教材中科学方法的呈现及教学实现*

宗汉 杨晓丽

摘要： 以人教版高中化学新教材（必修）为例，着重对科学方法呈现的必要性进行论证，对科学方法的内涵和分类进行解读，同时对科学方法在教材中的编写特点进行分析，并由此提出相应的教学启示。

关键词： 科学方法; 呈现; 教学实现; 化学教材

文章编号： 1005-6629（2021）02-0021-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

高中化学课程标准（2003实验版）（以下简称“旧课标”）提出，高中化学课程要构建“知识与技能”“过程与方法”“情感态度与价值观”相融合的高中化学课程三维目标体系[1];高中化学课程标准（2017年版）（以下简称“新课标”）在旧课标基础上提出，学科核心素养是对知识与技能、过程与方法、情感态度价值观三维目标进行了整合[2]。由此可见，科学方法是化学学科核心素养的重要组成部分。人教版高中化学教材（2019年版）（以下简称“新教材”）以新课标为依据，试图系统、全方位地凸显科学方法，以此促进核心知识向思维和素养的转化。据此，笔者以人教版高中化学新教材（必修）为例，论述科学方法在新教材中呈现的必要性，解读科学方法的内涵和分类，分析科学方法在新教材中的编写特点，并提出相应的教学启示。

1  科学方法呈现的必要性

新教材是培养学生化学学科核心素养的重要载体，教材在编写过程中充分发挥科学方法的理论指导作用，主要体现在以下几个方面。

1.1  我国课程改革深化的迫切需要

2016年9月，《中国学生发展核心素养》将“能掌握基本的科学方法”“能够提出问题、形成假设，并通过科学方法检验求证，得出结论”作为其中的重点[3]。因此，为了贯彻落实培育和发展学生核心素养的要求，新教材中非常重视呈现科学方法，并与新课程改革进行无缝衔接。

1.2  我国理科教材编写思想的积淀

1992年，乔际平指出：“我国传统教材对于科学方法采用隐性处理，不在教材中说明，而是让学生自己去悟”[4]。这一思想导源了科学方法在教材中呈现的方式。1999年，我国教育界提出“教材体系应以科学方法为中心编写”[5]的观点。近年来，又有学者提出，教材编写应当将科学方法作为中心，帮助学生构建优良的知识结构和认知结构。据此，化学教材中科学方法的呈现，有着长期的学术争鸣和相对理性的思想积淀。

1.3  我国化学教育研究发展的趋势

对化学科学方法教育研究，“显性”教育的提出日益成为当前学术界一种重要的思潮，并涌现出一批有研究价值的成果。2011年，杨文斌指出：“所谓隐性表征就是通过知识间的逻辑编排或是化学过程自然体现，将科学方法隐含教材之中”“所谓显性表征就是明确地提出科学方法名称，介绍和解释这种方法的功能与作用”[6]。事实上，科学方法“显性”与“隐性”教学的区分早有研究。然而，对两种教育方式之间的取舍或偏向则不尽相同。例如杨文斌提出：“起步隐性，显化适时”;梁慧姝论述了“化学教学中采用隐性和显性相结合的方式”[7];吴俊明等则提出了“实践中隐性，理论上显性”[8]的观点。可以说，化学教育学术研究的积累，为教材中科学方法的编写明晰了正确方向和科学路径。

2  科学方法的内涵

所谓科学方法是人们在认识和改造、保护客观世界的实践活动中直接或间接形成的有效的规则、方式和手段，是人的活动经验程序化、规范化的结果，是进行科学研究的有力工具[9]。一般而言，科学方法按其性质适用范围分为三种层次： 一是哲学类，它是科学方法的最高层次;二是自然科学方法类，它是反映学科当中带有共性和规律性的东西;三是各个学科所采取的特殊研究方法。在科学教育过程中，教師应根据教学目标、教学内容和学生的心理发展水平，循序渐进地对学生进行有针对性的科学方法教育，进阶式地让学生理解和掌握应用各个层次的科学方法。在中学化学教学中，最常用的是科学方法的第二层次。

3  科学方法呈现的特点

科学方法是化学学科核心素养的重要组成部分。新教材着力凸显科学方法，试图以“章引言”“方法导引”“整理与提升”等相关栏目的设计，努力构建新教材的科学方法体系。

3.1  隐性表征——“章引言”和“整理与提升”

新教材精心设计每章的“章引言”，通常借问题情境形式引出本章学习内容，并由此一步提炼重要知识和核心观念，提出认识视角和思路，明晰学习目标和应用价值等，尤其是科学方法——认识视角和思路的呈现，教材编写者“煞费苦心”，几经修改，反复推敲，建构成整个章引言的模型图（如图1所示）。例如必修1第五章章引言，新教材首先引出问题，如“对在众多的化工原料和产品中，都能见到硫和氮等元素的踪迹。这些元素具有怎样的性质？应该如何进行研究和利用呢？”[10]。其次提炼重点（重要的化学概念、化学观念、学科核心知识），诸如“变量控制是科学探究中常用的方法，通过变量控制可以使多因素的问题变成几个单因素的问题，分别加以研究，最后再将几个单因素问题的研究结果加以综合”[11]。再次提出认识视角，诚如“依据物质类别和元素价态，研究硫和氮等元素及其化合物的性质和用途，深化对物质间转化关系的认识”[12]。最后章引言往往还会指明学习目标和应用价值等，例如“工业上利用这些转化关系，遵循生态文明思想，可以获得相应的化工产品，实现环境保护与资源利用的和谐统一”[13]。

新教材章末的“整理与提升”是原教材“整理与归纳”的升级版。新教材试图通过从系统设计、知识关联、认识视角和思路、核心观念等方面对整章内容进行归纳与整理，并构建结构化的认识模型和应用实例。例如必修1第三章的“整理与提升”模型图（如图2所示）。在整个“整理与提升”设计中，新教材还特别强调基于认识视角的科学方法，努力体现“知识向素养的转化观念”，由此逐步提升学生的结构化认知水平。

3.2  显性表征——“方法导引”

“方法导引”是新教材中的新增栏目，该栏目旨在呈现科学研究、化学学习等过程中常用的一般方法（见表1）。在8种科学方法中，新教材十分强调认识视角，特别关注认识过程和思路，并着力外显提升学生认识和思维水平的方法和途径。

[案例1]分类。分类是根据研究对象的共同点和差异点，将它们区分为不同种类和层次的科学方法。科学的分类能够反映事物的本质特征，有利于人们分门别类地进行深入研究[14]。分类有一定的标准，根据不同的标准，人们对研究对象进行不同的分类。

在高中化学的学习中，分类思想经常有所涉及，如对物质的逐级分类，对分散系的多维分类，对物质性质的多角度分类（性质可分为物理性质和化学性质，化学性质又可再分为氧化性和还原性、热稳定性、酸碱性等），再到反应分类（离子反应角度、氧化还原角度、能量变化角度等）。

[案例2]认识元素及其化合物性质的视角。物质类别和元素价态，是学习元素及其化合物性质的重要认识视角[15]。在研究物质的性质时，可以从物质类别、物质所含核心元素的化合物这两个基本角度预测物质可能具有的性质，并通过实验进行验证。

从物质类别的视角预测物质的性质。首先，判断物质所属物质类别，根据该类别物质的一般性质及相关反应规律预测该物质发生的反应;然后，选择可能与该物质反应的各关物质的代表物，推断可能发生的具体反应。预测是否正确，需要用实验验证[16]。例如，工业上脱除SO2。分析SO2的物质类别属于酸性氧化物，能与氨反应而被脱除，其主要化学原理之一用化学方程式表示如下：

SO2+2NH3+H2O（NH4）2SO3

从元素价态的视角研究物质氧化性或还原性的思路。一是根据物质所含元素化合价升高或降低的可能性，预测物质可能具有还原性或氧化性。若所含某元素的化合价有升高的趋势，说明该物质可能具有还原性;反之，若所含某元素的化合价有降低的趋势，说明该物质可能具有氧化性。二是如果预测某物质具有氧化性，就需要寻找具有还原性的另一物质，通过实验检验两者能否发生氧化还原反应，以验证预测是否正确。相应地，如果预测某物质具有还原性，就需要寻找具有氧化性的另一物质，通过实验来验证预测是否正确[17]。例如，工业上脱除NO和NO2。分析NO中氮元素的化合价为+2， NO2中氮元素的化合价为+4，而氮元素的最低价态为-3价，最高价态为+5价。因此推测NO、 NO2中的氮元素的化合价可以升高，也能降低，NO既具有还原性，又具有氧化性，可以寻找氧化剂O3将其氧化，也能用NH3将其还原，其化学原理用化学方程式表示如下：

4NH3+6NO催化剂△5N2+6H2O

8NH3+6NO2催化剂△7N2+12H2O

NO+O3NO2+O2

2NO2+2OH-NO-3+NO-2+H2O

基于物质类别和元素价态设计物质间转化的途径。例如要想从单质铁获得FeSO4，既可以基于物质类别设计从金属单质与酸反应获得，或从金属氧化物与酸反应获得，也可以通过金属单质与盐的置换反应获得;还可以基于元素价态设计单质铁与+3价铁反应得到+2价铁。

4  几点启示

4.1  理解新教材科学方法的体系

新教材以新课标为依据，重视科学方法建构的体系化，并将科学方法贯穿于整套教材，贯穿于教材的每一章。事实上，在教学过程中，教师比较重视显性的科学方法教育，如“方法导引”等，但隐性的科学方法则关注度不够。因此，对于“章引言”的教学，笔者以为可以先用章引言创设真实、有意义的问题情境;然后引导学生在自主学习和小组协作中理顺章节知识间的“逻辑”，提炼出本章重要的认识视角和思路，从而做到真正让科学方法成为科学知识和素养发展的桥梁。对于单元复习教学，笔者以为要在“整理”中“提升”学生的学科素养，否则容易“炒冷饭”。因此教师要针对各章内容，基于认识和观念的视角进行科学的归纳、总结和提升，真正让学生把知识结构化，让认知建构方法化。同时，也要让学生感受本章知识背后的社会价值和应用价值。

4.2  认知科学方法的层次教学

新教材中涉及的科学方法较多，教师可根据学生的年龄特征和认知特点，结合教材知识间的逻辑顺序，引导学生有重点、有计划地分步实施科学方法教育。例如在必修1中可以先行凸显一些分类、预测、实验室中制取气体装置的设计等基本的科学方法的教育，而后在学习过程中逐步渗透对认识有机物的一般思路、变量控制、化学实验设计、系统科学等科学方法的教育，以求拾阶而上，体现科学方法认知和实践上的循序渐进。

不仅如此，在不同的学习阶段，相同科学方法也可以呈现不同的层次要求。例如科学方法之“模型”，在必修1电解质电离时，教材提及了模型的概念、功能和分类，但总体而言，语言抽象，学生难以理解和应用;但在必修1第四章中，教材列举了五种共价分子的分子结构模型，此时，学生对模型的认知相对而言就显得较为形象和具体;再后来，教材第七章实验活动8，要求学生通过搭建球棍模型来认识有机化合物分子结构的特点，学生在此过程中进一步认知了模型的“意蕴”，“感悟”到有机物的结构特点，并能应用认知的模型预测该有机物可能具有的性质。因此有关“模型”的科学方法在教材中多次出现，体现出不同阶段的不同要求，意在实现科学方法的教育由“隐性”走向“显性”。

4.3  挖掘隐性的科学方法素材

新教材中涉及的化学史是科學方法教育的好素材。化学上的每一次发现，往往都是各种科学方法综合应用的结晶，体现了问题解决的“来龙去脉”，凸显了科学方法在研究中的价值。例如，新教材中以我国科学家屠呦呦对青蒿素的研究为素材，重点介绍了屠呦呦提取和分离青蒿素的方法选择，以及测定青蒿素分子结构方法不断改进的过程，这样处理的目的是外显科学方法选择的可行性和重要性。其次，在教学过程中教师应引导学生感悟科学方法的应用价值，如在介绍纯碱的生产历史时，可以让学生先行查阅资料，了解勒布兰制碱法、索尔维制碱法和侯氏制碱法的原理，其次让学生对三种制碱方法进行比较，而后让学生感受化学工业发展过程中方法改进的重要性，以及建设生态文明的意义。总之，这些隐性科学方法素材的挖掘，可以让学生感悟科学方法形成于人类在发现自然规律的过程之中，以及科学地运用这些方法可以更好地去认识自然，更好地造福于人类。

当前，化学核心素养的研究正在全方位推进之中，基于核心素养的视域下的新教材对科学方法的呈现和应用也进行了尝试。作为一线教师也要与时俱进，不断认知和完善科学方法的功能，要通过科学方法将科学知识转化为科学素养，潜移默化地培养学生的科学态度和社会责任，以此全面培育和发展学生的化学学科核心素养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2003年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2003.

[2]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[3]胡扬洋， 邢红军， 谷雅慧. 物理教科书编写呈现科学方法的研究——以人教社高中物理必修教科书为例[J]. 课程·教材·教法， 2016， 36（9）： 63～67.

[4]乔际平， 续佩君. 物理教育学[M]. 南昌： 江西教育出版社， 1992： 99.

[5]邢红军. 物理教育研究[M]. 北京： 中国民航出版社， 1999： 221～222.

[6]杨文斌. 高中化学教材中科学方法的表征及其对学习的影响——以沪科版高中化学教材为例[J]. 中学化学教学参考， 2011，（9）： 3～6.

[7]梁慧姝. 自然科学方法论在中学化学教学中的应用[J]. 高师函授， 1984，（4）： 55～58.

[8]吴俊明. 对科学方法和科学方法教育的再认识——祝贺《化学教育》30周年刊庆[J]. 化学教育， 2010， 31（2）： 1～5.

[9]吴俊明. 科学方法与过程[J]. 化学教学， 2015， （12）： 3～4.

[10][11][12][13]王晶， 郑长龙. 普通高中教科书·化学（必修第二册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019.

[14][15]王晶， 毕华林. 普通高中教科书·化学（必修第一册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019.

[16][17]王磊， 陈光巨. 普通高中教科书·化学（必修第一册）[M]. 济南： 山东科学技术出版社， 2019.