怎样在化学教学中培养学生的科学素质

我国著名无机化学家和化学教育家戴安邦说：“只重传授化学知识和技术是片面的化学教育。全面的化学教育要求化学教学既传授知识和技术，更训练科学方法和思维，还培养科学精神和品德。”这段话指出了化学教学的正确方向，同时又简明地概括出科学素质的基本内容。怎样培养学生具有这些素质，结合中学化学教学的实际论述如下。
一、尽可能按照科学方法论组织教学过程　
科学方法就是认识和研究自然界所遵循的过程和手段。主要包括五个步骤。
第一步是搜集事实。通过各种手段收集丰富的事实。事实是有关事物的感性知识，是产生理论的根源，又是检验理论的唯一标准。所以搜集事实这一步非常重要。“鸟的翅膀无论多么完善，如果不依靠空气的支持，就不能使鸟体上升。事实就是科学家的空气，没有事实，你们就永远不能飞腾起来，没有事实，你们的‘理论’就是枉费心机。”（巴甫洛夫）我们必须用物质的性质和反应的基本事实来充实学生的头脑，通过说服和教育使学生认识到基本化学事实的重要性，乐于和善于记住它们。在丰富多彩的实验基础上搞好元素及其化合物的教学，是学好中学化学的坚实基础。
搜集事实的方法是观测和实验。所谓实验就是尽可能地排除外界的许多影响、突出主要因素，并且在能够细致地观察到各种现象之间相互关系的条件下，使某一事物（或过程）发生或重演。例如，化学反应速度是一个复杂的多变量函数，但在实验条件下可以控制只有一个变量改变，从而分别观测到温度、浓度、催化剂等对反应速度影响的规律。加强化学实验是教学优化的的主要模式。因此，提高演示实验和学生实验的效果，变部分演示实验为并进式实验，设计少量探索性实验习题，逐步增加学生在实验室里的实验活动时间，是化学教学发展的一个方向。“化学实验课是实施全面化学教育的一种最有效的教学形式”（戴安邦）。
当搜集和积累足够的事实之后，科学方法的第二步是提出假说。假说就是用已有的事实材料和科学原理为依据，对于未知的事实（包括现象之间的规律性联系、事物的存在或原因、未来事件的出现）的假定性的解释。假说具有解释性，它能对已掌握的有关事实作出统一的解释。假说可以是一个概念（如原子、层子）、一个判断（如微观粒子具有波粒二象性）、一个模型（如DNA双螺旋结构）、一个结构式（如苯的凯库勒式）或一个理论体系（如道尔顿原子假说）等。假说是所要建立的理论的预制品。它的作用是指导我们理解新情况、启发我们做新的实验，从而导致新的发现。
为了检验假说是否正确，需要对其进行验证，这就是科学方法的第三步：验证假说。即进一步搜集事实以检验其是否与假说符合，或由假说推演出结论再通过实验检验其是否符合。如果不符合，表示假说不真实，必须加以修正或废弃。如果符合，假说的真实性和可靠程度就增加一层或即成立。
经过大量事实反复验证为正确的假说就成立理论，这就是科学方法的第四步。理论是概念、原理的体系，是系统化了的理性认识，是事物的本质、规律性的正确反映。从假说到理论虽只一步之差，有时却要经历数年、数十年甚至上百年。理论成立之后不是僵化一成不变的，它要随着新事实的发现而有新的发展，这就是科学方法的第五步：继续发展。
有必要让学生初步了解如何提出假说并进行验证，结合教材内容进行一些练习。现以苯的分子结构为例设计如下教学过程。
教师：实验得知苯的分子式为C6H6，已知碳为四价、氢一价，请写出苯分子可能的结构式。
（巡视学生写的情况后指定一些学生将结构式写到黑板上）
学生：在黑板上写出几个结构式……
教师：已有的化学经验表明，有累积双键的分子是很不稳定的。苯很稳定，甚至在隔绝空气条件下加热几百度也不分解。根据这些事实应删除哪些结构式？
学生：C和D。
教师：根据A式和B式，请预测苯的一元取代物应该有多少种？
学生：A有一种、B有两种。
教师：按教材演示苯与Br2的取代反应。让学生观察纯净溴苯。
教师：大量实验的结果只能制得一种一溴代苯（C6H5Br）。说明苯分子中六个氢原子有什么特点？应该保留哪个结构式？
学生：六个氢原子的地位全同。应该去掉B式保留A式。
教师：请按A式预测苯的二溴代物（C6H4Br2）有几种？
学生：两种。
教师：经多番努力之后却制出了三种二溴代苯。A式不符合这个实验事实，请重新设计苯的结构式，它应该能说明哪些事实？
学生：苯分子很稳定；六个氢原子的地位完全相同；一溴代物只有一种；二溴代物有三种。
（学生进行设计，教师巡视，可启发，然后让学生写出）
学生：在黑板上写出结构式
教师：这个结构式确实可说明一元取代物只有一种，二元取代物有邻、间、对位三种。但是它不满足碳四价的条件。请进一步改进。
学生：添加交替双键后成为教师：这个结构式就是1886年德国化学家凯库勒以假说形式提出的苯结构式，可简写为。请根据这个结构式结合你已有的经验预测苯应有什么化学性质？
学生：可以和氢气加成，和溴加成而使溴水褪色，可被酸性高锰酸钾溶液氧化而使高锰酸钾溶液褪色。
锰酸钾溶液褪色，请大家现在进行实验来证实。（指导学生进行分组实验，所用苯要纯，事先除去还原性杂质。然后让学生报告实验观察到的现象。）
学生：苯不能使溴水和高锰酸钾酸性溶液褪色。
教师：上述实验又启示苯分子结构有什么特点？
学生：没有像烯烃分子那样的双键。
教师：还有什么事实可以证明苯分子没固定的像烯烃那样的双键？（必要时可启发）
学生：如果有的话，苯的二元取代物就不是三种而是四种，因为邻位的有两种。（让学生写出）
教师：正确。苯不跟溴水和高锰酸钾反应，邻位二溴代物只有一种，还有许多其它的事实，都显示苯环上不存在三个固定的双键和三个固定的单键。为说明这些事实，凯库勒在1872年作出一个补充假定，认为苯环上的单键、双键不是固定的，而是按下式迅速地变换位置：
按照这个假设，苯环上不再有一般的单键和一般的双键，发生了平均化，是一种介于单键与双键之间的特殊的化学键；苯环是一个正六边形。于是上述所有实验事实的解释不再有困难了。大约一百年后，更多、更有力的实验都证明了凯库勒式的正确性，并从理论上给以更完满的解释。教师接着介绍键角、键长等。　
按照科学方法论组织的这个教学过程，有思考、推理和实验验证，学生不是被灌输者，没有结构式是“从天上掉下来”的感觉，而在某种程度上是苯结构式发现过程的参与者。这种教学模式可以应用到其它有机物结构式的推演上，例如乙醇等。如果我们按照科学方法论来设计元素周期律的教学过程，那将会十分生动而在方法论上又富有启迪。
二、突出科学思维在教学过程中的地位
科学方法的每一步都离不开科学思维的作用。科学思维主要是逻辑思维，也有非逻辑思维。由实验观测搜集到的事实，在人脑中产生感性知识。这种知识只是对事物个体外表属性的认识，大多数是片面的、非本质的。要从丰富的感性知识中整理出规律来，就得借助逻辑思维（或称抽象思维）。抽象思维揭示事物的全体和本质以及内在联系。它主要包括比较、分析和综合、抽象和概括、概念和判断以及推理等形式。
比较是一种用来确定事物相似之点和不同之点的逻辑方法。分析是人们在思维中分剖事物，将它们的各个部分和性质划分出来的方法。相反，综合是在思维中把在分析时分解的事物的各个部分结合为一个整体的方法。分析和综合密切相关。抽象和概括是形成概念的思维过程和方法。抽象是抽取事物的本质属性，撇开非本质属性；概括则是把某些具有若干相同属性的事物中抽取出来的本质属性，推广到具有这些相同属性的一切事物，从而形成这类事物的普遍概念。概念是反映事物本质属性的思维形式。例如，化学元素这个概念就是抽取了相同核电荷数（质子数）这个本质属性，而撇开原子的质量、结合形式和存在状态等非本质属性而成的。明确概念的内涵（属于概念中事物的本质属性）和外延（适合某一概念的一切事物）是掌握和运用概念的前提。在有机化学中学生常写‘脂’代‘酯’，写‘酯化’为‘脂化’，可能是因为我们对脂、酯这两个概念的内涵及外延强调不够。酯的外延大于脂，前者是类概念，后者是种概念。讲解概念时要突出抽象和概括的思维方法，明确内涵和外延。由概念进行判断而得规律。判断是对事物的情况有所断定的思维形式。推理则是由一个或几个已知判断（前提）推出未知判断（结论）的思维形式。主要的推理形式有类比、归纳和演绎等。类比是根据事物某些属性的类似，推出它们的其它属性也可能相似的间接推理，其结论有或然性。科学史上有许多用类比法成功的事例。卢塞福的“原子核模型”就是其一，这是把原子看成“小太阳系”而跟太阳系类比：原子中央有一个带正电的核，电子围绕它在原子空间里运动，正像行星绕太阳旋转一样。归纳和演绎是更重要的推理形式。归纳是由特殊到一般。演绎则由一般到特殊。在认识过程中它们是相互联系相互补充的。演绎的理由来自对特殊事实的归纳和概括，归纳的结论又是演绎的前提。“人们普遍有种错觉，以为科学研究者做结论和概括不应超越观察到的事实。……但是大凡实际接触过科学研究的人都知道，不肯超越事实的人很少会有成就。”（赫胥黎）正是归纳法帮助我们超越观察到的事实，归纳法从大量个别的事例得出新的一般原理和规律。因此这种推理方法比较具有创造性。但归纳得出的结论真实与否要进一步验证。演绎法不可能导出新的概括，单独使用时不可能在科学上做出较大的进展。然而科学上的许多重大成就常是归纳与演绎并用的结果，门捷列夫元素周期律是一个突出的范例。门捷列夫在前人工作的基础上，对当时已知的六十多种元素及其化合物的性质与原子量的关系进行更为广泛的归纳，特别“单质的性质以及各元素化合物的形态和性质，与元素原子量的数值成周期性关系”的规律。这是归纳的结果。然而这个定律最后建立和被公认则应归功于演绎推理。门捷列夫说：“定律的证实，只有靠它导出的推论才是可能的，否则就不可能也不能期待着在实验中去证明这些推论。因此，当我发现元素周期律之后，就开始由它作出足以证明它是否正确的逻辑推论来。”门捷列夫运用演绎推理改正多种元素的原子量，应用演绎推理预言未发现元素的存在及其主要性质，为后来的实验所证实，这些都是我们熟知的。周期律的胜利也是归纳与演绎推理并用取得的胜利。如果我们按照科学方法的五个步骤来组织元素周期律的教学，并阐明其中推理方法，将会收到良好的效果。
科学中常用的是不完全归纳法。它包括简易归纳法和科学归纳法。简易归纳法是由观察某类事物中，一些事物有某种属性，并且未发现与此相矛盾的情况，从而推出该类所有事物都有该属性的归纳推理。元素周期律的形成就是采用这种简易归纳法。化学中的定比定律、倍比定律、气体化合体积比定律和质量守恒定律等都是简易归纳法的结果。在教学中，有的教师做了一、两个实验就引出一个规律或定律，这违背了简易归纳法的要求。初中教材关于质量守恒定律这段内容写得很合逻辑：“从上面两个实验都可以看出，反应前后天平两边都仍然是平衡的，说明反应前后物质的质量总和没有变化。无数的实验证明，……”

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