时间里反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示化学反应速率。人们从许多实验和事实归纳出:浓度、压强(主要对气体参加的反应)、温度、催化剂等条件能影响化学反应速率。为了解释这些规律,人们在“化学变化是旧键的断裂和新键的形成”认识基础上提出了“化学变化都是通过反应物分子(或离子)的相互碰撞来实现的,即反应物分子(或离子)间的碰撞是反应发生的先决条件。”在利用碰撞理论解释一些化学变化的基础上,进一步提出了“有效碰撞”,即把能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞,把能够发生有效碰撞的分子叫做活化分子。活化分子具有比普通分子更高的能量,在碰撞时有可能克服原子间的相互作用而使旧键断裂。但活化分子碰撞时,也不是每一次都能发生反应的,还必须在有合适的取向时的碰撞才能使旧键断裂。以有效碰撞理论为基础对浓度、压强、温度、催化剂等条件对化学变化的影响能够进行较为满意的解释。

化学平衡主要是研究可逆反应规律的一种理论,如研究化学反应进行的程度以及各种条件对反应进行程度的影响等。如果外界条件不发生变化,化学反应进行到一定程度的时候,正反应速率和逆反应速率相等,此时,化学反应进行到最大程度,反应物和生成物的浓度不再发生变化,反应物和生成物的混合物就处于化学平衡状态,简称化学平衡。可逆反应中旧化学平衡的破坏、新化学平衡的建立过程叫做化学平衡的移动。浓度、压强、温度对化学平衡的影响可以概括为平衡移动原理(勒沙特列原理):如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强或温度等),平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。浓度、压强、温度和催化剂对于化学反应速率影响的解释能够较为满意地解释化学平衡移动原理。

2.7 共价键理论为指导的有机化学中的微观认识

有机化学中的微观认识主要集中在对有机化合物的结构和有机化合物转化机理的认识上。有机化合物结构是以碳共价键为基础的。碳原子最外层有4个电子,在有机化合物中,每个碳原子不仅能与其他原子形成4个共价键,而且碳原子与碳原子之间也能相互形成共价键,不仅可以形成单键,还可以形成双键或三键;多个碳原子可以相互结合形成长长的碳链,也可以形成碳环。

有机化合物结构的确定是在分子式确定的基础上进行的。物质分子式的确定是利用实验测定分子的元素组成和相对质量,并通过计算来确定。有机物结构的确定是根据化学键理论并结合有机物性质来确定的。这种结构的确定过程是一个建构性过程而非发现式过程,也就是说有机化合物的结构是人们不能直接观察到的,而是根据化学键理论并结合有机物性质建构的。如苯分子的结构并不是通过实验观察确定的,而是凯库勒提出的苯分子结构学说成功地解释了苯分子的性质而被认可。

有机化合物转化机理仅仅是一种假设,是为了说明事实而提出来的。当有更多的事实被发现,这个机理也应当能说明它们,否则,为了说明这些新的事实,就应对这个机理进行修改,必要时甚至可以抛弃这个机理而提出新的假设。很难说一个机理已经被完全证实。可是,如果一个机理能满意地解释许多事实,如果我们根据这个机理所作的预测也被证实确是对的,如果这个机理与其他有关反应的机理没有矛盾,那就可以说这是一个公认的机理,将成为有机化学理论的一部分。根据以上分析可以概括出,在化学微观认识中发展学生科学本质理解的基本要点是:

(1)化学微观认识是建立在事实基础之上发展起来的。

(2)微观世界是人的肉眼不能直接观察到的,化学微观认识属于科学理论知识,人们对微观世界所形成的认识不是真实的“拷贝”或“发现”,而是负载了人的想象性和创造性,是人类建构的说明物质微观世界的可能性认识。

(3)化学微观认识之所以合理是因为较为满意地从微观结构的角度解释和预测了物质的性质。

 

3 在化学微观认识学习中发展学生科学本质理解的思考

3.1 以WWHW为架构对化学微观认识进行认识论思考

发展学生对科学本质的理解是化学微观认识学习中的一个教学目标。教师的认识论水平影响着学生对于微观认识的理解性学习,也影响着学生对科学本质的理解。为了促进学生对科学本质的理解,教师需要精致的认识论理解,教师应该成为一个认识论者。为了帮助教师成为一个认识论者,笔者提出以WWHW为架构的认识论模型,即所认识的知识是什么(What)?所认识的知识价值是什么(What)?所认识的知识是如何产生的(How)?为什么所认识的知识是合理的(Why)?按照这一模型,教师可以对化学微观认识提出具有认识论水平的思考问题。如对于“原子”的WWHW认识论思考问题是:(1)原子概念及原子论认识是什么?(2)原子概念及原子论认识有什么用?(3)原子概念及原子论认识的产生方式?(4)为什么原子概念及原子论认识是合理的?

WWHW为架构对化学微观认识进行的认识论思考对于教学目标构建和教学主题设计具有认识论指导意义。

3.2 以“横纵关照”为基本技术构建发展科学本质

理解的教学目标在化学微观认识教学中发展学生对科学本质理解,要求教师在教学目标的构建中能够体现科学本质,并构思出指向目标的“活动”。然而,教学设计的现实状况是教师有从教参中“照抄”教学目标的习惯,而且所“照抄”的教学目标往往是一种结论态认识目标,对于教学活动的设计几乎没有认识论指导意义。针对这种现状,笔者在实践的基础上提出了发展学生科学本质理解的“横纵关照”教学目标构建技术。“横纵关照”指的是,横向条目关照WWHW思考,纵向每一条目的表述关照“过程—目标”模式。如“原子”一节的教学目标可以构建为:

1)以物质的分解反应为事实基础,使学生认识到物质的分子可分,从而引入原子概念。

2)利用科学家建构的模型方法,组织学生认识在化学变化中原子是如何变化的,从而使学生建立原子概念。

3)通过解释化学变化的本质,使学生认识到原子概念建立的合理性。

4)通过学习和反思活动,使学生进一步认识到观察和推论的区别,通过评价原子概念的合理性,认识到科学理论的本质。

3.3 设计具有认识论意义的教学主题

受化学教科书编制的影响,教师在设计化学微观认识的学习活动时,一般是将知识的结论态内容作为教学主题,只关注“知识是什么”和“知识怎么用”。如在“化学式”的教学设计中,教师一般是按照“化学式及其意义”、“化合价”、“利用化合价推求化学式”来设计本节课的教学主题。长期以结论态内容作为教学主题会导致学生对于科学是真理的理解,以为科学认识就是真实的“发现”。其实,化学式和化合价是一种建构性知识。为了发展学生对于这种建构性理解,我们可以在“化学式”的教学中设计具有认识论意义的教学主题:“为什么要使用化学式”、“如何确定化学式(以实验数据为基础来确定,由化合价推断可能的化学式,如何确定所推断的化学式是正确的?)”、“化学式、化合价和实验的关系”。显然,高认识论水平的教学主题对于发展学生科学本质的理解具有认识论导向功能。

3.4 通过显性话语发展学生科学本质理解

化学微观认识属于科学理论知识,人们对微观世界所形成的认识不是真实的“拷贝”或“发现”,而是负载了人的想象性和创造性,是人类建构的说明物质微观世界的可能性认识。因此,在化学微观认识学习中发展学生科学本质理解的显性话语主要表现在对于观察和微观认识推论的区别以及对于微观认识产生式的强调。

1)区别观察和微观认识推论

观察和微观认识推论之间是有根本区别的。微观认识是以经验事实为基础的,但是微观认识并不是事实本身,也不是实验事实的连续性逻辑推理,而是负载有人的想象性和创造性。但是在化学教师的话语中经常会出现观察和微观认识推论不加区别的情况。如,一位教师在组织学生进行微粒性认识的过程中利用了“品红在水中的扩散”实验。该教师将“几滴品红滴入水中的现象”描述为“红色的品红分子在扩散”(选自笔者听课笔记)就是将观察和推论没有加以区别。显性的话语应该是 “实际上,我们只能观察到红色的品红在水中扩散,而品红分子是看不见的,我们只能想象那是品红的分子在扩散,进一步可以推论在肉眼看不见的分子之间存在着间隙。还能推论出,品红与水分子之间的作用强于水分子之间、品红分子之间的作用。”(选自笔者随堂感想)如果教师的教学话语对观察和微观认识推论不加区别,很有可能导致学生对于内容的不理解,会认为微观认识就是事实本身。只有将观察和微观认识推论加以区别,才有可能有目的的设计出跨越观察到推论之间的话语,真正实现学生认识上的跨越,也才能较好的理解科学的本质。

2)注重微观认识的产生式

化学微观认识属于科学理论知识,是对微观世界的建构性认识。如果在微观认识学习中,不关注认识的产生方式,学生很容易形成“果真如此”的认识,认为微观认识就是对于物质微观世界的真实性“拷贝”或“发现”。因此,在进行微观认识的学习中,教师应使用建构性产生式话语。如在进行原子概念学习时,较为理想的话语应该是“从物质分解的事实我们可以推论出物质分子是由比其更小的微粒——原子构成的,我们不能看到化学变化的微观过程,但是可以通过原子重新组合模型较好的解释我们不能观察到的化学变化过程,因此将原子定义为化学变化过程中最小的微粒。”

3.5 通过反思性活动发展学生的科学本质理解

反思主要是让学生清晰回顾知识学习过程,对微观认识的知识产生方式进行反思,评价其合理性,使学生对于微观认识科学理论的本质有一定的认识。如在“化学键”学习中,通过反思使学生进一步意识到化学键知识的产生式:(1)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。

通过反思,从以下几方面认识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。

3.6 适当评价学生对于科学本质的理解

科学学习评价对于科学学习具有较强的引导性功能。如果对于科学学习的评价仅局限在知识的掌握及其应用上,追求答案的惟一性,就会导致学生只关注知识是什么和知识怎么用的思维方式。为了在化学微观认识学习中有效地发展学生对科学本质的理解,应在微观性认识学习评价中适当评价学生对于科学本质的理解。如在化学键学习中,通过以下问题评价学生的科学本质理解:(1)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。(2)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? (3)你认为化学键知识合理吗?请给出你的观点。

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