科学本质在化学教科书中的呈现特点与教学对策研究

张永双

摘 要：使学生理解科学本质是我国新课程改革积极倡导的理念之一，教科书作为知识的重要载体，其科学本质的呈现方式直接影响到学生对这一内容的学习效果。通过对科学本质发展史和我国在科学本质领域的研究现状的分析，探索科学本质研究的必要性，进一步探讨强调科学本质的意义，为本研究尋找理论支撑。根据课程标准中对高中必修模块的主题组成，分别在人教版、鲁科版和苏教版化学教科书中选取代表性章节，对各章节进行科学本质呈现方面的评价。再对代表性章节进行呈现方式分析，总结科学本质呈现的理想方式。之后基于研究结果，提出了科学本质在教学实践中的应用和教学对策。

关键词：科学本质；教科书；教学对策；化学

全面提升学生的科学素养是现当代科学教育改革所追求的目标之一，而科学本质是科学素养的核心内涵，如何提升学生对科学本质的理解已经成为国际科学教育改革关注的焦点。《普通高中化学课程标准》明确提出要培养学生“具备适应未来生存和发展所必备的科学素养”以及“加深对科学本质的认识”的要求。科学本质教育正在从科学教育的边缘进入科学教育的中心。

化学教科书是化学课程标准的具体化产物，既然课程标准明确提出了科学本质教育，那么教科书理应承载科学本质教育的重任，主动帮助学生建立起学习内容与科学本质之间的联系，增进学生对科学本质的认识与理解。本文将在回顾科学本质的研究历史和我国科学本质研究的现状的基础上，对我国新课程改革后出版的三套高中化学教科书进行一系列分析，探索理想的科学本质呈现形式，并进一步探讨基于科学本质的化学教学对策研究。

一、关于科学本质

1.科学本质的研究综述

（1）科学本质的研究历史

对国外科学本质研究历史的回顾与分析，有助于我们更好地理解科学本质的内涵、为什么要强调科学本质以及如何在教科书中体现科学本质等问题。对进一步推动我国科学教育改革具有十分重要的借鉴意义。

十九世纪英国教育家斯宾塞自问自答：“什么知识最有价值？——最重要的知识是科学；最大价值的知识是科学；正确指导的是科学；最有效的学习还是科学。”在此之后，科学一直受到高度的重视，他对科学知识的实质价值和形式价值的肯定，在理论上正式确立了科学教育在学校课程中的地位。对科学教育价值的争论由此展开。

直到十九世纪末期，当科学已普遍进入学校课程，人们开始了对科学教育的教育意义、文化意义和科学意义的系统研究。1895年德国哲学家兼科学家马赫指出：任何科学教育都必须重视科学的历史与哲学问题，如果希望通过科学教育达到提升文化品质、改善公共生活的目的，这就必须要求学生领悟科学本质、养成科学精神。杜威则更为明确地主张“理解科学方法比获得科学知识更加重要”。

进入到二十世纪，人们虽然没有明确提出“理解科学本质”这一目标，但已经开始了对科学本质的某些要素的关注。比如，贾菲在1938年编写的高中教科书《化学新世界》中列出了这样的目标：以实验结果为依据，修正过去的观点，当出现新的实验证据时，要果断放弃原有的理论。康纳特在1946年进一步主张将历史研究方法运用到科学教育中来。

二十世纪下半叶，科学本质开始受到了科学教育界的广泛关注。施瓦布通过一系列研究论证了将科学本质融入科学教育的必要性，这使得一些课程开发者将目光从“科学家知道什么”转移到了“科学家是如何知道的”上来。在此期间，一大批相关的理论著作出版，同时还提出了科学本质要素必须纳入学校科学课程中去。在进行理论研究的同时，人们对科学教育的实践也进行了批判和研究，并开发出了教师和学生科学本质观的评价工具。这一阶段的研究成果非常丰富，如表1所示。

在步入二十一世纪的新课程改革浪潮中，理解科学本质成了各国科学教育课程革新的核心目标。这使得人们对科学本质的研究也发生了重大变化：逐渐由对科学意义、教育意义和文化意义的理论探讨，转向对课程和教学策略的实践研究。

（2）国对科学本质研究的现状

前面对于国外科学本质研究历史回顾目的就是明确国际上在科学本质研究领域的现状，为了解和反思我国的科学本质研究现状提供指向和依据。

通过检索中国知识资源总库“教育与社会科学综合”类收录的文献，我国对科学本质的研究是从2002年开始的，该领域研究处于起步阶段，到2013年关于科学本质研究的论文数量统计呈现了逐年增长趋势，这就表明我国对科学本质的研究日渐引起重视。

相对于国际科学教育的漫长历史发展，我国内地的科学教育起步较晚。相比较而言，国内科学史与科学教育的论文数量较多，但对科学哲学的关注太少。这表明我们的科学本质研究还处于初步关注阶段，只有通过大量的国外研究成果引入介绍以及开展具体的一线科学本质教学研究，才能进一步深入和拓展我国对科学本质的研究与创新。

2.强调科学本质的原因

（1）国外对这一问题的研究

在《民主与教育》一书中，杜威对科学教育的教育意义和文化意义这样回答：“科学是人类的守护神，阻止了这种天性及其可能带来的害处……科学是一种人为的习得的、求知艺术，而不是天然的、与生俱来的。因此，科学在教育中具有不可替代的和无法估量的价值。”可见，科学对人类文明的发展是非常重要的，但人们对“为什么要强调科学本质？”这一问题的解读却众说纷纭。

从狭义的层面，有些研究者提出，如果希望学生学会科学并运用科学，那么必须教给他们一些科学本质的内容。

从实证的角度，研究者则对科学本质作为科学教育目标之一的必要性做了研究。他们基于对教师和学生科学本质观的探查，认为教师和学生普遍持有不够完善的科学本质观，造成这种现状的原因在于学校教育的失误。科学教育中应该整合科学本质的内容。在论证这种必要性的同时，德瑞芙等人在1996年提出了将科学本质作为科学教育的目标之一。

还有一些研究者从教师教育的角度，研究了教师的科学本质观与其教学行为之间的关系。他们通过众多的实证研究认为：教师的科学本质观不仅会影响他所教的内容，还会影响他的教学方式。

不过，1992年，莱德曼在大量研究的基础上，反驳了这一观点，他认为“科学理论的本质与地位在影响教师的教育决定的各种因素中，并非不可或缺的成分……影响学生科学本质信念的最重要的变量，是课堂情境中那些特定的教学行为、活动以及决定的实施”。就帮助学生理解科学本质而言，教师理解科学本质只是一个必要条件，而非充分条件。

（2）新课程标准对学生发展目标的要求

“授人以鱼，不如授人以渔。”人生有限、知识无限，我们现在所学习的知识都是前人对经验的总结，然而人的意识形态和社会形态无时无刻不在发生着变化，在任意时刻的任意领域，都会产生新的知识。学生在学校里所学习到的内容与无际的知识海洋相比，不过是沧海一粟。正是基于这种理念，在《普通高中化学课程标准》中有这样的表述：高中化学课程应“有利于学生体验科学探究的过程，学习科学研究的基本方法，加深对科学本质的认识，增强创新精神和实践能力；有利于学生形成科学的自然观和严谨求实的科学态度，更深刻地认识科学、技术和社会之间的相互关系，逐步树立可持续发展的思想。”可见，在新课程改革中，让学生们掌握科学探究的思路方法比掌握单纯的知识概念要重要得多。而科学探究是科学本质内容在理科教科书中最为普遍的表述之一。

二、科学本质在现行化学教科书中的呈现方式

1.对教科书的初步分析

（1）课程标准的解读

课程标准是教科书的编写依据和评价标准，教科书是课程标准的具体化，所以，在分析教科书之前应该首先分析课程标准，从而发现不同版本教科书的共性：一方面为进一步研究的平行性和评价公平性寻找支撑，另一方面为教科书中代表性章节的选取提供依据。

为适应21世纪科学技术和社会可持续发展的需要，培养符合时代要求的高素质人才，我国于2003年颁布了《普通高中化学课程标准》取代以前的“教学大纲”，构建了新的高中化学课程体系。高中化学课程由若干课程模块构成，分为必修、选修两类。其中必修模块包括“认识化学科学”“化学实验基础”“常见无机物及其应用”“物质结构基础”“化学反应与能量”和“化学与可持续发展”六个主题。课程标准对这六个主题的分别列出了“内容标准”和“活动与探究建议”两个部分，对各个主题所承担的知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个层面的教学目标进行了详细的阐述。

（2）代表性章节的选取

本次研究以新课程改革后出版的三种主流高中化学教科书为研究对象，这三套教科书分别是：①2004年人民教育出版社的《普通高中课程标准实验教科书·化学》（以下简称“人教版化学”）；②2005年山东科学技术出版社的《普通高中课程标准实验教科书·化学》（以下简称“鲁科版化学”）；③2009年江苏教育出版社的《普通高中课程标准实验教科书·化学》（以下简称“苏教版化学”）。研究内容均为教科书的必修模块。

在对教科书中的章节进行选择的时候，力求所选内容覆盖课程标准中所列的六大主题。首先，按照六大主题所包含内容对教科书中的内容进行划分；然后，选取三种版本教科书中共有的并且能够反映科学本质某些方面的章节。所选择的章节包括了“科学发展”

“科学过程”以及“科学方法”等方面与科学实验方法、元素周期律、化学反应和生活中的有机物等课题。之所以选择这些章节进行分析还因为这些课题与科学本质的某些方面直接或间接相关，并且在三套教科书中对这些课题提供了科学发展史材料，即提供了与科学本质某些方面相关的背景知识。

本次研究所选的章节如表2所示，需要说明的是：三种版本教科书的必修模块均为两册，为便于分析将第一册简称为A、第二册简称为B，之后的两个数字分别代表章目和节数（例如，人教版中的“A.2.1物质的分类”代表人教版化学第一册第2章的第1节：物质的分类）。其中人教版化学没有对主题“认识化学科学”单独列出章节，为保证比较的平行性，通过分析选取了该版本的“引言”部分进行比较研究。还有些课题在不同版本中所占用的章节数不同，所以，出现了一種版本的一个章节与其他版本的两个章节进行比较的情况。

2.教科书呈现科学本质的评价指标

本次研究将科学本质的内涵在教科书中的体现形式和程度作为教科书中科学本质呈现的评价指标。由于科学本身的复杂性，人们对科学本质的理解至今还没有达成广泛的统一，所以，对科学本质在不同版本教科书中呈现形式的评价指标参考并汇总了国内外科学本质研究领域的诸多成果。从中总结出为大多数研究者共同接受的科学本质的内涵，再结合我国《普通高中化学课程标准》对科学本质部分的要求和表述，最终选定以下十个科学本质层面作为评价指标：创新性、发展性、客观性、生活性、科学理论、科学定律、科学方法、科学家的“偏见”、科学受社会文化的影响、科学对技术的重要性。

三、科学本质在教科书中的呈现特点与教学对策

笔者授课的教材为“苏教版”，因此在分析科学本质的呈现特点主要参考本教材，同时对另外两种版本的教科书中科学本质的呈现特点也进行了对比研究，为下一步设计“科学本质在教科书中呈现范例”奠定基础。本部分从科学本质的十个方面和课程标准中的主题两个维度进行探讨，其中以科学本质的十个方面为主线。需要说明的是：（1）对于三种版本教科书在同一主题的设计中都没有呈现科学本质某一方面的情况，如“认识化学科学”中“科学定律”的呈现，不进行阐述；（2）对于有多个代表性章节同时呈现方式最好的，将进一步分析教科书内容，选择章节。

“发展性”的呈现特点与教学对策：苏教版化学“认识化学科学”主题下，“交流与讨论”栏目中有一段题为《人类对酸碱认识的发展》的资料：

17世纪前，人们凭借判断酸碱，认为一切有酸味的物质都是酸，一切有涩味而溶液有滑腻感的物质就是碱。17世纪末，英国化学家波义耳（R.Boyle，1627～1691）根据实验提出新的定义。拉瓦锡在波义耳之后提出，一切非金属氧化物溶于水后生成的物质是酸，一切金属氧化物溶于水后生成的物质是碱。1883年，瑞典化学家阿伦尼乌斯（S.Arrhennius，1859～1927）创立电离学说。1923年，由于人们研究范围的扩大，又有化学家提出了在非水溶液和无水条件也适用的酸碱质子理论，进一步扩大了人们对酸碱的认识。

这一段资料按照时间顺序从17世纪前到1923年，详细介绍了人们对酸碱的认识发展过程：根据感觉划分—根据酸碱指示剂划分—根据原氧化物的种类划分—酸碱电离理论—酸碱质子理论。充分体现了人们对科学问题或自然现象所作的发展性解释，显性地呈现了科学会随着研究的深入而不断发展。除“发展性”之外，这段资料表述的科学史知识还体现了“科学理论”和“科学家的‘偏见”方面的内容。

“客观性”地呈现特点与教学对策：苏教版化学“物质结构基础”主题下的一个“活动与探究”栏目中探究活动：

进行下列实验，探究钠、镁、铝的金属性强弱。

【实验1】切取绿豆般大小的一小块金属钠，……将金属钠投入烧杯中，观察并记录实验现象。

【实验2】将已经打磨除去氧化膜的一小段镁条放入试管中，……然后加热试管，观察并记录实验现象。

本实验意在通过探究钠、镁、铝的金属性强弱来探索同一周期元素的性质递变规律，从而丰富元素周期律。该探究活动充分说明了科学是对自然现象或实验现象的客观反映，这一实验体现了科学研究对象的客观性和科学研究方法的客观性。

“创新性”的呈现特点与教学对策：鲁科版化学“认识化学科学”主题下有这样的表述：化学将继续推动材料科学地发展，使各种新型功能材料的生产成为可能，进一步丰富与人类地生存和发展息息相关的物质世界。

化学将为环境问题的解决提供有力保障。可以制造出对环境无害的化学品和生活用品，减少对环境的污染。

除文字表述之外，在旁边还配有相应的插图。这段文字不仅对科学本质的“创新性”方面科学工作者永不衰竭的创新意识和进取精神进行了理性、显性呈现，同时还结合了科学本质的“生活性”以及“科学对技术的影响”，具备很强的内部一致性。

“生活性”的呈现特点与教学对策：人教版化学“化学与可持续发展”主题下有这样一段描述“酯”的文字：

酯化反应的产物是酯，一般由有机酸与醇脱水而成。很多鲜花和水果的香味都来自酯的混合物。现在可以通过人工方法合成各种酯，用作饮料、糖果、香水、化妆品中的香料，也可以用作指甲油、胶水的溶剂。

这段话中呈现了“酯”的来源和用途，很好地体现了“科学源于生活、高于生活、最终回归生活”的科学本质方面。

“科学理论”的呈现特点与教学对策：苏教版化学“化学反应与能量”主题下代表性章节“化学反应速率与反应限度”的最后有这样的总结：

可逆反应在一定条件下进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度不再发生变化，反应达到化学平衡（chemical equilibrium）状态。

化学平衡是一种动态平衡。在化学平衡状态下化学反应仍在进行，但反应混合物的组成保持不变。当反应条件改变时，原化学平衡状态被破坏，一段时间后会达到新的平衡状态。

这两段话高度地概括了化学反应动态平衡理论，将化学反应动态平衡理论的精华用通俗易懂的语言进行呈现。这段文字可以体现出科学理论是经过良好确定、高度证实的解释性系统，但对“科学理论通常基于理论假设、数学公理以及其他不能观察到的实体”的呈现明显不足。

“科学方法”的呈现特点与教学对策：鲁科版化学“化学实验基础”主题下单独列出了一个二级章目“研究物质性质的基本程序”，介绍到：

在研究物质的性质时，通常首先要观察物质的外观，了解物质的存在状态、颜色、气味等；其次，要通过实验来探究物质的有关性质……然后，通过对实验现象的观察和分析，归纳出与预测一致的性质，并对实验中出现的特殊现象进行进一步研究……

这段话呈现了研究物质性质的基本程序，条理清晰、逻辑性强。显性并且理性地对“科学方法”这一方面进行了阐述。另外，在教科书中还有根据这段文字设计的流程图，生动形象，利于学生接受和掌握科学本质的这一方面。

“科学受社会文化的影响”的呈现特点与教学对策：鲁科版化学“物质结构性质”主题下的“历史回眸”中提到了化学家利用元素周期表来寻找制冷剂的研究过程：

米利奇选定氟化合物为自己的研究对象，经过努力，终于制得优良的制冷剂——二氟二氯甲烷（CC12F2），商业上称为氟利昂-12。

氟利昂制冷剂曾风靡一时，不过，由于它对大气的臭氧层有强烈的破坏作用，现已被无氟制冷剂代替。

这段材料简要概括了制冷剂氟利昂的兴衰：兴，是因为社会对制冷剂的需求；衰，是由于可持续发展理念的提出和人们日益增长的环境保护意识。可见，科学研究是在大环境下进行实践的事业，受到不同领域和文化的影响。

“科学对技术的重要性”的呈现特点与教学对策：人教版“化学实验基础”主题下在分析完过滤操作和蒸馏操作之后，做了这样的补充：

我们日常食用的精盐，就是将粗盐中的杂质除掉后得到的。在工业生产中，分离和提纯物质要用到多种大型的设备，但所依据的原理与我们在实验室中常用的方法大致相同，而且，工业设备设计时的数据往往要靠小型实验提供……寻找淡化海水的其他方法是化学研究和应用中的重要课题之一。

这些补充材料符合理论联系实际的实践观，非常理性地表达出“技术的发展是建立在科学理论不断发展的基础之上”的科学本质观。

通过对科学本质十个方面在所选择的代表性章节呈现的分析，可以很清楚地看出，教科书中的以上材料对科学本质的某一方面进行纯粹的阐述，同时结合了科学本质的其他方面进行统一的设计。各版本教科书在科学本质呈现方面都有亮点，所以，各版本教科书之间应该相互借鉴、取长补短，更好的构建起新的基于科学本质的教科书设计范式。

四、结论及建议

通过研究，发现我国高中化学新课程标准颁布之后三种版本

教科书的设计都尽可能地去体现科学本质的诸多方面，尤其是对科学本质的生活性和科学方法两个方面的呈现处理较好。另外，虽然各版本教科书中都融入了科学史和科学家的内容，但呈现不够理性、目的性不强，对科学本质“科学家的‘偏见”与“科学受社会文化的影响”处理得有些混乱。

通过对课程标准六大主题呈现科学本质差异的分析可以发现：由于主题“物质结构基础”所选择的代表性章节是“元素周期表和元素周期律”的知识，各版本教材在对元素周期表的发明、元素周期律的发现以及元素周期律的应用上都融入了化学史、化学家、科学探究等科学本质的方面，而且都联系了现实生活和科学对技术发展的影响，所以，更容易体现科学本质的多个方面。在其他主题中，“化学与可持续发展”“认识化学科学”和“化学反应与能量”在科学本质的呈现方面都表现了一定的优势。

在基于科学本质在教科书中的呈现特点，笔者认为在教学实践中应注重以下几个方面：

1.在教学实践中应该注重传统知识点与学生现实生活相结合，理论联系实际，便于引导学生学以致用。

2.在教学实践中尽可能地融入科学史和科学家的内容，激发学生的学习兴趣，感受科学家对科学的探索历程和科研态度。

3.在教学实践中的教學设计能够调动学生积极性的探究性实验，使学生成为课堂的主体，激发学生潜能，引导学生掌握多种科学方法。

4.在教学实践中充分利用教科书的习题设计以及对学生评价方面，适当地增加对科学本质的感悟和理解内容的考查，培养学生的创新意识和能力。

5.在教学实践中适当增加课程中实践环节的内容，让学生把在课堂中所学的知识带回生活。

参考文献：

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（作者单位 浙江省杭州市余杭文昌高级中学）