帮助学生适当理解科学本质是科学教育的重要目标之一,也是培养学生科学素养的核心成分之一[1]。化学教育作为科学教育的一个重要分支,理应承载科学本质教育的任务,主动帮助学生树立科学本质的基本观念[2]。为了更好地完成科学教育中的科学本质教育任务,研究者在坚定“构建一套统一的科学本质内涵体系不仅是可能的,而且是必要的”这一信念的基础上,以“科学活动”为主线,以真实性、可接受性、完整性和认识论为原则,围绕科学活动的发生、过程、方法、结果、评价和主体六个方面,系统构建了一套立体式、全方位的科学本质内涵体系[3]。以上述观点与研究结论为依据,研究者在分别构建了基于化学史内容和化学概念原理的科学本质教学模式(即HOC-NOS模式和CCP-NOS模式)之后,进一步分析构建了以元素化合物内容为载体的科学本质教学模式——Element Compound-Nature of Science(简称EC-NOS)教学模式[4][5],并希望借此进一步促进一线教师更好地实施科学本质教学。

1 EC-NOS教学模式构建的思路与方法

同HOC-NOS和CCP-NOS两种科学本质教学模式的构建思路一样,研究者先是利用史料分析和逻辑分析相结合的方法,客观而又真实地揭示出元素化合物内容所蕴含的科学本质观念,并以此为依据分析确定中学阶段中利用元素化合物内容进行科学本质教学的可能性与可行性;紧接着再利用文献分析和文本分析两种具体研究方法,归纳总结出中学阶段元素化合物内容(element compound,简称EC)的六个主要特点(即直观性、经验性、客观性、重现性、规律性和双贴性);最后,再将元素化合物内容自身特点与研究者前期构建的科学本质具体内涵,统一于研究者第一步分析确定的可能性和可行性范畴之内,以最终实现集元素化合物内容特点和科学本质观念于一身的科学本质教学新模式——EC-NOS教学模式的合理构建。

1.1 元素化合物内容所蕴含的科学本质观念

经史料分析(主要指化学史料的分析)和逻辑分析,我们认为元素化合物内容所蕴含的科学本质观念,主要包括以下十点[6][7][8]:①在科学活动的方法中,观察和推论之间存在着区别,从观察到推论的认识过程并不是一个连续的认识序列;②科学知识必须依赖实验和观察的证实或证伪;③科学是极为严谨的,它建立在实验的基础上;④科学具有解释和预测的功能;⑤科学实验和观察是可重复的;⑥科学知识的获得基于人们对自然界的观察,但人的推理、想象和创造性起着重要作用;⑦科学充满挑战,从事科学活动从来不是一件容易的事,科学又充满奥秘,从事科学活动也决不是一件痛苦的事;⑧充足、确定、可信的证据(事实证据和逻辑证据)与不断地质疑和批判在科学社群评价科学活动结果时有着绝对重要的地位;⑨科学研究中有普遍接受的道德规范,保持记录的准确性、公开性、可重复验证性是多数科学家恪守的职业道德;⑩科学知识只能在一定范围内适用,科学不能解决所有问题。

1.2 元素化合物内容六个主要特点的具体内涵

经文献和文本分析(主要指教材文本),我们认为元素化合物内容六个特点的具体内涵如下:①直观性,也就是元素化合物内容最易为人们感觉器官感知和把握的特性;②经验性,也就是元素化合物内容作为人们建构、验证或推翻化学科学各类抽象概念与理论最基本素材的特性;③客观性,也就是元素化合物内容作为化学基本事实的真实存在性;④重现性,也就是元素化合物内容作为直观而又客观的经验事实能够在一定条件下多次重复出现的特性;⑤规律性,也就是看似杂乱的元素化合物内容所具有的内在关联性;⑥双贴性,也就是元素化合物内容与生产生活的密切关联性。

2 EC-NOS教学模式的构成与流程

综合以上分析,我们构建了EC-NOS教学模式,它的构成与流程如图1所示:

2.1 分析主题内容,确定教学目标

本环节属于活动定向阶段,其核心任务就是通过确定元素化合物某一特定主题教学所能实现的科学本质目标,为该主题所有教与学的活动指明方向。而确定某一特定主题所能实现的科学本质目标的核心依据,主要包括“元素化合物内容所蕴含的科学本质观念”和“该主题元素化合物的主要内容与具体特点”两个方面。关于第一方面,前文已做过论述,在此不再赘述。关于“该主题元素化合物的主要内容与具体特点”,一线教师则需要在宏观把握中学阶段元素化合物基本内容和主要特点的基础上,具体问题具体分析。

为了帮助一线教师从宏观上把握中学阶段元素化合物的基本内容,我们对现阶段化学课程标准和各版本中学化学教材进行了较为客观的文本分析,结果发现:①中学阶段元素化合物的基本内容主要包括:物质组成(定性与定量两个角度)、物质性质(包括物理性质和化学性质)或者物质变化、物质结构(包括原子结构、分子结构和晶体结构)、物质制备与相互转化等的分析与探索以及物质用途或危害的常识性介绍等五个方面。②每一个元素化合物的主题,都包含以上五方面内容的某一或某几个方面。

事实上,中学阶段元素化合物的五个基本内容,并不是同样份额,同等重要。对大多数元素化合物的主题来说,最能体现科学本质观念的理想内容都是有关“物质性质(包括物理性质和化学性质)或物质变化分析与探索”的部分。这一方面是因为无论哪个版本化学教材在呈现元素化合物时都必然包含“物质性质(包括物理性质和化学性质)或物质变化分析与探索”这一部分内容;另一方面也是因为这部分内容自身蕴含的科学本质观念是最多的。与之相对应,分析探索“元素化合物性质”的教学活动也就是EC-NOS教学模式的最核心部分。

2.2 联系生产生活,引出性质教学

本环节属于活动启动阶段,其核心任务就是通过对主题引入素材和引入方式的精心选择与巧妙设计,促使教师和学生都把自身的注意力全部集中到ECNOS教学模式的最核心环节——元素化合物性质教学上来,或者说,促使教师的教学活动和学生的学习活动均得到适时、适度而有效的启动。考虑到元素化合物内容具有“双贴性”的特点,因此,“联系生产生活”是教师精心选择该类主题引入素材的最直接思路。至于如何巧妙设计引入方式,要视特定主题内容与引入素材的实际情况具体确定。众多有关教学情境创设的理论与文献,也会为一线教师巧妙设计提供思路与案例。

2.3 元素化合物性质教学

本环节属于活动运行阶段,其核心任务就是通过元素化合物性质教学的有序、有效开展,帮助学生在经历、体验、感受“性质知识”获得过程中艰辛与乐趣的基础上,自觉地去感知和领悟蕴藏于这段教学活动中的科学本质观念。其中,“元素化合物性质教学有序、有效开展”是本环节有效实现内隐于该主题中的科学本质目标的关键。为此,一线教师在设计、组织这一片段教学时,理应充分利用元素化合物“直观性”、“经验性”和“客观性”等特点,尽可能让学生在观察、体验或回顾已有体验等直观方法的帮助下,经历对观察现象与各类体验(主要包括“贮存于记忆中已有的”和“当场获得的”两大类)的客观描述、记录、分析、推理、讨论,直至得出结论的全部过程,进而形成对物质性质或变化的基本认识。

2.3.1 物理性质教学

(1)实物(或图片)观察和(或)介绍相关经验

进入物质物理性质教学以后,教师应根据主题所涉物质具体情况,能够提供实物的,组织学生观察实物;实物不易提供或实物有毒、危险性较强的,组织学生观察图片;如果受条件限制前两者均不能提供的,教师应充分利用语言技巧生动描述或设计问题帮助学生回忆已有经验。总之,无论怎样设计,让学生尽可能在感知觉的帮助下获得物质物理性质的知识,是本片段教学的基本原则。

(2)描述记录,分析推理,得出结论

引导学生用科学准确的语言和术语,客观描述并认真记录所看、所感、所想、所听,是本片段教学的首要任务。随后,组织学生依据记录结果,分析推理,得出有关物质物理性质的初步认识。

2.3.2 化学性质教学

(1)回顾组成元素相关知识

进入物质化学性质教学以后,教师应根据主题所涉物质具体情况,是单质但还没有学习原子结构知识的(这里主要指的是九年级上册化学中的部分元素化合物内容,如氧气),省去这一环节直接进入“设计实验或提供经验事实验证”环节;是单质且已学习原子结构知识的,组织学生回顾该单质组成元素原子的原子结构、元素化合价等知识;是化合物且已知晓其组成的,组织学生回顾常见化合物的主要类型以及该化合物组成各元素的相关知识。

(2)预测单质或化合物的可能性质

在上一片段教学的基础上,引导学生预测单质或化合物的可能性质。在单质化学性质教学时,我们可以利用该单质组成元素的原子结构将该单质归类,如金属或非金属,进而预测该单质可能的性质,或可能发生的具体反应;在化合物化学性质教学时,我们同样可以按照该化合物的元素组成将其归类,如无机物(酸、碱、盐、氧化物等)、有机物(烷烃、烯烃、醇、酚等),进而预测该物质可能的性质,或可能发生的具体反应。

总之,让学生尽可能在回顾、加工已有知识和经验的基础上开始学习物质化学性质,是上述两个片段教学的基本原则。

(3)实验验证

在预测单质或化合物的可能性质以后,紧接着要进行的就是实验验证了。通常,中学阶段的实验验证主要存在两种具体做法,即实验操作直接验证和提供事实间接验证。在具体的元素化合物教学中,这两种实验验证往往结合使用。如果反映物质化学性质的实验操作简单安全、现象明显,则尽可能利用“实验操作直接验证”的方法;相反,如果反映物质化学性质的实验操作复杂或存有安全隐患或无明显现象,则最好采用“提供事实间接验证”的方法。

(4)描述记录,分析推理,得出结论

如果上一环节采用的是“实验操作直接验证”法,那么这一环节教师就应该:首先,引导学生用科学准确的语言和术语,客观描述并认真记录所看、所感、所想、所听;其次,组织学生依据记录结果,分析推理,得出有关物质化学性质的初步认识。

如果上一环节采用的是“提供事实间接验证”法,那么这一环节教师就应该:首先,引导学生准确理解并认真总结有关本主题元素化合物的各种事实;其次,组织学生依据事实总结结果,分析推理,得出有关物质化学性质的初步认识。

2.3.3 概括总结,物质性质最终确定

这一环节是元素化合物性质教学的最后一个环节,也是最为关键的一个环节。本环节教学,一方面希望教师能以科学简练的语言再次明确主题所涉物质的物理

与化学性质,能用巧妙的设计促使元素化合物教学顺利进入下一环节;另一方面,希望教师能简明扼要地概括和总结学生探究物质性质的过程、方法与结果,帮助学生在“性质知识”获得过程中经历、体验、感受艰辛与乐趣,让学生自觉地去感知和领悟蕴藏于这段教学活动中的科学本质观念。

2.4 物质存在形式、制备、鉴定方法、用途或危害等其他元素化合物内容的教学

本环节属于活动拓展阶段,其核心任务是为教师灵活处理不同类型的元素化合物教学预留出可以自由拓展的时间和空间。换句话说,并不是每一主题的元素化合物教学都必须涉及这一环节,都必须涉及这一环节中的每一个内容,用不用这一环节、用这一环节中的哪一部分内容,主要视具体主题内容而定,视具体课时容量而定,视具体教材版本而定,视具体教师安排而定。

2.5 联系整合,形成具体物质概念

本环节属于总结提升阶段,其核心任务是通过对“活动运行”和“活动拓展”两阶段教学的反思与总结,帮助学生在清晰再现本课题“物质知识”(包括性质知识和制备等其他拓展知识)及其获得过程的基础上,尽可能将这些“知识”与已有的知识经验联系起来,将这些“知识”整合到自己原有的认知结构当中,从而形成更加清晰、客观而又稳定的具体物质概念。

3 EC-NOS教学模式的适用范围与研究展望

本文构建的EC-NOS教学模式,主要适用于“已知元素组成的某一单质或化合物”的性质教学。由于在中学阶段还存在“分析探讨物质元素组成”或“分析探讨某一类物质性质或变化”以及EC-NOS教学模式拓展环节中提到的“物质存在形式、制备、鉴定方法、用途或危害”等其他各类元素化合物内容的教学,因此,分析构建适合这些元素化合物内容的科学本质教学模式将是研究者今后需要进一步研究和探索的重要课题。