第二、第三次化學(xué)思想史教學(xué)課件第七章

第七章

科學(xué)發(fā)現(xiàn)的邏輯與化學(xué)探究教學(xué)策略

科學(xué)哲學(xué)對科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程的研究表明，科學(xué)發(fā)現(xiàn)縱然表現(xiàn)形態(tài)各異，研究方法、技術(shù)也在不斷拓展，按照思維路線，科學(xué)探究通?？煞譃闅w納模式、演繹模式、以及歸納-演繹的辯證模式?？茖W(xué)思維的方式?jīng)Q定科學(xué)研究的策略與方法體系、決定了科學(xué)研究的邏輯起點(diǎn)。學(xué)生探究學(xué)習(xí)的目的，并不只是要學(xué)會知識，還要養(yǎng)成科學(xué)的思維習(xí)慣，學(xué)會探究。一、歸納模式歸納模式是一種由特殊到一般的推理過程推理過程是：如果N為研究對象，F(xiàn)是屬性。則根據(jù)歸納法則有如下推理過程：

N1－FN2－F

……NM－FN－FN1→NM是N類的部分對象，它們都具有F屬性，則N與F必定具有關(guān)系，經(jīng)過因果關(guān)系思考可以得出N具有F屬性。（一）、化學(xué)科學(xué)研究中的歸納模式

歸納的方法始于弗朗西斯·培根的經(jīng)驗(yàn)論。近代化學(xué)的發(fā)展所依賴的基本科學(xué)觀和方法論集中體現(xiàn)在基于經(jīng)驗(yàn)的歸納法：實(shí)驗(yàn)－經(jīng)驗(yàn)定律－理論概括。它強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)對科學(xué)研究的奠基作用。元素周期律的發(fā)現(xiàn)就是化學(xué)史上運(yùn)用歸納法的一個(gè)典范。（二）、化學(xué)探究學(xué)習(xí)中的歸納模式1．定性歸納化學(xué)教學(xué)中，依據(jù)對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的歸納，得出規(guī)律性的認(rèn)識，是學(xué)習(xí)元素化合物知識常用的策略。如通過比較堿金屬元素與氧氣和水的反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可歸納出堿金屬族元素化學(xué)性質(zhì)的遞變規(guī)律堿金屬與氧氣的反應(yīng)

①鋰與氧氣的反應(yīng)點(diǎn)燃，劇烈燃燒②鈉與氧氣的反應(yīng)微加熱條件下，劇烈反應(yīng)③鉀與氧氣的反應(yīng)在微微加熱的條件下，劇烈反應(yīng)④銣、銫與氧氣的反應(yīng)在室溫下遇空氣就立即燃燒堿金屬與水的反應(yīng)的現(xiàn)象：①鋰與水的反應(yīng)：鋰在與水的反應(yīng)中不融化②鈉與水的反應(yīng)：鈉與水反應(yīng)劇烈，反應(yīng)放出的熱使鈉融化成小球③鉀與水的反應(yīng)：反應(yīng)更劇烈，產(chǎn)生的氫氣能燃燒④銣、銫與水的反應(yīng)：反應(yīng)非常劇烈并會發(fā)生爆炸結(jié)論

鋰、鈉、鉀、銣、銫金屬性依次增強(qiáng)，還原能力依次增強(qiáng)。究其原因，它們在結(jié)構(gòu)上的共同特性就是最外層只有一個(gè)電子，且隨著核電核數(shù)的增多、原子半徑的增大，他們失去電子的能力在依次增強(qiáng)。2．定量歸納依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的歸納Equilibriummixture

[N2](M)

[H2](M)

[NH3](M)

(M)(M)

ABCD

0.250.550.00250.00110.750.650.00550.00110.0740.0894.6×10-62.7×10-7

0.390.250.330.230.0520.0520.0510.051

Equilibriummixture[N2O4](M)[NO2](M)(M)ABCD3.4×10-48.6×10-40.1×10-41.3×10-3

0.2×10-20.9×10-26.2×10-27.6×10-24.54.54.54.5結(jié)論

從相似的平衡研究中，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定量歸納得出：不同的化學(xué)反應(yīng)有不同K值；對同一個(gè)反應(yīng)，在相同的溫度下，K值是常數(shù)。上述案例表明，化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是科學(xué)事實(shí)。對學(xué)生進(jìn)行歸納法的訓(xùn)練，除了讓學(xué)生領(lǐng)會歸納的過程，有必要給學(xué)生澄清科學(xué)事實(shí)的概念。

科學(xué)事實(shí)既可以是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通常，收集科學(xué)事實(shí)的方法包括：觀察、實(shí)驗(yàn)、測量、調(diào)查、查閱資料等。這也是化學(xué)教學(xué)中要對學(xué)生加以訓(xùn)練的過程性技能?？茖W(xué)事實(shí)的特征①個(gè)別性?？茖W(xué)事實(shí)是單稱陳述或命題。例如：“一個(gè)氧分子由兩個(gè)氧原子組成?！薄拌F熱脹冷縮?！雹诳芍貜?fù)性?？茖W(xué)事實(shí)是由科學(xué)共同體來確定的，是可重復(fù)、可復(fù)核的，能夠在相同的條件下為多個(gè)觀察者重復(fù)檢驗(yàn)。重復(fù)性是科學(xué)事實(shí)的最根本的特點(diǎn)。③精確性?？茖W(xué)事實(shí)要求數(shù)量的精確性?？茖W(xué)僅有定性是不夠的，還要進(jìn)行定量研究，而且對定量也要求有相當(dāng)程度的準(zhǔn)確性。二、演繹模式

演繹法是法國哲學(xué)家笛卡兒基于理性直覺提出的。演繹法突出了人類思維的能動(dòng)性、創(chuàng)造性、直覺和洞察能力。強(qiáng)調(diào)了邏輯推理在人類認(rèn)識領(lǐng)域中的重要性。（一）、化學(xué)科學(xué)研究中的演繹模式

在近代化學(xué)建立之時(shí)，通過建立概念演繹出的化學(xué)體系對化學(xué)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用：17世紀(jì)中期，羅伯特·波義耳提出了科學(xué)的元素概念，否定了亞里士多德的“四元素”說，把化學(xué)確立為科學(xué)。18世紀(jì)下半葉拉瓦錫以數(shù)學(xué)的法則說明了化學(xué)上的因果關(guān)系，提出了燃燒氧化理論，推翻了燃素說。19世紀(jì)，道爾頓在質(zhì)量守恒定律、定比定律、倍比定律等基礎(chǔ)上提出了原子論?！?/p>

演繹推理的理論前提并不一定是已有的概念，直覺與靈感同樣扮演著很重要的角色。立體化學(xué)的誕生過程就是直覺與靈感的生動(dòng)寫照。（二）、化學(xué)探究學(xué)習(xí)中的演繹模式基于直覺經(jīng)驗(yàn)的假設(shè)-檢驗(yàn)：判斷三個(gè)密封盒子里物品的大小、形狀、質(zhì)地：①先選一個(gè)盒子，可以輕輕地?fù)u動(dòng)、旋轉(zhuǎn)。通過各種感官確定盒子里的物品。詳細(xì)記錄判斷的依據(jù)，分別指明盒中三個(gè)物品是什么②和其他同學(xué)交流觀察結(jié)果和觀察過程中的一些想法，看得到什么結(jié)論。③用同樣的方法確定其它兩個(gè)盒子里的三件物品④交流判斷過程的想法。⑤最后確定三個(gè)盒子里的物品。如果在交流之后重新作出判斷，記錄改變的依據(jù)。

對學(xué)生進(jìn)行演繹推理的訓(xùn)練，需要讓學(xué)生澄清科學(xué)假說的概念。所謂科學(xué)假說是指，根據(jù)已知科學(xué)規(guī)律和科學(xué)事實(shí)對于一定范圍內(nèi)的事物、現(xiàn)象的本質(zhì)、規(guī)律或原因的一種推測性的說明。假說是理論的先導(dǎo)，有假說的成功才能產(chǎn)生科學(xué)理論。假說在得到更多科學(xué)事實(shí)證實(shí)后就會成為科學(xué)理論。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，很少對科學(xué)假說、科學(xué)原理進(jìn)行區(qū)分。通常，一概以定論的形式要求學(xué)生掌握。科學(xué)假說的特征①具有一定的科學(xué)依據(jù)。它建立于已有的科學(xué)事實(shí)和科學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上，并且經(jīng)歷了一定科學(xué)論證，不會輕易被論及同樣問題的其他假說反駁，這就是假設(shè)具有的科學(xué)性。②具有推測和假定的性質(zhì)，有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和理論論證。三、歸納－－演繹模式

“歸納推理作為一種尚存疑問的推理，需要用演繹的方法來論證和補(bǔ)充。演繹推理作為一種純邏輯的形式同樣需要?dú)w納推理提供客觀的事實(shí)和根據(jù)?！睂w納與演繹統(tǒng)一于探究過程，是一種辯證思維。

（一）、化學(xué)科學(xué)研究中的歸納-演繹模式

元素周期表的完善過程就是對歸納-演繹模式的體現(xiàn)。此外，還有諸多建立在化學(xué)事實(shí)基礎(chǔ)上并發(fā)展而來的化學(xué)原理。（二）、化學(xué)探究學(xué)習(xí)中的歸納-演繹模式

按照歸納―演繹模式進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，從根據(jù)資料提出問題是一個(gè)歸納的過程，從建立假說到證明假說是演繹的過程，其間，經(jīng)歷了提出問題、建立假設(shè)、尋求答案，進(jìn)而深化理解、驗(yàn)證假設(shè)、構(gòu)建理論的辯證過程?；瘜W(xué)原理的探究——質(zhì)量守恒定律明確探究的問題，以增強(qiáng)探究的計(jì)劃性、目的性：設(shè)置情境，例如蠟燭燃燒而消失、鐵生銹等讓學(xué)生感知在化學(xué)反應(yīng)中，存在量的變化關(guān)系。建立假設(shè)：根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生歸納出化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量增加、減少、不變?nèi)N假設(shè)。陳述假設(shè)的依據(jù)。尋求假設(shè)的確證或否證——利用實(shí)驗(yàn)搜集證據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)：鐵絲在盛有氧氣的集氣瓶中燃燒將盛有碳酸氫鈉的試管加熱將氯化鉀與硝酸銀溶液混合教師演示：將盛有碳酸氫鈉的試管口套一個(gè)塑料袋后再加熱。發(fā)現(xiàn)問題，解釋原因確立假設(shè)的有效性總結(jié)歸納，得出結(jié)論

綜合探究——“水的質(zhì)量”

(美國教材《社會中的化學(xué)》)⑴學(xué)習(xí)情境：

Riverwood中學(xué)的學(xué)生在一個(gè)人們喜歡的釣魚景點(diǎn)發(fā)現(xiàn)水面上有幾條死魚，爾后他們沿著河流發(fā)現(xiàn)了河面上漂著更多的死魚。教材中向?qū)W生說明，雖然Riverwood這個(gè)地方不存在，但他們所面臨的問題是我們現(xiàn)實(shí)中某些地方正面臨的事情。當(dāng)今社會已經(jīng)面臨著兩大挑戰(zhàn)：我們是否能繼續(xù)獲得足夠的水來滿足我們的需要，我們能不能得到足夠純凈的水？⑵

探究線索：①以專家的調(diào)查活動(dòng)為主線，通過設(shè)置懸念（造成污染的各種可能性），推動(dòng)學(xué)生以探究的方式學(xué)習(xí)各種知識、技能。在整個(gè)調(diào)查的過程中，專家采用對猜測逐一排除的方式，假設(shè)了許多可能導(dǎo)致魚死亡的原因，先排除掉最直觀的由于水中存在某種有害懸浮物致死的可能性，再將探究的目標(biāo)定位于溶解在水中的分子、離子上

【知識】

在這個(gè)調(diào)查過程中，學(xué)生要學(xué)的概念有：溶質(zhì)、溶劑、溶解度、飽和溶液、不飽和溶液、溶液濃度等化學(xué)概念。涉及到的化學(xué)計(jì)算有：溶解度的計(jì)算、溶液中溶質(zhì)濃度的計(jì)算。涉及到的科學(xué)事實(shí)有：水中生物對氧氣的需求和水中氧氣的來源、溫度和氣體溶解度的關(guān)系。（以資料的形式呈現(xiàn)）

【技能】在學(xué)生掌握以上化學(xué)知識技能的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生閱讀以下材料：

調(diào)查委員會成員JosephFisker依據(jù)已經(jīng)測量了18個(gè)月來溶解在河水中的氧氣的量來幫助判斷河水的質(zhì)量。Fisker每天上午九點(diǎn)在Riverwood醫(yī)院附近橋下，半米水深處測量。在測量水中氧氣量的同時(shí)，還記錄了水的溫度并從表中找到溶解氧的濃度。繪制圖表是科學(xué)家分析數(shù)據(jù)經(jīng)常用到的方法。數(shù)據(jù)圖表經(jīng)?？梢詭椭跀?shù)值中找出規(guī)律或者是模式。在閱讀完材料后，將學(xué)生分組，學(xué)習(xí)繪制圖表。分析圖表，得出結(jié)論。②作為一個(gè)社會公民，用科學(xué)探究的方式方法對生活問題做出判斷與決策，并有效參與到社會生活中。

天數(shù)123家庭成員數(shù)洗浴的次數(shù)淋浴的次數(shù)時(shí)間長度用洗衣機(jī)的次數(shù)低設(shè)置高設(shè)置洗盤次數(shù)用手洗的次數(shù)用機(jī)洗的次數(shù)沖馬桶的次數(shù)其它用途和次數(shù)【素養(yǎng)】

為了增強(qiáng)學(xué)生的公民意識、經(jīng)濟(jì)意識、法律意識，教材中特別設(shè)計(jì)了一個(gè)聽證會。聽證會中包含了各種角色：市政廳成員、水電站的決策層、科學(xué)家、工程師、商會、衛(wèi)生局以及納稅人代表。教材中要求這些角色均由學(xué)生扮演。以市政廳成員來講，他們在聽了各方面的綜合報(bào)告以后，需要權(quán)衡各方面的利益，使市政廳做出的決定既不能與國家的法律法規(guī)起沖突，也不能為了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)奚h(huán)境和公民的利益，同時(shí)還要照顧到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。而對水電站的決策層來說，他們是最能體現(xiàn)公民意識和經(jīng)濟(jì)意識的角色，他們不能為了經(jīng)濟(jì)利益而使水電站繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須把公民道德這個(gè)因素考慮進(jìn)去。但是在水電站關(guān)閉以后，他們又需考慮經(jīng)濟(jì)損失的問題……四、HPS、STS教育理念及其教育意義HPS教育指把科學(xué)史(Historyofscience)、科學(xué)哲學(xué)(Philosophyofscience)和科學(xué)社會學(xué)(Sociologyofscience)的有關(guān)內(nèi)容納入中小學(xué)科學(xué)課程中,它