王先锋（桐庐分水高级中学　浙江杭州　311500）



在科学家的智慧里呼吸——在“钠的性质”课堂教学中渗透科学思维方法教育的尝试

王先锋
（桐庐分水高级中学浙江杭州311500）

摘要：以钠的性质课堂教学为例，阐述了结合高中化学教学渗透分类、比较、类比、外推等科学思维方法教育的实践尝试。

关键词：钠；课堂教学；科学思维方法

1807年英国化学家戴维几乎同时发现了金属钾和钠。当这一重大成果公布于世的时候，与Na相关的知识就破解了。时至今日，高中化学课本所呈现Na的知识与戴维的思维方法相比，在推动人类科学发展进程中的作用已经显得微不足道了。知识是可以遗忘的，也是可以更新的，唯有科学家思想方法就象钠一样暗藏着它的夺目光泽。著名物理学家爱因斯坦说：“发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。如果一个人掌握了学科的理论与方法，并且学会了独立地思考和工作，他必定会找到他自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来说，他一定会更好地适应进步和变化”[1]。随着高中化学课程改革的深入，课堂教学关注的焦点应落在何处？值得思考。这不只是教学内容或教学方法的选择问题，而是教学改革的方向问题，也关系到培养什么样人的抉择。笔者在“钠的性质”课堂教学中做出了一点尝试，呈现出来，以期抛砖引玉。

一、引用分类思维方法演绎钠的性质

分类研究是人类最早的、最智慧的科学思维技巧，是人类所有智慧的开端。中国古代传承下来的“格物致知”，即把事物如同放入不同格子里进行分门别类，再穷究其原理从而获得知识，其本质就是分类科学思维方法。不难想象，事物一旦凭借某种理由被分类，自然会产生预期的或意外的结果，随之也就会产生不同的研究方式。

教师取一小块金属钠，用滤纸吸干表面的煤油，放在玻璃片上，用小刀切去其表层，将其放置在空气中，让学生观察颜色变化。学生齐声：哇！是什么让学生感到新奇呢？可不是颜色变化，而是金属单质能用小刀切割。因为学生早已将钠与金属划归一类，说起“钠”就会联想到以前所学的金属，而以前所接触的金属单质都不可切割。教师肯定学生分类思维方法之后，让学生在“学案”上写出钠的物理性质和化学性质，学生不仅很快得出钠的物理性质，而且还顺利推出“钠能与氧气等非金属反应、与酸反应置换出氢气、与盐溶液反应”等化学性质。于是，“钠的性质”知识就生成了。

可见，分类思维方法是科学研究最基础的大前提，科学家在科学研究过程中只有借助分类思维方法，才能使研究对象条理化、清晰化；也只有分类才能将研究对象进行分而治之，各个击破。

二、串用比较思维方法丰富探究过程

为了找到事物的本质规律，科学家们在科学研究过程中总是要对经验材料进行比较分析，并在把握客观事物的同一性和差异性基础上，去剖析事物现象产生异同的原因，最后确定研究对象之间本质特征，这就是比较思维的方法。[1]

当学生归纳出钠的化学性质之后，教师可以顺势串用比较方法激起学生的思维活动。

[师]我们知道，铁与氧气反应条件不同产物不同，钠会不会也是这样呢？

[生（讨论）]从煤油中取出的钠用小刀切开后是银白色，但很快就变成灰白色，说明反应生成Na2O。

[师]对！钠在空气中与氧气缓慢反应生成了白色固体物质是Na2O。如果按图1所示，点燃钠会怎样呢？请同学注意安全，并认真观察在加热过程中的实验现象。

实验结果并没有见到学生期待的淡黄色固体，石棉网上黑色物质是什么？多数学生仅凭生活经验毫不犹豫回答：是煤油引起的。教师小心翼翼地除去钠表面煤油进行对比实验，发现仍然有黑色物质，此时学生进入了愤悱状态。教师不失时机地引导学生质疑、猜想、假设，并设计实验对比求证：

图1　钠在空气中燃烧装置

假设1：是石棉网所致吗？改用图2所示的对比实验而发现黑色物质减少，但仍有存在。显然不只是石棉网所致。

图2　钠在坩埚中燃烧

假设2：是酒精引起的吗？按图3装置设计避开酒精的实验，对比而发现黑色物质略有减少，但不能消失。

图3　钠在硬质玻璃管中燃烧

假设3：是否是钠与二氧化碳反应生成碳所致呢？按图4装置设计钠在纯氧气中燃烧，进一步对比却发现黑色物质依然存在。

图4　钠在纯氧气中燃烧

假设4：钠中是否含有铁？不能排除可能性！同学们能设计实验证明钠中含铁吗？留下问题，学生的讨论在课外还将继续。

假设5：过氧化钠加热是否变为黑色？设计图5所示对比实验，在蒸发皿中放适量淡黄色的Na2O2粉末，加热。发现随着温度升高，淡黄色粉末融化时颜色逐渐加深，出现由淡黄色→橙黄色→巧克力色→黑色的变化，继续加热至沸腾时有少量气体产生，反应结束后蒸发皿中有白色固体生成。

图5　加热过氧化钠至熔化

此时，课堂沸腾了！钠在空气中燃烧生成黑色的物质究竟是什么？学生经分析与比较，产生了更多的疑惑。

[师]经过查阅相关资料，“很纯的Na2O2是无色的，但是出售的成品通常带有淡黄色（当加热时颜色更深）”；“Na2O2是黄白色粉末，加热时变黑，熔点460℃（分解）”等[2]。经历一系列对比实验活动过程，学生感受到了高中化学知识的局限性，体会到了即使熟知的事物，也可能存有未解之谜等待着探究。

在R.Boyle的《怀疑的化学家》中，究竟怀疑什么？实际上是对17世纪60年代以前欧洲的化学思想表示了10个方面的怀疑。正是这些怀疑，推动古老的“黑术”（chemeia）走上了科学的道路[4]。在高中化学教学过程中，若一味地强调课本的“真理性”，学生就失去了怀疑权威的意识，Na2O2就被定格为“淡黄色粉末”，永运不会产生怀疑，也永运不会形成科学家的品质。当然，这里所倡导的比较思维方法是一种有目的、有计划的思维活动，不是只看事物本身的原始比较，而是通过比较认识研究对象的特殊性和差异性之后，为更开放、更科学的思维活动打下基础。

三、巧用转换思维方法体验发现经历

有人说，聪明人与普通人的区别就是聪明人善于转换思维。转换思维方法是指科学家在研究活动过程中遇到原有理论在新事实面前无法解释时，就会放弃原有理论，去寻求新的理论解释[3]。转换思维方法实际是从多视角、多个层次、多个方面去思考或观察同一问题，这种用联系的、发展的眼光看问题，将会得到更全面、更科学的认识，也将会得到更完美的解决方案。

图5　钠与稀盐酸反应现象

[师]难道NaCl能使石蕊试液变蓝色吗？使石蕊试液变蓝色的是什么？

[生]NaCl不能，有碱性物质生成。

[师]Na与HCl能生成碱性物质吗？

[生]（转化思维）不可能！只能与水反应。

就这样，钠与水反应就被发现了。

[师]请猜想，钠与水反应生成了什么？

[生]（讨论）2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑

[师]请设计实验方案，证实你的猜想正确性。

引导学生围绕NaOH与H2的生成，设计如下图所示诸多方案。

方案1：

图6　探究钠与水反应实验装置

根据“浮、游、熔、响、红”等现象，只能说明有NaOH生成，但不能证明H2的生成。

方案2：

图7　探究钠与水反应收集气体实验装置

实验设计直观，能检验出NaOH的生成，也能初步判断H2的生成，但看似简单操作很不方便。

方案3：

图8　探究钠与水反应改进实验装置

实验操作简单，能检验出NaOH的生成，也能初步判断H2的生成，但不安全。

方案4：

图9　探究钠与水反应优化实验装置

实验装置简单，操作方便，能检验出NaOH的生成，也能判断H2的生成。

方案5：

图10　钠与水反应科学探究实验装置

实验装置虽有些繁琐，但操作方便，能运用已学的化学原理检验出NaOH的生成，也能判断H2的生成。

针对发现钠与水反应，设置不同实验方案，不断地引导学生从不同角度考虑问题，转换思考方式，转换解决问题的思路，也让问题迎刃而解[2]。这就避免了思维定势，每转换一个新的视角都有可能引发一个新的发现或新的发明，对培养学生创新思维意义重大。

四、借用类比思维方法诠释科学灵感

所谓类比是把不同的两个（两类）对象进行比较，根据两个（两类）对象在一系列属性上的相似，而且已知其中一个对象还具有其他的属性，由此推出另一个对象也具有相似的其他属性的结论[1]。在化学探究过程中，多数类比思维可以得出正常结论，但往往会有意料之外的现象发生，这恰恰是产生科学灵感的前兆。

讨论钠与盐溶液反应时，教师让学生先根据已有的知识进行类比，并写出化学方程式Na2SO4＋Cu，再让学生做实验，出现了意外，并没有紫红色的铜产生。根据实验现象分析让学生写出：2Na＋+等化学反应方程式去解释实验现象。然而，在实验过程中，很多同学意外发现了溶液中有黑色物质生成。

教师布疑：黑色物质究竟是什么呢？

部分学生就会把已有的元素化合物知识及元素守恒原理结合起来，判断出黑色物质可能是CuO，教师稍加引导，让学生书写如下化学方程式：2Cu（OH）2

在水溶液中能发生这一反应是高中一年级学生万万想不到的，这就让他们产生一种发现新反应的灵感。

借用类比思维诱发探究过程中，让学生体会到科学灵感绝不是坐等而来的，只能给予那些敢于实践的人，给予那些善于独立思考的人，给予那些具有锲而不舍探索精神的人。

五、运用外推思维培养推理能力

外推是指利用现有知识扩大到该领域以外的未知领域的操作活动[3]。外推思维方法是学生主动获取新知识重要途径，只有具备“从一个小的特殊领域推到一个大的一般领域或从一个已知领域推到一个相似的未知领域”的能力，才会活学活用知识，才会有所发现，才能体现出学习知识的真正意义，才能形成未来化学家的基本素养。

高中化学通用的新教材有三个版本，都没有像过去版本那样“钠”后紧接着编排“碱金属”，其目的就是为教与学留下空间，让学生学习“钠的性质”后外推到同类活泼金属性质。

[师]今天我们学习钠的化学性质，还可以帮助你预测哪些类似活泼金属的性质呢？

[生]（根据金属活动顺序表）：还有钾、钙、镁等。

[师]请同学们用化学方程式表示钾的化学性质。

[生]（在学案上完成）

[师]同学由钠的性质推到钾性质，这是科学研究中的重要思维方法，但同学们所得出结论并不是都可靠，如并不一定正确，有更复杂的物质生成，还有待于同学们进一步实验研究。

外推思维方法是增长知识的捷径，只要运用得当，就可以不断地丰富人类知识的宝库，为增长知识带来事半功倍的效应。不仅如此，外推结论的不可靠性往往催生出新问题新发现，激励人们去展开新研究，产生新成果。

总之，满足学生的未来发展，引导学生掌握科学方法的实质，不要去听一个科学家说了些什么，而要仔细看、认真体会科学家做了什么。只有将科学家思想行为渗透于教学过程，才可以潜移默化地培育科学素养。

参考文献

[1]刘冠军.科学思维方法论（第1版）[M].济南：山东人民出版社，2000，04：83-121

[2]王先锋.例谈高中化学实验从“幕后”推向“台前”的教学策略[J].化学教学，2013，（10）：56

[3]（俄）B.B.涅克拉索夫.普通化学教程[M].北京大学无机化学教研究室等，译.北京：高等教育出版社，1962：712

[4]张功耀，余刚.《怀疑的化学家》怀疑什么？[J].自然辩证法通讯，2003，（4）：62-67

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.01.022

文章编号：1008-0546（2016）01-0057-04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B