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多媒體元素周期表教育教學在如今更加重視學生自我發展、個性教育的前提下。教師除了教給學生必要的知識,還要重視他們的自身發展。隨著電子科學技術的不斷發展,在教育教學中引入多媒體教學以方便、優化教學,而今多媒體教學也越來越成為教師教學不可或缺的方法之一。將多媒體技術與傳統教學相結合,才能更好發揮教育教學的效果。
一、化學元素周期表的發展
將化學元素按性質分類排列的第一張化學元素周期表是法國化學家拉瓦錫在1789年出版的著作《化學基礎概念》。隨后,1869年俄國化學家門捷列夫將當時已知六十幾種元素按照原子量的大小加以區分并排列成一張表,他把化學性質類似的元素排在相同的一個橫行,這就是歷史上第一份成型化學元素周期表,它的誕生方便并影響著化學科學,之后,許多科學家對其規律進行研究,其中英國的科學家莫色勒在1913年利用“X射線實驗”發現元素的原子序數(即核電荷數)越大,X射線頻率越高的規律,他將元素按照核內正電荷數目排列并修訂,這才成為當今我們所使用的化學元素周期表。在化學教科書字典、詞典中,都會附著這樣一張“化學元素周期表”。這張小小的表揭示了客觀物質世界的奧秘,它將一些看起來毫無聯系的元素聯系起來,構成了一個完整且具體的物質世界,元素周期表的發明是近代化學史上的一個偉大成就,其對于化學科學的探索與發展起了里程碑式的作用。
二、認識化學元素周期表
在化學元素周期表里,以元素的原子序數從小到大依次排列,原子序數最小的(H)排在最先。科學家們將元素按照原子序數遞增的規律,將電子層數相同的元素放在同一橫行,橫行稱為周期;將最外層電子數相同的元素放在同一縱列,一個縱列稱為族。元素周期表目前排列已有7個周期,16個族。這七個周期分為:三個短周期(1,2,3)、三個長周期(4,5,6,)、一個不完全周期(7),其中16個族又分為7個主族(ⅠA,ⅡA,ⅢA,ⅣA,ⅤA,ⅥA,ⅦA),7個副族(ⅠB,ⅡB,ⅢB,ⅣB,ⅤB,ⅥB,ⅦB),一個第VⅢ族(包括三個縱行)以及一個零族。
(一)周期規律
同一周期內,從堿金屬到惰性氣體,元素都擁有相同的核外電子層數,且元素最外層電子數依次遞增,原子半徑逐漸減小(零族元素即惰性氣體除外),失去電子的能力逐漸減弱,獲得電子的能力逐漸增強,金屬性遞減,非金屬性遞增。從左到右,元素的最高正氧化數依次遞增(無正氧化價者除外),最低負氧化價也依次增加(第一周期以及第二周期的O、F除外)。
(二)族規律
同一族中,自上而下,最外層電子數相同,核外電子層數逐漸增加,原子序數遞增,元素金屬性遞增,非金屬性遞減。
早期化學元素是按照元素性質進行分類,即原子量、質子數、原子核電荷的多少進行分類,在現代周期表中,元素根據原子序的順序從左至右排列,并在每個惰性氣體后另起一行開始排列新一個周期。新一行周期的第一個化學元素一定是堿金屬,該堿金屬的原子序數比上一個周期的惰性氣體序數大1(例如,惰性氣體氙的原子序數為:54,而新一行周期由堿金屬銫開頭,其原子序數為:55,銫的原子序數比氙的原子序數大1)。
三、元素周期表的傳統教學方式
雖然在生活中化學隨處可見,但它的不易不同于物理的宏觀直觀性,化學的現象是本質的反映,其有些本質卻并不可視,故其難在抽象。
傳統的化學教學,像化學這樣抽象的教學既要言傳板書,又要模型、試驗的演示,對于一名教師來說可謂捉襟見肘了。經濟水平決定教育條件,發達地區的化學教育自然面面俱到,而高昂的化學藥品讓貧困地區無法負擔。曾明確指出實踐是檢驗真理的唯一標準,自然科學的學習如果只到書本中的知識為止,那么還只是說到問題的一半,對于化學知識的學習即是如此,如果只學習理論知識不加以實踐,那么“認識”則始終無法得以升華,知識也將停滯不前。
四、化學元素周期表的教學中多媒體運用
化學的實踐性很重要,如何解決平困地區化學教學的尷尬境地,就需要運用到多媒體教學了。首先,教師應該詳細并全面收集資料,參照實體化學元素周期表,制作一張化學元素周期表涵蓋教學知識的課件。其次,用超鏈接把對應的元素與其知識點聯系起來。最后在課堂講授時點開元素周期表中超鏈接的相應元素展示對應知識點,對應的實驗演示以及元素周期表中元素對應性質的展示輔助教學。
(一)課件的特點
1.信息量大。多媒體課件能提供豐富的信息和資料,讓教學環境更加豐富有趣。即可節約寶貴的上課時間,又能傳遞更多的知識,即能增加課堂的趣味性,也可增加學生的知識面。
2.界面美觀,操作簡單,指示明確。多媒體課件的界面簡潔清爽,提供的內容與開設的教學環境能讓老師輕松把握。
3.教學重點、難點更加突出。利用多維的動畫與視頻可使抽象、難以理解的現象和知識直觀化、可視化,撥開學生認知領域的迷霧。
4.增加同學們的求知欲。多媒體課件的動畫演示、聲音環繞、文本展示等可以給學生帶來感官上的綜合性刺激。這樣的刺激能有效集中學生的注意力,使學生產生學習興趣,增加學生學習知識的欲望。
(二)課件要求
1.內容簡潔明了。課件內容應該要求準確、簡潔,避免學生產生倦怠感。
2.色彩搭配協調。色調要鮮明,不同主題運用不同的色調來體現。
(三)課件制作
檢查電腦是否安裝WPSOffice、Powerpiont、Excel軟件。
首先,用Powerpoint制作需要的課件。如:用Powerpoint制作H的相關課件,完成后點擊保存。
然后,用Excel或WPSOffice制作一張元素周期表,點擊保存。
最后,點開制作的元素周期表用超鏈接將制作的課件與相應的元素鏈接起來,保存即可。
具體地說,所制作的課件點擊鼠標后顯示的要求是:①在整個周期表中的位置,即周期和族,用帶色的突出顯閃爍提示,②元素符號的正確讀音,中文名稱,③標出原子序數、原子量,④核外電子層排布式,⑤主要物理性質,⑥主要化學性質,⑦發現歷史,當今的主要應用等展示在眼前。制作的課件可使教師更加有效的反思及升華課件內容,提升知識覆蓋與教學效果。
多媒體在教學中的運用能為教師留出更多寶貴的時間,讓老師與同學之間的交流能更加深入密切,同時能更加有效地提高教師教學的效果和學生學習的效率。多媒體課件的制作方法多種多樣,本人只介紹一種簡單易操作的方法,有能力人士可制作更加精美的課件。
參考文獻:
【關鍵詞】 高一化學 夯實基礎 措施 興趣
【中圖分類號】 G633.8 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711(2014)02-049-01
夯實學生的化學基礎,能夠幫助學生更好地進行化學知識的學習,靈活運用所學知識去分析問題,解決實際生活中的化學問題。要結合高一學生的實際情況,采取多種方法夯實學生的化學基礎。
一、培養學生對化學的興趣
剛剛升入高中的高一學生,只是在初中進行了一年的化學知識,對化學知識的學習還比較局限,基礎不夠扎實,有的學生不能寫出常用化學物質的分子式,沒有記住一些化學元素的化合價,要想解決這些問題,夯實學生的化學基礎,不能夠一味地追求教學進度,也沒有時間對初中所學化學知識進行全面的復習,根據自己的實際教學經驗,我認為首先要帶領學生進行例如化合價、元素符號、分子式和化學方程式的復習,扎實學生的化學基礎,這樣才能更好地學習高中化學知識。在進行化學元素符號的復習過程中,以一至二十號化學元素為重點,可以采用測試的方式,讓學生在規定的時間內寫出一至二十號化學元素的名稱及其符號,不會寫的部分要留出空位。通過這種方式讓學生對自己沒能寫出的化學元素進行重視,再通過板書的形式,帶領學生寫出這些元素的符號和名稱。板書演示完后,幫助學生加強記憶。在幫助學生復習常用化學元素的化合價時,可以為學生編排順口溜,幫助學生進行記憶。
要想扎實學生的化學基礎,首先要做的就是培養起學生的學習興趣,使學生愿意學習化學,能夠主動地參與到學習中來,從較低的起點出發,激發起學生的學習興趣,在教學中結合一些基礎的例題,為學生設置有效的教學情境和問題情境,使學生真正的參與到教學中來,在教學中夯實自己的基礎知識,不斷思考。
二、將學生作為教學的主體
在初中的化學教學中,由于學生剛剛接觸到化學,所以大多數情況下采用灌輸式的教學。在學生升入高中后,其心理也發生了很大的轉變,逐漸走向成人化。在學習時,更加傾向于主動地去探索知識而不是一味的被動接受。在這種情況下要想夯實學生的化學基礎,就要求高中教師要采取合適的教學方法,將學生作為學習的主體,更多的是對其進行引導和啟發,讓其自己發現問題,解決問題,充分發揮學生的邏輯思維,讓其在課堂上大膽的發言,與老師和同學之間進行積極的交流,可以將問題進行變化更新,改變其中的一個條件或者從其他角度去看待問題,讓學生們自己去探究問題的答案。在實際的教學過程中,教師要引導學生將新知識和舊知識聯系到一起,在舊知識的基礎上,去探究新的知識。這不僅是對舊知識的鞏固,也有助于學生化學體系的建立,更好的夯實學生的化學基礎。
比如在進行氧化還原反應的教學時,根據學生在初中接觸到的化學反應,按照不同的方法將其分類,并讓學生們按照要求寫出反應類型,對學生進行適當引導,使學生發現以上的各種分類方法不能使化學反應的本質得到表現,同時也不能包含全部的化學反應。然后從初中課本中得失氧的內容入手,以初中的氧化還原反應為鋪墊,將這種分類的不足進行展現,使學生對于新知識的學習產生一種強烈的欲望。再讓學生積極發言,找出這幾個反應的共同特點。最后教師在對氧化還原反應的基本特征進行說明。這種教學方法,符合高中生的心理特點,不僅能夠幫助學生掌握有關的化學知識,扎實學生的化學基礎,還能夠使學生對知識進行靈活的運用,培養了學生的思維能力。
三、幫助學生做好盲點知識的學習
要想夯實學生的化學基礎,就要從整體出發,不能忽視每個知識點,因為化學的學習是一個體系,某個知識點的學習上存在欠缺,會對整個體系造成影響。在教學過程中為學生安排必要的聯系,這些練習的內容要以學生學習中的盲點為主,根據以往的教學經驗,總結出學生在學習中的盲點,通過練習的方式,逐個解決這些盲點。通過長時間的聯系,學生的化學基礎得到了夯實。
例如在學習氧化還原反應的過程中,在判斷氧化性、還原性;氧化劑、還原劑;氧化反應、還原反應等的過程中經常出現問題。在教學中要對加強對這方面的聯系,幫助學生糾正學習中的錯誤,告訴學生只要是涉及到氧化還原反應的問題,不管是對哪部分知識的考察,都要按照順序進行分析,首先表明化合價,找出化合價的變化情況,確定氧化劑和還原劑,然后在確定哪種物質被氧化,哪種物質被還原,在反應物中,化合價升高的是還原劑,化合價降低的是氧化劑,還原劑具有還原性,氧化劑具有氧化性,被氧化的是還原劑,被還原的是氧化劑。通過這樣的練習和講解,學生就能夠對氧化還原反應進行準確的分析,通過化合價的變化來解題。學生的化學基礎得到夯實,以氧化還原反應為基礎,更好的進行學習。
總結:以上就是對在高一化學教學中如何夯實學生化學基礎的分析。結合自己的教學實踐,主要以氧化還原反應部分的知識為例子,提出了夯實高一學生化學基礎的措施。由于本人能力的有限對這方面的研究還不夠全面,要想更好地扎實高一學生的化學基礎還需要廣大高中化學教師的共同努力。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] 張弘.淺談中學化學概念的教學方法和策略[J].新課程(教育學術版).2009(06).
化學主族元素指:氫、鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鐳、硼、鋁、鎵、銦、鉈、碳、硅、鍺、錫、鉛、氮、磷、砷、銻、鉍、氧、硫、硒、碲、釙、氟、氯、溴、碘、砹。
主族元素是化學上對元素的一種分類,是指周期表中s區及p區的元素。主族元素另外一種定義是除了最外層電子層以外的電子層的電子數都是滿電子的化學元素。周期表中除了過渡金屬、鑭系元素、錒系元素、惰性氣體之外的都是主族元素。
(來源:文章屋網 )
關鍵詞:巖石礦物;鑒定方法;地質工作
對于地質工作來說,巖石礦物鑒定是不可或缺的工作環節,其對于地質工作的開展有著基礎性的作用。在巖石礦物鑒定過程中選擇合適的鑒定方法對于巖石礦物鑒定的效率與準確率有著一定的影響。因此,針對巖石礦物鑒定的意義與方法進行研究具有一定的實際意義。
1 巖石礦物的類別與特點
巖石礦物是地球地殼中一種或多種化學元素結合形成的自然聚合物體,是地殼出現的各種地質活動下而形成的產物。巖石礦物的類別眾多,導致這一現象的原因主要是由于自然界中含有不同的化學元素,并且不同的化學元素擁有不同的組合排列方式。同時,復雜多變的地質作用也導致了巖石礦物的多樣化。通常來說,巖石礦物可以分為有機礦物以及無機礦物兩種類別。其中有機礦物的類別較少,主要為碳氫氧化物,例如琥珀等物質。無機礦物的類別較多,更為常見,每年地球上都會新出現各種不同類型的無機礦物。相關蟮勞臣葡允荊當前已知的無機礦物已經有三四千種。有機礦物的化學成分為碳氫化合物,無機礦物的化學成分較為復雜。門捷列夫所歸納的元素周期表中涵蓋了一百余種化學元素,這一百余個化學元素可以相互組合,形成多個不同的元素[1]。其中的單個元素形式的礦物類型也較為多見。鐵元素、金元素、銅元素等等都可以形成自然金屬礦,而多種不同的元素更加可以搭配組合成為更多的礦物元素。通常來說巖石礦物的形成大多都是由巖漿活動所導致的。巖漿中包含著不同的元素與物質,在經過高溫影響下這些元素與物質會進行化學反應,從而形成多種化合物質。然而影響化合物質形成的因素眾多。地殼下不同區域巖漿的化學成分都有所差異,并且巖漿在溫度下降的過程中會受到外界溫度、外界壓力等不同因素的影響,從而導致元素出現改變,因此由巖漿形成的巖石礦物擁有眾多種類。不同類別的礦物都具有其獨特的外形特征以及物理、化學性質。所以,不同種類的巖石礦物同時還可以被使用在不同領域。
2 巖石礦物鑒定的意義
地質工作的開展就是為礦產勘查開發規劃、建筑工程建設、生態環境保護以及地質災害預測提供數據真實、內容全面的信息。其中,巖石礦物鑒定是最為基礎的環節,對于我國地質考察工作以及掌握地質基本情況來說有著重要的意義,同時其還可以獲得相關地質數據信息,對于地質行業的發展具有基礎性、指導性的價值。每一種巖石礦物均為在指定的地質環境與化學物理反應下造就的。往往包括各種類型的礦物。對巖石礦物中的化學元素進行鑒定可以辨別巖石礦物種類,從而得知巖石礦物可以具體被運用在哪些領域,可以實現哪些經濟價值。同時,巖石礦物鑒定工作對于找礦工作與地質開采工作來說也十分重要,巖石礦物鑒定可以明確巖礦的類型,預估礦床隱藏的開采量以及潛在的經濟性,進而達到提高地質勘探工作效率的目的。同時,巖石礦物在工程地質勘查中也起到了十分關鍵的作用,其可以為建筑工程的設計與施工提供重要的參考,并且規范工程在施工中合理的使用自然資源,正確的優化改造不良地質情況,盡可能地避免工程對自然生態環境的損害。
3 巖石礦物鑒定的方法
3.1 試樣加工
一般情況下被用于鑒定的原始礦物樣品會由于種類的不同而出現不同重量,大多數在幾公斤或十幾公斤。然而在實際的巖石礦物鑒定工作中所使用的巖石礦物樣品僅僅需要幾克幾克。因此,在巖石礦物鑒定工作中第一個步驟就是對巖石礦物進行加工處理,以獲取試樣。一般來說可以將巖石礦物研磨粉碎到一定程度,以便其分解;另外還可以通過其他經濟有效的方式來獲取100g為代表重量,成為樣品。
3.2 定性分析
在對巖石礦物進行標準處理加工后,還需要對其進行定性與半定量的處理分析。進行定性與半定量處理分析的主要目的在于更加詳盡、更加準確地了解樣品中包含哪些元素,同時還可以獲知元素在組合過程中各自所占據的比例。在經過定性分析后,還需要對每一項待測元素選擇最為合適的檢測方法以及防護策略。當前巖石礦物成分測定的方法眾多,沒有一種方法完全適用于全部的巖石礦物測試,因此需要根據不同的演示類型與礦物類別來選擇托尼蓋的處理方法[2]。目前較為常用的分析法包括色譜法、差熱法、元素法、光譜法等。其中,色譜法:色譜法,又被成為色譜分析法,其是一種通過分離來進行分析處理的方法。根據物質潛在的分離機制,色譜法又可以被分為分配色譜、凝膠色譜、親和色譜等不同類別的方法。差熱法:差熱分析法主要是處于某種實驗溫度環境下不出現其他化學反應與物理變化的物質與其相同量的未知物質在同等環境下等速溫度變化結果的對比。其中,未知物質出現的任何化學與物理上的變動,都與其處于相同環境的標準物的溫度信息對比,必然會出現溫度暫時上升或下降的情況,如上升則為放熱反應,降低則為吸熱反應。元素法:元素法主要是針對特征譜線進行研究。通常來說,元素法的分析流程就是針對分類元素中的源自以及外層的電子進行分析,然后通過獨特的方式將標準基態轉變成為激發態,同時還需要對物質的溫度變化進行詳細的觀察與記錄,然后對所收集到的數據進行全面的分析與處理,從而了解到不同元素中所包含的原子含量以及相對濃度。光譜法:光譜法是物質在受到輻射能的影響時,物質內部所產生變化的情況,光譜法通過對物質內部量子化的變化,吸收、發射或散射輻射判斷來進行分析。光譜法分為原子光譜法與分子光譜儀法,其兩種鑒定方法的表現形式分別為線光譜以及帶光譜[3]。
3.3 草擬鑒定方案
草擬鑒定方案所需要工作內容繁多,是最為關鍵的步驟。在方案的設計中需要牽涉到各種元素鑒定以及元素分離,需要鑒定人員擁有較為豐富的鑒定經驗來完成。
3.4 鑒定結果的核查
在完成上述步驟后,對結果進行核查是最后一個重要環節。在這一環節中要針對巖石礦物鑒定的相關數據進行核查,對各類鑒定信息進行核實,以保證最后鑒定結果的真實性與準確性。
4 結束語
整體來說,我國在巖石礦物成分與性質的鑒定中已經獲得了可喜的成績。但是伴隨著社會的進步與技術的成熟,巖石礦物鑒定工作也必須要緊跟時代的步伐,抓住進步的機會,使用先進的鑒定技術,高效、準確地對巖石礦物的成分進行分析,從而提升巖石礦物的利用率,改善巖石礦物的存儲與開發。
參考文獻
[1]許乃岑,沈加林,張靜.X射線衍射-X射線熒光光譜-電子探針等分析測試技術在玄武巖礦物鑒定中的應用[J].巖礦測試,2015(1):75-81.
[2]杜谷,王坤陽,冉敬.紅外光譜/掃描電鏡等現代大型儀器巖石礦物鑒定技術及其應用[J].巖礦測試,2014(5):625-633.
關鍵詞:生物學教學;基本觀念;高考考題
中圖分類號:G632 文獻標識碼:B 文章編號:1002-7661(2014)03-269-01
在現行高中生物教材中,主要貫穿六大生物學觀點,我們在教學過程中,應引導學生充分挖掘出這些學科觀點,并能把它們應用于解題過程之中,會起到事半功倍的效果。現將一些重要的學科觀點及在高考考題中的滲透進行總結:
一、生物的物質性觀點
生物界與非生物界具有統一性和差異性,所有生物都是由化學元素組成的,并且這些化學元素在無機自然界都是可以找到的,因此,這一觀點貫穿于整個生物教材的始終。
1、與細胞部分的聯系
構成細胞的化學元素和化合物,是細胞生命活動的物質基礎。由各種化合物以一定形式相互作用而形成特殊結構,進而完成特殊的功能。
例:(2012廣東)有關生物膜結構與功能的敘述,正確的是
A.膜載體蛋白的合成不需要ATP
B.葡萄糖跨膜運輸不需要載體蛋白
C.線粒體外膜與內膜的主要功能不同
D.變形蟲和草履蟲的細胞膜基本組成成分不同
【答案】C
【解析】A、任何蛋白質的合成都需要ATP的參入提供能量;B、葡萄糖的跨膜運輸方式為主動運輸或協助擴散,都需要載體蛋白的參入;D、幾乎所有的生物膜的基本結構都是蛋白質和磷脂。
2、與新陳代謝部分的聯系
新陳代謝與物質密切相連。如呼吸作用要消耗大量的有機物;缺少氧氣就無法進行有氧呼吸; 如植物缺少必需的礦質元素,就會表現出相應的缺素癥;人缺少胰島素,會患糖尿病;哺乳動物血液中鈣含量低,會抽搐。
二、結構與功能相統一觀點的運用
1、有一定的結構就必然有與之相對應功能的存在,例如哺乳動物和人的紅細胞無核,就可以儲存更多的血紅蛋白;無線粒體,進行無氧呼吸,就可以把更多的氧送給其他細胞;根成熟區的表皮細胞長有根毛,增大了吸收面積,這與其吸收水分和礦質元素的功能相適應。
2、任何功能都需要一定的結構來完成,例如人的心肌細胞,鳥的飛行肌細胞代謝旺盛、耗能多的細胞中線粒體含量多;分泌蛋白的合成、運輸、分泌與核糖體、內質網、高爾基體有關,因此能合成分泌蛋白的細胞中這些種類的細胞器含量多,如人的腸腺細胞,效應B細胞,胰島B細胞。
三、生命活動對立統一觀點的運用
生物的諸多生命活動之間有對立統一的關系。如植物的光合作用和呼吸作用就是對立統一的一對生命活動。光合作用,是合成有機物,儲存能量;呼吸作用,是分解有機物,釋放能量,兩者之間是相互對立的。呼吸作用需要光合作用的產物;光合作用需要呼吸作用提供能量。因此說,呼吸作用和光合作用又是相互聯系、相互依存的。
例:(2009浙江理綜)下列關于植物光合作用和細胞呼吸的敘述,正確的是
A.無氧和零下低溫環境有利于水果的保鮮
B.CO2的固定過程發生在葉綠體中,C6H12O6分解成CO2的過程發生在線粒體中
C.光合作用過程中光能轉變為化學能,細胞呼吸過程中化學能轉變為熱能和ATP
D.夏季連續陰天,大棚中白天適當增加光照,夜晚適當降低溫度,可提高作物產量
【答案】D
【解析】陰天可通過增加光照增加光合作用產物、夜晚降溫有利減弱細胞呼吸減少有機物的消耗,有利作物產量的提高。
四、生物進化觀點的運用
地球上生活著的生物,從形態,結構到生理功能,以及分布都是于他所生活的環境相適應的,是長期自然選擇的結果。
例:(2012北京)金合歡蟻生活在金合歡樹上,以金合歡樹的花蜜等為食,同時也保護金合歡樹免受其他植食動物的傷害。如果去除金合歡蟻,則金合歡樹的生長減緩且存活率降低。由此不能得出的推論是
A.金合歡蟻從金合歡樹獲得能量
B.金合歡蟻為自己驅逐競爭者
C.金合歡蟻為金合歡樹驅逐競爭者
D.金合歡蟻和金合歡樹共同(協同)進化
答案:C
解析:考察種間關系和共同進化,理解能力。金合歡蟻也保護金合歡樹免受其他植食動物的傷害,金合歡蟻與其他植食動物是競爭關系,而金合歡樹與其他植食動物則是捕食關系,所以B正確,C錯誤。從題干可知金合歡蟻和金合歡樹是互利共生的關系,兩者共同進化。
五、生態學觀點的運用
生態學觀點的基本內容是生物與環境之間是相互影響、相互作用的,也是相互依賴、相互制約的。生物生活在環境中受到環境的影響和制約,因而必須適應環境,同時生物體的生命活動也影響環境。生物與環境是一個不可分割的統一整體。
參考文獻:
一、在高中生物教學中有效滲透化學知識
高中生物課本蘊含著豐富的化學知識,但受傳統學科教學的束縛以及應試教學工作的限制,教師在講解到生物知識時,遇到化學知識往往采用一筆帶過的方法,并未深入講解。在不少教師看來,高中生物中的化學知識僅僅是幫助學生理解生物知識的一種方法,教師可以通過其他方式幫助學生理解生物知識,無需過多地占用課時來進行這方面知識的講解。其實,在高中生物教學中適當滲透化學知識,不僅能夠幫助學生理解生物知識,還能夠培養學生的綜合素養,提升學生跨學科運用和整合能力。
如在講解在生物知識點“碳是組成生物體的最基本的化學元素”這方面內容時,可以將化學學科中的“碳元素”知識點有效滲透進去。教師可以引導學生先對“碳元素”在化學學科中的概念、分類、性質、特點等進行全面梳理,在梳理的基礎上,注重聯系化學元素與生物體之間的內在關聯。通過這種教學滲透,學生在分析與梳理化學知識的過程中,內化化學元素在生物體之間的關聯性,理解生物體的發展演變。再如,在生物教學中,“光合作用”是比較關?I的內容體系,若教師單純依靠生物知識進行講解,學生在理解“光合作用”時很難深入地理解內在的關聯。但如果將“光合作用”與“氧化還原反應”有效地聯系起來,則能夠深化這方面知識的關聯性,使學生全面理解植物光合作用的過程、能量之間的轉換和光合作用中的電子轉移等。
總而言之,在高中生物教學過程中,涉及很多的化學知識以及化學內容,教師只有注重不同學科之間的融會貫通,注重不同學科之間的融合與聯系,才能全面有效地提升學生的跨學科能力,才能提升學生的知識遷移的能力。
二、在高中生物教學中滲透物理知識
在高中生物教學中,物理知識也是非常關鍵的教學內容。雖然不少物理知識并非當學期的教學內容,甚至是一些高年級才會涉及的內容,但這并不影響高中生物教學中物理知識的滲透和融入。相反,通過教師的提前介入與分析,能夠為學生下一階段的物理知識的學習打下良好的基礎。在高中生物教學中教師要滲透物理學科,引導學生運用已學的物理知識分析生物知識,提升學生的知識整合能力。
例如,在生物教學中,DNA檢測是非常重要的內容,人們在利用DNA進行相關疾病的檢測時,利用的是放射性同位素、熒光分子標記等。這些內容涉及近代物理學中的同位素、放射性、半衰期、探測射線的依據。在高中生物學科建構中,這部分內容屬于高二階段的內容,但所涉及的物理知識則是高三階段的物理內容,但這并不影響知識之間的滲透。相反,通過提前的物理知識滲透,能夠幫助學生形成一個預先的概念認知,使學生結合對高二階段生物知識的理解,深化感知未來可能需要學習的物理學科。
此外,生物學科是一門實踐性非常強的學科。在高中生物的教學過程中,教師還需要注重培養和優化學生的知識運用能力,將生物知識運用到社會實踐中,更好地指導社會實踐。學生生物知識的實際應用能力,往往能夠通過對物理知識的分析與應用得到體現。比如,在生物教學中“耕作松土”的意義分析時,教師可以引導學生將這方面的內容與物理學科中的毛細現象結合起來,引導學生積極思考,構想更加科學的松土方式。
本人是站在醫學的角度,以辯證和唯物主義的觀點;以實際臨床經驗;以個人自身嘗試(或試驗);以傳統中醫治療方法結合現代化學元素分解規律得出的結論。以下觀點或理論,應該說它是站在傳統理論基礎上的發展和進步。
1 腰酸、背痛、腿抽筋理論上認為是缺鈣和人體鈣流失所致。這些疾病和人體鈣沒有任何關系。它們是人體神經發生膨脹,擠壓周圍血管動脈和毛細血管,使血液不能正常供應周圍機體,毛細血管不能正常擴張,肌體體溫下降,氧氣不能正常傳導所致。
2 腰痛的原因是腎虛。更有甚者說是腎陰虛、腎陽虛。使理論更加抽象,撲朔迷離,讓臨床治療無所適從。腰痛是人體腰椎神經受二氧化碳壓迫的結果。腰痛98%的病例和腎沒有關系(不排除特殊的典型病例),腎結石不在其范圍。
在新課程改革實施的過程中,探究式教學成為一種流行趨勢和主流模式。當前教學實踐表明,教師大量使用探究式教學但存在只重視假設的檢驗,如設計實驗、數據處理等,而對學生假設能力的培養并不關注。筆者在所在學校高一、高二年級部分學生問卷調查時設計了2個問題[1]:問題1:某位同學發現銅制眼鏡框表面出現綠色物質,通過上網查閱知道,該物質是銅銹,俗稱銅綠,主要成分是Cu2(OH)2CO3。你知道銅在什么情況下生銹嗎?問題2:某位同學將短玻璃導管插入焰心,發現導管的另一端也可以燃燒。于是他提出這樣的問題:導管中一定有可燃性的氣體,氣體的成分可能是什么?問卷調查統計采用計分制,說出3個或3個以上與問題相關假設及合理理由得3分,2個得2分,1個得1分。由表1可以看出,問題1和2的平均分分別為0.72和0.46,這說明當前高中生論述化學假設的能力還很弱。面對這個問題,部分教師認為提出假設特別是有創造性的假設依靠的是靈感和直覺,是不能在課堂上來傳授的,實際上這種想法是由于對假設產生的邏輯結構認識模糊而導致的。國內學者從假設的數量、質量和對所提假設的解釋等幾個方面來探討假設能力的結構及其培養[2,3]。國內其他學者認為應從“加強雙基教學、尊重學生所提出的假設、加強假設方法的教學”等方面來培養學生的假設能力[4]。這些研究或僅關注假設自身的含義,未注意假設能力的其他維度,或屬于自身的教學經驗,理論基礎較弱。因此有必要完整探討假設產生的邏輯機制、提出假設的思維過程,進而促進學生假設能力的培養。
2假設產生的邏輯機制
科學家究竟是如何提出假設的?經驗主義者認為,科學發現是一個歸納的過程,所謂的假設也就是由歸納而產生的。現代科學哲學研究表明,我們不可能從事實歸納出任何可能的假設,因為如果沒有假設的指導,人們就不知道應該收集哪些事實。換言之,即使是歸納也應是以假設為前提。演繹一般被認為不能產生假設,因為演繹推理是從一般到個別,如果前提為真,其結論也為真,即演繹推理并不會產生新的命題。因此,假設既不是通過歸納,也不是通過演繹推理產生的,而是科學家發明出來的,包含直覺、頓悟等非理性因素。科學家提出的假設是否要遵循一定的邏輯機制[5]?目前科學哲學界的共識是,提出假設具有一定的邏輯模式,皮爾斯提出的溯因推理是產生假設的唯一邏輯操作。溯因推理是由結果推出原因的一種推理方式,它的觸發條件是事實與預期不符,如新事實、異常事實的出現。其邏輯形式可用如下模式表示:一個令人驚訝的現象A被觀察(推理的前提和誘因)找到一個假設B(省略了另外的前提———已有的知識和理論),它能作為A的原因并解釋它,使得A變為不驚訝。因此有充足的理由去推敲B,使它成為可能的假設[6]。
3化學問題中提出假設的具體思維過程
假設悄無聲息地通過科學家的有意識和無意識在問題解決中起著關鍵的作用。在這些問題解決中都是從待解釋的事實開始,科學家分析對比事實而發明出假設。盡管大多數人不是科學家,但科學家推理產生假設的思維過程具有示范意義。化學界所熟悉的元素周期律的發現史從假設的視角看就是一個完美的典范。隨著科學技術的不斷發展,到19世紀60年代,化學家發現的化學元素增加到63種。化學元素間性質的巨大差異嚴重困擾著化學家,使得他們難以發現眾多元素間的內在規律,更不用說發現新的化學元素。門捷列夫在書寫元素符號及對應的相對原子質量數據時(見表2),發現N、P、As或O、S、Se或F、Cl、Br等組內,性質彼此相似,立即產生假設,元素的性質是不是表現在它們的原子量上?能不能根據它們的原子量建立元素體系?接著就走向這個體系的試驗[7]。1869年3月,門捷列夫發表了論文《元素性質和原子量的關系》,其基本觀點是:按照原子量的大小順序而排列起來的元素,它們的性質呈現明顯的周期性,甚至元素的化合價也是一個接一個按照它們原子量的大小形成算術的序列。根據門捷列夫發現元素周期律的案例,我們可以想象,門捷列夫面臨亂的知識尋求一個一般的原理,必定在已有的認知結構中思考了多種相似的經驗現象,然后選擇最合適的一種作為問題的假設提出。事實上,門捷列夫最初力圖到原子價中尋求這一原理。門捷列夫在《化學原理》第一部著作中,按照1價的氫,2價的氧、3價的氮、4價的碳的順序進行敘述,最后再回到1價的氟。第二部則從另一種1價的元素堿金屬開始[8]。由此可知,在現象與假設之間存在一條可以逾越的鴻溝,那就是從已有知識和理論中尋找相似的經驗現象或理論,并借用其中的因果解釋而提出假設。科學假設提出的整個溯因過程可以用圖1來描述:其具體思維步驟為:(1)科學假設的產生過程從分析問題,探討其中的因果關系開始;(2)推理者在已有的知識結構中尋找與當前問題相似的經驗事實;(3)探討各種相似經驗事實的因果解釋;(4)把各種經驗事實與當前的問題情境進行對比比較;(5)借用經驗事實的因果解釋,提出假設;(6)選擇合理的最合適的假設。圖中“”表示問題情境和經驗知識間的對比。由此可見,假設產生的溯因推理程序看似簡單,其實包含復雜的思維過程,如探索、比較、綜合和選擇等操作。我們不能把上述諸多環節狹隘地理解為類比推理過程,如尋找相似經驗這個環節,除類比推理外還包括運用已有知識創造性想象出與問題情境相似的結構模型,如凱庫勒的苯分子結構的發現。其中,非理性的靈感、直覺也發揮重要作用[5]。
4化學教學中運用假設的常見形式
4.1類比式假設
類比式假設是根據2個或2類對象所具有的某種或某些共有的相似要素或特征,推出其中一個(類)研究對象可能具有另一個(類)研究對象所具有的屬性或部分屬性而形成假設。[例1](2009年海南高考題)門捷列夫在描述元素周期表時,許多元素尚未發現,但他為第四周周期的3種元素留下了空位,并對它們的一些性質做了預測,X是其中的一種“類硅”元素,后來被德國化學家文克勒發現,并證實門捷列夫當時的預測相當準確。根據元素周期律,下列有關X性質的描述中錯誤的是()A.X單質不易與水反應B.XO2可被C或H2還原為XC.XCl4的沸點比SiCl4的高D.XH4的穩定性比SiH4的高從已有的知識經驗知道Si具有不易與水反應、SiO2可被C或H2還原、SiCl4是分子晶體等性質。在此題信息中X具有與Si相似的性質,進而推出X具有與Si類似的性質。
4.2歸納式假設
運用歸納法提出和建立假設是一種從特殊、個別事實、所獲得的認識或規律,提高到一般的認識和規律的方法。[例2](2008年廣東高考題)醇在催化劑作用下氧化成醛的反應是綠色化學的研究內容之一。某科研小組研究了鈀催化劑在氧氣氣氛中對一系列醇氧化成醛反應的催化效果,反應條件為:K2CO3、363K、甲苯(溶劑)。此題要求學生對給出含有苯環不同結構的醇及其氧化反應數據等信息進行分析,歸納出由于此類醇中苯環上的取代基及與羥基相連的碳鏈長短不同,單位時間內醛的產率也不同,進而總結出在鈀催化劑作用下的一般規律[9]。
4.3演繹式假設
演繹假設是一種將一般認識、規律或原理運用于特殊、個別范圍內所產生的必然性推理結果的假設。[例3]CuSO4受熱分解生成氧化銅和氣體,受熱溫度不同,生成的氣體成分也不同。根據物質化學變化前后元素守恒,氣體成分可能含有SO2、SO3和O2中的一種、二種或三種。根據氧化還原反應中化合價的升降規律,所得氣體的成分可能只含有SO3一種,或可能含有SO2、O2二種,或含有SO3、SO2和O2三種。在此題信息中,CuSO4受熱分解生成的氣體,盡管有3種可能的假設,但是都需要符合基本的氧化還原反應規律。
4.4分類式假設
依據化學現象和資料的某些重要特征,分析整理形成假設,進行分類假設的驗證。[例4]將水加入盛有過氧化鈉固體的試管中,待形成溶液,滴加少量酚酞溶液,溶液先變紅,半分鐘內褪為無色,原因是什么?溶液褪色可能是生成的H2O2的作用,也可能是溶液中NaOH的濃度過大。溶液中出現的現象是先出現紅色后褪色。紅色出現的原因是酚酞與堿作用的結果,紅色褪去的原因是酚酞發生變化或堿發生變化,其中酚酞變化是由于被可能生成的H2O2氧化所致。
4.5模型假設
模型假設是為了更好地解釋某些物質的性質或化學實驗現象,依據客觀事實而進行模型構建。如氣體摩爾體積模型、晶體模型、化學平衡的中間狀態模型等。[例5]原子結構模型的演變,是從質量守恒定律、定組成定律等的發現,導致1803年道爾頓原子模型提出;但在解釋蓋•呂薩克氣體體積定律時遇到困難,由1874年克羅克斯觀察到陰極射線現象,導致1904年湯姆遜模型提出;隨后盧瑟福的α質點散射實驗,提出了“行星系式”原子模型,但這個模型與原子長期穩定發生了矛盾。玻爾根據原子輻射出的能量是不連續的線狀光譜的實驗事實,提出了原子的殼層同心模型;目前又進一步完善為電子云模型等。
5化學教學中學生假設能力的培養策略
5.1樹立新型的教育觀和學生觀
化學教學應該立足于學生的發展,包括能力的提高、良好習慣的培養和健全人格的形成等。課堂教學中問題的設計,關鍵不在于問題的本身,而在于學生探索知識的興趣的培養、方法的培養和品格的形成。教師的作用在于創造條件、教給方法。心理學研究表明:只有在充滿民主和諧氛圍下的教學才會使學生得到心靈的解放,他們的思維才會活躍。因此,教師要樹立教學相長的觀念,對學生提出的疑難問題,要與學生共同研究切磋,對學生求真質疑的舉動應該給以充分的肯定和贊賞。
5.2教師要創設積極的假設情境
關鍵詞:化學方法;實驗歸納法;化學直覺;化學創造力
文章編號: 1005–6629(2012)5–0075–04 中圖分類號: G633.8 文獻標識碼: B
1 一部化學發展史也是一部化學方法的演變史
循著化學學科發展的歷史線索,我們編寫了關于古今中外有代表性的化學家、學者及化學工作者所作貢獻的系列化學史話。嘗試向讀者提供能具體觸摸化學歷史發展脈絡的史料與見解。這對有興趣進一步學習與研究化學史的化學教育工作者來說,也許是有益的。我國膠體化學家、化學教育家傅鷹教授曾語重心長地指出:“一門科學的歷史是那門科學中最寶貴的一部分,因為科學只能給我們知識,而科學的歷史卻能給我們智慧”。在他看來,化學與化學史的關系也是如此,而作為化學史給我們的智慧的結晶,則主要體現在人們對化學知識的思維方式和研究方法上。對此,抱有同感的還有中國化學會前會長柳大綱先生,他曾言簡意賅地說過:“化學窮物質轉化運動之理,綜宏析微、撥偽存真、精益求精,乃認識自然、改造自然之鎖鑰”(中國化學會成立50周年《祝愿》詞)。在這里,所謂“綜宏析微、撥偽存真、精益求精”亦就是對運用化學方法探索化學科學真理的作用的經典描述。
化學史家們現在一般都承認:化學發現與發明,無論巨細,幾乎從來就不是個人自發做出的獨創貢獻。即使那些最具革命性的化學理論也都是長期演變或發展的結果。一些基本的化學思想(如元素、原子、分子等)產生于各個不同的地域,這些思想逐漸經過交融、合并、修改和補充,最后公之于眾,形成了一種新的化學概念。這種化學概念又轉而影響和改變后來的化學理論,結果使化學科學有可能永無止境的進步不己。在這里,我們認為有必要明確回答這樣一個問題:推動化學科學不斷前進的動力因素究竟是什么?從科學方法論的視角來考察,化學的不同發展階段就會孕育或形成不同的化學方法,而一旦新的化學方法產生又會推動化學發展從一個階段邁向新的階段。從這個意義上可以說:一部化學發展史也是一部化學方法的演化史。
化學方法從其內涵來說有兩個方面:一是化學家的思維方式,另一個是化學家運用的物質手段。用現代約定俗成的話來說,前一個是“軟件”,后一個“硬件”,兩者相輔相成才構成完整的所謂的科學方法。而要比較全面而又系統地敘述和探討化學方法的演化史,不僅要涉及化學家的個人秉性和才智,而且也涉及到化學家所處的社會經濟環境以及他們所接觸的哲學思想。
2 古代實用化學時期和化學方法的孕育
化學的原始形式是煉金術(或煉丹術),煉金術是思辨哲學(在古希臘是亞里士多德哲學,在古代中國則是道教哲學)和工藝技術相結合的產物。其后形成的醫藥化學和冶金化學則是煉金術向近代化學的過渡,比起煉金術來,后者更注重化學工藝技術、強調實用。但是,其哲學思想基礎仍然是和煉金術一脈相承。此時的化學還沒有從生產實踐和哲學中分化出來形成一門獨立的科學,相對應的化學方法也不具有科學的形志,而具有思辨的特征和“準實驗”(或用火操作的化學實踐)的痕跡。
2.1 思辨方法
煉金術士力圖通過物體的可直接觀察的性質(如顏色、熔度及晶形等)作為實證來闡明亞里士多德的哲學。亞里士多德關于“萬物皆變”并趨向“完善”的思想告訴人們,金屬中那些不夠完善的金屬(所謂賤金屬),總是力求變得象黃金等貴金屬一樣盡善盡美。煉金術士們堅信自己掌握的化學工藝技術手段能使之如愿以償,即可用火操作把賤金屬變成為貴金屬,這既是煉金術賴以生存的思想基礎,也是從當時冶金實踐中得出的仿佛合乎邏輯的結論。與其驚人相似的是信奉道教哲學的中國著名煉丹家葛洪有句名言:“變化者,乃天地之自然,何嫌金銀不可以異物乎”。在他看來,不僅金銀等貴金屬可以由它物變化而來,而且金銀等“不腐”、“不朽”的屬性也可發生轉移,甚至進入體內。這種“萬物皆可互變”的思想使煉丹方士們堅信“服金者壽如金”,“服玉者壽如玉”。
綜上所述,古代的化學思辨方法是以觀察為基礎,并運用原始的歸納與演繹的邏輯方法所構成的。其中包括了直觀的觀察、天才的猜測和原始的邏輯推理三個構成內容。而古代原子論和邏輯學則是這種方法的兩大杰出成果,可以說它們是后來化學發展為科學的內在“種子”或“胚芽”。
古代原子論的創立者德謨克利特首先寫成《論邏輯》一書,認為人對自然的認識是從經驗觀察上升到理性認識的過程,在該過程中需要運用歸納邏輯等方法。他在建立原子論的過程中,把直觀可見的水、氣、火、土等“元素”以致自然萬物,都視為由不可見的“原子”所構成的物質客體,試圖以觀察不到的本質來說明可觀察到的現象,從而產生了科學方法的“胚芽”,即以微觀物質的相互作用來解釋宏觀運動現象的方法。該方法試圖把宏觀層次物質變化現象還原到微觀層次原子運動變化的規律來認識。這種“還原思維模式”對后來的哲學和科學發展具有深遠的影響。
繼德謨克利特之后,主張四元素說的亞里士多德又進一步論述了演繹邏輯,他把以往的一些零散的邏輯方法論思想加以吸收、改造并以其名著《工具論》一書的完成確立了邏輯學。他強調把邏輯方法視為研究科學、認識真理的重要工具,并試圖說明思辨觀念怎樣從經驗的東西產生的,進而從邏輯上對思辨方法進行了總結。
2.2 準實驗方法
實用化學時期產生的化學思辨方法有其合理性,并具有科學內在“種子”或“胚芽”的積極意義。但在古代社會生產力和科學水平低下的情況下,思辨方法還不可能依照充分的事實去進行理論概括,更不可能進行科學實驗去檢驗,從而就可能導致粗糙的以致是錯誤的結論。例如,把本來并非是化學元素的水、氣、土、火等復雜物質看成是最簡單的“元素”等。由此可見,沒有用實踐或實驗去檢驗化學認識的結果,也沒有用假設所預言的事實,來驗證各種假設——這是思辨方法的根本缺陷。帶有這種缺陷的化學思辨方法還只是一種處于萌芽狀態的科學方法,盡管它是與處于化學原始形態的煉金術(或煉丹術)是相適應的,但畢竟是極不完善的,還需要向以科學實驗為基礎的科學方法轉變。
處在16世紀至17世紀前半葉的醫藥化學家和冶金化學家們,對變賤金屬為貴金屬的目標已經不感興趣。對于他們來說,寧肯放棄煉金術的思辨觀念,也要強調實用。這是由于煉金術(或煉丹術),無論在西歐還是在中國流行千年之久,但結果得不償失。相反由于它的神秘性質和脫離生產實際,終究還是嚴重地延緩以致阻滯了化學的發展。不少有識之士開始在實踐中摒棄煉金術(或煉丹術),這方面的代表人物有西歐的醫藥化學派帕拉塞斯、冶金化學派阿格里柯拉,在中國則是醫藥學家李時珍和編撰化學工藝百科全書《天工開物》的學者宋應星。他們主張化學只有從煉金術(或煉丹術)的羈絆中解放出來,才能達到它前進的真正出發點。
正是在制取藥物和冶煉金屬的實踐中,天平開始得到廣泛應用、定量觀念得到傳播、定量實驗方法的重要性開始受到重視,一些元素和化合物的知識有了新的積累,酸、堿、鹽及其反應的性質開始為人知。可見從煉金術士(或煉丹方士)開始到冶金化學家及醫藥化學家的活動,無疑帶來了多種可以作為科學解釋的結果。但是,這些近代化學的先驅者們的目標均屬實用性質,而不屬于化學科學。作為科學的化學還需要以建立科學理論為目標,還需科學的理念來指導觀察和理解實驗事實。
3 近代實驗化學時期和化學方法的形成
17世紀下半葉到18世紀,化學進入實驗化學時期,它開始同思辨哲學相分離,并徹底從煉金術(或煉丹術)中解放出來,近代化學由此開端。這一時期化學的主要任務是“搜集材料”,對物質及其性質進行分門別類的研究。這就需要運用化學實驗手段對物質進行分解或分析,并在依次獲得的大量經驗知識基礎上進行歸納與概括,結果抽提出了關于科學的元素概念和燃燒的氧化理論。在這個過程中,以實驗歸納為標志的經驗方法,作為科學形態的化學方法開始形成。
3.1 經驗方法
波義耳和拉瓦錫作為這一時期的兩個富有代表性的化學家,為化學方法的形成作出了奠基性的貢獻。“懷疑派化學家”波義耳以他的新思想(機械論的微粒哲學)和新方法(化學實驗方法),把化學開始確立為科學,而拉瓦錫則以他的具有系統性、嚴格定量性的實驗方法和善于運用理論思維的邏輯推理方法(主要是歸納法)完成了由波義耳開始的將化學變成科學的化學革命過程。
具體來說,波義耳深受現代實驗科學的始祖、英國哲學家弗朗西斯.培根的科學方法論(或“新工具論”)和機械論的微粒哲學的影響。在他的化學和物理學研究中,相當強調實驗和歸納法的科學方法論作用,同時非常嚴格地遵循機械論解釋的原則。波義耳反對把化學看做一種制造黃金等貴金屬或者醫療藥物的經驗技藝,而應當看作一門科學,作為科學的一個分支,化學主要從事對化學現象作理論解釋,而不是單純去實際利用它們。他還主張,實驗的方法和與此相聯系的對自然界的觀察是形成科學思維的基礎,化學應該用實驗方法而不是用玄虛的思辨和抽象的空談來確立關于物質化學變化的定律。同時波義耳復興了與亞里士多德哲學相悖逆的古代樸素的原子論,強調了物質的微粒哲學的觀點。該觀點認為:自然界是由一些細小致密、用物理方法不可分割的粒子構成,粒子結合成粒子團,粒子團作為基本單位參與化學反應。在這里可以說已經孕育著近代科學原子論的雛形。
拉瓦錫同波義耳一樣,繼承了弗朗西斯·培根的科學實驗論,強調“除了通過實驗和觀察的自然道路去尋求真理之外,別無它途”。但他與波義耳不同,特別強調了實驗歸納中的定量性,認為“必須用天平進行測定來確定真理”。并以精密的規范操作實踐檢驗傳統理論。拉瓦錫把波義耳倡導的經驗性的實驗歸納法推進到了新的階段。其經驗方法表現出了如下特點:從定性的實驗歸納發展到了定量的實驗歸納。拉瓦錫是明確提出,把由天平確定的量作為衡量的尺度,對化學現象進行實驗證明的第一個化學家。正是運用了這種“以量求質”的方法用以檢驗傳統的燃素說,終于否定了燃素的存在,了燃素理論對化學的百年統治。
拉瓦錫時代的化學方法尚屬經驗性質,但具有較高的嚴密性和系統性,較強的理論概括性。正是在實驗基礎上,運用概括的理論思維方法,拉瓦錫把從若干燃燒反應中所抽取出來的氧化的本質屬性,推廣到所有燃燒反應過程,從而形成具有普遍意義的氧化燃燒理論。
總之,波義耳——拉瓦錫時代的化學方法已趨形成,但比較強調“知識不能超出經驗范圍”,相對來說還比較忽視科學抽象、假說和演繹的理論思維作用。化學的進一步發展就需要推動化學方法,從經驗方法過渡到理論方法的階段。
3.2 理論方法
從18世紀末到19世紀,化學呈現出從搜集材料向整理材料發展的勢頭。在此期間,化學積累了龐大數量的實證的知識材料,以致在化學研究領域中有系統地和依據材料的內在聯系。把這些材料加以整理的要求,已經成為勢在必然。而建立化學的各個知識領域相互間的正確聯系,也同樣成為不可避免。由此,近代化學開始走進了理論領域。這一時期得到發展的理論方法主要有科學抽象、演繹推理、科學假說、比較分類及非邏輯推理等。
3.2.1 科學抽象
由波義耳倡導,拉瓦錫加以發展的定量實驗歸納法,在18世紀與19世紀之交得到了化學家們普遍的重視與運用。在這種狀況下,質量守恒定律、定比定律和當量定律等化學基本定量定律被發現,緊接著對這些定律作出理論上的科學解釋亦就成為化學家的迫切任務。英國化學家道爾頓首先把這些在化學實驗基礎上歸納總結得出的定量定律跟物質由原子構成的觀念相聯系,并把原子量概念引入化學,建立了科學的原子論。該理論在19世紀初被公認為理論化學的最高成就。他所采用的就是一種稱謂“科學抽象”的理論方法,即在經驗歸納所提供的大量科學事實的基礎上,運用概念、判斷、推理的理論思維方法,抽提出物質內部的共同本質,確認了“原子”的客觀實在,并就原子的不同類型、性質和質量等屬性提出了科學論斷,從而找到了各個經驗定律的內部聯系,建立起了科學的原子論。這種科學抽象的方法具有把觀察與思考、實驗經驗的積累和豐富想象,新穎的理論構思相結合的特點,致使他的思維分析能達到實驗分析所不能達到的深度。即使在顯微鏡得到改進時也不易被人看見的原子,道爾頓卻早已用思維把握住了原子。
3.2.2 演繹推理
該理論方法是指從一般規律或原理出發,運用數學的演算或者邏輯的證明,得出特殊事實應遵循的規律,即“從一般到特殊”的邏輯推理方法。演繹推理是一種必然性的推理,只要推理的前提是真實的,推理形式是合乎邏輯的,那么推理結論也必然是正確的。在道爾頓時代,化學理論的建立與發展就迫切需要運用這種演繹推理的思維工具。19世紀初,道爾頓在初步建立科學原子論后,就從這一普遍原理出發,考察不同元素的原子之間的相互關系及其規律性。他注意到:一種元素的原子不僅可以同另一種元素的一個原子相化合形成化合物,也可以同另一種元素的兩個、三個或更多個原子相化合形成化合物,而每種元素的原子的重量(原子量)又都是固定的。據此運用原子論就可以推論得出:在由兩種元素生成的多種化合物中,同一定重量的第一種元素相化合的第二種元素的重量,彼此間就必然會呈現出簡單整數比的關系。
沿著這樣的思路前行,后來,化學家們用演繹方法推理出了“倍比定律”。此后,道爾頓根據倍比定律的邏輯推理,有目的地進行了定量分析實驗,從氮的氧化物、碳的氧化物等一系列化合物組成分析的數據中證實了倍比定律的成立。
3.2.3 科學假說
科學假說的出現是理論方法日趨成熟的一個標志。因為運用假說方法能夠在已知科學事實的基礎上超出經驗感覺的范圍,對未知現象作出假定性的說明。正如1811年,意大利化學家阿伏伽德羅提出分子假說時所做的那樣。當時道爾頓的原子論和蓋·呂薩克所發現的氣體體積簡比定律的經驗事實之間正處于不可調和的矛盾狀態。而解決這一矛盾,不能單純依靠經驗方法,以此為契機,阿伏伽德羅提出“分子假說”,把原子理論推向前進。阿伏伽德羅的理論研究有一個總的指導思想,那就是試圖找出化合物的物理性質和化學性質之間的聯系。同時還試圖用數學方法不但表示化合物的物理性質,還用它來表示化合物的化學性質。
由于主客觀方面的原因,分子假說長期受到壓抑而未獲承認,直到坎尼查羅加以重新論證和分子量的實驗測定得以確認,終于把道爾頓的原子論和阿佛加德羅的分子假說協調成一個合理的理論系統,也就是說,通過分子假說的方法把道爾頓原子論發展成為原子分子學說。
3.2.4 比較分類
這是既有區別又有密切相關的一組理論方法,它們是近代化學得以完成其“整理材料”任務的一對重要思維工具。“比較”是根據物質及其運動變化屬性之間的某些共同點或相似方面的對稱比對,以揭示其內在本質聯系的推理方法,而“分類”則是根據事物之間的共同點和差異點把研究對象區分為不同從屬關系的邏輯方法。可見“分類”是以“比較”為基礎的,兩者相輔相成,有助于化學家們透過紛繁復雜的化學現象,尋找到隱藏在背后的化學物質及其變化的規律。十九世紀中期,以門捷列夫為代表的無機化學家就是創造性地運用比較與分類的方法,把當時已有的龐雜混亂的化學元素及化合物的知識加以整理和綜合,從而發現了化學元素周期律。
門捷列夫既強調在觀察和實驗的基礎上,通過全面的比較和自然的分類,從質和量(即元素性質和原子量)的關系上去對化學元素的自然體系進行理論概括,又主張只有把歸納與演繹、分析與綜合結合起來,才能發現元素性質周期性變化的規律并據此作出科學的預測。他對某些公認原子量的校正和對類鋁(鎵)、類硼(鋁)、類硅(鍺)的預測就是有力的例證。
3.2.5 化學直覺
隨著科學原子論、分子假說、原子分子學說的建立和元素周期律的發現及周期系理論的形成,在整個19世紀,理論方法已在化學方法中居于主導地位。但是也應當看到在理論方法發展的同時,經驗方法也在進一步發展,而且構成了理論方法發展的堅實基礎。尤其在有機化學領域,基于發展了的經驗方法派生出了一種非邏輯推理——化學直覺,它極大地推動了有機分子結構理論的建立與建立與發展,并賦予化學理論方法特有的個性化色彩。
所謂“直覺”是一種在感知過程中未經嚴格邏輯證明,但能迅速而準確填補知識空白的能力,廣義的直覺包括靈感(頓悟)及直感、直觀等不同層次的一類非邏輯思維形式。科學史表明,化學家尤其有機化學家,他們擅長于憑籍化學經驗取得對化學事實的直觀的理解,并能卓有成效地運用那種不注重邏輯推理,而直接得到基本正確的結果。例如,在制備某一染料之前,對于它的顏色他也會有一定的設想,在試圖合成一種具有某種藥性的藥物時也往往有一種預見,而結果往往跟預想取得一致。這也就是說,化學家有了豐富的化學經驗,就會有一種油然而生的對某些結果的“預感”或“直感”——這也許是化學家,尤其是有機化學家所具有的一種特有的科學素養,稱之為“化學直覺”,這是一種認識上的飛躍,屬于直覺思維范疇。
盡管這種直覺思維并未以突發性的形式出現,即不表現為“靈感”或“頓悟”,但基于豐富的化學經驗并通過長時間的沉思和積累,化學家會有更多的機會獲得這種靈感或頓悟的。應該承認,依靠“化學直覺”,有機化學家用化學變化的邏輯就能想象或預感原子在空間中的復雜構型,并通過富有成效的實驗合成手段制成具有這種構型的有機化合物,進而在理論與實踐的結合上把握住了有機物性質與結構的關系,建立起了有機分子結構理論。可見化學直覺是有機化學家富有創造潛力的一種標志。眾所周知,德國有機化學家凱庫勒就是一個杰出的代表。正是他,把個人的才智和對碳原子相互結合關系的理論研究相聯系,最終完成了一種天賦般的直覺判斷——苯的碳原子之間成環狀結構。在這里,凱庫勒的個人才智主要表現在他早期學習建筑所獲得的對事物“空間結構美”的認識和對事物形象化的孜孜追求。一旦這種才智和他的化學經驗積累相結合,就會產生一種閃耀智慧火花的化學直覺。
參考文獻:
[1]王德勝主編.化學方法論[M].杭州:浙江教育出版社,2007.