【編者按】 從2017年起,本刊持續(xù)關(guān)注南京師范大學(xué)附屬中學(xué)保志明老師的“讓理科學(xué)習(xí)更理性”專(zhuān)題研究,圍繞認(rèn)知態(tài)度與考試方法、定量實(shí)驗(yàn)的考查、科學(xué)教學(xué)中的有趣、理性對(duì)待學(xué)習(xí)等話(huà)題,先后刊發(fā)了5篇系列文章。本期繼續(xù)刊發(fā)“系列之六”——從化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)知識(shí)、化學(xué)視角三個(gè)維度,講述如何引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)、理解化學(xué),進(jìn)而認(rèn)可化學(xué)的有趣和重要,為我們呈現(xiàn)了理科學(xué)習(xí)的一種視角。
我是一名高中化學(xué)教師。若是大談化學(xué)如何有趣,如何在各項(xiàng)前沿領(lǐng)域中散發(fā)獨(dú)特魅力,深感力不從心——畢竟我不是化學(xué)家,我只會(huì)教高中生學(xué)化學(xué);若是大談化學(xué)如何重要,為何被稱(chēng)為“21世紀(jì)的‘中心科學(xué)”,又難免有王婆賣(mài)瓜之嫌。我要談的是,化學(xué)如何學(xué)習(xí)。
一、期待課堂上的“混亂”:化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以這樣做
如果你學(xué)過(guò)初中化學(xué),想必知道碳酸鈉與鹽酸的反應(yīng),可能也做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。不過(guò),高中化學(xué)中我們還會(huì)再做這個(gè)實(shí)驗(yàn):向碳酸鈉溶液中加鹽酸,但不說(shuō)明“怎么加”“加多少”。沒(méi)錯(cuò),我們期待的就是課堂上的“混亂”:有人“倒”,有人“滴”,有人加得多,有人加得少……只要加了鹽酸就會(huì)看到氣泡,知道有反應(yīng)在發(fā)生??墒牵煌募臃?,現(xiàn)象會(huì)有細(xì)微的不同——“滴”加鹽酸時(shí),起先看不到什么氣泡,后來(lái)才會(huì)看到大量氣泡;而“倒”入鹽酸時(shí),一下子就能看到大量氣泡。那么,學(xué)生在交流實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)就會(huì)有不一樣的結(jié)果。
為什么我的現(xiàn)象和別人不一樣?自然要一探究竟。如果先在碳酸鈉溶液中加入了酚酞,就更有趣了:慢慢“滴”加鹽酸的時(shí)候,雖然看不出明顯氣泡,酚酞的顏色卻逐漸變淺,說(shuō)明碳酸鈉在逐漸減少。隨著鹽酸的繼續(xù)滴入,酚酞顏色會(huì)越來(lái)越淺,碳酸鈉理應(yīng)越來(lái)越少,反應(yīng)理應(yīng)越來(lái)越慢,直到完全停止——這是正常的推理??墒牵?jiàn)證奇跡的時(shí)刻來(lái)了!繼續(xù)滴加鹽酸,溶液在已顯淺粉色的時(shí)候,會(huì)突然產(chǎn)生大量氣泡,而且反應(yīng)還很迅速,這種矛盾要如何解釋?zhuān)肯Я说奶妓徕c沒(méi)有變成二氧化碳?xì)怏w的話(huà),變成了什么?這些問(wèn)題是在“混亂”的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自然而然產(chǎn)生的,探究也就順其自然發(fā)生了。
上述環(huán)節(jié)會(huì)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)是分兩步進(jìn)行的,在少量地、緩緩地滴加鹽酸時(shí),碳酸鈉是被反應(yīng)掉了,但是并沒(méi)有“逃逸”出溶液,而是變身為其他形式“隱藏”起來(lái)了。變身為什么形式了呢?只能是碳酸氫鈉。當(dāng)鹽酸加到足夠多時(shí),碳酸氫鈉也“隱藏”不住了,這才變成二氧化碳?xì)怏w“逃逸”出溶液。
碳酸鈉、碳酸氫鈉這些分子看不見(jiàn)、摸不著,可是,通過(guò)肉眼對(duì)氣泡的觀察,我們居然發(fā)現(xiàn)了微觀世界的秘密?;瘜W(xué)教科書(shū)上那些對(duì)微觀本質(zhì)的描述正是通過(guò)對(duì)宏觀現(xiàn)象的觀察和思考得來(lái)的。這里,是邏輯與想象的融合,是宏觀與微觀的聯(lián)系,這也正是化學(xué)本然的有趣!
二、追尋復(fù)雜背后的簡(jiǎn)約:化學(xué)知識(shí)可以這樣生長(zhǎng)出來(lái)
學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷讓新信息與頭腦中的已有信息建立聯(lián)系的過(guò)程。因此,不斷回頭看看學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí),想想它與新學(xué)習(xí)的知識(shí)有沒(méi)有什么聯(lián)系,是一種能讓知識(shí)自己生長(zhǎng)的學(xué)習(xí)方式。
例如,初中時(shí)學(xué)生學(xué)過(guò)HCl+NaOHNaCl+H2O,知道這是一個(gè)酸堿中和反應(yīng);還學(xué)過(guò)Na2CO3+2HClNa2CO3+CO2↑+H2O,知道這是一個(gè)鹽與酸的反應(yīng),可以制得CO2氣體。等到高中學(xué)習(xí)離子反應(yīng)時(shí),再回頭來(lái)看這兩個(gè)反應(yīng),學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn):前者是H+傳遞的反應(yīng),它從HCl中傳出來(lái),被OH-“接住”,生成了H2O;而后者呢?竟然也是個(gè)H+傳遞的反應(yīng),它從HCl中傳出來(lái),被CO2-3“接住”,生成了CO2和H2O。原來(lái)它們本質(zhì)上是一致的?。∥覀冞€可以引導(dǎo)學(xué)生再想下去,既然H+能從這個(gè)微粒傳給那個(gè)微粒,那能不能反過(guò)來(lái)傳呢?誰(shuí)傳給誰(shuí)究竟是由什么決定的呢?
經(jīng)?;赝c整合,學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)世界紛繁復(fù)雜的現(xiàn)象背后,也許有著簡(jiǎn)約的規(guī)律,它們?cè)谥渲笞匀坏倪\(yùn)轉(zhuǎn)。而學(xué)生在高中化學(xué)學(xué)習(xí)(當(dāng)然不只是化學(xué)學(xué)習(xí))中養(yǎng)成的思維習(xí)慣,或?qū)⒂兄谒麄兂蔀槟苤更c(diǎn)迷津、揭示規(guī)律的人。
三、脆弱的靜止和永恒的運(yùn)動(dòng):通過(guò)化學(xué)視角增長(zhǎng)人生智慧
好動(dòng)的少年不小心摔傷骨折了,雖然很痛,但一般不用太擔(dān)心,因?yàn)楹煤灭B(yǎng)傷就能康復(fù)。但是,牙齒也屬于骨骼系統(tǒng)的一部分,為什么(成人)牙齒磕碎了,就再也長(zhǎng)不出來(lái)了?這是個(gè)醫(yī)學(xué)問(wèn)題嗎?不是,這其實(shí)是個(gè)化學(xué)問(wèn)題,而且是運(yùn)用高中化學(xué)知識(shí)就能回答的問(wèn)題:動(dòng)態(tài)平衡與靜態(tài)平衡的差別。
牙齒是我們身體中最堅(jiān)硬的骨骼。長(zhǎng)期的生物進(jìn)化讓牙齒的表面形成了一層堅(jiān)硬的牙釉質(zhì)。打造出這么一副武器,多不容易??!因此,包括人類(lèi)在內(nèi),絕大多數(shù)有牙齒的生命體都采取了同一種策略,那就是等到一定年齡之后,牙齒就不再生長(zhǎng),進(jìn)入“平衡狀態(tài)”。特別是牙釉質(zhì),終生都不會(huì)跟外界發(fā)生反應(yīng)(不包含破壞性損傷),從而形成了嚴(yán)格的靜態(tài)平衡。人類(lèi)身體中的其他骨骼,在生長(zhǎng)策略上正好相反。即使是成年之后,骨骼的形態(tài)已經(jīng)確定,但是化學(xué)反應(yīng)依然在進(jìn)行,而且還很高效。每天,都有一些鈣質(zhì)溶解到體液中,又有一些新的鈣質(zhì)填補(bǔ)到骨骼中,也正是因?yàn)檫@樣,骨骼才有了自愈的特性。
物質(zhì)世界中的動(dòng)態(tài)平衡,不只是對(duì)某些行為產(chǎn)生影響,更是建立起了一種獨(dú)特的世界觀。
物理常識(shí)告訴我們:運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的,靜止是相對(duì)的。既然靜止是相對(duì)的,我們就可以推導(dǎo)出,靜止的狀態(tài)是不穩(wěn)定的,它很容易就轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)的狀態(tài)?;瘜W(xué)反應(yīng)平衡就是如此,它是非常脆弱的靜止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)一直在進(jìn)行,外界的溫度、壓力但凡有一點(diǎn)變化,就能打破這個(gè)平衡。然而,化學(xué)反應(yīng)不管怎么打破舊的平衡,新的平衡總能馬上建立,即便它依舊是不穩(wěn)定的狀態(tài)。
這就是靜止與運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化。學(xué)習(xí)了化學(xué)平衡,學(xué)生對(duì)物理力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)與靜止會(huì)有更深刻的認(rèn)識(shí);等到將來(lái)在辯證哲學(xué)中再看到“矛盾雙方相互包含、相互滲透,一定條件下,還可以互相轉(zhuǎn)化”這樣的觀點(diǎn),那更是心領(lǐng)神會(huì)。
化學(xué)知識(shí)具有了哲學(xué)層面的意義,那就不僅僅是物質(zhì)世界中的化學(xué)知識(shí)了,它還幫助我們?cè)鲩L(zhǎng)人生智慧。其實(shí),人類(lèi)的哲學(xué)智慧并不是憑空產(chǎn)生的,而是依賴(lài)于物質(zhì)世界的。反過(guò)來(lái)說(shuō),從各種物質(zhì)現(xiàn)象中,我們不難發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的思想,作為自然學(xué)科基礎(chǔ)的化學(xué)也不例外。
我想,如果我們這樣引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)、理解化學(xué),學(xué)生難道不是打心眼里認(rèn)可它的有趣和重要嗎?