學(xué)理科要講理

保志明

從教高中化學(xué)20多年了，近年來最大的感受就是學(xué)生越來越“用功”。學(xué)生們上課聽講，晚上學(xué)習(xí)至深夜，周末、寒暑假也不休息，奔赴各種輔導(dǎo)班。可特別讓人絕望的是，花了這么多時間，這么用功地學(xué)習(xí)，效果卻不怎樣，尤其是理科。許多學(xué)生對數(shù)理化考卷上的題目完成起來仍很吃力，對數(shù)理化的體系、原理更是懵懵懂懂，不知所云。

古人早就教育我們要“順勢而為”，要“因勢利導(dǎo)”，這樣才能把事情做好，這是常識。因此，教學(xué)之前我們先要弄清楚什么是理科的“勢”，即它的特點和規(guī)律，才不至于在教或?qū)W的過程中南轅北轍。我這里說的“理科”主要指物理、化學(xué)、生物等自然科學(xué)類課程。自然科學(xué)研究自然界運轉(zhuǎn)的機制。科學(xué)工作者認為自然如同一部大機器，是按一定規(guī)律運轉(zhuǎn)的，而這些規(guī)律是可知的。

既然科學(xué)工作者堅信自然的規(guī)律是可以被認知的，那么他們工作的時候就會先有一個想法或預(yù)感，提出一種方法或途徑來探究一個問題。他們會通過實驗和收集數(shù)據(jù)，來證明或反駁這個假說。因此，科學(xué)本身遠不止是那些寫在書本上的結(jié)論，它是一種思維方法，一種生動的、不斷變化的對世界的看法。它是發(fā)現(xiàn)世界背后的機制的一種方式，一種非常特別的方式——用的是科學(xué)家設(shè)計的一系列有助于發(fā)現(xiàn)自己錯誤的規(guī)則。這套規(guī)則中最重要的是兩點：證據(jù)和邏輯，它不認可“說不清道不明”的主觀感覺。

舉個例子來說明。如果你去問梵高，為什么你會用這樣的色彩和線條來表現(xiàn)向日葵，他恐怕只能回答你三個字：我喜歡。而觀眾能強烈感受到“美”，卻無法弄清每一根線條落在這個位置的來龍去脈。如果你去問愛因斯坦，你為什么會提出相對論，他應(yīng)當(dāng)能告訴你他從哪些端倪中有了初步想法，又發(fā)現(xiàn)哪些事實是可以支持他的想法的，你能感受到“真有道理”。這就是藝術(shù)和科學(xué)的不同。前者的創(chuàng)造可以天馬行空，而后者的創(chuàng)造必須有理有據(jù)。

既然如此，那直奔科學(xué)結(jié)論而去的學(xué)法其實就是種藝術(shù)創(chuàng)想式的學(xué)法，它不顧結(jié)論的前世今生，只是孤立地看待一個個寫在教科書上的僵化的知識和結(jié)論；它割裂了科學(xué)結(jié)論與科學(xué)過程的關(guān)系，認為不管它怎么來的，只要知道它是什么就行。這樣的學(xué)習(xí)方式必然與科學(xué)本身的氣質(zhì)不搭，學(xué)得越多會越混亂，最后只得不斷死記硬背，不斷重復(fù)訓(xùn)練，不斷艱難地與遺忘作斗爭，怎奈以梵高作畫的方式去研究物理學(xué)終究是行不通的，最后只能全面潰敗。

下面我結(jié)合課堂教學(xué)具體說說遵循理科規(guī)律的理科學(xué)習(xí)（即講“理”的學(xué)習(xí)）是什么樣的。

一、講“理”讓理科學(xué)習(xí)不枯燥

一次化學(xué)課上，認識金屬鈉的性質(zhì)，做鈉與水反應(yīng)的實驗。這個實驗的現(xiàn)象比較奇特，鈉與水一接觸就十分劇烈地反應(yīng)，固體鈉熔化成一個閃亮的小球，浮在水面上，不停地?zé)o規(guī)則游動，并且嘶嘶作響，同時，原先滴有指示劑酚酞的水變紅。許多教輔書都喜歡將實驗現(xiàn)象小結(jié)為“浮、熔、游、紅、響”這五個字，其實五字訣中的“熔”字可不是通過感官直接觀察來的，那是要經(jīng)過理性思維的。果然，學(xué)生“熔”字講不出。因為這是反常識的，平時哪見過金屬放在水里就熔化成液體的啊。因此，如果他們發(fā)現(xiàn)鈉熔化了，會多么驚嘆物質(zhì)世界的豐富——居然有熔點這么低的金屬！這才是化學(xué)有意思的地方呢，所以我打定主意要讓學(xué)生自己把“熔”字講出來。

我問他們，鈉為什么會變成小球？因為它與水反應(yīng)，鈉慢慢地被消耗了。這是很正常的想法，大多數(shù)學(xué)生都這么說。我不依不饒，繼續(xù)問，鈉被消耗只會變小啊，怎么會變成球的呢？學(xué)生們對這個問題相當(dāng)不屑，都說均勻地被消耗唄。還有學(xué)生補充說，鈉在水面上不停滾動，就像滾雪球那樣，只不過它是越滾越小。（這就是科學(xué)過程中的“假說”。）

看來要說出“熔”字不容易，怎么才能讓學(xué)生意識到鈉被水均勻“削”成小球的看法不對呢？科學(xué)課堂只能靠事實說話。我分別切了一小塊立方體狀的鈉、一小塊三角錐狀的鈉、一小塊金字塔狀的鈉投入水中，結(jié)果殊途而同歸，它們都迅速變成小圓球在水面游動。（這就是科學(xué)過程中的“證偽”。）

學(xué)生們十分驚奇，但努力自圓其說：是尖角處消耗得多，所以最后被“削”成小球了。這時候?qū)W生中起內(nèi)訌了：好像不是被“削”出來的吧，似乎特別圓特別光滑。（只好提出新的“假說”。）頑固的認識已經(jīng)出現(xiàn)松動了，我趁勢加勁：不是被“削”出來的話，會不會是自己“撐”出來的？荷葉上的露珠為什么是個小球？（邏輯分析。）有學(xué)生站出來說，是表面張力……立即有學(xué)生又站出來說，液體才有表面張力！說完，他愣了愣：難道，難道鈉變成液體了？

話音剛落，即刻有學(xué)生興奮地拍著桌子站起來說：是熔化成液體啦！我用手指捏它了，又熱又粘！（通過實驗“證實”。）

鈉熔化了？學(xué)生們相當(dāng)開心，一邊紛紛用戴著乳膠手套的手去觸摸那個逐漸變小的小鈉球，一邊驚嘆著金屬鈉的熔點是如此之低。

這是一段看上去鬧哄哄、亂糟糟的課堂實錄，大約花了十分鐘才讓學(xué)生認識到這個“熔”字。由我告訴他們的話只要十秒鐘吧。可是在這“亂哄哄”的十分鐘里，我們經(jīng)歷了假說、觀察、思考、分析、推理，收獲了自己的發(fā)現(xiàn)，自己得出了結(jié)論，這是十秒鐘的“高效傳授”給予不了的。這樣的過程，就是想讓學(xué)習(xí)者知道，科學(xué)結(jié)論并不是冰冷地存在于課本中的，它是有溫度的，可以觸摸的。

作為教師，我們在教學(xué)中常常有種莫名的緊迫感，總是擔(dān)心來不及。于是不舍得花時間做實驗，不舍得花時間科學(xué)探究，不舍得花時間討論問題。科學(xué)課上，我們特別重視那些擲地有聲的科學(xué)結(jié)論，心急火燎地把這些“真理”塞給學(xué)生。而學(xué)生們呢，似乎更加有緊迫感，他們可能都等不及開學(xué)到課堂上再慢慢學(xué)習(xí)，就急急慌慌地提前奔到銜接班早早接受結(jié)論，然后反復(fù)做題，枯燥至極。最終呢，只能憑借頑強的意志與枯燥乏味作斗爭。這種與科學(xué)的認知規(guī)律不吻合的做法其實才是真正的浪費時間。

二、講“理”讓科學(xué)學(xué)習(xí)的內(nèi)容更豐富

下面我以一個化學(xué)概念的教學(xué)為例來談這個問題。

“化學(xué)反應(yīng)速率”是化學(xué)反應(yīng)原理中的一個重要概念。“化學(xué)反應(yīng)速率通常用單位時間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減小或生成物濃度的增加來表示，單位表示為mol/（L·s）、mol/（L·min）、mol/（L·h）等。”無論哪種版本的高中化學(xué)教材，都會這樣簡單明晰地給出“化學(xué)反應(yīng)速率”的概念，以至于大家都認為反正就是個定義，我記下來就得了。但任何概念都有其產(chǎn)生的背景，任何定義都有其規(guī)定的合理性，充分認識到為什么要有這個概念、為什么這么規(guī)定，才是講“理”的科學(xué)學(xué)習(xí)。

為什么要定義出“化學(xué)反應(yīng)速率”的概念呢？

化學(xué)反應(yīng)是一種變化，變化就會有快慢，快慢是“比”出來的。總不能只以“快”“非常快”“特別快”這些詞來形容吧，因此要定量化。這些看似與化學(xué)離得很遠的討論也不是無病呻吟，人們在科學(xué)世界中建立起的“速率”概念正是源自于生活世界中對各種現(xiàn)象的認識和思考。

怎樣定義“化學(xué)反應(yīng)速率”？

“在物理課上，我們以哪些概念來表達快慢？區(qū)別是什么？”“速率只能定義為單位時間內(nèi)距離的變化嗎？”學(xué)生們想起物理課上介紹過“線速率”“角速率”，無論哪種速率的定義中都有“單位時間內(nèi)的變化量”，至于這個變化量是“距離”還是“角度”，那要看具體問題的需要，這是可以變動的。

那么，化學(xué)反應(yīng)速率使用什么變化量為好呢？

至此，對“化學(xué)反應(yīng)速率”這一概念的認識到了最關(guān)鍵的一點，這是一個最有“化學(xué)”意味的問題，使得“化學(xué)反應(yīng)速率”與其他各種“速率”區(qū)別開來。舉出Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑這一反應(yīng)為例，問：“你認為可以用單位時間內(nèi)哪些量的變化來表示這個化學(xué)反應(yīng)的速率？”學(xué)生們談到很多，如鋅粒質(zhì)量的減小，H2SO4濃度的減少，H2SO4物質(zhì)的量的減少，ZnSO4濃度的增加，ZnSO4物質(zhì)的量的增加，氫氣的質(zhì)量增加，氫氣的體積增加，氫氣壓強的增加等等。最后，他們一致認為上述物理量中任何一個都是可以用來表示這個反應(yīng)的速率大小的。

真是這樣嗎？

我們一起來做個實驗。A、B兩支試管對比，A試管中加入1粒鋅粒，B試管中加入2粒鋅粒，A、B兩支試管同時分別加入5mL和10mL同濃度的硫酸。在相同時間內(nèi)，觀察到B試管中產(chǎn)生的氣體明顯多于A試管（各滴入2滴肥皂水以便于觀察氫氣的量）。“你認為哪支試管中反應(yīng)速率快？”“當(dāng)然是B試管了！”這是學(xué)生們的第一反應(yīng)。

但是隨后他們便有了更深入的思考：兩支試管中的反應(yīng)應(yīng)當(dāng)一樣快啊，它們的差別只是藥品用量按比例縮放，并沒有其他差異。可為什么會感覺B試管中反應(yīng)快呢？因為是以氫氣的體積變化來判斷反應(yīng)快慢的。如果以鋅粒的消耗量來判斷反應(yīng)快慢呢？也會得出同樣的結(jié)論。那以什么來判斷才會得出兩支試管中反應(yīng)的速率一樣快的結(jié)論呢？硫酸濃度的減少。為什么選上了“濃度”？因為硫酸的濃度是處處相等的，不會因為量多量少而變化，而質(zhì)量、體積、物質(zhì)的量等這些量是可以加和的。至此，大家意識到，在溶液的量一定時，通過質(zhì)量、體積等的變化來測定反應(yīng)速率是可以的，而作為化學(xué)反應(yīng)速率的定義，以單位時間內(nèi)反應(yīng)物或生成物“濃度”的變化來表示顯然更為合理。

經(jīng)過這一番過程，大家一是感覺到定義“化學(xué)反應(yīng)速率”的必要性，二是“親自”參與了給出定義的過程，發(fā)覺書上的定義還真是挺合理的，并不是“前人下定義，我只背定義”，三是發(fā)覺干巴巴的定義原來這么有趣。這就是講“理”的學(xué)習(xí)過程，它使學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富起來：不僅有知識的學(xué)習(xí)，更有方法的引導(dǎo)和情感的培養(yǎng)。而后兩者將會更長久地駐留在學(xué)生心中。

你看，科學(xué)本身就是這樣曲折和豐富，它是一種思維方法，它有一種獨特的、發(fā)現(xiàn)自己錯誤的方式，它重視證據(jù)和邏輯，它從不會蠻不講理。

三、講“理”的學(xué)習(xí)讓學(xué)生終身受益

2008年我作為交換教師赴美，在一所中學(xué)執(zhí)教十年級化學(xué)。要給一群不懂中文的美國學(xué)生講化學(xué)，對于我來說還是件困難的事。為了使自己擺脫困境，我總是“不懷好意”地安排學(xué)生多動手做實驗。結(jié)果在這一過程中，我有了意外的收獲。

講到“摩爾”這一內(nèi)容。“摩爾是物質(zhì)的量的單位，1摩爾任何粒子所含的粒子數(shù)都是阿伏加德羅常數(shù)，其數(shù)值約為6.02×1023。”就這么一句話，在國內(nèi)教學(xué)中可費勁了！它是高考必考考點，命題者還總是挖出許多“陷阱”來讓人掉下去。因此，我在國內(nèi)十多年的教學(xué)中總是在這里費上許多口舌，解釋個半天，練上許多題，也設(shè)置許多“陷阱”讓學(xué)生適應(yīng)。至于實驗嘛，從未想過，教材教參上也沒有。

美國高考題中沒有這類“陷阱”，我也不會用英語解釋這么多，只好挖空心思想實驗。摩爾就是計量微粒個數(shù)的單位，只不過不是一個個數(shù)的，是一堆堆數(shù)的，而且好大好大的一堆，那就讓學(xué)生們數(shù)數(shù)玩吧。

我讓學(xué)生兩人一組實驗，稱取20克大豆和20克大米，分別數(shù)數(shù)它們有多少顆。這么小兒科的實驗，原是帶有些“不可告人”的目的的，我有些心虛地在學(xué)生間踱來踱去。他們倒是很興奮地數(shù)著豆子，并把數(shù)據(jù)記錄在表格中。但當(dāng)他們數(shù)到大米時，明顯有些煩了，米粒好小啊，20克要數(shù)好一陣呢。正當(dāng)我偷偷為自己的不良用心臉紅時，突然發(fā)現(xiàn)有個學(xué)生將米粒數(shù)10顆放成一堆，一堆堆放好，而他的同伴則數(shù)著堆數(shù)，記下總數(shù)。兩人配合得很默契，都顯得十分愉快。我再一觀察，發(fā)現(xiàn)還有另一實驗組也自發(fā)做著同樣的事。

我立刻意識到這是極其珍貴的意外收獲，國內(nèi)教學(xué)那么多年都沒有，因為沒給學(xué)生做過這樣的“傻”實驗。我在他們做完后神閑氣定地問他們，數(shù)豆子感覺怎樣？“Interesting（好玩）！”那數(shù)大米呢？“Boring（煩死了）！”那我們再來數(shù)沙子呢？學(xué)生們愣住了，進而憤怒了：“You are crazy（你瘋了）！”如果我們還要數(shù)原子呢？“Impossible（不可能啊）！”但是隨即，他們開始沉思。我列舉了他們中有人數(shù)大米的方法，告訴他們你們已經(jīng)尋找到了數(shù)小顆粒的方法——一堆一堆地數(shù)！當(dāng)然，米粒比起原子來還是大得太多了，因此可以10顆一堆，那原子就得好大好大的一堆了。那么，定多大的一堆才比較合理呢？……

為什么要新定義一個物理量“物質(zhì)的量”，并規(guī)定它的單位是“摩爾”呢？就是為了方便計量微粒個數(shù)，這些看不見的小微粒在科學(xué)研究和生產(chǎn)中還特別有計量的需要。這種強烈的需求使得科學(xué)家們反復(fù)研究，達成共識，規(guī)定出了新的物理量。看上去它是安靜地呈現(xiàn)在教科書上的一段文字，但它的背后一定是有“故事”的。而學(xué)生們從經(jīng)歷的數(shù)大米的麻煩，到想出一堆堆去數(shù)的解決方案，就是歷史上這一“故事”的濃縮。

對于任何東西、現(xiàn)象、問題、人、事件，如果不認識它的過去，你如何理解它現(xiàn)在到底代表什么意義？不理解它的現(xiàn)在，又何從判斷它的未來？不認識過去，不理解現(xiàn)在，不能判斷未來，那算是接受的什么教育呢？

一段講“理”的學(xué)習(xí)，讓我們對孤立的、靜態(tài)的書本結(jié)論的價值判斷發(fā)生了變化：知道了它的起點在哪里，將使我們更懂得欣賞它的美。對這種美的欣賞和探求，將會使學(xué)生受益終身。

自然科學(xué)的理性還表現(xiàn)在它本身的優(yōu)美就在那里，不需要人為地涂脂抹粉。善于進行理科學(xué)習(xí)的學(xué)生，他的注意力應(yīng)當(dāng)放在用心去理解自然界上，而不是完全依靠老師去解讀自然界。任何教師，用自己的語言去解讀自然的時候都會帶上他個人的主觀色彩，這也是學(xué)生們學(xué)習(xí)時需要警惕的。理科的學(xué)習(xí)，與任何其他學(xué)科的學(xué)習(xí)一樣，需要獨立的思考和批判的眼光。

（作者單位：南京師范大學(xué)附屬中學(xué)）