在科學家的智慧里呼吸——在“鈉的性質”課堂教學中滲透科學思維方法教育的嘗試

王先鋒（桐廬分水高級中學　浙江杭州　311500）

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在科學家的智慧里呼吸——在“鈉的性質”課堂教學中滲透科學思維方法教育的嘗試

王先鋒
（桐廬分水高級中學浙江杭州311500）

摘要：以鈉的性質課堂教學為例，闡述了結合高中化學教學滲透分類、比較、類比、外推等科學思維方法教育的實踐嘗試。

關鍵詞：鈉；課堂教學；科學思維方法

1807年英國化學家戴維幾乎同時發現了金屬鉀和鈉。當這一重大成果公布于世的時候，與Na相關的知識就破解了。時至今日，高中化學課本所呈現Na的知識與戴維的思維方法相比，在推動人類科學發展進程中的作用已經顯得微不足道了。知識是可以遺忘的，也是可以更新的，唯有科學家思想方法就象鈉一樣暗藏著它的奪目光澤。著名物理學家愛因斯坦說：“發展獨立思考和獨立判斷的一般能力，應當始終放在首位，而不應當把獲得專業知識放在首位。如果一個人掌握了學科的理論與方法，并且學會了獨立地思考和工作，他必定會找到他自己的道路，而且比起那種主要以獲得細節知識為其培訓內容的人來說，他一定會更好地適應進步和變化”[1]。隨著高中化學課程改革的深入，課堂教學關注的焦點應落在何處？值得思考。這不只是教學內容或教學方法的選擇問題，而是教學改革的方向問題，也關系到培養什么樣人的抉擇。筆者在“鈉的性質”課堂教學中做出了一點嘗試，呈現出來，以期拋磚引玉。

一、引用分類思維方法演繹鈉的性質

分類研究是人類最早的、最智慧的科學思維技巧，是人類所有智慧的開端。中國古代傳承下來的“格物致知”，即把事物如同放入不同格子里進行分門別類，再窮究其原理從而獲得知識，其本質就是分類科學思維方法。不難想象，事物一旦憑借某種理由被分類，自然會產生預期的或意外的結果，隨之也就會產生不同的研究方式。

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，讓學生觀察顏色變化。學生齊聲：哇！是什么讓學生感到新奇呢？可不是顏色變化，而是金屬單質能用小刀切割。因為學生早已將鈉與金屬劃歸一類，說起“鈉”就會聯想到以前所學的金屬，而以前所接觸的金屬單質都不可切割。教師肯定學生分類思維方法之后，讓學生在“學案”上寫出鈉的物理性質和化學性質，學生不僅很快得出鈉的物理性質，而且還順利推出“鈉能與氧氣等非金屬反應、與酸反應置換出氫氣、與鹽溶液反應”等化學性質。于是，“鈉的性質”知識就生成了。

可見，分類思維方法是科學研究最基礎的大前提，科學家在科學研究過程中只有借助分類思維方法，才能使研究對象條理化、清晰化；也只有分類才能將研究對象進行分而治之，各個擊破。

二、串用比較思維方法豐富探究過程

為了找到事物的本質規律，科學家們在科學研究過程中總是要對經驗材料進行比較分析，并在把握客觀事物的同一性和差異性基礎上，去剖析事物現象產生異同的原因，最后確定研究對象之間本質特征，這就是比較思維的方法。[1]

當學生歸納出鈉的化學性質之后，教師可以順勢串用比較方法激起學生的思維活動。

[師]我們知道，鐵與氧氣反應條件不同產物不同，鈉會不會也是這樣呢？

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

[師]對！鈉在空氣中與氧氣緩慢反應生成了白色固體物質是Na2O。如果按圖1所示，點燃鈉會怎樣呢？請同學注意安全，并認真觀察在加熱過程中的實驗現象。

實驗結果并沒有見到學生期待的淡黃色固體，石棉網上黑色物質是什么？多數學生僅憑生活經驗毫不猶豫回答：是煤油引起的。教師小心翼翼地除去鈉表面煤油進行對比實驗，發現仍然有黑色物質，此時學生進入了憤悱狀態。教師不失時機地引導學生質疑、猜想、假設，并設計實驗對比求證：

圖1　鈉在空氣中燃燒裝置

假設1：是石棉網所致嗎？改用圖2所示的對比實驗而發現黑色物質減少，但仍有存在。顯然不只是石棉網所致。

圖2　鈉在坩堝中燃燒

假設2：是酒精引起的嗎？按圖3裝置設計避開酒精的實驗，對比而發現黑色物質略有減少，但不能消失。

圖3　鈉在硬質玻璃管中燃燒

假設3：是否是鈉與二氧化碳反應生成碳所致呢？按圖4裝置設計鈉在純氧氣中燃燒，進一步對比卻發現黑色物質依然存在。

圖4　鈉在純氧氣中燃燒

假設4：鈉中是否含有鐵？不能排除可能性！同學們能設計實驗證明鈉中含鐵嗎？留下問題，學生的討論在課外還將繼續。

假設5：過氧化鈉加熱是否變為黑色？設計圖5所示對比實驗，在蒸發皿中放適量淡黃色的Na2O2粉末，加熱。發現隨著溫度升高，淡黃色粉末融化時顏色逐漸加深，出現由淡黃色→橙黃色→巧克力色→黑色的變化，繼續加熱至沸騰時有少量氣體產生，反應結束后蒸發皿中有白色固體生成。

圖5　加熱過氧化鈉至熔化

此時，課堂沸騰了！鈉在空氣中燃燒生成黑色的物質究竟是什么？學生經分析與比較，產生了更多的疑惑。

[師]經過查閱相關資料，“很純的Na2O2是無色的，但是出售的成品通常帶有淡黃色（當加熱時顏色更深）”；“Na2O2是黃白色粉末，加熱時變黑，熔點460℃（分解）”等[2]。經歷一系列對比實驗活動過程，學生感受到了高中化學知識的局限性，體會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《懷疑的化學家》中，究竟懷疑什么？實際上是對17世紀60年代以前歐洲的化學思想表示了10個方面的懷疑。正是這些懷疑，推動古老的“黑術”（chemeia）走上了科學的道路[4]。在高中化學教學過程中，若一味地強調課本的“真理性”，學生就失去了懷疑權威的意識，Na2O2就被定格為“淡黃色粉末”，永運不會產生懷疑，也永運不會形成科學家的品質。當然，這里所倡導的比較思維方法是一種有目的、有計劃的思維活動，不是只看事物本身的原始比較，而是通過比較認識研究對象的特殊性和差異性之后，為更開放、更科學的思維活動打下基礎。

三、巧用轉換思維方法體驗發現經歷

有人說，聰明人與普通人的區別就是聰明人善于轉換思維。轉換思維方法是指科學家在研究活動過程中遇到原有理論在新事實面前無法解釋時，就會放棄原有理論，去尋求新的理論解釋[3]。轉換思維方法實際是從多視角、多個層次、多個方面去思考或觀察同一問題，這種用聯系的、發展的眼光看問題，將會得到更全面、更科學的認識，也將會得到更完美的解決方案。

圖5　鈉與稀鹽酸反應現象

[師]難道NaCl能使石蕊試液變藍色嗎？使石蕊試液變藍色的是什么？

[生]NaCl不能，有堿性物質生成。

[師]Na與HCl能生成堿性物質嗎？

[生]（轉化思維）不可能！只能與水反應。

就這樣，鈉與水反應就被發現了。

[師]請猜想，鈉與水反應生成了什么？

[生]（討論）2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑

[師]請設計實驗方案，證實你的猜想正確性。

引導學生圍繞NaOH與H2的生成，設計如下圖所示諸多方案。

方案1：

圖6　探究鈉與水反應實驗裝置

根據“浮、游、熔、響、紅”等現象，只能說明有NaOH生成，但不能證明H2的生成。

方案2：

圖7　探究鈉與水反應收集氣體實驗裝置

實驗設計直觀，能檢驗出NaOH的生成，也能初步判斷H2的生成，但看似簡單操作很不方便。

方案3：

圖8　探究鈉與水反應改進實驗裝置

實驗操作簡單，能檢驗出NaOH的生成，也能初步判斷H2的生成，但不安全。

方案4：

圖9　探究鈉與水反應優化實驗裝置

實驗裝置簡單，操作方便，能檢驗出NaOH的生成，也能判斷H2的生成。

方案5：

圖10　鈉與水反應科學探究實驗裝置

實驗裝置雖有些繁瑣，但操作方便，能運用已學的化學原理檢驗出NaOH的生成，也能判斷H2的生成。

針對發現鈉與水反應，設置不同實驗方案，不斷地引導學生從不同角度考慮問題，轉換思考方式，轉換解決問題的思路，也讓問題迎刃而解[2]。這就避免了思維定勢，每轉換一個新的視角都有可能引發一個新的發現或新的發明，對培養學生創新思維意義重大。

四、借用類比思維方法詮釋科學靈感

所謂類比是把不同的兩個（兩類）對象進行比較，根據兩個（兩類）對象在一系列屬性上的相似，而且已知其中一個對象還具有其他的屬性，由此推出另一個對象也具有相似的其他屬性的結論[1]。在化學探究過程中，多數類比思維可以得出正常結論，但往往會有意料之外的現象發生，這恰恰是產生科學靈感的前兆。

討論鈉與鹽溶液反應時，教師讓學生先根據已有的知識進行類比，并寫出化學方程式Na2SO4＋Cu，再讓學生做實驗，出現了意外，并沒有紫紅色的銅產生。根據實驗現象分析讓學生寫出：2Na＋+等化學反應方程式去解釋實驗現象。然而，在實驗過程中，很多同學意外發現了溶液中有黑色物質生成。

教師布疑：黑色物質究竟是什么呢？

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

在水溶液中能發生這一反應是高中一年級學生萬萬想不到的，這就讓他們產生一種發現新反應的靈感。

借用類比思維誘發探究過程中，讓學生體會到科學靈感絕不是坐等而來的，只能給予那些敢于實踐的人，給予那些善于獨立思考的人，給予那些具有鍥而不舍探索精神的人。

五、運用外推思維培養推理能力

外推是指利用現有知識擴大到該領域以外的未知領域的操作活動[3]。外推思維方法是學生主動獲取新知識重要途徑，只有具備“從一個小的特殊領域推到一個大的一般領域或從一個已知領域推到一個相似的未知領域”的能力，才會活學活用知識，才會有所發現，才能體現出學習知識的真正意義，才能形成未來化學家的基本素養。

高中化學通用的新教材有三個版本，都沒有像過去版本那樣“鈉”后緊接著編排“堿金屬”，其目的就是為教與學留下空間，讓學生學習“鈉的性質”后外推到同類活潑金屬性質。

[師]今天我們學習鈉的化學性質，還可以幫助你預測哪些類似活潑金屬的性質呢？

[生]（根據金屬活動順序表）：還有鉀、鈣、鎂等。

[師]請同學們用化學方程式表示鉀的化學性質。

[生]（在學案上完成）

[師]同學由鈉的性質推到鉀性質，這是科學研究中的重要思維方法，但同學們所得出結論并不是都可靠，如并不一定正確，有更復雜的物質生成，還有待于同學們進一步實驗研究。

外推思維方法是增長知識的捷徑，只要運用得當，就可以不斷地豐富人類知識的寶庫，為增長知識帶來事半功倍的效應。不僅如此，外推結論的不可靠性往往催生出新問題新發現，激勵人們去展開新研究，產生新成果。

總之，滿足學生的未來發展，引導學生掌握科學方法的實質，不要去聽一個科學家說了些什么，而要仔細看、認真體會科學家做了什么。只有將科學家思想行為滲透于教學過程，才可以潛移默化地培育科學素養。

參考文獻

[1]劉冠軍.科學思維方法論（第1版）[M].濟南：山東人民出版社，2000，04：83-121

[2]王先鋒.例談高中化學實驗從“幕后”推向“臺前”的教學策略[J].化學教學，2013，（10）：56

[3]（俄）B.B.涅克拉索夫.普通化學教程[M].北京大學無機化學教研究室等，譯.北京：高等教育出版社，1962：712

[4]張功耀，余剛.《懷疑的化學家》懷疑什么？[J].自然辯證法通訊，2003，（4）：62-67

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.01.022

文章編號：1008-0546（2016）01-0057-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B