融合科学人文素养的化学教学实践

    潘武忠

    

    

    

    [摘? ?要]基于学科核心素养，论证了化学教学中融合与培育科学素养、人文素养以及科学人文素养的认知科学原理，探索了化学教学中科学人文素养培育的思维与策略;同时进行了融合科学人文素养的化学教学理论思考与具体实践，并通过几个生动有趣的原创性教学案例，具体论述了学科教学中基于学科素养培育科学人文素养的可行路径与操作方法。

    [关键词]学科核心素养;科学人文素养;化学教学

    [中图分类号]? ?G633.8? ? ? ? [文献标识码]? ?A? ? ? ? [文章编号]? ?1674-6058（2019）29-0057-03

    随着课程改革的深入，我国课程体系及实施经历了从“知识立意”到“能力立意”的過程与巨变，现在进一步发展到倡导促进学科素养的转变等“素养立意”阶段，这透射出学科素养乃至超越学科素养的科学与人文综合素养的培养已经成为课程改革的大趋势。

    一、学科核心素养、科学与人文及其综合素养的内涵理解

    学科核心素养或学科思想（Subject Core Literacy）。是对具体学科事实、概念、知识、方法和理论的高度概括和本质认识，是一个学科的灵魂。它包容了学科知识和学科能力，并通过学科方法表现出来，是一个学科中最核心的精神，也是精髓，是最经典的思维方式，是学科的主线和特有的思维方式。

    科学素养（Scientific Literacy）。其中的“科学”主要指自然科学（如数学、物理学、化学、生物学等），是按基础教育阶段的课程大致划分的。学界大致上将“科学素养”概括为三个部分，即对科学知识、科学研究过程和方法、科学技术对社会和个人所产生的影响三方面达到基本的了解程度。这是目前测度公众科学素养普遍采用的国际标准，只有在上述三个方面都达到基本要求者才算具备基本的科学素养。

    人文素养（Humanistic Quality）。其中的“人文”指“人文科学”（如文学、哲学、政治学、经济学、历史学等）;而“素养”是由“能力要素”和“精神要素”组合而成的，即人文科学的研究能力、知识水平、人文科学体现出来的以人为对象、以人为中心的精神而形成的人的内在品质等复杂的情感、态度与价值系统。人文素养可分为三个要素，即人文知识、人文精神和人文方法。

    科学与人文综合素养（Scientific and Humanistic Comprehensive? Literacy），简称为“科学人文素养”。本文给出的定义是：基于学科素养形成的科学素养与人文素养之间在更高层次上通过“素养共振”形成的动态融合性、系统结构化和即时创造性的科学与人文综合素养系统。

    由于科学人文素养的动态性、系统性和融合性，在实际教学过程中对各层次素养不必加以清晰分别。笔者认为从人本主义的角度来看，学科核心素养、科学素养与人文素养及其综合素养的发展不仅是一个逐渐自我建构的过程，同时也是一个积极寻求满足自我实现的过程，因此离不开自我发展的内在需求，因为学习是人固有能量的自我实现过程，强调人的尊严和价值，强调无条件积极关注在个体成长过程中的重要作用。受到人本主义心理学家马斯洛“人的需求层次理论”的影响和启发，笔者从教学实际操作角度，将学科核心素养、科学与人文素养及其综合素养的形成分为三个发展阶段或层次，各素养层次之间的关系为：

    笔者以几种基础性的化学学科核心素养为指引，从科学人文素养的培育角度，研究和实践了一些化学知识教学的思想与方法，现以“化学平衡”这一知识板块为依托分析一些教学案例，介绍将科学人文素养融入化学教学的一些思想、策略和方法，以供同行参考。

    二、化学教学中培育科学人文素养的策略与实践

    古希腊哲学家赫拉克利特说过一段发人深省的话：“多数知识本身毕竟不是智慧。智慧必须以原理与原因的知识为前提，特别是要以形成规则的逻辑原理为前提。”赫拉克利特所说的“智慧”，可以理解为类似于本文所述的科学人文素养，这些素养（或智慧）的培养，是以形成知识的原理、原因，特别是以形成知识的逻辑原理为前提的。因此，科学人文素养融合化学教学的特征应为重视知识形成的逻辑原理，而逻辑思维和方法论也是科学人文素养的重要组成部分。

    1.树欲静而风不止——“宏观辨识与微观探析”中的科学人文素养

    化学学科的核心素养之一是“宏观辨识与微观探析”。它要求能从物质的微观层面理解其组成、结构和性质的联系，形成“结构决定性质，性质决定应用”的观念;能根据物质的微观结构预测物质在特定条件下可能具有的性质和可能发生的变化;等等。这些均为化学学科核心素养的应有之义。

    统计学是认识客观现象数量规律性的方法论科学，是实证研究的最重要的方法，广泛适用于自然、社会、经济、科学技术各个领域的分析研究。笔者在教学实践中感受到，统计学是连接科学素养和人文素养的重要桥梁。

    如果引导学生从统计学的意义来分析，化学变化系统的宏观性质就是微观运动的统计表现，这样一来，便形成了“微观决定宏观，宏观反映微观”的科学规律，这就是科学素养的表现。因为科学素养与学科核心素养密切相关，从建构主义观点来看也是如此，科学素养是建构于学科素养基础之上的更高层次素养，没有学科素养便没有科学素养，也很难建构人文素养。能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题，除了体现科学素养之外，也体现了人文素养。

    在“可逆反应的化学平衡”这一知识教学中，我们认为一个封闭体系中的化学平衡状态具有微观和宏观两大特征。微观特征是正逆反应速率相等（V正=V逆）;而宏观特征则是系统中各成分的物质的量保持不变。一般的教学策略是由宏观到微观。最容易被学生观察到的宏观特征有温度、颜色、气体压强、固体质量的变化等;而微观特征因为无法由感官直接观察，所以只好变为宏观特征的一种微观解释。引导学生从现象变化，通过逻辑分析介入微观的正逆反应速率的变化，这种从宏观到微观的教学体现了化学教学中对学科素养与科学素养的培养。

    “探究教学无止境”，对于化学平衡概念中的动静抽象难题，为了让学生更容易理解，笔者想到一句话：“树欲静而风不止，子欲养而亲不待。”此时，可顺势引导学生将思想延伸到“树欲静而风不止”的哲学人文智慧之中。将化学平衡的宏观标志当作“树”，是表象;而微观标志则是“风”，是本质。因为树是可以用肉眼直接观察的，所以是宏观现象;风则是空气分子的复杂流动，无法直接用肉眼看见，因此是微观现象。实际上，看见的不是微观的“风不止”，而是宏观的“树欲静”。通过观察树的动静状态，才知道风的运动状况。这正是利用了哲学人文意境，将不可见的微观运动巧妙地转化为可观察的宏观现象，形成了一种将不同世界相互转化的科学人文素养。

    据此引导学生认识到的化学平衡移动规律就是：在观察一个化学反应体系时，若某种可观察的宏观量（如温度、颜色、固体的量、气体体积和压强等）在发生变化，就可以推断出微观上正逆反应速率的相对大小了。“树欲静而风不止”的哲理精神就是科学人文素养的体现。当具备了这种素养与智慧，原来抽象难懂的化学平衡状态的奥秘也就水落石出了，这也显现了南宋诗人陆游在《游山西村》中所刻画的科学人文境界：“山重水复疑无路，柳暗花明又一村。”

    2.表象走向本质——“变化观念与平衡思想”中的科学人文素养

    “变化观念与平衡思想”也是化学学科的核心素养之一。它是指能够从不同视角对纷繁复杂的化学变化进行分类研究，揭示各类化学变化的特征和规律;能用对立统一、联系发展和动态平衡的观点考察、分析化学反应，并能够预测在一定条件下某种物质可能发生的化学变化;等等。

    例如，在高三化学“平衡图像”这一知识板块的复习中，我们知道，当外界条件改变，化学平衡受到破坏时，就会遵循勒夏特列原理建立新的化学平衡。这一过程中，各种化学量的变化过程可以用各种不同的几何图像来显示，但每当展示近几年各地模拟题和高考真题中出现的化学平衡图像时，学生都感觉到繁多、复杂和困难。反思教学中常用来判断化学平衡移动规律的勒夏特列原理，实际上是一个机械描述动态系统平衡变化方向的非本质性原理。它与高中物理学中的胡克定律（F=-kx）非常相似。胡克定律只描述弹簧受力与形变量的关系，而不涉及弹性力的本质原理。它与勒夏特列原理都属于不探究内在原因只概括观察事实的“唯象”定律。从这个角度看，勒夏特列原理都称不上是“原理”，它只是一个定性描述变化方向的“定律”，只说变化的方向，不管变化的原因和过程，它使我们只知其然而不知其所以然。如果总是运用这一“唯象”规律进行化学平衡图像教学，学生的思维将停留在机械的、表象的层面，不能深入认识化学平衡的本质，因而不能有效降低认知的难度。

    培育科学人文素养可以有效降低学生对此类难题的畏惧感。笔者在教学中创造性地运用了人们常说的“万变不离其宗”。这句话出自道家哲学，意思是许多事物尽管形式上变化多端，但其本质或目的不变。而从科学人文素养角度来看，运用对立统一、联系发展和动态平衡的观点考查勒夏特列与胡克定律的本质原因，更有利于师生科学人文素养的塑造。运用对立统一、联系发展的观点来分析，勒夏特列原理的本质就是微观上正逆反应速率的对立统一，这与“万变不离其宗”的寓意殊途同归。因此，笔者在教学中直接从正逆反应速率的相对大小的判断入手分析化学平衡，从本质上使学生理解平衡移动原理的真正逻辑关系，而不是停留在表象上。为了克服这个困难，在教学中笔者尽量运用正逆反应速率来引导学生对化学平衡的移动状况进行综合判断，这有助于加深学生对化学平衡的建立和移动的本质理解。

    于是在教学实践中，笔者把众多的化学平衡变化图像归纳为更基本的“万变不离速率，速率引起变化，变化反映速率”，即任何化学平衡状态的变化都是由正逆反应速率的此消彼长引起的。围绕“速率相对变化”这个核心本质引导学生根据具体题目和图像做出正确分析，归纳出解决化学反应速率与化学平衡图像题的思路——“一看二想三判断”，一是看懂图像，二是联想规律，三是推理判断。通过此方式，消除了大部分学生对此类难题的恐惧感，增强了学习信心。这一点对于高三学子的备考特别具有启发性。虽然高考题目千变万化，陌生度高，但考查的知识点和综合能力是不会变的。只有注意观察并牢牢掌握化学知识的本质，才有希望做到“处考不惊”。

    《荀子·儒效》中有“千举万变，其道一也”，《庄子·天下》亦有“不离于宗，谓之天人”。学科教学中融合与培养学科素养和科学人文素养，注意观察事物的变化，抓住变化的本质，即可掌握千变万化的事物发展的本质性规律，达到“纵横不出方圆，万变不离其宗”的境界。

    3.创设思维模型——“证据推理与模型认知”中的科学人文素养

    “证据推理与模型认知”作为化学学科的核心素养，其内涵为能通过分析推理加以证实或证伪，建立观点、结论和证据之间的逻辑关系;能通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，并建立模型;能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。

    “证据推理与模型认知”核心素养培养的关键是思维模型的创造性设计，而这也是最能体现科学人文素养的地方。所谓思维模型，是指其根本特征或构成形态不具有物质实体的性质，是一种特殊的思想形式，是对原型的摹写、反映和抽象。这个特点决定了在学科教育中运用此法的简便易行性。思维模型设计与创建的操作程序可以简单地表示为：

    笔者将科学人文素养融入化学教学实践，广泛采用思维模型推理方法，进行了培养学生科学思维能力和探究能力及科学人文素养的尝试，大量使用了思维模型推理法展开对学生的科学素养训练，大多数学生反映很有趣并乐于接受。学生在有趣的思维模型的逻辑推理气氛熏陶下进入活跃的思维状态，在自己设计的思维模型中享受思维逻辑的乐趣，有效促进了学生科学人文素养的提升，进一步形成了良好的科学探究能力。下面是化学思维模型设计之“证据逻辑推理”的众多实例之一。

    问题：在所有外界条件的改变中，为什么唯独催化剂不影响化学平衡？

    要解决此问题必须对催化剂的原理进行科学探究。为了展开探究，先引导学生创建一个思维模型。如在一定条件（如高温）下，下列化学反应是可逆的，因此会达到化学平衡状态：

    （3）对结论进行检验

    这个装置不需要从外界输入能量，仅仅靠这种“有效的催化剂”就能够不断地运转而输出能量，显然这台“内燃机”是一台真正的第一类永动机。

    而这样一来显然违反了能量守恒定律，第一类永动机是不可能被制造出来的，所以这样的“第一类催化剂”永远都不可能找得到。通过思维模型的逻辑反证，得出结论：催化劑不会影响化学平衡。

    除了第一类永动机外，还有第二类永动机。假设某种高效催化剂可以使反应①从环境中吸收无穷无尽的能量，然后循环做功，这便是第二类永动机。虽然没有违反能量守恒定律（热力学第一定律），却违反了热力学第二定律，所以也是不可能制造出来的。这样一来，就连“第二类催化剂”也是不可能存在的。总而言之，无论是热力学第一定律还是第二定律，都是“得罪不起”的，因此，催化剂不能影响平衡乃“命中注定”。由此可见，“证据推理与模型认知”核心素养培养中融合科学人文素养的重要意义。

    三、科学人文素养培育的总结与反思

    以上论述中提到的几项化学学科核心素养，体现了化学学科特质的思想和方法。只有先打好了核心素养的方法论基础，充分培育科学人文素养，才能逐步培育“科学探究与创新意识”，最终形成“科学精神和社会责任”。基于化学学科核心素养的科学素养、人文素养及科学人文素养在化学教学的融合过程中，根据具体教学情境各有侧重，相辅相成，自成一体，自然而然将各种素养要求融为一体，形成完整的具有科学人文素养的化学学科知识能力体系。

    从现代教育系统观来看，教师与学生是教学系统两大基本互动要素，因此培育科学素养和科学人文素养是师生之间共同发生的事情。在师生科学素养充分培育的基础上，进入更高层次的师生科学人文素养的培育，通过科学素养到科学人文素养的三层次提升，使师生达到科学人文素养新境界。

    （责任编辑 罗? ?艳）