創(chuàng)建“讓我們一起想”的科學思維課堂

保志明

“物質是由原子、分子等微小粒子構成的。”“光既有粒子性，又有波動性。”“自然選擇是使種群變化的一種機制。”如今，這些科學知識就安靜地呈現在教科書上，是我們科學課堂上的重要教學內容。但我們有沒有帶學生一起想過，人類是怎么知道的呢？我們又沒看見，憑什么“想”出原子的存在呢？這就是科學特有的“想”——科學思維。“科學實際上是一種思維方法，一種生動的、不斷變化的對世界的看法。它是發(fā)現世界背后機制的一種方式——一種非常特別的方式，用的是科學家設計的一系列有助于發(fā)現自己錯誤的規(guī)則。”［1］也就是說，科學知識與發(fā)現這些知識時使用的科學思維是密不可分的。然而現在的問題是，科學思維是隱性的，科學知識是顯性的；科學思維是難以測查的，科學知識是容易出題考的；科學思維的形成是緩慢的，科學知識的掌握是較快的。因此，科學思維并未在課堂教學中得到應有的重視與落實。

科學思維在實踐層面表現為一套科學方法。科學方法是人們在認識和改造世界中遵循或運用的、符合科學一般原則的各種途徑和手段，通過幾個世紀的發(fā)展慢慢演變而來。然而，在中學課堂教學中，因受制于教學時間及學生認知程度，并不能完全復原科學知識當初發(fā)現時的科學方法，這就需要教師重新組織教學內容，從教育學的角度對學術研究成果進行情境化重構。不過，科學方法的基本要素仍需體現。筆者所在的學校南京師大附中倡導與實踐的“讓我們一起想”的課堂，就是遵循這套科學方法去發(fā)展學生科學思維的課堂。

一、引導觀察，引發(fā)好奇

科學的方法始于對世界的觀察，識別出那些需要解釋的有趣的事物。盡管在科學實驗中，觀察的過程包括以某種方式有意識地干擾實驗對象。但在最開始，科學家往往是被那些有趣的，不同尋常的現象所吸引，引發(fā)好奇心，激起探究欲望。課堂教學中，要讓學生愿意想，有趣是必不可少的。

有趣可能隱藏在平常中，沒有善于發(fā)現的眼睛，可能會對它們視而不見。課堂上教師需要策略性地引導學生注意這些有趣現象。認知心理學告訴我們，“熟悉+意外”是激發(fā)好奇心的公式。

例如，在認識“化學反應中的能量變化”時，我們可以從燃料的燃燒、能源危機等話題引入，但如果從“熟悉+意外”的角度來設計教學，則可提出這樣的問題：人、哺乳動物和鳥類都是恒溫動物，為什么從生物進化的角度來說，恒溫動物要比變溫動物更高級些？人體的正常體溫為37℃，一般高于環(huán)境溫度，因此在環(huán)境中不斷在散熱，為什么還能保持體溫？植物有體溫嗎？植物的體溫哪里來的？這些問題都來自學生的生活世界，由它們引導學生走向科學世界。課堂實踐表明學生對這些問題是很感興趣的，他們的“想”就從這些問題開始了。

要在熟悉中發(fā)現意外，需要靠教師的引導，在觀察化學實驗中亦是如此。例如，在認識硅酸鈉的性質時，常規(guī)實驗是依據碳與硅在元素周期表中處于同一主族，通過類比碳酸鈉的性質來了解硅酸鈉的性質，發(fā)現它們的相似之處：水溶液都能使酚酞呈現紅色，都能與鹽酸反應生成相應的弱酸，都能與鈣鹽等反應生成沉淀，等等。如果實驗下來發(fā)現一切盡在掌握中，那就忽視了有趣且有價值的現象。在教師的引導下，學生會發(fā)覺硅酸鈉溶液有黏性，這點與碳酸鈉溶液很不同。于是，問題自然產生：硅酸鈉溶液為何為有黏性？硅酸鈉與碳酸鈉在結構上是否存在著不同？

再如，在學習“純堿的制法”時觀察實驗：向充滿CO2的礦泉水瓶中倒入20mL 飽和氨食鹽水，瓶內先緩緩升起白霧，外壁溫熱，然后瓶子越來越癟，最后兩邊瓶壁幾乎貼合在一起。這樣的現象說明了什么？學生在觀察到瓶子變癟以及溫熱的現象后會不假思索地說，CO2氣體與氨鹽水反應，被充分吸收了。如果追問是被氨水吸收了還是被食鹽水吸收了，學生通常會根據氨水的堿性來回答是被氨水。這一切似乎都是“熟悉”，可如果只有“熟悉”沒有“意外”，還不足以激起學生強烈的好奇。此時，需要教師追問：能不能“看見”CO2氣體是與氨反應的？再次演示，引導學生觀察“熟悉”中的“意外”——白霧，并追問白霧產生的原因。學生先會認為是熟悉的水蒸氣，可只要摸下瓶壁，會發(fā)覺只有稍許的溫熱感，便知那主要不是水蒸氣。此外，它們在瓶子“上空”的部位出現，而20mL氨鹽水只在500mL 的礦泉水瓶中占著底部少量體積。氨鹽水中有H2O 分子、NH3分子、Na+、Cl-，而在沒有振蕩的情況下，CO2分子僅大量存在于瓶子“上空”的部位，那么，什么微粒會“飛”出來與CO2分子反應呢？答案是揮發(fā)出的NH3分子和H2O 分子。因此，那些白霧應當是NH3、CO2、H2O 反應后形成的小液滴。這樣的過程，學生會不由自主地跟著教師一起想，因為這些觀察已經引發(fā)了他們的好奇。

二、重視證據與邏輯

科學概念的得來通常十分不易，都是在觀察的基礎上作出假設，收集證據，沿著邏輯上升，反復經歷了證實或證偽后得來的。因此，在課堂教學中，我們也需要像科學家一樣想，注重證據與邏輯推理。

“1911 年，英國物理學家盧瑟福（E.Rutherford）根據α 粒子散射實驗提出了原子結構的核式模型。”［2］現行教材中已經關注到提出原子結構模型實驗證據。教學中我們若想要引導學生像科學家那樣思考問題，就需要對該實驗的3個主要結果進行認真分析。

α 粒子是具有一定質量的、帶正電荷的微粒。α 粒子散射實驗的數據顯示了3 個主要結果。第一，也是最讓人驚奇的，絕大多數α 粒子直接穿過金箔，沒有發(fā)生任何偏轉。第二，有少量α 粒子發(fā)生小角度的偏轉。第三，有非常少的α 粒子（大約為1/50，000）沿著來的方向被彈回。

在教學中引導學生根據第一和第三條實驗結果，我們可以給出一種簡單的原子結構模型。金原子里絕大多數地方是空的，大多數金原子的質量都集中在原子中一塊很小的區(qū)域里。我們管這個質量集中的地方叫“原子核”。經過仔細計算α 粒子偏轉和折射的角度后可以得出原子核的直徑大約比原子本身直徑小100，000 倍。

這個有趣的核式模型，指出了原子核與原子的質量關系、體積關系，可以解釋三條實驗結果中的兩條。但如何理解第二條實驗結果呢？如果α 粒子只發(fā)生小角度的偏轉的話，它們一定沒有撞上質量較大的原子核，但是如何解釋“偏轉”呢？只能從電荷角度考慮。α 粒子帶有正電荷，它們一定靠近但并沒有碰上原子中的正電荷。這意味著原子核一定帶有正電荷。如果原子核集中了原子中的正電荷，那么帶負電荷的電子只能在核外了。這樣，一個原子核式結構模型呈現在我們面前：原子由居于中心的體積很小且?guī)щ姾傻脑雍撕秃送鈳ж撾姾傻碾娮訕嫵桑拥馁|量主要集中在原子核上。

科學研究中，科學家不僅收集數據，更要分析與處理數據，而這一過程，常常需要利用數學工具。教師也需要帶領學生，進入定量層面一起想。

例如，在研究化學反應速率時，我們可以給學生提供反應C60O3=C60O+O2↑中不同時間溶液吸光度的變化來研究濃度與反應速率的關系，因為溶液的吸光度與C60O3的濃度成正比。圖1顯示了一些實驗結果。

學生之前已經知道化學反應速率的定義v（A）=Δc（A）/Δt，因此由圖1 提供的數據，我們可以計算出每個時間間隔內平均的化學反應速率值，并將其再次作圖得到圖2。

圖1 表明隨著時間推移，C60O3溶液的吸光度在減小，即C60O3的濃度在減小，這是對實驗現象的記錄。圖2 表明隨著時間推移，該反應的速率也在減小，這是對實驗數據進行數學處理的結果。而圖1與圖2的相似性表明，該反應的反應速率一定與C60O3的濃度相關，到底如何相關呢？還是通過作圖：我們通過圖1、圖2 的時間變量來聯系反應速率與C60O3濃度（仍以吸光度來表達），作出圖3。

三、拓展課堂的時空維度

思維與方法需要學習者經歷體驗才能習得，科學方法作為研究工具需要經常使用才能內化為思維習慣。課堂時間有限，如果學生在課后甚至日常生活中仍能保持好奇心，養(yǎng)成觀察與思考的習慣，才是我們希望看到的。因此，每節(jié)課的最后，不應只是個句號，而應是新的問號。

例如，在學習過“濃度對化學反應速率的影響”之后，教師可演示一個實驗：錐形瓶中裝有20mL 30%雙氧水溶液，撒入少量MnO2，反應開始，通過觀察氣泡產生的快慢可以直觀地感受到反應速率。隨著雙氧水濃度的減少，氣泡產生變慢，這在預料之中。可在反應進行一段時間后，突然加快，大量氣泡伴隨著大量水汽生成，甚至沖出錐形瓶，非常震撼。這樣的現象促使學生思考：之后的反應速率加快是怎么造成的？如果用此系統(tǒng)研究濃度對反應速率的影響，實驗設計時要注意什么？

每位學生都是獨特的個體。他們的興趣、愛好、天賦也不盡相同，那么在構建“讓我們一起想”的思維課堂體系時，也需關注到學生的差異性，使思維課堂呈現不同的層級。在作為共同基礎的必修課堂之外，我們還可為不同的學生提供不同的選修課堂，在不同的方向上對“讓我們一起想”進行延續(xù)與拓展。例如，開設名為“經典重現”的選修課，深度剖析重現科學史上經典的100 個實驗，讓學生與歷史上的科學大師一起想。再如，開設“物理圓桌派”“化學圓桌派”等選修課，以小班討論課方式，就感興趣的問題與同學一起想。

綜上，中學教學承擔著立德樹人的根本任務，今日的中學生未來需要成為在認識和改造世界中擔負歷史使命的創(chuàng)新人才。這樣的教育目標要求科學教師必須以科學方法來教授科學知識，或者說，通過科學知識來教授科學方法。它們兩者是不可分割的。“讓我們一起想”的科學課堂，就是由科學教師帶著學生，激情地鼓勵學生敢“想”，理智地幫助學生會“想”，還智慧地引導學生一輩子都在“想”！