教科书中的元素周期律-科学本质的视角

教科书中的元素周期律:科学本质的视角

摘要教科书是影响学生理解科学本质的诸多因素中最重要的因素之一。知识呈现的逻辑线索、科学史内容的呈现以及语言的运用明确地表述或潜隐地渗透了特定的科学本质观。通过对不同类型高中化学教材中元素周期律呈现的比较分析，发现新版教科书更为重视学生对科学本质的理解，但由于传统沿袭、相关研究薄弱等原因，仍然没有很大突破。

关键词教科书 元素周期律 科学本质 化学史 科学史 知识呈现

在当前的国际科学教育改革浪潮中，学生对科学本质的理解受到了普遍的关注。我国新一轮课程改革也将”理解科学的本质”首次明确地写入了各门理科课程标准中。在影响学生科学本质观形成的诸多因素中，教科书无疑是最重要的因素之一。库恩（Kuhn）曾说：“在科学的诸多方面，（教科书）更能决定我们对科学的本质、以及发明和发现在科学的进展中所扮演的角色的看法”[1]，众多实证研究支持了库恩的这一判断：斯代克（Stake）和伊斯力（Easley）在研究中发现超过90%的理科教师称他们大约有90%~95%的教学时间用于教科书上[2]；曼比（Munby）指出教科书中的语言会很明显地影响学生对科学本质的理解[3]。在我国传统教学中也一贯存在着“以课本为本”的习惯。因此，有必要关注教科书中有关科学本质的明确表述或潜隐观点。

这些明确表述或潜隐观点主要包括以下3个方面：一是知识呈现的逻辑线索，教科书中的逻辑线索无疑包含着对知识的逻辑、发现的逻辑和学习的逻辑的多重考虑，不同的逻辑线索蕴含着对知识本质的不同认识；二是科学史内容的呈现，即对科学的历史和文化方面的考虑，史料的选择、组织和评价体现了对科学发展过程的不同认识；三是语言的运用，教科书及教师运用的语言隐含了教材编写者和教师对科学本质的不同认识。

选择元素周期律为主题进行分析，源自2种考虑：一是范例性，科学定律历来被认为是科学知识中最具“真理性”的部分，是连接科学事实和科学理论的桥梁。对科学定律本质的考察一直是科学本质研究的热点。元素周期律作为最基本的化学定律之一，充分体现了化学定律的特征。二是基础性，元素周期律在高中化学知识体系中居于基础地位，在教科书中占有较大的篇幅。

1 方法

拟从知识呈现的逻辑线索、科学史内容的呈现及语言的运用3个方面出发，比较和分析依据新课程标准编写的3种现行高中教科书（人教版、苏教版、鲁科版）中元素周期律的呈现。

首先分析教科书中知识呈现的逻辑线索，重点分析2个问题：一是原子结构

理论和化学事实在元素周期律呈现中扮演的“角色”，即以原子结构理论的演绎为主，还是以化学事实的归纳为主，或是2者的结合；二是元素周期律和元素周期表的呈现顺序：是“表律分离”还是“表律合一”，如果是“表律分离”，是“先律后表”还是“先表后律”。

其次分析教科书中呈现的化学史内容，重点分析2个方面：一是元素周期律的发现过程；二是元素周期律的确立过程。

再次分析教科书中典型语言的使用，主要关注有关科学本质的明确陈述。

为便于比较分析，研究中也涉及到了我国传统高中化学教科书（人教社1978年后的高中化学教材）和3种影响较大的国外教材（Brian Ratcliff: Chemistry, Cambridge University Press, 2000; Graham Hill: Chemistry in Context, Nelson Thornes Ltd, 2000; Richard Harwood : Chemistry, Cambridge University Press, 2002）。

2 比较与分析

2.1 知识的逻辑线索

我国传统教科书历来采取归纳与演绎并重的逻辑线索，具体有以下特点：

（1）元素周期律在元素化合物知识的中间呈现。在元素周期律之前安排2~3族元素化合物知识（卤素、碱金属等），让学生接触一定量的化学事实，作为归纳的经验基础。在元素周期律之前出现的元素化合物知识按族组织，逐步渗透同族相似性与递变性的规律，并从结构角度给予解释，是一个由个性到共性的归纳过程；在元素周期律之后再安排几族元素化合物知识，从规律出发演绎与验证，是一个由共性到个性的演绎过程。

（2）原子结构理论置于元素周期律之前。因此，教科书通常都不采取“重现”科学发现过程的方法，即以经验事实的归纳为主的思路。而是采用归纳与演绎推理相结合的思路，推理过程一方面是基于众多反应事实的归纳，另一方面是基于核外电子排布的演绎，在这2者的联系上则取还原论的哲学立场，强调“结构决定性质”的观念。

（3）表律分离、先律后表。即先介绍元素周期律，再介绍元素周期表，周期表是作为周期律的“表现形式”和“学习和研究化学”的工具来呈现的。

新版教科书中根据课程标准的要求，呈现的逻辑线索有所改变，见表1。

结合教科书的具体内容分析其逻辑线索，可发现以下特点：

（1）元素化合物知识和原子结构理论扮演的“角色”不同。课程标准中适当淡化了元素化合物知识，所有元素化合物知识均置于元素周期律之前，且以“金

属和非金属”的简单分类来组织，而没有像老教材一样按族组织。

3种教科书共同的思路是通过已有事实和实验探究同族与同周期元素的性质变化规律，重视用元素周期律“重新组织”元素化合物知识；1~18号元素的原子核外电子排布均置于元素周期律之前，突出元素性质与原子结构的联系和“结构决定性质”的观念。但在具体的呈现上则有差异：人教版教材中，IA、VIIA两族及第三周期元素性质的探究置于周期律之前，先学的元素化合物知识主要作为归纳的经验基础，体现了重视归纳的思路；苏教版教材中，第三周期元素性质的探究置于周期律之前，VIIA族置于之后，体现了归纳与演绎并重的思路，元素化合物知识一方面作为归纳的经验基础，另一方面也作为演绎的必然结果；鲁科版教材中，IA、VIIA两族及第三周期元素性质探究全部置于周期律之后，体现了重视演绎的思路，元素化合物知识主要作为演绎的必然结果。

（2）均采用表律分离，但表和律的先后顺序不同。人教版教材采用了“先表后律”的顺序；苏教版教材采用了“先律后表”的传统顺序；鲁科版教材虽然也是采用“先律后表”的顺序，但在介绍元素周期律之前通过“联想•质疑”栏目呈现了元素周期表，以“为什么会这样排列”的设问引入课题。国外高中教材普遍采用“表律合一”且以周期表为主的做法，而不单列元素周期律这一内容。

“表律分离”与“表律合一”这种不同的编排思路其实体现了实在论和工具论的不同立场：我国教材更偏重于周期律的真理性，即从原子结构的实在性出发，佐以大量实证的反应事实，重视揭示元素周期律的本质，体现了强实在论的立场；而国外教材更偏重于周期表的建立过程及其应用，重视真实重现元素周期律的发现和确立过程，重视科学家的发现方法，强调周期表的工具价值，体现了一定程度的工具论立场。在“表律分离”的前提下，“先律后表”还是“先表后律”也体现了这种立场的差异，相对而言，“先律后表”更强调元素周期律，体现了更强的实在论立场。这种立场的差异也反映在化学史内容的呈现上。

2.2 化学史内容的呈现

教科书中的化学史必然是简化的，但史料的选择、组织与运用则体现了不同的科学本质观。我国传统教材追求内容的简约，在人教社1990年版高中化学教材中，仅有以下一段话：

“1869年，门捷列夫在前人探索的基础上提出‘元素的性质随着原子量的递增而呈周期性的变化’的元素周期律，并根据周期律编制了第一个元素周期表，它们是元素周期律和周期表的最初形式。直到20世纪原子结构理论逐步发展之后，元素周期律和周期表才发展成为现在的形式……过去门捷列夫曾用它预言新元素并获得证实……”（约150字）

新版教科书普遍重视化学史内容的渗透，在内容上有所拓展，具体见表2。

结合教科书中具体内容分析，可得出以下结论：

（1） 普遍重视化学史内容的引入，且采用“镶嵌”的方式编排。人教版和苏教版立足于对传统教材中化学史内容的丰富和拓展，如均明确提到了门捷列夫预言的3种元素，人教版教材还列出了类硅（锗）的预测和实测数据；鲁科版教材突破较大，在“历史回眸”栏目中以“人类对元素周期律的认识”为题，比较完整地提出了元素周期律发现、确立和发展的过程。

3种教材均采用“镶嵌”的方式编排化学史内容，未将其作为组织内容的线索或核心内容的有机组成部分，即抽离化学史内容，并不影响教材知识逻辑体系的完整性。以上所提的3本国外高中教材则均采用重现化学史的方法，均用了全章约1/3的篇幅呈现化学史内容，完整地展现了元素周期表（律）的发现、确立和发展历程。这其实反映出2种不同的组织思路：我国教材重视对元素周期律的论证，希望学生通过对核外电子数、原子半径、化合价、（非）金属性变化规律的探究来“重新证明”元素周期律，在这种强实在论立场下，知识是完全客观、没有主体的；3本国外教材则重视对科学发现过程的重现，希望学生通过对德贝莱纳、纽兰兹、迈尔、门捷列夫、莫斯莱等科学家工作的了解“重新经历”元素周期表的发现过程，这种偏向工具论的立场更强调知识的生产过程及主体对问题的不同理解。2种不同的思路决定了国外教材中化学史内容的篇幅远超过我国教材。

（2）史料的选择和描述上存在较大差异,见表3。

关于发现过程，人教版是这样描述的：“1869年，俄国化学家门捷列夫将元素按照相对原子质量由小到大排列，并将化学性质相似的元素放在一个纵行，排出了第一张元素周期表……”；苏教版则是

这样描述的：“在前人研究元素分类的基础上，1869年俄国化学家门捷列夫经过研究提出了元素周期律……”；鲁科版则对背景有更详细的描述：“人类对元素周期律的认识经历了一个漫长的过程……已经获得了60多种元素的原子量数据……开始研究原子量与元素性质之间的关系……”。有关“前人研究”问题，人教版略而未谈，苏教版强调“元素分类”，而鲁科版则强调“原子量测定”。“前人研究”不仅是对门捷列夫研究背景和起点的介绍，也隐含对元素周期律作用的不同认识。认为研究基础是“元素分类”，突出了元素周期律对元素化合物知识的“系统描述”和作为“组织原则”的作用，带有工具论色彩；认为研究基础是“原子量测定”则突出了元素周期律对元素化合物知识规律性的“内在本质”的揭示，带有实在论色彩。

有关确立过程，3种教科书均谈到了“预言及其证实”和物质结构理论，苏教版还提到了对公认原子量的修订，鲁科版则提到了莫斯莱的工作。公认的是，元素周期律被科学界最终接受有5个重要原因：一是对已知事实的成功描述；二是对某些错误的成功修正；三是对某些元素的成功预测；四是对稀有气体等未预言元素的成功接纳；五是物质结构理论对其本质的揭示。就此过程进行更系统的描述有助于学生理解由“经验规律”到“理论定律”的发展过程。

2.3 语言的运用

语言是语词符号和意义的统一体，语词符号是意义的载体。学生的理解过程主要是一个对教科书中的文本语言和教师的课堂语言的意义建构过程。本研究中主要关注教科书文本中有关科学本质的明确陈述及其潜在意义。

在人教社1990年版高中化学教材中，有以下有关科学本质的明确陈述：

陈述1：“我们知道，一切客观事物本来是互相联系的和具有内部规律的。因此，各元素之间也应存在着互相联系和内部规律。实际上，人们在长期的生产斗争和科学实验中已经认识了这些元素的相互联系和内在规律。”

陈述2：“通过以上事实，我们可以归纳出这样一条规律……是必然结果。”

陈述3：“历史上，为了寻找各种元素及其化合物之间的内在联系和规律性，许多人进行了各种尝试。”

陈述4：“元素周期律和周期表，对化学的学习、研究是一个重要的规律和工具。”

陈述5：“元素周期律还从自然科学上有力地论证了事物变化的量变引起质变的规律。”

由以上陈述可见，陈述1和陈述5从哲学的角度渗透了唯物主义的世界观和方法论，主要涉及了“世界是普遍联系的”、“量变质变规律”等马克思主义哲学基本原理。陈述1的语言结构体现了反映论的认识论立场：哲学基本原理作为大前提，由此推出元素周期律的客观实在性这一结论，科学发现过程即人们对这一客观规律的反映过程。其他陈述中涉及的“归纳”、“必然”等语词都体现了强实在论的哲学立场。

从新版教科书的用语中仍然可以看到实在论的基本立场，但减少了基本哲学原理的直接陈述，而更注重潜隐渗透哲学思想，在视野上也有所拓展。如鲁科版先是通过大量事例让学生感受其意义，最后总结道：“……在哲学、自然科学、生产实践等方面都具有十分重要的意义。”苏教版则有这样的陈述：“……也揭示了一系列的科学观念。如结构决定性质、量变引起质变、复杂现象中蕴含着简洁的规律等……”

在强实在论立场的基础上，强调科学定律本身即客观实在，发现的主体被抽象为“我们”、“人们”、“许多人”、“人类”等，发现过程中的个人因素，如科学家的想象力、创造力在一定程度上被忽略了。而3本国外教材表现出一定程度的工具论倾向，这体现在对定律本身的工具性评价，即对科学家构建的模型或理论的成功之处和局限性的评价。典型的陈述有：

“然而由于当时知道的元素种数太少，原子量数据也不太准确，（三素组说）并未引起太大的重视。”

“不幸的是，‘八音律’似乎只能用于前16种元素。他也没有为后来发现的新元素留出空位。”

“他的成功有以下4个重要原因：首先，门捷列夫为了把相似的元素列在一组，在周期表中留下了空位；其次，他提出这些空位将被新发现的元素所填充；再次，他预测了这些新元素的性质；最后也是最重要的是，他所预言的元素很快就被发现。”

这种陈述突出了对科学家个人工作的评价，突出了科学家的创造性和想象力。如果说我国教材把重心放在“律”的重新“发现”上，那么国外教材则把重心放在“表”的“发明”过程中，前者关注通过经验证据的归纳和结构理论的演绎得出真理性的结论，后者则关注对不同学说的评价过程中领悟科学发现和科学知识的本质。

3 结论与反思

古尔德（Gould）在《“猎狐犬”的复制与蔓延》一文中探讨了科学教科书编写中的沿袭问题。“猎狐犬”是一个教科书中用于表示始祖马（现代马的祖先，体形较小）大小的经典比方，但这一比方并不适宜，因为始祖马不仅远比猎狐犬要大，而且当代学生根本就不熟悉猎狐犬。编写者们一再地重复这一比方，实质上体现着科学教科书编写的沿袭传统[4]。

沿袭虽有消极意义，但着眼于教育现实，对教学传统的尊重和延续确实是必不可少的。3种新版教科书沿袭了我国传统教科书表述简约、注重知识逻辑线索的基本特点。同时也按照新课程标准的要求，在知识的逻辑线索上进行了新的探索，在化学史内容上有所突破，哲学视野更为拓展，这在一定程度上体现了新课程标准对科学本质的强调。

但与国外教材相比，3种新教材在科学本质的渗透上仍然没有很大的突破。分析造成这种现象的原因，除了科学教科书编写的沿袭传统以外，课程标准对深度和广度的限定，教材篇幅的限制等都是造成这种情况的重要原因。尤其值得注意的是，化学史、化学哲学及其教学意义研究的薄弱造成了教科书中“哲学视野”的缺乏。缺乏了自觉的哲学视野，必然陷入无意识的习惯性沿袭。

实在论和客观知识观的基本立场是应该坚持的，但如果在教育的过程中科学知识被进一步僵化为“去主体、去过程、去情境”的有待学生记住的真理，没有了主动的理解、质疑、对话，科学教育应有的求真精神反而失落了。记住真理并不等于求真，学生学习知识的过程应该被设计成一个追求真理的过程。

当前教科书内容的形式有了很大的变化，如把原子结构的演绎和经验事实的归纳变成“科学探究”栏目。但除此以外，我们还要关注探究的对象，除了探究实质的内容，还应该关注学生对科学的理解，把科学的历史性和文化性整合在知识体系中。如果“科学知识体系被教成是在经验上、字面上不可更改的真理”[5]，忽视了学生对科学本质的理解，这样的科学教育至少是不完整的。由此来看，化

学教科书的编写还需要化学史、化学哲学等更多相关领域研究的支撑。

参 考 文 献

[1]Thomas Kuhn. The Structure of Scientific Revolutions.Chicago:University of Chicago Press, 1962:143

[2]Stake R E,Easley J A.Case Studies in Science Education.Washington DC:United States Government Printing Office,1978:376

[3] Munby A H. Science Education,1976,60(1): 115-124

[4] Gould S J. Natural History,1988,96(1):16-24

[5] Schwab J J.The Teaching of Science.Havard University Press,1964:31-102

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