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一、盡可能按照科學方法論組織教學過程

科學方法就是認識和研究自然界所遵循的過程和手段。主要包括五個步驟。

第一步是搜集事實。通過各種手段收集豐富的事實。事實是有關事物的感性知識，是產生理論的根源，又是檢驗理論的唯一標準。所以搜集事實這一步非常重要。“鳥的翅膀無論多么完善，如果不依靠空氣的支持，就不能使鳥體上升。事實就是科學家的空氣，沒有事實，你們就永遠不能飛騰起來，沒有事實，你們的‘理論’就是枉費心機。”（巴甫洛夫）我們必須用物質的性質和反應的基本事實來充實學生的頭腦，通過說服和教育使學生認識到基本化學事實的重要性，樂于和善于記住它們。在豐富多彩的實驗基礎上搞好元素及其化合物的教學，是學好中學化學的堅實基礎。

搜集事實的方法是觀測和實驗。所謂實驗就是盡可能地排除外界的許多影響、突出主要因素，并且在能夠細致地觀察到各種現象之間相互關系的條件下，使某一事物（或過程）發生或重演。例如，化學反應速度是一個復雜的多變量函數，但在實驗條件下可以控制只有一個變量改變，從而分別觀測到溫度、濃度、催化劑等對反應速度影響的規律。加強化學實驗是教學優化的的主要模式。因此，提高演示實驗和學生實驗的效果，變部分演示實驗為并進式實驗，設計少量探索性實驗習題，逐步增加學生在實驗室里的實驗活動時間，是化學教學發展的一個方向。“化學實驗課是實施全面化學教育的一種最有效的教學形式”（戴安邦）。

當搜集和積累足夠的事實之后，科學方法的第二步是提出假說。假說就是用已有的事實材料和科學原理為依據，對于未知的事實（包括現象之間的規律性聯系、事物的存在或原因、未來事件的出現）的假定性的解釋。假說具有解釋性，它能對已掌握的有關事實作出統一的解釋。假說可以是一個概念（如原子、層子）、一個判斷（如微觀粒子具有波粒二象性）、一個模型（如DNA雙螺旋結構）、一個結構式（如苯的凱庫勒式）或一個理論體系（如道爾頓原子假說）等。假說是所要建立的理論的預制品。它的作用是指導我們理解新情況、啟發我們做新的實驗，從而導致新的發現。

為了檢驗假說是否正確，需要對其進行驗證，這就是科學方法的第三步：驗證假說。即進一步搜集事實以檢驗其是否與假說符合，或由假說推演出結論再通過實驗檢驗其是否符合。如果不符合，表示假說不真實，必須加以修正或廢棄。如果符合，假說的真實性和可靠程度就增加一層或即成立。

經過大量事實反復驗證為正確的假說就成立理論，這就是科學方法的第四步。理論是概念、原理的體系，是系統化了的理性認識，是事物的本質、規律性的正確反映。從假說到理論雖只一步之差，有時卻要經歷數年、數十年甚至上百年。理論成立之后不是僵化一成不變的，它要隨著新事實的發現而有新的發展，這就是科學方法的第五步：繼續發展。

有必要讓學生初步了解如何提出假說并進行驗證，結合教材內容進行一些練習。現以苯的分子結構為例設計如下教學過程。

教師：實驗得知苯的分子式為C6H6，已知碳為四價、氫一價，請寫出苯分子可能的結構式。

（巡視學生寫的情況后指定一些學生將結構式寫到黑板上）

學生：在黑板上寫出幾個結構式……

教師：已有的化學經驗表明，有累積雙鍵的分子是很不穩定的。苯很穩定，甚至在隔絕空氣條件下加熱幾百度也不分解。根據這些事實應刪除哪些結構式？

學生：C和D。

教師：根據A式和B式，請預測苯的一元取代物應該有多少種？

學生：A有一種、B有兩種。

教師：按教材演示苯與Br2的取代反應。讓學生觀察純凈溴苯。

教師：大量實驗的結果只能制得一種一溴代苯（C6H5Br）。說明苯分子中六個氫原子有什么特點？應該保留哪個結構式？

學生：六個氫原子的地位全同。應該去掉B式保留A式。

教師：請按A式預測苯的二溴代物（C6H4Br2）有幾種？

學生：兩種。

教師：經多番努力之后卻制出了三種二溴代苯。A式不符合這個實驗事實，請重新設計苯的結構式，它應該能說明哪些事實？

學生：苯分子很穩定；六個氫原子的地位完全相同；一溴代物只有一種；二溴代物有三種。

（學生進行設計，教師巡視，可啟發，然后讓學生寫出）

學生：在黑板上寫出結構式

教師：這個結構式確實可說明一元取代物只有一種，二元取代物有鄰、間、對位三種。但是它不滿足碳四價的條件。請進一步改進。

學生：添加交替雙鍵后成為教師：這個結構式就是1886年德國化學家凱庫勒以假說形式提出的苯結構式，可簡寫為。請根據這個結構式結合你已有的經驗預測苯應有什么化學性質？

學生：可以和氫氣加成，和溴加成而使溴水褪色，可被酸性高錳酸鉀溶液氧化而使高錳酸鉀溶液褪色。

錳酸鉀溶液褪色，請大家現在進行實驗來證實。（指導學生進行分組實驗，所用苯要純，事先除去還原性雜質。然后讓學生報告實驗觀察到的現象。）

學生：苯不能使溴水和高錳酸鉀酸性溶液褪色。

教師：上述實驗又啟示苯分子結構有什么特點？

學生：沒有像烯烴分子那樣的雙鍵。

教師：還有什么事實可以證明苯分子沒固定的像烯烴那樣的雙鍵？（必要時可啟發）

學生：如果有的話，苯的二元取代物就不是三種而是四種，因為鄰位的有兩種。（讓學生寫出）

教師：正確。苯不跟溴水和高錳酸鉀反應，鄰位二溴代物只有一種，還有許多其它的事實，都顯示苯環上不存在三個固定的雙鍵和三個固定的單鍵。為說明這些事實，凱庫勒在1872年作出一個補充假定，認為苯環上的單鍵、雙鍵不是固定的，而是按下式迅速地變換位置：

按照這個假設，苯環上不再有一般的單鍵和一般的雙鍵，發生了平均化，是一種介于單鍵與雙鍵之間的特殊的化學鍵；苯環是一個正六邊形。于是上述所有實驗事實的解釋不再有困難了。大約一百年后，更多、更有力的實驗都證明了凱庫勒式的正確性，并從理論上給以更完滿的解釋。教師接著介紹鍵角、鍵長等。

按照科學方法論組織的這個教學過程，有思考、推理和實驗驗證，學生不是被灌輸者，沒有結構式是“從天上掉下來”的感覺，而在某種程度上是苯結構式發現過程的參與者。這種教學模式可以應用到其它有機物結構式的推演上，例如乙醇等。如果我們按照科學方法論來設計元素周期律的教學過程，那將會十分生動而在方法論上又富有啟迪。

二、突出科學思維在教學過程中的地位

科學方法的每一步都離不開科學思維的作用。科學思維主要是邏輯思維，也有非邏輯思維。由實驗觀測搜集到的事實，在人腦中產生感性知識。這種知識只是對事物個體外表屬性的認識，大多數是片面的、非本質的。要從豐富的感性知識中整理出規律來，就得借助邏輯思維（或稱抽象思維）。抽象思維揭示事物的全體和本質以及內在聯系。它主要包括比較、分析和綜合、抽象和概括、概念和判斷以及推理等形式。

比較是一種用來確定事物相似之點和不同之點的邏輯方法。分析是人們在思維中分剖事物，將它們的各個部分和性質劃分出來的方法。相反，綜合是在思維中把在分析時分解的事物的各個部分結合為一個整體的方法。分析和綜合密切相關。抽象和概括是形成概念的思維過程和方法。抽象是抽取事物的本質屬性，撇開非本質屬性；概括則是把某些具有若干相同屬性的事物中抽取出來的本質屬性，推廣到具有這些相同屬性的一切事物，從而形成這類事物的普遍概念。概念是反映事物本質屬性的思維形式。例如，化學元素這個概念就是抽取了相同核電荷數（質子數）這個本質屬性，而撇開原子的質量、結合形式和存在狀態等非本質屬性而成的。明確概念的內涵（屬于概念中事物的本質屬性）和外延（適合某一概念的一切事物）是掌握和運用概念的前提。在有機化學中學生常寫‘脂’代‘酯’，寫‘酯化’為‘脂化’，可能是因為我們對脂、酯這兩個概念的內涵及外延強調不夠。酯的外延大于脂，前者是類概念，后者是種概念。講解概念時要突出抽象和概括的思維方法，明確內涵和外延。由概念進行判斷而得規律。判斷是對事物的情況有所斷定的思維形式。推理則是由一個或幾個已知判斷（前提）推出未知判斷（結論）的思維形式。主要的推理形式有類比、歸納和演繹等。類比是根據事物某些屬性的類似，推出它們的其它屬性也可能相似的間接推理，其結論有或然性。科學史上有許多用類比法成功的事例。盧塞福的“原子核模型”就是其一，這是把原子看成“小太陽系”而跟太陽系類比：原子中央有一個帶正電的核，電子圍繞它在原子空間里運動，正像行星繞太陽旋轉一樣。歸納和演繹是更重要的推理形式。歸納是由特殊到一般。演繹則由一般到特殊。在認識過程中它們是相互聯系相互補充的。演繹的理由來自對特殊事實的歸納和概括，歸納的結論又是演繹的前提。“人們普遍有種錯覺，以為科學研究者做結論和概括不應超越觀察到的事實。……但是大凡實際接觸過科學研究的人都知道，不肯超越事實的人很少會有成就。”（赫胥黎）正是歸納法幫助我們超越觀察到的事實，歸納法從大量個別的事例得出新的一般原理和規律。因此這種推理方法比較具有創造性。但歸納得出的結論真實與否要進一步驗證。演繹法不可能導出新的概括，單獨使用時不可能在科學上做出較大的進展。然而科學上的許多重大成就常是歸納與演繹并用的結果，門捷列夫元素周期律是一個突出的范例。門捷列夫在前人工作的基礎上，對當時已知的六十多種元素及其化合物的性質與原子量的關系進行更為廣泛的歸納，特別“單質的性質以及各元素化合物的形態和性質，與元素原子量的數值成周期性關系”的規律。這是歸納的結果。然而這個定律最后建立和被公認則應歸功于演繹推理。門捷列夫說：“定律的證實，只有靠它導出的推論才是可能的，否則就不可能也不能期待著在實驗中去證明這些推論。因此，當我發現元素周期律之后，就開始由它作出足以證明它是否正確的邏輯推論來。”門捷列夫運用演繹推理改正多種元素的原子量，應用演繹推理預言未發現元素的存在及其主要性質，為后來的實驗所證實，這些都是我們熟知的。周期律的勝利也是歸納與演繹推理并用取得的勝利。如果我們按照科學方法的五個步驟來組織元素周期律的教學，并闡明其中推理方法，將會收到良好的效果。

科學中常用的是不完全歸納法。它包括簡易歸納法和科學歸納法。簡易歸納法是由觀察某類事物中，一些事物有某種屬性，并且未發現與此相矛盾的情況，從而推出該類所有事物都有該屬性的歸納推理。元素周期律的形成就是采用這種簡易歸納法。化學中的定比定律、倍比定律、氣體化合體積比定律和質量守恒定律等都是簡易歸納法的結果。在教學中，有的教師做了一、兩個實驗就引出一個規律或定律，這違背了簡易歸納法的要求。初中教材關于質量守恒定律這段

內容寫得很合邏輯：“從上面兩個實驗都可以看出，反應前后天平兩邊都仍然是平衡的，說明反應前后物質的質量總和沒有變化。無數的實驗證明，……”請注意教材是在“無數的實驗證明”之后才引出質量守恒定律的內容。凡是要用簡易歸納法得出規律，我們不要忘掉加上“大量的實驗表明”、“無數事實證明”這幾個字。另一種不完全歸納法是科學歸納法，是指由觀察或實驗分析某類事物中，一些事物所以具有某種屬性的原因，然后推出該類所有事物都有該屬性的推理。科學歸納法是用來判明事物因果關系的基本方法，使人們獲得對于事物本質的認識，并以這種認識為基礎作出概括性結論。其結論的可靠性取決于被考察事物的數量和對這些事物認識的深刻程度。科學歸納法在教學過程中有廣泛的應用。例如，有機化學講醛類時，先講乙醛性質，再講甲醛性質，而后對甲醛、乙醛的化學性質進行比較，找出它們有共同化學性質的原因是都有醛基。接著對醛基的結構進微觀分析，揭示醛基易發生氧化、能加成的內在原因，在這個基礎上加以推廣，概括出醛類的化學共性。這樣組織教材內容，體現了科學歸納法的精神。可以做到讓學生在掌握知識的過程中，也學會了使用科學方法和科學思維，從而提高了能力。對于無機化學中各個主族元素的教學都可采用這種組織方法：在豐富生動的實驗基礎上讓學生歸納出元素性質，把兩種元素講得透徹些，進行對比并從結構上找出因果關系，從而推理出整族元素的共性和遞變性。

以上所談的是科學思維中常用的邏輯方法，科學思維也用非邏輯方法，即形象思維，它們主要是直覺、靈感和想象。形象思維在科學史上發揮過重大的作用，在現代科學研究中的地位更日趨重要。我們都很清楚培養學生具有豐富想象力的重要性和途徑。由于篇幅關系本文就從略了。

為了培養和發展學生的思維能力，教師不僅要熟悉傳統的思維方法，而且應該跟蹤思維科學的新進展，如創造性思維方法、模糊邏輯等等。

三、抓住教學過程每個環節滲透科學態度教育

我們把科學精神和科學品德合起來稱之為科學態度。我國經濟和社會的發展需要大批各級各類合格的人才，“所有這些人才都應該有理想、有道德、有文化、有紀律、熱愛社會主義祖國和社會主義事業，具有為國家富強和人民富裕而艱苦奮斗的獻身精神，都應該不斷追求新知，具有實事求是、獨立思考、勇于創造的科學精神。”（《中共中央關于教育體制改革的決定》1985）這段話里所提到的“追求新知”、“實事求是”、“獨立思考”、“勇于創造”等就是科學態度的部分內容。科學態度是學生獲得鞏固的知識和技能的保證，科學態度有助于學生智力和能力的發展，科學態度也是現代社會公民必備的素質之一。科學態度的具體內容和培養方法分述如下。

（一）尊重事實、尊重科學

一切科學理論都以事實為依據，又受事實的檢驗，事實是科學的基礎。所以尊重事實是最根本的科學態度。科學容不得半點虛假，因此弄虛作假、浮夸等行為都是反科學的。為了尊重事實，要求學生做到：①不憑主觀臆造、書寫不存在的分子式和化學反應式；②對于能夠發生的化學反應，要注意反應物的狀態（或濃度）溫度等條件；③真實地反映和記錄實驗現象及數據。當觀察到的實驗現象與課本的敘述不一致時，不能違背事實來復述課本中有關實驗的描述。首先應該尊重事實，然后找出不一致的原因，必要時重新進行實驗。在定量實驗中觀測數據與預期的不一致時不得拼湊數據。

由于尊重事實導致新的科學發現在科學史上屢見不鮮。英國物理學家瑞利曾從事測定主要氣體的密度。他發現從氨分解得到的氮氣密度為1.2505克/升，而從空氣用化學方法除氧和其它氣體后所得氮氣的密度為1.2572克/升。這兩個數據表明從空氣得的氮氣要略重些，誤差僅為二百分之一（或0.5%）。這個細微的差別一般人會認為這是可接受的實驗誤差。但是瑞利非常尊重事實，和化學家萊姆塞共同進一步研究，終于發現這種從空氣得到的氮氣中混有氬氣，從而發現了第一個惰性氣體氬。這個發現也是一位物理學家和一位化學家真誠合作的勝利。

（二）嚴肅認真、一絲不茍

科學方法的本質是實事求是。為了實事求是必須嚴肅認真、一絲不茍。要求學生做到：①在化學實驗中切實按照規范的動作進行操作，嚴格按照規定的劑量取用藥品，按照規定控制反應條件。細致觀察、及時記錄，不放過稍縱即逝的實驗現象。養成良好的實驗習慣；②不要進行任何未經許可的實驗；③對作業、考試題中的錯誤認真分析原因、加以改正。

一切結論產生于調查研究之后，這才是嚴肅認真的態度。在這方面連大化學家利比希也有過深刻的教訓：1826年法國青年化學家巴拉爾研究從海藻中提取碘。他把海藻燒成灰，用熱水浸取，再往浸取液中通進氯氣，就得到紫黑色固體（碘的晶體），同時在提取碘后的母液底部，總沉著一層深褐色液體，它具有刺鼻臭味。巴拉爾進行了仔細研究，終于發現一種新元素溴，發表在論文《海藻中的新元素》中。德國化學家利比希讀后深為后悔。因為他在幾年前也做過與巴拉爾相似的實驗，看到過類似的現象。所不同的是，他沒有認真研究，只憑空斷定，這褐色液體不過是氯化碘。因此他貼上一張“氯化碘”標簽了事。從而失去了發現這一新元素的機會。后來他把那張標簽取下來掛在床頭作為教訓。在那以后他在科學研究中變得更為嚴肅認真，在化學上作出了許多貢獻。

（三）熱愛科學、不畏勞苦

有成就的科學家大多有崇高的理想。或為人類幸福，或為國家民族利益，或為科學的發展，終身孜孜不倦，不畏勞苦，無私奉獻。他們不追求錢財、虛榮和奢侈的生活。他們追求真理，以此為快樂和幸福。我們應該用他們這種偉大精神的光芒來照亮青年學生的心靈，培植年輕一代為科學為祖國的獻身精神。

居里夫人堪稱是一位熱愛科學、對人類無私奉獻的偉大科學家。她和丈夫居里以部分薪金為科研費用，向校方借了間破舊板屋為“實驗所”，用簡陋儀器和她靈巧的雙手，不斷進行著艱辛的勞動。從1899年到1902年歷時四十多個月，終于從兩噸鈾的廢礦渣

中提煉出0.1克光譜純的氯化鐳，并測定了鐳的原子量。無可辯駁地宣告了新元素鐳的發現。居里夫人認識到鐳射線有很大的醫療價值，她放棄了為她的科學成果申請專利而公諸于世。她說鐳屬于世界，鐳應該造福世界。當她后來回憶起在板屋里度過的歲月時，她說那是些最難忘、最幸福的時光。她久久不能忘卻當她在一個夜晚來到板屋時，看到裝著鐳鹽溶液的燒瓶在黑暗里發出美麗的螢光時所感受到的無比激動和快樂。

（四）謙虛謹慎、善于協作

科學知識浩如煙海，發展又無止境，而一人所知有限，一人所能更是有限。因此應該謙虛謹慎，勤奮好學。況且，當今科技飛速發展，各門科學又相互滲透，科學上重大課題常涉及許多學科，個人極難單獨完成。需要一個科學家群體來承擔。在這個群體中，每個人是某個專業的行家里手，對鄰近學科又有足夠的了解以便和別人溝通。他們必須相互尊重、和諧協作，才能完成科研任務。社會上許多工作也常常需要共事者通力協作才能辦好。可見，謙虛謹慎、樂于協作和善于協作，是未來科學工作者或現代社會勞動者之具備的一個科學素質。應該培養學生做到：虛心聽取別人意見，吸取有益成分。在解習題的討論中，學習別人的好方法充實自己。在日常的學習和化學實驗中，互相討論和研究，彼此進行配合，在各種活動中真誠合作。

（五）追求新知、勇于創新

追求新知是科技發展和將來的職業有流動性的需要。第二次世界大戰后現代科技迅猛發展，使得生產技術、生產組織、勞動市場結構和勞動性質發生了急劇變化。這種變化加速了勞動的變化和職業的流動性。在這個背景下學校開始以終身教育為指導思想，注意發展學生的繼續學習能力，以便將來走出校門以后繼續不斷地獲取新知識。

追求新知在中學階段表現為獨立思考、勤學好問。不滿足對化學現象的表面認識，要求追究現象的本質和規律性。有學生問：為什么合成纖維不吸收汗水？棉纖維吸水性為什么好？這是個很好的追尋現象本質的問題（筆者的回答是：棉纖維的纖維素分子鏈上有大量親水基羥基，易和水形成氫鍵因而吸水性好。目前的合成纖維分子鏈上缺少親水基團。）講到戊烷三種同分異構體的沸點，以支鏈最多的新戊烷沸點最低（支鏈多，阻礙分子間緊密靠近降低了分子間力所致），有學生就問：熔點是否也是新戊烷最低？我告訴他們新戊烷的熔點是三個異構體中最高的。因為熔點與對稱性有關，新戊烷對稱性最高。同時又給學生指出：熔點與分子結構的關系是科學中仍未充分理解的問題，仍須進一步探討。結合教材向學生介紹一些尚未解決或需要研究的問題或許會激發學生追求新知的愿望。

科學的發展、社會的進步都是創新精神作用的結果。銳意進取、勇于探索、敢于破舊立新，不斷用新方法解決舊問題等都是創新精神的表現。有的學生學了電化學保護的原理之后，拆下廢電池的鋅皮焊到鐵管上來減緩銹蝕；北京有位中學生多年研究和改進電鍍液配方終為一廠家所采用；德國有位中學生研究氯離子對于鋼鐵腐蝕速度的影響，其成果受到專家的贊揚。這些事例表明中學生不但有創新精神而且有創新能力。我們可用這樣的事例來教育學生。

（六）關心社會、關心環境

這種態度要求我們培養學生關心科學的社會效果，關心當代社會面臨的重大問題，關心如何保護人類的生存環境等。

要讓學生認識科學技術和生產具有二重性。科學技術和生產的發展給人類帶來巨大的物質財富，這是有利的一面。但是也帶來許多弊端：環境污染、濫用化肥、濫用食品添加劑和造成溫室效應等。尤其是環境污染嚴重地惡化了人類的生存空間。化學對此負有很大責任。造成污染的原因還有社會因素，例如有的生產部門不認真貫徹國家保護環境的法規，為了眼前利益不顧人民的健康和子孫的未來。不加節制地開采、消耗各種天然資源，如今我們面臨著能源危機、水源危機、礦產資源危機等。濫伐森林，破壞熱帶雨林使大片土地沙漠化……因而，要對學生進行持續發展的教育，發展不能以犧牲環境作代價。并從自己做起，從日常生活做起：愛惜一切物資，節約用電，珍惜每一滴水……。相信科學技術和社會各部門通力協作，最終會使地球依然是我們美麗的家園。