顏標峰

摘要：以人的需求為基礎進行化學創(chuàng)造或發(fā)明的“按需設計”是化學推動人類文明進步的重要方式。通過創(chuàng)設“按需設計”的教學情境，滲透化學史中的科學發(fā)展觀，可以引導學生感受到以人為本的人文情懷和不斷探索的科學精神。

關鍵詞：化學史；科學發(fā)展觀；按需設計；教學情境

文章編號：1008-0546（2017）01-0022-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.01.006

化學是一門中心的、實用的、展現(xiàn)創(chuàng)造魅力的學科，化學對人類文明的貢獻功不可沒。用諾貝爾獎獲得者、著名有機化學家伍德沃特的話來說，化學家們“在老的自然界旁邊又建立起一個新的自然界”，化學的發(fā)展史幾乎就是一部發(fā)明創(chuàng)造史。

化學史中大量的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明，都遵循著按照人類需求而發(fā)展的“按需設計”的規(guī)律。當世界面臨著糧食危機時，哈伯在1909年發(fā)明用鋨作催化劑的高壓合成氨工藝，滿足了人類的糧食需求；當人類在與各種傳染病激烈抗爭時，抗生素應運而生，提高了人類至少25年的平均壽命?！鞍葱柙O計”是化學推動人類文明進步的重要方式。

“按需設計”體現(xiàn)出化學發(fā)展的人文理念——科學發(fā)展觀。科學發(fā)展觀是“堅持以人為本，全面、協(xié)調、可持續(xù)的發(fā)展觀”，“按需”即“以人為本”，筆者將本文的“科學發(fā)展觀”界定為“以人為本”的發(fā)展觀。

在經(jīng)濟飛速發(fā)展的當代，環(huán)境、能源、食品安全等問題困擾著人們，于是人們將這些問題聚焦在化學上，甚至聞“化”色變。然而“化學不是問題，化學解決問題”，在中學課堂中如何讓學生明白這一道理是當務之急。筆者認為在課堂中除了傳授系統(tǒng)的化學學科知識之外，還應開發(fā)化學人文資源，滲透化學史中的科學發(fā)展觀，開展學科內(nèi)涵教育。

“按需設計”的教學情境是化學史中科學發(fā)展觀的有效載體。筆者有意識地挖掘了部分教學素材中科學發(fā)展觀的學科內(nèi)涵并創(chuàng)設了“按需設計”的教學情境，現(xiàn)與大家做如下分享：

案例 1：氯氣與漂白劑

[講述]1774年，舍勒發(fā)現(xiàn)了氯氣，并且發(fā)現(xiàn)氯氣能夠漂白有色鮮花和綠葉，由此舍勒推斷出氯氣具有漂白性。

[對比實驗]氯氣與干燥的紅色小花、氯氣與濕潤的紅色小花。

設計意圖：以化學史為切口，通過探究實驗，引導學生關注氯水的漂白性。

[過渡]氯水中起漂白作用的有效成分是次氯酸。

[學生活動]書寫氯氣與水反應的化學方程式。

[講述]次氯酸不僅具有漂白性，還具有強氧化性，能殺菌消毒，1897年英國首次使用氯氣給自來水消毒。

[講述]1785年，法國化學家貝托雷提出將氯水的漂白作用應用于紡織工業(yè)，實際應用中，發(fā)現(xiàn)放置一段時間的氯水漂白作用明顯減弱。

[演示實驗]次氯酸的分解。

[學生活動]從氧化還原反應的角度，推導次氯酸分解的產(chǎn)物。

[提問]次氯酸見光易分解，表明次氯酸具有不穩(wěn)定性，所以久置后氯水的漂白作用減弱，那么如何保證次氯酸的漂白性呢？

設計意圖：鑒于次氯酸見光易分解的事實，提出如何改進漂白劑的問題，激發(fā)學生的認知興趣，引起學生“按需設計”的意識。

[講述]化學家貝托雷偶然情況下把氯氣通入草木灰的水溶液中，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性提高很多。

[視頻實驗]氯氣通入草木灰水溶液后，對其產(chǎn)物進行光照。

[講述]草木灰是一種堿性的物質，次氯酸是一種酸，二者反應生成了鹽，此實驗證明次氯酸鹽比次氯酸更加穩(wěn)定。次氯酸鈉制備成本較高，限制了以次氯酸鈉為有效成分的漂白劑的推廣。1789年，英國化學家臺耐特把氯氣通入石灰乳中，制得現(xiàn)在仍廣泛使用的、價格低廉的漂白粉。

設計意圖：在“提出需求—按需設計—提出新需求—按需優(yōu)化”的漂白劑設計過程中，調動學生的探究熱情，引導學生感受到“按需設計”在漂白劑發(fā)展歷史中發(fā)揮的重大作用。

案例 2：氨氣與氮肥

[設疑]植物生長需要氮肥，空氣中有大量的氮氣，但植物并不能直接吸收，如何將空氣中的氮單質轉化為氮肥？

[講述]1909年哈伯發(fā)明合成氨工藝，將氮氣轉化為氨氣，實現(xiàn)人工固氮。氨氣是氣體，不適宜直接作為氮肥，可制成氨水再使用，如何證明氨氣溶于水？

[演示實驗]塑料瓶變癟實驗、噴泉實驗。

[學生活動]氨氣與水反應方程式的書寫，氨水性質分析。

[提問]在六七十年代的時候，氨水作為氮肥，曾經(jīng)廣泛地使用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不過近些年，卻不再被大力推廣了。為何氨水不能成為氮肥的主角？

設計意圖：氮氣—氨氣—氨水，從人工固氮講到早期使用的氮肥，為氮肥的“按需設計”做鋪墊。

[講述]氨水易揮發(fā)且加熱易分解，不穩(wěn)定是氨水作為氮肥最大的弊端，于是科學家們將液態(tài)的氨水與酸反應轉化為固態(tài)的銨態(tài)氮肥。

[學生活動]氨水與硫酸、硝酸、鹽酸反應的化學方程式的書寫。

[講述]早期的銨態(tài)氮肥主要是硫酸銨，硫酸銨一度在意大利、英國、日本和印度等國的氮肥生產(chǎn)中所占比例特別高。氨氣經(jīng)過催化氧化可以得到硝酸，硝酸與氨水反應生成硝酸銨，使氮肥工廠避免了運輸硫酸的困擾。我國著名實業(yè)家侯德榜發(fā)明侯氏制堿法后，氯化銨作為侯氏制堿法的副產(chǎn)物，成為我國主要的氮肥來源。

[講述]農(nóng)民伯伯在高溫天氣下施氮肥時，經(jīng)常會戴著口罩。碳酸銨、氯化銨等固態(tài)氮肥在加熱條件下會分解。

[學生活動]碳酸銨和氯化銨加熱分解反應的化學方程式的書寫。

[講述]無機氮肥不僅加熱易分解，高溫天損失肥效；而且無法更新土壤有機質，使用頻繁后，土壤會出現(xiàn)不同程度的板結。于是有機氮肥——尿素在此背景下得以合成，成為當前使用程度最大的氮肥。

[講述]全世界每年化學工業(yè)的固氮量，只能達到生物固氮量的1/4左右。因此，在不斷設計的人工固氮方法中，生物固氮的模擬過程最受人矚目。當前化學家們圍繞固氮酶催化固氮活性中心這一問題展開模擬工作。人們正期待突破性的氮肥品種出現(xiàn)，這將會是繼哈伯合成氨工藝后，又一載入史冊的轉折性的科技成果。

設計意圖：通過感受氮肥“按需設計”、不斷發(fā)展的科學過程，體悟化學家們積極探索的科學品質、甘于奉獻的社會情懷和日臻至美的理想信念。

案例 3：原電池與化學電源

[講述]公元1800年，伏打把含食鹽水的濕抹布，夾在銀和鋅的圓形板中間，堆積成圓柱狀，制造出最早的電池——伏打電池。不久后，伏打發(fā)現(xiàn)，用任何兩種金屬代替鋅和銀都可以產(chǎn)生電流。這種將不同的金屬片插入電解質水溶液形成的電池，通稱伏打電池。

[提問]伏打電池在使用時，電流電壓不穩(wěn)定。伏打電池的模型是單液原電池，請你分析造成問題的原因，并試著提出問題的解決辦法。

[學生活動]得出結論：鋅與硫酸銅溶液直接接觸，將鋅與硫酸銅溶液進行隔離。

[講述]1836年丹尼爾將銅片和鋅片分別浸在硫酸銅溶液和硫酸鋅溶液中，用多孔陶瓷將兩種溶液隔離，發(fā)明了丹尼爾電池。

設計意圖：伏打電池和丹尼爾電池在化學電源發(fā)展史上有不可估量的地位，與中學化學里講解的單液原電池和雙液原電池有直接關系。學生能夠獨立參與到電池改進中，切身體會“按需設計”的快感。

[講述]丹尼爾電池不便于攜帶和使用，于是科學家們又開始投入電池的設計工作中。1887年，英國科學家赫勒森發(fā)明了世界上最早的干電池。干電池的電解液為糊狀，不會溢漏，方便攜帶，獲得了廣泛應用。

[講述]當前家電越來越小型，電子產(chǎn)品越來越多功能，人們迫切需要小型化、多功能化的電池，于是人們制造出了紐扣電池。

[過渡]由供電不穩(wěn)到供電穩(wěn)定，由不便攜帶到方便輕盈，由功能單一到功能多樣，化學電源的設計越來越完善。但電池使用過后，如若廢棄，對環(huán)境的污染較為嚴重。如何保證化學電源的生態(tài)環(huán)保，成為化學家們的研究課題。

[講述]可充電的二次電池應運而生，鉛蓄電池、鎳鎘電池等二次電池在生活中屢屢可見；綠色高效的燃料電池大放異彩，氫氧燃料電池、甲烷燃料電池等清潔電源越來越受到關注。

設計意圖：化學電源在化學發(fā)展史上是濃墨重彩的一筆，是化學家們貢獻給世界的一份厚禮。但化學電源的發(fā)展并非一帆風順，科學家們不斷地遇到挑戰(zhàn)，不斷地取得突破。通過化學電源“按需設計”的學習體驗，讓學生感受到在實際應用過程中，問題會不停顯現(xiàn)，面對問題最佳的態(tài)度，應該是積極思考與認真解決。

蘇霍姆林斯基曾說：“在人的內(nèi)心深處，都有一種根深蒂固的需要，那就是希望自己是一個發(fā)現(xiàn)者和探索者?！蓖ㄟ^融入“按需設計”的教學情境，學生得以在化學的歷史海洋中去發(fā)現(xiàn)，去探索。發(fā)現(xiàn)滲透在化學史中以人為本的人文情懷，發(fā)現(xiàn)蘊含在化學史中不斷探索的科學精神。發(fā)現(xiàn)之余，做一個探索者，不斷踐行以人為本的科學發(fā)展觀，為今后化學的進步貢獻力量。

參考文獻

[1] 王祖浩等.化學案例教學論[M].合肥：安徽教育出版社，2012

[2] 王燦.化學史中的科學發(fā)展觀——以“化學電源”教學設計為例[J].化學教學， 2014 （8）： 31-34