学理科要讲理

保志明

从教高中化学20多年了，近年来最大的感受就是学生越来越“用功”。学生们上课听讲，晚上学习至深夜，周末、寒暑假也不休息，奔赴各种辅导班。可特别让人绝望的是，花了这么多时间，这么用功地学习，效果却不怎样，尤其是理科。许多学生对数理化考卷上的题目完成起来仍很吃力，对数理化的体系、原理更是懵懵懂懂，不知所云。

古人早就教育我们要“顺势而为”，要“因势利导”，这样才能把事情做好，这是常识。因此，教学之前我们先要弄清楚什么是理科的“势”，即它的特点和规律，才不至于在教或学的过程中南辕北辙。我这里说的“理科”主要指物理、化学、生物等自然科学类课程。自然科学研究自然界运转的机制。科学工作者认为自然如同一部大机器，是按一定规律运转的，而这些规律是可知的。

既然科学工作者坚信自然的规律是可以被认知的，那么他们工作的时候就会先有一个想法或预感，提出一种方法或途径来探究一个问题。他们会通过实验和收集数据，来证明或反驳这个假说。因此，科学本身远不止是那些写在书本上的结论，它是一种思维方法，一种生动的、不断变化的对世界的看法。它是发现世界背后的机制的一种方式，一种非常特别的方式——用的是科学家设计的一系列有助于发现自己错误的规则。这套规则中最重要的是两点：证据和逻辑，它不认可“说不清道不明”的主观感觉。

举个例子来说明。如果你去问梵高，为什么你会用这样的色彩和线条来表现向日葵，他恐怕只能回答你三个字：我喜欢。而观众能强烈感受到“美”，却无法弄清每一根线条落在这个位置的来龙去脉。如果你去问爱因斯坦，你为什么会提出相对论，他应当能告诉你他从哪些端倪中有了初步想法，又发现哪些事实是可以支持他的想法的，你能感受到“真有道理”。这就是艺术和科学的不同。前者的创造可以天马行空，而后者的创造必须有理有据。

既然如此，那直奔科学结论而去的学法其实就是种艺术创想式的学法，它不顾结论的前世今生，只是孤立地看待一个个写在教科书上的僵化的知识和结论；它割裂了科学结论与科学过程的关系，认为不管它怎么来的，只要知道它是什么就行。这样的学习方式必然与科学本身的气质不搭，学得越多会越混乱，最后只得不断死记硬背，不断重复训练，不断艰难地与遗忘作斗争，怎奈以梵高作画的方式去研究物理学终究是行不通的，最后只能全面溃败。

下面我结合课堂教学具体说说遵循理科规律的理科学习（即讲“理”的学习）是什么样的。

一、讲“理”让理科学习不枯燥

一次化学课上，认识金属钠的性质，做钠与水反应的实验。这个实验的现象比较奇特，钠与水一接触就十分剧烈地反应，固体钠熔化成一个闪亮的小球，浮在水面上，不停地无规则游动，并且嘶嘶作响，同时，原先滴有指示剂酚酞的水变红。许多教辅书都喜欢将实验现象小结为“浮、熔、游、红、响”这五个字，其实五字诀中的“熔”字可不是通过感官直接观察来的，那是要经过理性思维的。果然，学生“熔”字讲不出。因为这是反常识的，平时哪见过金属放在水里就熔化成液体的啊。因此，如果他们发现钠熔化了，会多么惊叹物质世界的丰富——居然有熔点这么低的金属！这才是化学有意思的地方呢，所以我打定主意要让学生自己把“熔”字讲出来。

我问他们，钠为什么会变成小球？因为它与水反应，钠慢慢地被消耗了。这是很正常的想法，大多数学生都这么说。我不依不饶，继续问，钠被消耗只会变小啊，怎么会变成球的呢？学生们对这个问题相当不屑，都说均匀地被消耗呗。还有学生补充说，钠在水面上不停滚动，就像滚雪球那样，只不过它是越滚越小。（这就是科学过程中的“假说”。）

看来要说出“熔”字不容易，怎么才能让学生意识到钠被水均匀“削”成小球的看法不对呢？科学课堂只能靠事实说话。我分别切了一小块立方体状的钠、一小块三角锥状的钠、一小块金字塔状的钠投入水中，结果殊途而同归，它们都迅速变成小圆球在水面游动。（这就是科学过程中的“证伪”。）

学生们十分惊奇，但努力自圆其说：是尖角处消耗得多，所以最后被“削”成小球了。这时候学生中起内讧了：好像不是被“削”出来的吧，似乎特别圆特别光滑。（只好提出新的“假说”。）顽固的认识已经出现松动了，我趁势加劲：不是被“削”出来的话，会不会是自己“撑”出来的？荷叶上的露珠为什么是个小球？（逻辑分析。）有学生站出来说，是表面张力……立即有学生又站出来说，液体才有表面张力！说完，他愣了愣：难道，难道钠变成液体了？

话音刚落，即刻有学生兴奋地拍着桌子站起来说：是熔化成液体啦！我用手指捏它了，又热又粘！（通过实验“证实”。）

钠熔化了？学生们相当开心，一边纷纷用戴着乳胶手套的手去触摸那个逐渐变小的小钠球，一边惊叹着金属钠的熔点是如此之低。

这是一段看上去闹哄哄、乱糟糟的课堂实录，大约花了十分钟才让学生认识到这个“熔”字。由我告诉他们的话只要十秒钟吧。可是在这“乱哄哄”的十分钟里，我们经历了假说、观察、思考、分析、推理，收获了自己的发现，自己得出了结论，这是十秒钟的“高效传授”给予不了的。这样的过程，就是想让学习者知道，科学结论并不是冰冷地存在于课本中的，它是有温度的，可以触摸的。

作为教师，我们在教学中常常有种莫名的紧迫感，总是担心来不及。于是不舍得花时间做实验，不舍得花时间科学探究，不舍得花时间讨论问题。科学课上，我们特别重视那些掷地有声的科学结论，心急火燎地把这些“真理”塞给学生。而学生们呢，似乎更加有紧迫感，他们可能都等不及开学到课堂上再慢慢学习，就急急慌慌地提前奔到衔接班早早接受结论，然后反复做题，枯燥至极。最终呢，只能凭借顽强的意志与枯燥乏味作斗争。这种与科学的认知规律不吻合的做法其实才是真正的浪费时间。

二、讲“理”让科学学习的内容更丰富

下面我以一个化学概念的教学为例来谈这个问题。

“化学反应速率”是化学反应原理中的一个重要概念。“化学反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增加来表示，单位表示为mol/（L·s）、mol/（L·min）、mol/（L·h）等。”无论哪种版本的高中化学教材，都会这样简单明晰地给出“化学反应速率”的概念，以至于大家都认为反正就是个定义，我记下来就得了。但任何概念都有其产生的背景，任何定义都有其规定的合理性，充分认识到为什么要有这个概念、为什么这么规定，才是讲“理”的科学学习。

为什么要定义出“化学反应速率”的概念呢？

化学反应是一种变化，变化就会有快慢，快慢是“比”出来的。总不能只以“快”“非常快”“特别快”这些词来形容吧，因此要定量化。这些看似与化学离得很远的讨论也不是无病呻吟，人们在科学世界中建立起的“速率”概念正是源自于生活世界中对各种现象的认识和思考。

怎样定义“化学反应速率”？

“在物理课上，我们以哪些概念来表达快慢？区别是什么？”“速率只能定义为单位时间内距离的变化吗？”学生们想起物理课上介绍过“线速率”“角速率”，无论哪种速率的定义中都有“单位时间内的变化量”，至于这个变化量是“距离”还是“角度”，那要看具体问题的需要，这是可以变动的。

那么，化学反应速率使用什么变化量为好呢？

至此，对“化学反应速率”这一概念的认识到了最关键的一点，这是一个最有“化学”意味的问题，使得“化学反应速率”与其他各种“速率”区别开来。举出Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑这一反应为例，问：“你认为可以用单位时间内哪些量的变化来表示这个化学反应的速率？”学生们谈到很多，如锌粒质量的减小，H2SO4浓度的减少，H2SO4物质的量的减少，ZnSO4浓度的增加，ZnSO4物质的量的增加，氢气的质量增加，氢气的体积增加，氢气压强的增加等等。最后，他们一致认为上述物理量中任何一个都是可以用来表示这个反应的速率大小的。

真是这样吗？

我们一起来做个实验。A、B两支试管对比，A试管中加入1粒锌粒，B试管中加入2粒锌粒，A、B两支试管同时分别加入5mL和10mL同浓度的硫酸。在相同时间内，观察到B试管中产生的气体明显多于A试管（各滴入2滴肥皂水以便于观察氢气的量）。“你认为哪支试管中反应速率快？”“当然是B试管了！”这是学生们的第一反应。

但是随后他们便有了更深入的思考：两支试管中的反应应当一样快啊，它们的差别只是药品用量按比例缩放，并没有其他差异。可为什么会感觉B试管中反应快呢？因为是以氢气的体积变化来判断反应快慢的。如果以锌粒的消耗量来判断反应快慢呢？也会得出同样的结论。那以什么来判断才会得出两支试管中反应的速率一样快的结论呢？硫酸浓度的减少。为什么选上了“浓度”？因为硫酸的浓度是处处相等的，不会因为量多量少而变化，而质量、体积、物质的量等这些量是可以加和的。至此，大家意识到，在溶液的量一定时，通过质量、体积等的变化来测定反应速率是可以的，而作为化学反应速率的定义，以单位时间内反应物或生成物“浓度”的变化来表示显然更为合理。

经过这一番过程，大家一是感觉到定义“化学反应速率”的必要性，二是“亲自”参与了给出定义的过程，发觉书上的定义还真是挺合理的，并不是“前人下定义，我只背定义”，三是发觉干巴巴的定义原来这么有趣。这就是讲“理”的学习过程，它使学习内容丰富起来：不仅有知识的学习，更有方法的引导和情感的培养。而后两者将会更长久地驻留在学生心中。

你看，科学本身就是这样曲折和丰富，它是一种思维方法，它有一种独特的、发现自己错误的方式，它重视证据和逻辑，它从不会蛮不讲理。

三、讲“理”的学习让学生终身受益

2008年我作为交换教师赴美，在一所中学执教十年级化学。要给一群不懂中文的美国学生讲化学，对于我来说还是件困难的事。为了使自己摆脱困境，我总是“不怀好意”地安排学生多动手做实验。结果在这一过程中，我有了意外的收获。

讲到“摩尔”这一内容。“摩尔是物质的量的单位，1摩尔任何粒子所含的粒子数都是阿伏加德罗常数，其数值约为6.02×1023。”就这么一句话，在国内教学中可费劲了！它是高考必考考点，命题者还总是挖出许多“陷阱”来让人掉下去。因此，我在国内十多年的教学中总是在这里费上许多口舌，解释个半天，练上许多题，也设置许多“陷阱”让学生适应。至于实验嘛，从未想过，教材教参上也没有。

美国高考题中没有这类“陷阱”，我也不会用英语解释这么多，只好挖空心思想实验。摩尔就是计量微粒个数的单位，只不过不是一个个数的，是一堆堆数的，而且好大好大的一堆，那就让学生们数数玩吧。

我让学生两人一组实验，称取20克大豆和20克大米，分别数数它们有多少颗。这么小儿科的实验，原是带有些“不可告人”的目的的，我有些心虚地在学生间踱来踱去。他们倒是很兴奋地数着豆子，并把数据记录在表格中。但当他们数到大米时，明显有些烦了，米粒好小啊，20克要数好一阵呢。正当我偷偷为自己的不良用心脸红时，突然发现有个学生将米粒数10颗放成一堆，一堆堆放好，而他的同伴则数着堆数，记下总数。两人配合得很默契，都显得十分愉快。我再一观察，发现还有另一实验组也自发做着同样的事。

我立刻意识到这是极其珍贵的意外收获，国内教学那么多年都没有，因为没给学生做过这样的“傻”实验。我在他们做完后神闲气定地问他们，数豆子感觉怎样？“Interesting（好玩）！”那数大米呢？“Boring（烦死了）！”那我们再来数沙子呢？学生们愣住了，进而愤怒了：“You are crazy（你疯了）！”如果我们还要数原子呢？“Impossible（不可能啊）！”但是随即，他们开始沉思。我列举了他们中有人数大米的方法，告诉他们你们已经寻找到了数小颗粒的方法——一堆一堆地数！当然，米粒比起原子来还是大得太多了，因此可以10颗一堆，那原子就得好大好大的一堆了。那么，定多大的一堆才比较合理呢？……

为什么要新定义一个物理量“物质的量”，并规定它的单位是“摩尔”呢？就是为了方便计量微粒个数，这些看不见的小微粒在科学研究和生产中还特别有计量的需要。这种强烈的需求使得科学家们反复研究，达成共识，规定出了新的物理量。看上去它是安静地呈现在教科书上的一段文字，但它的背后一定是有“故事”的。而学生们从经历的数大米的麻烦，到想出一堆堆去数的解决方案，就是历史上这一“故事”的浓缩。

对于任何东西、现象、问题、人、事件，如果不认识它的过去，你如何理解它现在到底代表什么意义？不理解它的现在，又何从判断它的未来？不认识过去，不理解现在，不能判断未来，那算是接受的什么教育呢？

一段讲“理”的学习，让我们对孤立的、静态的书本结论的价值判断发生了变化：知道了它的起点在哪里，将使我们更懂得欣赏它的美。对这种美的欣赏和探求，将会使学生受益终身。

自然科学的理性还表现在它本身的优美就在那里，不需要人为地涂脂抹粉。善于进行理科学习的学生，他的注意力应当放在用心去理解自然界上，而不是完全依靠老师去解读自然界。任何教师，用自己的语言去解读自然的时候都会带上他个人的主观色彩，这也是学生们学习时需要警惕的。理科的学习，与任何其他学科的学习一样，需要独立的思考和批判的眼光。

（作者单位：南京师范大学附属中学）