中学化学科学风险认知教学初探--以“天然气-甲烷利用”为例_甲烷论文

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      科学是一种人类通过特定的方法或手段来生产知识为目的的活动，包括关于人类、文化和社会的知识，以及运用这些知识去开创新的用途而进行的系统的创造性工作[1]。由于人类认识的局限性，科学总是存在一定的不完备性，因此，科学也有风险[2]。科学风险主要指科学活动及其结果的风险（例如过错、事故、失误、失败等等），广义的科学风险还包括在科学技术发展运用中给社会与人类带来不良后果。即，现代社会中的科学风险主要是指那些由科学化的技术（science-based technologies）或技术的科学化（the scientification of technologies）而引起的潜在社会威胁[3]。其极端的例子比如，大面积的放射性污染、全球性的核能威慑、有毒化学品和生理性药品的滥用等。所谓风险认知，是用来描述人们对风险的态度和直觉判断的一个概念，广义上，它也包括人们对风险的一般评估和反应[4]；风险认知是恰当地处置和预防风险的基础[5]。对中学生而言，科学风险认知是学生对科学风险存在的可能性及现实存在的认知，包括对风险的评估，以及对风险产生原因、可能后果及防范措施的认识。

      一、中学科学风险认知研究的现状

      1.国外研究现状

      科学风险认知问题已成为发达国家理科课程特色。例如，美国科学委员会（NRC，2000）列出了14个国际性科学与健康议题，科学技术学会（NAE，2008）补充了太阳能、水资源等内容；Harold（2000）以公众政策与道德等问题开发课程资源应用于教学。总体来说，内容多集中于核能问题（Slovic，1987）、转基因食品（Levidow，2002；Sadler，2004；Scott，2011）、气候问题（Boon，2009；Hanson，2010）等。在教学中，风险问题往往具有证据不完整、多种决策可供选择等特征，要求学生突破常规思维解决新问题[6-8]。国际权威期刊《科学教育》、《国际理科教育》等近年刊发大量理科教育案例，如Skamp（2013）以气候全球变暖问题进行教学策略研究，Simonneaux（2009）在课堂教学中讨论国家公园是否应该重新引入狼群，Borrows（2003）将安全与健康问题引入小学科学课堂教学[9，10]。学界认为，对可能风险的论证可以促进学生科学技术知识的学习和对科学本质的理解，提高学生推理能力、形成批判性思维和创见性思维[11，12]。风险认知研究主要集中在思维建模，如Keren（1991）以放射性污染为题探究学生知识对风险议题思考的影响。

      2.国内研究现状

      我国科学教育文本强调科学与生活的联系，但缺少对科学价值和社会事件分析导向；科学教育或媒体宣传，常因追求轰动效应而使学生对科学产生畏惧[13]；随着西方20世纪末“科学大战”以及“风险社会”概念的引入，学者开始关注教育领域思想变革[14]。

      国内对风险认知与科学教育的相关研究起步较晚，2005年国内学者庄友刚从社会学领域引入风险认知概念，2012年学者刘晓鹰提出风险认知的空间模型；科学教育领域则处于译介阶段，课程开发与教学实践研究尚未见诸公布。

      科学技术的社会应用及其影响对科学教育提出新的挑战。人们认识到规避和应对现代风险刻不容缓，另一方面科学发展与社会进步密不可分，由此产生的种种不确定性带来了个体决策能力形成的环境。基于风险认知的科学教育，既是学生理解科学的新视角和新挑战，又是更好适应未来社会生活的学习方式。本文主要讨论在中学化学教学中如何实施科学风险认知教学，帮助学生形成科学风险的理性认知。

      二、中学化学科学风险问题及认知水平

      1.中学化学科学风险问题

      化学是一门以实验为基础的自然学科，也是一门实践性和应用性很强的科学，在人们的日常生活、工农业生产以及科技领域都蕴涵着许多化学知识，也面临着科学风险的挑战。现列举化学涉及科学风险问题部分内容见表1。

      

      现代风险认知赋予科学教育新内涵，要求学生适应可能风险所需要的社会意识、创新能力和科学精神。中学化学教学中常常会面临具有一定科学风险认知的过程，例如在学生探究设计、实践操作化学实验过程中。另外，在日常生活中也常有类似的这样的过程，如水、电、火、气的使用等等。

      2.科学风险的理性认知水平

      理性认知表现为通过思考、分析和经验进行判断而非通过冲动、一时的感觉来理解事物。科学风险的理性认知表现为学生面对复杂条件的科学问题，具有一定的决策能力，即：经过研讨、争论与权衡利弊、形成结论（自我捍卫）并为此提供证据的能力。学生科学风险认知水平与其外显行为表现、内隐思维表现和决策能力之间的关系见表2[15]。

      

      公众对科学风险的认知必然会影响到公众对待科学技术及科技风险的态度，国家诸多涉及公众的科技决策，都须争取公众的理解和支持，公众的态度是决策者决策的依据之一；公众对科技风险认知是科技管理者和决策者不能够忽视的重要问题；公众对科学风险的认知程度将直接影响社会风险大小[16]。20世纪后半叶以来，公众对科学风险的认知现状，一是因对科学的了解很有限而导致对科学风险的了解也很贫乏，二是因不断出现在公众视野中的一些核技术的、化学的、生物的等产生巨大社会危害的事故，使公众对科学的态度、科学风险问题开始变得充满矛盾，甚至有些敌意[17]。

      在化学教学实践中发现，作为社会公众一分子的中学生，对于科学风险的认知，常表现出与社会群体的相似性，呈现出两种不良倾向：一种是科学风险意识的缺乏，另一种就是对科学风险的过度反应。这两种错误的科学风险认知都在一定程度上阻碍学生科学素养的提升，因此中学化学教学需要重视科学风险认知的教学。

      3.中学化学科学风险认知教学的意义

      对科学风险缺乏认知的学生，在学习中常表现为草率而鲁莽，缺乏审慎严谨的科学态度，什么都敢碰，什么都敢做，什么都不计后果。而对科学风险有过度反应的学生，在学习中则常表现为畏首畏尾，瑟缩不前：化学药品不敢取用，害怕“中毒”；将试管中的蒸馏水放在酒精灯上加热的操作也不敢进行，害怕“爆炸”；纵然是点燃一根火柴，也像是引爆炸弹一样恐惧。这两种情况，都是缺乏科学风险理性认知的表现。科学风险是真实的，而科学技术对人类社会发展的好处也是真实的。人们在现代化学奇迹的包围中度过一生，却念念不忘化学污染；人们使用来自核电站的清洁电力，却又害怕核事故的发生；对饮用水进行氟化处理使得龋齿成为过去，但对化学物质的恐惧剥夺了氟化水给社会带来的许多益处。有学者注意到，许多人为一千年后可能会泄漏储存的强放射性核废料而不安，但却对每年杀死成千上万人的开车、饮酒、吸烟等熟视无睹；一些风险，比如臭氧层破坏、温室效应等，尽管是低概率的和遥远的，却仍然长期威胁着人类。要想提高公众对科学风险的认知水平，必须采取有效的途径来实现公众对科学知识、科学技术及科学风险的了解。中学化学中通过科学风险认知的教学，既可以让学生明白这些风险的存在，强化学生规避科学风险的意识，又可以消除学生对风险的恐惧，增强学生规避科学风险的能力，从而促进学生科学风险认知水平的提高。

      三、中学化学科学风险认知教学的策略

      风险认知提供了科技社会的多种影响因素和发展可能，促成学生对他人、自然和社会的理性抉择，并以“责任”衡量自身行为。对缺乏科学风险认知意识的学生而言，他们缺少科学审慎态度，头脑中没有形成科学风险的概念，也就谈不上具备拥有某种措施防范风险的意识；对科学风险有过度反应的学生而言，他们常处于恐惧中，往往缩手缩脚，畏惧害怕，想不到如何去防范和消除风险。在课堂教学中，对于前者，需要按照“科学风险是存在的——轻举妄动可能会造成伤害——必须采用某种策略规避”教学思路进行设计；对于后者，需要按照“科学风险的确存在——只要通过恰当的方法，就可以消除这种风险”的教学思路进行设计。

      1.强化学生规避科学风险意识的教学策略

      针对科学风险认知水平较低的学生，通过教师课堂教学的改进和优化，有助于增强他们规避科学风险的意识。

      （1）场景展示法

      对于科学风险意识缺乏的学生，需要用直观形象、惊心动魄的场景来使他们受到震撼，产生深刻的印象，从而警惕并记住可能的风险。在保证安全的情况下现场显示，其效果总是无可替代的。比如针对有些学生草率地将氢气点燃的操作，不妨将氧气与氢气混合，装在透明的塑料袋中，然后用火柴点燃塑料袋，就会出现非常震撼的场景：爆炸声十分响亮、塑料袋瞬间变成碎片。然后让学生假想：如果是玻璃仪器瞬间爆裂会有什么危险？如果是在工业生产中，大量高压的氢气爆炸会产生什么后果？……这必然会给学生很好的警示作用。

      对某些具有一定危险的、不一定适合在教室或实验室中演示的化学实验，也可以采用视频展示的方法来教学。比如稀释浓硫酸的错误操作，可以播放以下视频：将水加入浓硫酸中，液体剧烈沸腾，烧杯中雾气缭绕，大量液体向四周飞溅等。再结合教师的讲解，学生在掌握知识的同时，科学风险的意识也必然会得到加强。

      （2）风险体验法

      曾经读过瑞士教育家裴斯泰洛奇的一段教育日记：为了让孩子知道“人们不应该触摸一切自己不了解的东西”，他故意将一个烫手的鸡蛋放在孩子面前，孩子立即把鸡蛋攥在手中，结果手被烫了。在这种情景下，裴斯泰洛奇顺利地表达出了他的教育主题[18]。裴斯泰洛奇还为我们提供了科学风险认知教学的方法——风险体验法：用一些风险小的实验让孩子“上当”，以此养成一种品格——规避风险的意识。

      中学化学教学中也可采用这种方法。比如初学加热蒸发实验操作时，学生容易犯用手去取加热后的蒸发皿而发生手被烫的情况。不过这些学生手被烫后，自然不会再用手去取热的蒸发皿，而是想方设法去完成这个操作：用纸？用抹布？等冷却后再取？最终发现还是使用坩埚钳最好。这个过程中所产生的教育效果是会促使学生意识到科学风险的存在，增强规避科学风险的意识。

      （3）模拟再现法

      让学生对一些化学实验首先进行讨论，分析可能存在的风险，然后通过视频或其他方式展示不规范操作带来的后果。比如可燃性气体燃烧，播放没有验纯导致玻璃仪器炸裂的视频等等，给学生留下“恐惧”的印象，风险的意识就会增强。

      2.削弱学生对科学风险过度反应的教学策略

      对于对科学风险有非理性的过度反应的学生，常常在潜意识中夸大由风险带来的后果的严重性，因此只要让学生亲眼目睹某个化学实验的结果或者亲自动手做这个实验，使他们发现实验结果其实没那么可怕，使之感悟到这种风险的可控，那么恐惧之心便会得到一定程度的削弱。比如学生不敢做氢气点燃的实验，可以先由教师或者实验能力较强的同学示范，然后鼓励学生自己操作该实验来进行教学。另外，经常让学生动手做化学实验，增加学生接触化学药品和实验仪器的亲近感，也是消除其过度反应的重要措施。

      3.提高学生规避科学风险能力的教学策略

      以化学实验为例，在化学试剂的使用中，化学试剂取用量越少，产生风险的几率越小。化学实验中，对于在没有指明试剂用量的情况下应取“最少量”这一要求，不仅仅是从节约药品的角度考虑，一定程度上也是从安全的角度来考虑的。对于可能出现风险的实验，不妨指导学生先用极少量的物质进行相互之间反应、观察现象，利用观察到的实验现象和学生探究体验，逐步增强学生探究风险的勇气，从而把握反应中的规律。最后再逐渐增大药品试剂量，直到获得满意的实验效果为止。

      比如金属钠与水反应，如果产生的热量使局部的水沸腾从而飞溅出来，是有危险的。因为反应产生的氢氧化钠有强烈的腐蚀性，溅到眼睛里可能会导致失明。由这个风险导致的损失不可谓不大，但不能因畏惧这种风险而失去探究科学的勇气，那么寻找策略规避风险才是最要紧的。如何规避这个风险？——热量产生的多少与所用金属钠的量有关，因此只要取用的金属钠的量少一些，就可以规避这种风险。再如氯气有毒，能强烈地刺激皮肤和眼睛，氯气中毒可引起支气管炎等呼吸道疾病，但终归是要用氯气做实验的！如何规避这种风险？——尽量减少氯气逸出，比如用注射器取用氯气，或将氯气配成新制氯水进行取用等，就可以基本消除这种风险了。

      不同的科学风险产生的原因不尽相同，规避科学风险的策略设计总是以这些原因为出发点的。因此，要在化学实验之前首先分析可能存在的风险，然后寻找产生风险的原因，最后在学生认识到风险产生的可能原因后，再引导学生寻找规避这些风险的方法。化学课堂上的这些教学环节，总是在不断地让学生体验并尝试探寻规避科学风险的方法，久而久之学生规避科学风险的能力必然会有所提高。

      四、中学化学科学风险认知教学的案例

      苏教版必修2中“天然气的利用——甲烷”一节是高中有机化学的发端，由于常听说煤矿爆炸，耳闻甲醛、苯等有机物的污染，有机磷、有机硫农药的毒性，于是在很多对有机化学不甚了解的人看来，有机物总是跟毒性和爆炸联系在一起的。因此利用这一节课的教学内容进行科学风险认知教学设计，对于有机化学的学习是极有意义的。

      1.用天然气做家用燃料中的科学风险认知教学

      对于绝大多数学生而言，用天然气做燃料已经司空见惯。不少学生并没有思考过这里潜在的科学风险。其实就改用天然气作燃料，需要具备的科学风险认知内容还是很多的。在课堂上不妨这样展开教学：

      [情境]某个小区的住户一直用煤炉，为了改善居民的生活环境，社区决定将该小区改装天然气。但是有一个住户却因为害怕气体有毒以及管道天然气可能发生爆炸而不愿安装天然气。

      [思考]你从这个住户角度出发，思考他不愿意用天然气做燃料可能考虑到哪些科学风险？

      [设问]如果你是社区服务人员，你如何说服这位住户消除这些顾虑，同意改装天然气？

      在这段教学过程中，学生需要对这位住户提出的多种可能存在的风险有充分的认识，如，天然气爆炸的风险、气体泄漏的风险、气体中毒的风险、使用效果不好的风险、不会操作设备的风险等。“思考”的过程有助于学生从多个角度理解科学风险的含义，“说服”的过程又需要学生从事件本身的利弊进行权衡，两权相衡取其利，丰富“科学风险”这一概念的内涵，提高学生回避科学风险的认知水平，在思辩过程中增强相应社会生活的决策能力。

      比如，针对可能出现的气体泄漏的风险，有学生提出安装警报器，并演示给他看，以此来打消他害怕气体泄漏而未能察觉的顾虑。对于可能出现中毒的风险，有学生提议将天然气通入金鱼缸中，金鱼仍然自由自在地游动来说明天然气没有毒。但当在密闭的房间里或通风不良时，如果天然气燃烧不充分，就会生成有毒的一氧化碳气体，而导致中毒。因此，任何情况下使用天然气，都要注意通风，以防中毒。通过学生对应用天然气的风险和规避风险方法的讨论，使学生学会了分析和寻找规避科学风险的措施。

      2.甲烷和氯气的取代反应中的科学风险认知教学

      跟上面的科学风险认知教学重在科学风险意识的增强和规避科学风险方法的讨论不同，对甲烷和氯气取代反应的风险认知教学可以放在探究科学风险的勇气和方式上。笔者在实际课堂教学中是跟学生进行了讨论，并根据对话的结果进行实验，教学片断如下：

      [师]甲烷和氯气发生取代反应的实验，对混合气体进行光照会有实验风险吗？

      [生]有可能会发生爆炸。

      [师]为什么？

      [生]氢气和氯气混合光照就会发生爆炸。

      [师]氢气和氯气混合光照后会发生爆炸，那是否代表甲烷和氯气混合光照后就一定会发生爆炸？

      [生]（意识到上述逻辑推理可能有问题）迟疑地说：不一定会发生爆炸吧？

      [师]同学们记得氢气和氧气发生反应中，学习过爆炸极限？

      [师]同学们担心实验过程中发生爆炸，老师今天是用不同体积比的甲烷和氯气做这个实验，还是不做这个实验改放录像？

      [生]（跃跃欲试状）老师做实验吧，用不同体积比的甲烷和氯气做一下，试探一下爆炸的可能性。

      [师]系列实验：在五个相同的塑料袋中分别注入不同比例的甲烷和氯气（各塑料袋中甲烷均为20mL），用不同强度的光进行光照（白炽灯最大功率100W，旋转开关，就会出现不同的亮度；强光可使用指数24的闪光灯或250W高压汞灯）。

      [实验结果]“-”表示无爆鸣声，“+”表示有爆鸣声。

      

      [反应原理]甲烷与氯气反应，是一个由光量子引发的链式反应。光照强度不同，反应类型和反应产物也不同。（1）取代反应：在具有一定能量的光源照射下，反应缓慢发生；反应产物是一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氯化氢；（2）置换反应：

。在强光照射下（光子能量较高，反应过于迅速）爆炸（发出爆鸣声），产生黑色物质（发黑）；反应产物是碳和氯化氢[19]。

      [实验分析]（1）无论是强光还是中强光，在光照强度相同的条件下，随着氯气量的增加（甲烷和氯气的体积比减少），光照后发生爆炸的可能性会增加；（2）在甲烷和氯气的体积比相同的条件下，随着光照强度的增加，光照后发生爆炸的可能性会增加。

      [实验结论]保持甲烷和氯气的体积比大于1:4（即氯气不能太多），且用弱光照射，就不会产生爆炸。

      通过上述讨论和实验，学生不但收获了知识（知道了在有机反应中，相同的反应物在不同的条件下会发生不同的反应，得到不同的产物），还成功地获得了规避该实验风险的方法，且在科学风险防范认知过程中建立和提升自信心。

      五、中学化学科学风险认知教学的误区

      提到中学化学中的科学风险认知教育，很多人就会想到，化学在为人类创造财富过程中伴生出的令人闻之色变的灾难，以至于不少人对科学技术产生了抵制、责难等情绪，并出现了对科学风险的过度反应。笔者曾听过一节以科学风险认知教育为主题的“天然气的利用——甲烷”的公开课，课堂上这位老师将科学风险认知教学的侧重点定位在了滥用氟利昂导致臭氧层被破坏上。其实，本节课教学的主要内容与氟利昂并没多大关系，要讨论氟利昂可以在卤代烃一节讨论，也可以在催化剂的催化原理一节讨论。就科学风险认知的认识上也是片面的：对学生而言讨论天然气使用中的风险、氯气使用的风险、甲烷和氯气反应的风险等，要现实而且贴切得多。在讨论科学风险问题的过程中，教师必须充分准备，知道哪些风险是可以人为控制、完全避免的，哪些风险是科学家们正在努力攻克、未来有望解决的，哪些风险是无法回避的自然灾难等，一定要给予学生“科学风险是可以消除和避免的”等具有积极意义的结论，否则徒增学生对科学风险的恐惧情绪。

      总之，只有在中学化学教学中注意引导学生认识到科学风险的存在，指导学生分析科学风险的成因，探究应对科学风险的办法措施，才能使学生消除对科学风险的畏惧感，形成必要的科学风险意识，提升学生的科学风险认知水平，从而增强对化学学科的学习兴趣。

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