體驗科學家的思維歷程

文章編號：1005－6629(2007)04－0035－05中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 教學設計的思想

提高學生的科學素養是基礎教育承擔的重要任務，也是化學新課程改革的基本理念。按照新課程標準，科學素養包括三個方面：知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀。然而，如何在課堂教學中全面、有效地提高學生的科學素養卻是一個難題。近年來的研究表明，利用科學史進行教學是一種可行的方法。化學新課程標準也明確指出“結合人類探索物質及其變化的歷史與化學科學發展的趨勢，引導學生進一步學習化學的基本原理和基本方法，形成科學的世界觀”，因此新課程注意“在人類文化背景下構建高中化學課程體系，充分體現化學課程的人文內涵，發揮化學課程對培養學生人文精神的積極作用”。

為了使化學史的教學在提高學生的科學素養中充分發揮作用，讓學生在學到化學知識的同時，學習科學研究的方法，體驗科學探究的過程，感受化學的發展和了解化學家的工作，我們從化學課程標準的精神出發，結合科學探究的特點，依據化學史上的科學發現過程，進行“讓學生體驗科學家的思維歷程”的課堂教學設計。

2 教學設計的依據

通過查閱和分析化學史料，我們發現科學家們在不同階段或面對不同的化學問題時，活動的方式各不相同。有的以思辯、想像為主，如最初的“原子”概念的形成過程：有的通過實驗發現新的物質，如氧氣等的發現；有的通過整理、加工所收集的資料找出其中的規律，如元素周期律的發現過程；還有的是在實驗基礎上建立或修正理論模型，如近代對原子結構的認識和發展過程，等等。科學家的發現活動過程是學生“體驗科學家思維歷程”教學設計的最重要依據。不同的科學活動類型可以讓學生體驗科學家不同的思維歷程，體驗不同科學知識形成和發展的過程，體驗科學研究中證據的重要性、科學真理的相對性，更好地理解科學的本質。

然而學生解決問題的能力與科學家畢竟有很大的不同，首先，無論是知識的深度還是廣度，學生與科學家有差異；其次是對問題的洞察力和解決問題的經驗和能力存在差異；再次科學研究總是要經歷曲折、困惑，甚至痛苦，往往需要通過科學家頑強的拼搏和不懈努力才能達到，但課堂教學時間的有限性及教學本身追求的最大效益性卻不允許學生經歷同樣的歷程。因此，完全從學生的知識背景、思維水平出發讓學生“體驗科學家的思維歷程”在現實中是很難實現的，從教學效益的角度考慮也是不合算的。教學設計的目的就是要求教師能創設合適的教學情境，通過恰當的設計和引導，在解決目前所遇到的問題中拉近學生與科學家的距離，從而使得學生能嘗試沿著科學家發現的足跡去體驗發現的過程。

3案例教學設計的過程

科學，一個重要的觀念是“自然界是可理解的”，因此“科學家總是利用觀察、實驗、理論以及數學的方法來形成和驗證他們對自然現象所提出的解釋”，從而形成科學知識。然而一旦發現新的證據與已有解釋不相符合，就需要修改已有的解釋或建立新的解釋，科學知識就此改變、發展。人類對原子結構的認識過程就是科學家對不斷觀察到的實驗現象進行不同解釋的過程，也是原子結構知識不斷深入發展的過程。蘇教版高中化學選修課程《物質結構與性質》專題2第一單元的《人類對原子結構的認識歷史》一節內容向我們展現了這個發展過程。其中最有代表性的是這樣兩個過程：當盧瑟福發現α粒子散射實驗，而用湯姆生的棗粒原子模型無法解釋實驗現象時，問題出現，于是他就根據新的實驗現象建立核式原子模型；可是不久后人們又發現核式原子模型與經典的物理學理論有矛盾，問題又出現，玻爾在系統研究光譜學的基礎上，把量子化概念引進盧瑟福的原子結構模型，提出了原子結構中量子化的軌道理論。通過實驗獲取相關信息，進行研究發現原有理論存在問題，根據實驗所得的信息重新推理、猜測，形成新的假說，然后將假說用于解釋問題和實驗的結果，最終建立自己的新理論，是科學家構建原子模型的主要思維方法。表示如下：

根據科學家的發現歷程，教學設計的具體思路是：創設一定的情境讓學生了解研究的歷史背景，對要研究的問題產生興趣。給學生展示歷史上科學家做過的實驗，讓學生獲得與當年研究同一問題的科學家獲得相同的材料和信息，引導發現和思考同樣的問題，讓學生嘗試問題的解決，體驗科學家的思路歷程。通過討論，作出推測或結論。然后向學生展示當年研究同一問題的科學家的思維歷程和研究結果，分析對比，使其產生強烈的情感體驗。在此過程中，學生體驗了科學家的思維活動，在獲得相應的知識的同時，對于科學、科學家會有更深刻的認識，這對他們理解科學本質，提高科學素養，有重要意義。設計思路如下：

4 案例教學的課堂紀實

在教學中，我們選擇了成績無顯著差異的兩個班級進行試驗。隨機選擇一個班為試驗班，按照體驗科學家的思維的教學設計進行教學；另一班為對照班，由教師按照教材內容介紹人類對原子結構的認識歷史。并采用了課堂記錄和課后測試等方式作為教學效果分析的依據。以下是按照設計思路的不同階段整理的課堂紀實及學生對問題的反應記錄。

4.1 盧瑟福原子模型的提出

4.1.1 創設情境，了解背景

這一階段的設計旨在通過展示道爾頓的實心球原子模型向湯姆生棗糕原子模型的轉變，讓學生回顧人類對原子結構的早期認識，了解當時研究的歷史背景，了解科學家的研究方法，激發學生研究學習動機和興趣。

4.1.2展示歷史實驗，發現存在問題

旨在通過展示α粒子散射實驗，讓學生獲取跟科學家一樣的相關信息和事實，在此基礎上激勵和引導學生仔細觀察、認真分析，發現存在的問題。

4.1.3 引導學生思考，嘗試問題解決

學生通過對歷史實驗和事實的了解，基本獲取了與當年的科學家們相似的相關資源和信息。這時教師要進行適當的引導，彌補學生與科學家的差別，再要求他們充分發揮主觀能動性和想象力，通過自己的大腦思考思考問題，解決與科學家遇到的相同的科學問題。

4.1.4 對照科學家的思維歷程，讓學生產生情感體驗

通過展示當年科學家的思維歷程，讓學生了解科學家的思維特點，并與自己的思維過程相比較，從而產生強烈的情感體驗，幫助學生認識科學家與其自身的差異，深刻理解科學本質，并對科學研究產生強烈興趣。

4.2 玻爾原子模型的提出

我們用同樣的教學方法讓學生體驗了玻爾原子模型的建立。首先創設情境，與學生一起回憶物理知識，介紹古典電磁理論和原子光譜，討論盧瑟福核式原子模型了解當電子繞核作圓周運動時，必然自動放出能量。隨著原子能量的漸少，頻率也逐步改變，所以發出的光譜是連續的。而電子由于能量的不斷減少，最終會墜落到原子核上，原子必然是一個不穩定的體系。其次，展示實驗史實：一是當時發現的各種元素的原子都是穩定的；二是氫原子光譜實驗及其結果，發現原子光譜是不連續。這是用盧瑟福核式原子模型和古典電磁理論無法解釋的，說明其中必定存在問題。再次，引導學生根據實驗事實猜測，得出電子在原子核外的運動是在特定的軌道上的。最后，讓學生對照科學家的思維歷程，說明玻爾是怎樣系統地研究光譜學，把普朗克的量子化概念引進盧瑟福的原子模型，提出了原子結構中量子化的軌道理論。并說明玻爾的原子模型也不是完美的，介紹電子云的概念。使學生進一步了解，科學知識是可以不斷完善的，科學是一個不斷進步、不斷發展的過程。

5教學測評及結果分析

課堂教學結束后，給學生布置了五個開放式問題讓學生完成。問題以本節內容為載體，側重考查學生對科學本質的理解和認識。以下為測試結果：

分析測試結果，我們發現學生對知識的理解方面沒有顯著差異，但在理解科學本質方面有明顯差異：如在回答關于科學方法的問題時，施教班學生有22人提到根據科學家們采用了經驗類推建立模型的方法，而對照班只有9人提到。在回答對科學家的認識時，施教班有18人認為科學家的思維不神秘，而對照班只有7人這樣回答。在回答科學理論的建立時，施教班有17人認為科學發現是后人在前人經驗和理論的基礎上的不斷補充，是科學家們的共同成果，而對照班只有7人這樣回答。

通過課堂記錄、測試和課后訪談，我們得到如下結論：

(1)通過體驗科學家思維的教學，學生普遍反映這種教學形式很新穎，也很有趣，不僅有效地激發了他們的思維，也體驗到了當科學家的快樂。因此教學過程中，課堂氣氛活躍，學生參與的積極性和熱情極高，能進行廣泛的交流和討論。

(2)通過體驗科學家思維的教學，學生不僅了解了人類對原子結構的認識歷史，還體驗到了科學家認識原子結構的具體過程，親身感受了科學理論的形成過程，并認識到科學家認識原子結構的思維并不神秘，自己通過努力也可以成為科學家。

(3)通過體驗科學家思維的教學，學生對科學本質的認識和理解更深刻，能認識到科學的動態發展和科學家在科學發現中的作用。

當然，我們也發現在進行課堂教學的過程中，有少部分同學反應冷淡，不能積極參與和認真思考，通過訪談得知，個別同學認為這些內容都是和考試無關的內容，沒有必要花費時間去思考，只要應付了老師就行；個別同學認為這樣的內容以前都是“教師講，學生聽”，很少有這種教學形式，不知該怎么做，有些不習慣。這些問題的存在也使我們意識到：教師在教學過程中，不僅要教知識，還要教意識。必須讓學生明白，學習不止是為了考試。同時這種教學對教師的教學水平也提出了更高的要求，教師如何激發全體學生的學習興趣，教學設計的問題的難易照顧到每一位學生，都是值得繼續探討的。

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