王先鋒（桐廬分水高級(jí)中學(xué)　浙江杭州　311500）

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在科學(xué)家的智慧里呼吸——在“鈉的性質(zhì)”課堂教學(xué)中滲透科學(xué)思維方法教育的嘗試

王先鋒
（桐廬分水高級(jí)中學(xué)浙江杭州311500）

摘要：以鈉的性質(zhì)課堂教學(xué)為例，闡述了結(jié)合高中化學(xué)教學(xué)滲透分類、比較、類比、外推等科學(xué)思維方法教育的實(shí)踐嘗試。

關(guān)鍵詞：鈉；課堂教學(xué)；科學(xué)思維方法

1807年英國(guó)化學(xué)家戴維幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了金屬鉀和鈉。當(dāng)這一重大成果公布于世的時(shí)候，與Na相關(guān)的知識(shí)就破解了。時(shí)至今日，高中化學(xué)課本所呈現(xiàn)Na的知識(shí)與戴維的思維方法相比，在推動(dòng)人類科學(xué)發(fā)展進(jìn)程中的作用已經(jīng)顯得微不足道了。知識(shí)是可以遺忘的，也是可以更新的，唯有科學(xué)家思想方法就象鈉一樣暗藏著它的奪目光澤。著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦說(shuō)：“發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把獲得專業(yè)知識(shí)放在首位。如果一個(gè)人掌握了學(xué)科的理論與方法，并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立地思考和工作，他必定會(huì)找到他自己的道路，而且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培訓(xùn)內(nèi)容的人來(lái)說(shuō)，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步和變化”[1]。隨著高中化學(xué)課程改革的深入，課堂教學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)應(yīng)落在何處？值得思考。這不只是教學(xué)內(nèi)容或教學(xué)方法的選擇問(wèn)題，而是教學(xué)改革的方向問(wèn)題，也關(guān)系到培養(yǎng)什么樣人的抉擇。筆者在“鈉的性質(zhì)”課堂教學(xué)中做出了一點(diǎn)嘗試，呈現(xiàn)出來(lái)，以期拋磚引玉。

一、引用分類思維方法演繹鈉的性質(zhì)

分類研究是人類最早的、最智慧的科學(xué)思維技巧，是人類所有智慧的開(kāi)端。中國(guó)古代傳承下來(lái)的“格物致知”，即把事物如同放入不同格子里進(jìn)行分門別類，再窮究其原理從而獲得知識(shí)，其本質(zhì)就是分類科學(xué)思維方法。不難想象，事物一旦憑借某種理由被分類，自然會(huì)產(chǎn)生預(yù)期的或意外的結(jié)果，隨之也就會(huì)產(chǎn)生不同的研究方式。

教師取一小塊金屬鈉，用濾紙吸干表面的煤油，放在玻璃片上，用小刀切去其表層，將其放置在空氣中，讓學(xué)生觀察顏色變化。學(xué)生齊聲：哇！是什么讓學(xué)生感到新奇呢？可不是顏色變化，而是金屬單質(zhì)能用小刀切割。因?yàn)閷W(xué)生早已將鈉與金屬劃歸一類，說(shuō)起“鈉”就會(huì)聯(lián)想到以前所學(xué)的金屬，而以前所接觸的金屬單質(zhì)都不可切割。教師肯定學(xué)生分類思維方法之后，讓學(xué)生在“學(xué)案”上寫出鈉的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，學(xué)生不僅很快得出鈉的物理性質(zhì)，而且還順利推出“鈉能與氧氣等非金屬反應(yīng)、與酸反應(yīng)置換出氫氣、與鹽溶液反應(yīng)”等化學(xué)性質(zhì)。于是，“鈉的性質(zhì)”知識(shí)就生成了。

可見(jiàn)，分類思維方法是科學(xué)研究最基礎(chǔ)的大前提，科學(xué)家在科學(xué)研究過(guò)程中只有借助分類思維方法，才能使研究對(duì)象條理化、清晰化；也只有分類才能將研究對(duì)象進(jìn)行分而治之，各個(gè)擊破。

二、串用比較思維方法豐富探究過(guò)程

為了找到事物的本質(zhì)規(guī)律，科學(xué)家們?cè)诳茖W(xué)研究過(guò)程中總是要對(duì)經(jīng)驗(yàn)材料進(jìn)行比較分析，并在把握客觀事物的同一性和差異性基礎(chǔ)上，去剖析事物現(xiàn)象產(chǎn)生異同的原因，最后確定研究對(duì)象之間本質(zhì)特征，這就是比較思維的方法。[1]

當(dāng)學(xué)生歸納出鈉的化學(xué)性質(zhì)之后，教師可以順勢(shì)串用比較方法激起學(xué)生的思維活動(dòng)。

[師]我們知道，鐵與氧氣反應(yīng)條件不同產(chǎn)物不同，鈉會(huì)不會(huì)也是這樣呢？

[生（討論）]從煤油中取出的鈉用小刀切開(kāi)后是銀白色，但很快就變成灰白色，說(shuō)明反應(yīng)生成Na2O。

[師]對(duì)！鈉在空氣中與氧氣緩慢反應(yīng)生成了白色固體物質(zhì)是Na2O。如果按圖1所示，點(diǎn)燃鈉會(huì)怎樣呢？請(qǐng)同學(xué)注意安全，并認(rèn)真觀察在加熱過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒(méi)有見(jiàn)到學(xué)生期待的淡黃色固體，石棉網(wǎng)上黑色物質(zhì)是什么？多數(shù)學(xué)生僅憑生活經(jīng)驗(yàn)毫不猶豫回答：是煤油引起的。教師小心翼翼地除去鈉表面煤油進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)仍然有黑色物質(zhì)，此時(shí)學(xué)生進(jìn)入了憤悱狀態(tài)。教師不失時(shí)機(jī)地引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑、猜想、假設(shè)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比求證：

圖1　鈉在空氣中燃燒裝置

假設(shè)1：是石棉網(wǎng)所致嗎？改用圖2所示的對(duì)比實(shí)驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)黑色物質(zhì)減少，但仍有存在。顯然不只是石棉網(wǎng)所致。

圖2　鈉在坩堝中燃燒

假設(shè)2：是酒精引起的嗎？按圖3裝置設(shè)計(jì)避開(kāi)酒精的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比而發(fā)現(xiàn)黑色物質(zhì)略有減少，但不能消失。

圖3　鈉在硬質(zhì)玻璃管中燃燒

假設(shè)3：是否是鈉與二氧化碳反應(yīng)生成碳所致呢？按圖4裝置設(shè)計(jì)鈉在純氧氣中燃燒，進(jìn)一步對(duì)比卻發(fā)現(xiàn)黑色物質(zhì)依然存在。

圖4　鈉在純氧氣中燃燒

假設(shè)4：鈉中是否含有鐵？不能排除可能性！同學(xué)們能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明鈉中含鐵嗎？留下問(wèn)題，學(xué)生的討論在課外還將繼續(xù)。

假設(shè)5：過(guò)氧化鈉加熱是否變?yōu)楹谏吭O(shè)計(jì)圖5所示對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在蒸發(fā)皿中放適量淡黃色的Na2O2粉末，加熱。發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，淡黃色粉末融化時(shí)顏色逐漸加深，出現(xiàn)由淡黃色→橙黃色→巧克力色→黑色的變化，繼續(xù)加熱至沸騰時(shí)有少量氣體產(chǎn)生，反應(yīng)結(jié)束后蒸發(fā)皿中有白色固體生成。

圖5　加熱過(guò)氧化鈉至熔化

此時(shí)，課堂沸騰了！鈉在空氣中燃燒生成黑色的物質(zhì)究竟是什么？學(xué)生經(jīng)分析與比較，產(chǎn)生了更多的疑惑。

[師]經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料，“很純的Na2O2是無(wú)色的，但是出售的成品通常帶有淡黃色（當(dāng)加熱時(shí)顏色更深）”；“Na2O2是黃白色粉末，加熱時(shí)變黑，熔點(diǎn)460℃（分解）”等[2]。經(jīng)歷一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)活動(dòng)過(guò)程，學(xué)生感受到了高中化學(xué)知識(shí)的局限性，體會(huì)到了即使熟知的事物，也可能存有未解之謎等待著探究。

在R.Boyle的《懷疑的化學(xué)家》中，究竟懷疑什么？實(shí)際上是對(duì)17世紀(jì)60年代以前歐洲的化學(xué)思想表示了10個(gè)方面的懷疑。正是這些懷疑，推動(dòng)古老的“黑術(shù)”（chemeia）走上了科學(xué)的道路[4]。在高中化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，若一味地強(qiáng)調(diào)課本的“真理性”，學(xué)生就失去了懷疑權(quán)威的意識(shí)，Na2O2就被定格為“淡黃色粉末”，永運(yùn)不會(huì)產(chǎn)生懷疑，也永運(yùn)不會(huì)形成科學(xué)家的品質(zhì)。當(dāng)然，這里所倡導(dǎo)的比較思維方法是一種有目的、有計(jì)劃的思維活動(dòng)，不是只看事物本身的原始比較，而是通過(guò)比較認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的特殊性和差異性之后，為更開(kāi)放、更科學(xué)的思維活動(dòng)打下基礎(chǔ)。

三、巧用轉(zhuǎn)換思維方法體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷

有人說(shuō)，聰明人與普通人的區(qū)別就是聰明人善于轉(zhuǎn)換思維。轉(zhuǎn)換思維方法是指科學(xué)家在研究活動(dòng)過(guò)程中遇到原有理論在新事實(shí)面前無(wú)法解釋時(shí)，就會(huì)放棄原有理論，去尋求新的理論解釋[3]。轉(zhuǎn)換思維方法實(shí)際是從多視角、多個(gè)層次、多個(gè)方面去思考或觀察同一問(wèn)題，這種用聯(lián)系的、發(fā)展的眼光看問(wèn)題，將會(huì)得到更全面、更科學(xué)的認(rèn)識(shí)，也將會(huì)得到更完美的解決方案。

圖5　鈉與稀鹽酸反應(yīng)現(xiàn)象

[師]難道NaCl能使石蕊試液變藍(lán)色嗎？使石蕊試液變藍(lán)色的是什么？

[生]NaCl不能，有堿性物質(zhì)生成。

[師]Na與HCl能生成堿性物質(zhì)嗎？

[生]（轉(zhuǎn)化思維）不可能！只能與水反應(yīng)。

就這樣，鈉與水反應(yīng)就被發(fā)現(xiàn)了。

[師]請(qǐng)猜想，鈉與水反應(yīng)生成了什么？

[生]（討論）2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑

[師]請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，證實(shí)你的猜想正確性。

引導(dǎo)學(xué)生圍繞NaOH與H2的生成，設(shè)計(jì)如下圖所示諸多方案。

方案1：

圖6　探究鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)“浮、游、熔、響、紅”等現(xiàn)象，只能說(shuō)明有NaOH生成，但不能證明H2的生成。

方案2：

圖7　探究鈉與水反應(yīng)收集氣體實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)直觀，能檢驗(yàn)出NaOH的生成，也能初步判斷H2的生成，但看似簡(jiǎn)單操作很不方便。

方案3：

圖8　探究鈉與水反應(yīng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，能檢驗(yàn)出NaOH的生成，也能初步判斷H2的生成，但不安全。

方案4：

圖9　探究鈉與水反應(yīng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，操作方便，能檢驗(yàn)出NaOH的生成，也能判斷H2的生成。

方案5：

圖10　鈉與水反應(yīng)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置雖有些繁瑣，但操作方便，能運(yùn)用已學(xué)的化學(xué)原理檢驗(yàn)出NaOH的生成，也能判斷H2的生成。

針對(duì)發(fā)現(xiàn)鈉與水反應(yīng)，設(shè)置不同實(shí)驗(yàn)方案，不斷地引導(dǎo)學(xué)生從不同角度考慮問(wèn)題，轉(zhuǎn)換思考方式，轉(zhuǎn)換解決問(wèn)題的思路，也讓問(wèn)題迎刃而解[2]。這就避免了思維定勢(shì)，每轉(zhuǎn)換一個(gè)新的視角都有可能引發(fā)一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)或新的發(fā)明，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維意義重大。

四、借用類比思維方法詮釋科學(xué)靈感

所謂類比是把不同的兩個(gè)（兩類）對(duì)象進(jìn)行比較，根據(jù)兩個(gè)（兩類）對(duì)象在一系列屬性上的相似，而且已知其中一個(gè)對(duì)象還具有其他的屬性，由此推出另一個(gè)對(duì)象也具有相似的其他屬性的結(jié)論[1]。在化學(xué)探究過(guò)程中，多數(shù)類比思維可以得出正常結(jié)論，但往往會(huì)有意料之外的現(xiàn)象發(fā)生，這恰恰是產(chǎn)生科學(xué)靈感的前兆。

討論鈉與鹽溶液反應(yīng)時(shí)，教師讓學(xué)生先根據(jù)已有的知識(shí)進(jìn)行類比，并寫出化學(xué)方程式Na2SO4＋Cu，再讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)了意外，并沒(méi)有紫紅色的銅產(chǎn)生。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析讓學(xué)生寫出：2Na＋+等化學(xué)反應(yīng)方程式去解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。然而，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，很多同學(xué)意外發(fā)現(xiàn)了溶液中有黑色物質(zhì)生成。

教師布疑：黑色物質(zhì)究竟是什么呢？

部分學(xué)生就會(huì)把已有的元素化合物知識(shí)及元素守恒原理結(jié)合起來(lái)，判斷出黑色物質(zhì)可能是CuO，教師稍加引導(dǎo)，讓學(xué)生書寫如下化學(xué)方程式：2Cu（OH）2

在水溶液中能發(fā)生這一反應(yīng)是高中一年級(jí)學(xué)生萬(wàn)萬(wàn)想不到的，這就讓他們產(chǎn)生一種發(fā)現(xiàn)新反應(yīng)的靈感。

借用類比思維誘發(fā)探究過(guò)程中，讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)靈感絕不是坐等而來(lái)的，只能給予那些敢于實(shí)踐的人，給予那些善于獨(dú)立思考的人，給予那些具有鍥而不舍探索精神的人。

五、運(yùn)用外推思維培養(yǎng)推理能力

外推是指利用現(xiàn)有知識(shí)擴(kuò)大到該領(lǐng)域以外的未知領(lǐng)域的操作活動(dòng)[3]。外推思維方法是學(xué)生主動(dòng)獲取新知識(shí)重要途徑，只有具備“從一個(gè)小的特殊領(lǐng)域推到一個(gè)大的一般領(lǐng)域或從一個(gè)已知領(lǐng)域推到一個(gè)相似的未知領(lǐng)域”的能力，才會(huì)活學(xué)活用知識(shí)，才會(huì)有所發(fā)現(xiàn)，才能體現(xiàn)出學(xué)習(xí)知識(shí)的真正意義，才能形成未來(lái)化學(xué)家的基本素養(yǎng)。

高中化學(xué)通用的新教材有三個(gè)版本，都沒(méi)有像過(guò)去版本那樣“鈉”后緊接著編排“堿金屬”，其目的就是為教與學(xué)留下空間，讓學(xué)生學(xué)習(xí)“鈉的性質(zhì)”后外推到同類活潑金屬性質(zhì)。

[師]今天我們學(xué)習(xí)鈉的化學(xué)性質(zhì)，還可以幫助你預(yù)測(cè)哪些類似活潑金屬的性質(zhì)呢？

[生]（根據(jù)金屬活動(dòng)順序表）：還有鉀、鈣、鎂等。

[師]請(qǐng)同學(xué)們用化學(xué)方程式表示鉀的化學(xué)性質(zhì)。

[生]（在學(xué)案上完成）

[師]同學(xué)由鈉的性質(zhì)推到鉀性質(zhì)，這是科學(xué)研究中的重要思維方法，但同學(xué)們所得出結(jié)論并不是都可靠，如并不一定正確，有更復(fù)雜的物質(zhì)生成，還有待于同學(xué)們進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

外推思維方法是增長(zhǎng)知識(shí)的捷徑，只要運(yùn)用得當(dāng)，就可以不斷地豐富人類知識(shí)的寶庫(kù)，為增長(zhǎng)知識(shí)帶來(lái)事半功倍的效應(yīng)。不僅如此，外推結(jié)論的不可靠性往往催生出新問(wèn)題新發(fā)現(xiàn)，激勵(lì)人們?nèi)フ归_(kāi)新研究，產(chǎn)生新成果。

總之，滿足學(xué)生的未來(lái)發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)方法的實(shí)質(zhì)，不要去聽(tīng)一個(gè)科學(xué)家說(shuō)了些什么，而要仔細(xì)看、認(rèn)真體會(huì)科學(xué)家做了什么。只有將科學(xué)家思想行為滲透于教學(xué)過(guò)程，才可以潛移默化地培育科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.01.022

文章編號(hào)：1008-0546（2016）01-0057-04

中圖分類號(hào)：G633.8

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