科学本质，是指对科学知识、科学研究过程、科学方法、科学的历史、科学的价值、科学的限度等方面最基本特点的认识
［1］。初中科学课程是一门综合课程，其核心在于引导学生认识科学本质，并以此为基础全面提升他们的科学素养。课程从科学探究，科学知识与技能，科学情感态度与价值观，以及科学、技术、社会、环境（STSE）的关系等4个维度展开，共同支撑这一目标的实现
［2］。可见，科学课程性质既决定了理解科学本质的重要性，又为如何理解科学本质提供了指导性意见。
当前，对促进科学本质理解的教学路径有诸多研究成果，主要有内隐路径和外显路径。前者主要通过科学探究手段实现，后者主要通过将科学史融入科学教学实现
［3］。在进行初中科学教学时，教师可以结合教学目标和内容灵活使用这些策略，以促进学生对科学本质的理解。
浙教版科学八年级下册“空气与氧气”一节教学的重要内容之一是测定空气中氧气的体积分数（
图1），其中，该实验原理为该节课的教学重难点。之所以成为教学难点，其原因主要有：一是等效法的使用，即燃烧耗去的氧气体积与倒吸进入集气瓶中水的体积是相等的，两者对维持集气瓶内外气压的平衡是等效的；二是可燃物的选择，即燃烧的产物不对等效法的使用产生干扰，且燃烧产物尽量不形成新的气压；三是实验过程不对等效法的使用产生干扰，即实验操作应尽量确保瓶内氧气耗尽，同时避免出现瓶内外气体交换的现象。
基于学生科学学习的实际状况，笔者以浙教版科学八年级下册“空气与氧气”一节的教学为例，阐述促进学生对科学本质理解的相关教学策略。
1 设计结构化任务，认识科学方法的多元性
科学方法是人们在认识和改造世界中遵循或运用的、符合科学一般原则的各种途径和方法。科学方法是科学素质的构成要素之一，科学方法教育是培养学生基础性学力、发展性学力和创造能力的重要手段
［4］。
在初中科学教学中，涉及的科学方法多种多样。不同学习任务的完成，往往需要不同的科学方法；有时，同一任务的完成可能需要运用不同的科学方法。故此，教师在教学中可设计具有结构化的多种类型任务，引导不同水平的学生广泛参与并完成学习任务。在此过程中，通过合作与交流，引导学生认识科学方法的多元性，并通过科学方法的灵活选择与运用，促进各种学习任务的顺利完成，以此发展学生的学习力和创新思维。
教学片段一
【任务一】我们生活在充满空气的环境中，现给你一支试管、一个带玻璃导管的橡皮塞、一个装有水的水槽，请利用这些器材设计活动，以探究周围环境中是否存在空气。
【实验活动】将一个带有玻璃导管的橡皮塞塞紧试管口，将玻璃导管的另一端插入水中，用手捂住试管一会儿，发现水中玻璃导管口位置有气泡冒出。
师：很好。松开捂试管的手后，观察水中玻璃导管内产生的现象。
生：玻璃导管内形成一小段水柱。
【任务二】解释这一小段水柱形成的原因。
生：当气体逸出后，试管内剩余空气减少。此时，松手后，试管内空气温度下降，气压下降，当管内气压小于外界大气压时，大气压将水压入管内形成一小段水柱。
【任务三】这一小段水柱与先前逸出的气体间有何关系，并说明理由。
生：水柱增加到一定高度后保持静止，说明此时管内外气压相等。这进而说明，水柱的上升填补了之前逸出气体所留下的空间，水柱与逸出空气的体积相等。
师：很好。刚才通过实验设计验证了周围空气的存在，并通过水柱填补空气的位置维持管内外气压相等的知识，推理出水柱与排出气体的体积相等。并且，在维持气压相等方面，认识到液体与气体存在“等效”关系。实验、推理、等效等都是科学方法，科学方法类型众多，它们在完成科学任务时发挥着重要作用。
【教学意图】在教学片段一中，围绕该节教学的重难点设计3个具有结构化的任务，引导学生通过实验设计、现象观察、现象解释等，认识液体与气体在维持等压方面存在等容关系，从而梳理出实验、等效、推理等多种科学方法。同时，这些方法的运用，让学生成功地体验到了科学方法在完成科学任务时的重要作用，提升了对科学方法多元性与重要性的认识，也为理解后续实验的原理、过程及结果等奠定了教学基础。
2 梳理知识的发展过程，认识科学知识的暂时性
科学知识，是科学核心素养形成的主要载体
［5］。它是人类经过科学探究对客观世界和人类自身的系统认识的产物，其形成是一个不断修正、不断深入，以逐步逼近客观存在的过程
［2］。可见，科学知识具有发展性，这种发展性又说明科学知识具有暂时性。虽然科学知识具有暂时性，但这并不意味着它不可信；在人类文明现有的认知水平上，科学知识仍是人们理解自然时能够给出的最优解释。
当前，教学活动仍是学生获取科学知识的关键途径，它是通过知识的学习来提升人的素养的一种教育活动
［5］。但是，教学活动不仅要让学生掌握知识，更要让学生理解科学知识所具有的暂时性。只有这样，学生才能够认识科学知识的条件性，才能正确使用科学知识，才能领悟及时更新知识的重要性，才能树立终身学习的信念。其具体的教学策略之一，就是梳理科学知识的发展过程，引导学生了解科学家发现知识的背景和条件，通过比较、分析以正确认识科学知识的动态发展过程，理解科学知识是科学家基于特定背景和研究条件下获得的主观产物，从而深刻理解科学知识的暂时性。
教学片段二
师：空气的成分除了氧气和氮气外，还有哪些气体？如何验证它们的存在？
生1：雨、雪等天气现象的形成，说明空气中有水蒸气。
生2：澄清的石灰水中不断通入空气会变浑浊，说明空气中含有二氧化碳。
师：好。空气的成分比较复杂，人类对空气成分的认识经历了一个漫长的过程。
【阅读材料】部分空气成分的发现史：1772年，卢瑟福发现空气中含有一种既不能供动物呼吸，也不支持燃烧的成分（后来被命名为氮气）；1774年，普利斯特里通过实验制得一种能支持燃烧和呼吸的气体（后来称为氧气）；1777年，拉瓦锡通过系统的实验将这种助燃气体命名为“氧”；1785年，卡文迪许在去除空气中的氧气和氮气后，发现仍有少量未知残余气体；1894年，雷利与拉姆塞通过对氮气密度的研究，共同发现了氩；1898年，拉姆塞与特拉弗斯又从液态空气中分离出氪等稀有气体。
【问题1】从氮气、氧气到氩、氪等稀有气体的发现，可见空气成分的确定经历了一个漫长过程，这是为什么呢？
【问题2】你认为将来空气的成分会不会有新发现的可能？为什么？
【教学意图】在教学片段二中，要求学生阅读空气部分成分的发现史并思考相关问题，再结合教师的引导与分析，以帮助学生认识诸多空气新成分的发现相对那个时代而言都具有创新性，即新知识具有合理性。而后一阶段的新发现，是对已有发现的重要补充，从中认识到前一阶段“新知识”的局限性，最终使学生认识到空气成分的发现经历了一个不断完善的过程，且这个过程将不断持续下去，直到无限接近客观事实。以上教学引导学生认识科学知识的发展性，以此促进学生理解科学知识所具有的暂时性。
3 比较问题的多样性，认识科学结论的可重复性
“科学研究一般是指利用科研手段和装备，为了认识客观事物的内在本质和运动规律而进行的调查研究、实验等一系列的活动。”由于事物的本质和运动规律具有客观性，因此只要各种研究方法得当，过程合理，其结果应具有一致性，即同一问题的科学结论既能被不同研究者所重复，也能被同一研究者通过多次研究所重复。这种可重复性，是科学结论具有可信度的重要保障。
科学结论可重复性的相关条件有：一是问题的科学性；二是研究手段和装备的合理性；三是研究人员的专业性；四是结论的条件性。这些条件中的任何一个都会影响到结论的科学性，从而影响其可重复性。由于一些问题的研究过程比较复杂，不同的研究对象、不同手段和装备的选择，都会影响到结论的一致性，所以科学结论的可重复性又具有相对性，即在一定误差范围内科学结论具有可重复性。也正是这种误差的存在，决定了教师应通过教学，引导学生重视科学研究的严谨性，帮助学生形成一丝不苟的科学态度和精益求精的科学精神。
教学片段三
师：已有研究表明，空气中氧气的体积约占其体积的1/5，剩余的绝大部分是氮气。为了测定空气中氧气的体积分数，可以设计如
图1所示实验，即通过燃烧红磷去除集气瓶中的氧气。发生反应的化学方程式为：
（刺激性固体，溶于水）。
教师演示实验，并组织学生观察实验现象。
师：请描述观察到的现象，并推测实验结果。
生：进入集气瓶中的水略小于集气瓶总体积的1/5，由于实验存在误差，所以空气中氧气的体积约占1/5。
师：哪些因素影响了实验结果的准确性？
生：集气瓶中氧气没有完全去除或集气瓶中气体没有完全冷却。
教师向学生介绍拉瓦锡研究空气成分所用的实验装置（
图2）。
师：不同研究者使用不同的装置和方法测量空气中氧气的体积，这些研究结论之间存在何种关系？
生：具有一致性。
师：为什么科学结论具有一致性？这种一致性有什么条件？
生：因为空气中的氧气含量是一个固定值，所以不管谁去测量，只要方法得当，结果应是一样的，即测量结果具有一致性。一致性的条件是研究对象相对稳定，研究方法与装置等要正确。
师：很好。测量结果的一致性反映出科学结论具有可重复性，即一个科学结论可以被不同研究者在不同时间、不同地点独立验证。这种验证，既包括使用相同的实验方法进行复现，也包括使用不同的实验方法进行交叉验证。
【教学意图】在教学片段三中，通过将课堂演示实验与拉瓦锡经典实验进行比较，实现了双重教学目标：一方面，使学生认识到针对同一科学问题，采用不同的方法与装置也能得出相似结论，从而具体感知科学结论的可重复性这一本质特征；另一方面，引导学生分析不同方法和装置带来的实验误差差异，理解必须充分考虑这些误差，结论才能趋于一致。这揭示了科学可重复性背后的条件性与相对性。这种多样化的实验比较，通过强烈的认知对比，能有效深化学生对“科学结论可重复性”的体验与理解。
4 优化探究方案，理解科学、技术、社会、环境之间的相关性
科学探究是解决问题的重要途径之一，它依赖于某些公认的概念（如变量的控制等）以及呈现数据的方法等
［6］。
科学探究的要素之一为制订探究方案，其达成目标为“能针对探究目的和条件，设计探究的思路，选择合适的方法制订探究方案”
［2］。事实表明，对探究方案本身而言，其所运用的科学概念与方法的有效性直接关系到探究的效率及成败。
针对同一科学问题，存在多种探究方案。不同探究方案其总体投入、探究过程的可操作性与严谨性、探究结果的准确性以及对社会、环境等的影响往往不同，它涉及了科学、技术、社会与环境之间的关系。
在教学时，教师应引导学生不断完善探究方案。在此过程中帮助学生理解科学的发展会促进技术的进步，技术的进步又会反过来促进科学的发展。科学与技术的应用，既会影响社会，也会影响环境等。
教学片段四
师：与拉瓦锡实验相比，我们的课堂实验有何不足？
生1：磷燃烧速度太快，瓶内气压增加太快。当塞上塞子时，有部分氧气会逸出集气瓶，实验误差较大。
生2：集气瓶内的氧气无法通过燃烧红磷来完全去除，实验误差较大。
师：如何优化我们的实验方案呢？
生1：改变红磷的加热方式，使其直接在集气瓶内加热。
生2：选择氧气去除率更高的其他反应物替代红磷。
生1：可防止红磷燃烧后瓶内气体外逸，因为采用阳光加热，所以可以不用打开橡皮塞。
师：利用这种加热技术可以提高科学结论的准确性，同时还可以减少由于燃烧产生的五氧化二磷对环境的污染，所以这种方案起到了优化的作用。那么，还有没有更好的方案呢？如果有，它应该具备哪些特征呢？
生1：结果更准确，污染少。
生2：操作安全简便，花费少。
教师向学生介绍传感器的相关知识及技术。
师：当前，测量氧气含量较为安全、简便、准确的仪器是氧气浓度测量仪（
图4），该仪器的核心元件是一种传感器。传感器在生产生活中较为常见，其复杂的技术既确保了操作的方便性，也提高了实验结果的准确性。比较
图1、
图3和
图4，并思考：实验方案的不断优化，体现了科学、技术、社会与环境之间具有何种关系？
【教学意图】在教学片段四中，通过将课堂演示实验与拉瓦锡实验进行比较，探寻演示实验中误差较大的原因；而后，围绕如何减小实验误差这一关键问题对探究方案不断优化，并通过方案间的不断比较让学生明晰探究方案的优化路径，即优化探究方法、探究所需装备及使用技术、探究步骤以及探究对环境的影响等方面，从而认识到探究方案的优化核心是科学技术。在此过程中，教师指导学生正确理解科学、技术、社会与环境之间的关系。
5 结语
科学本质是对科学的哲学思考，它是科学素养的核心内涵。因此，促进学生理解科学本质理应成为科学教学的关键任务。在科学教学时，教师应结合科学探究、科学史等内容的特点，采取恰当且多样的教学策略，持之以恒地促进学生理解科学本质。只有这样，教师才能让学生深刻认识科学这门学科，才能更好地促进学生科学素养的发展。
京公网安备11010202008535号
PDF
(522KB)
