朱韶紅 謝曉春

摘要：化學史教育系化學課程的重要內容之一。教師將“水的組成”這一科學發(fā)現(xiàn)的過程應用于本單元的課堂教學實踐，通過演示氫氣燃燒和水電解實驗，通過科學發(fā)現(xiàn)史上兩位化學家的實驗過程對比，使學生初步了解利用化學反應研究純物質組成的方法;教學設計中通過化學史這條主線展現(xiàn)人類對物質世界的認識史、發(fā)現(xiàn)史，通過問題鏈層層深入地引導學生進行科學探究，培養(yǎng)學生正確的科學態(tài)度和社會責任。

關鍵詞：化學史;單元教學設計;課例研究

文章編號：1008-0546（2020）08-0046-05

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.014

一、問題的提出

化學史是化學科學產生、形成和發(fā)展及其演變規(guī)律的反映，既包括發(fā)現(xiàn)的化學知識、發(fā)現(xiàn)知識的科學方法，還包括化學家為之奮斗的忘我精神、堅忍不拔的創(chuàng)新過程，這是科學教育的重要資源[1]?；瘜W史教育意義在于從發(fā)展上把握化學知識、調動學生的學習主動性、從正誤對比中深入闡述知識、從知識中吸取思想的啟示以及培養(yǎng)學生掌握科學方法[2]。

《義務教育化學課程標準》（2011版）的五個內容主題中，“水的組成”這部分內容從主題1至主題5都有著或隱或明的滲透。教學過程中需要教師整合教材內容，引導學生通過科學探究的方式，運用宏微結合的觀念分析氫氣的燃燒和水的電解實驗的宏觀現(xiàn)象，認識其性質和變化，并能運用“宏觀一微觀一符號”三重表征方法來闡釋分子、原子及元素等物質結構和組成，最終學會應用所學知識去認識和解決社會生活中的熱點問題。

二、“水的組成”單元教學目標設計

如表1所示。

三、“水的組成”單元教學流程設計

如圖1所示。

四、“水的組成”課堂教學實錄

環(huán)節(jié)一：重現(xiàn)化學史

【師】人類對水的組成的理解經歷了漫長而曲折的探索過程。

【問題1】大家知道水是由哪些元素組成的嗎？

【問題2】知道科學家是如何發(fā)現(xiàn)水的組成的嗎？

【化學史料1】古人很早就開始思考和研究水。

（1）公元前6世紀至公元前7世紀的古希臘哲學家泰勒斯認為：一切都起源于水，水是組成一切的唯一元素。

（2）亞里士多德認為，世界不是僅由水一種元素組成的，而是由水、火、土、氣和以太五種元素相互作用形成的。

（3）我國古代先人提出了“五行學說”，相信世界上的一切都是由金、木、水、火和土五種基本元素的運動產生的。

【問題3】你如何看待古人對“水的組成”的認識？

【師】古人認為水是構成萬物的一種元素的各種學說，并不是從實驗中獲得的，而是在對世界萬物觀察的基礎上，不斷摸索和想象得來的。

【化學史料2】到了1766年，人們對水的認識開始出現(xiàn)轉變。

（1）1766年，英國科學家卡文迪許發(fā)現(xiàn)在稀鹽酸或稀硫酸中加入鋅、鐵或錫會產生一種氣體，它不能支持燃燒，也不能供給呼吸，但是把它和空氣混在一起，遇到火星就會爆炸。他認為這是金屬中含有的燃素在金屬溶于酸后放出而形成了這種“易燃空氣”。

（2）1774年，英國科學家普里斯特利通過一個大凸透鏡收集光來加熱氧化汞產生了一種氣體，它不能燃燒，但能使蠟燭燃燒更劇烈，老鼠活得更舒適。他親自體驗后，發(fā)現(xiàn)自己吸入這種氣體后也十分舒暢。他認為這種氣體具有很強的吸收燃素的能力，因此它不能燃燒。

（3）1781年，普里斯特利在干冷的玻璃瓶中裝入“易燃空氣”和空氣的混合氣，然后用電火花引爆，發(fā)現(xiàn)瓶壁有水珠?？ㄎ牡显S又用純氧代替空氣重復了這一實驗，得出了氫和氧化合成水的結論。但他們仍堅持認為水是一種元素，并將其解釋為：氧是失去燃素的水，氫是含過多燃素的水。

【師】讓我來模擬這個實驗，注意觀察實驗現(xiàn)象。

【演示實驗】鋅粒和稀硫酸反應制取氫氣并用排水法收集一試管氫氣。

【問題4】觀察實驗過程中產生的氣體，描述它的物理性質。

【生】氫氣是一種無色無味的氣體，它難溶于水。

【演示實驗】檢驗氫氣的純度。

【問題5】這說明了氫氣有什么性質？

【生】試管口朝下說明氫氣的密度小于空氣，發(fā)出尖銳的爆鳴聲說明氫氣有可燃性，不純時還會爆炸。

【板書】一、氫氣的燃燒

【演示實驗】驗純后點燃氫氣，在火焰上方倒扣一個干冷燒杯。

【問題6】請根據實驗現(xiàn)象寫出相應的文字表達式。由此你可以做出什么判斷？

【問題7】根據實驗事實你會判斷水是由什么元素組成的嗎？

【生】氫氣僅由氫元素組成，氧氣僅由氧元素組成，它們反應又只有水生成。根據化學反應前后元素種類不變可知水是由氫元素和氧元素組成的。

【問題8】卡文迪許如何知道水是通過氫氣和氧氣的反應產生，而不是與空氣中的其他物質反應？然而他得出了什么結論呢？

【生】他用純氧代替了空氣并得到了同樣的現(xiàn)象。

【總結】其實普利斯特利和卡文迪許都得到了水的組成的結論，尤其是卡文迪許，用純氧代替空氣完成了氫氣燃燒的實驗，但是他們受當時“燃素學說”的影響太大，最終與科學史上這個重大的發(fā)現(xiàn)擦肩而過。

設計意圖：化學學習作為一個特殊的認識過程，是學生學習前人的認識成果的過程，也應當以必然的形式重演人類認識活動的歷史發(fā)展過程[3]。重現(xiàn)化學史的目的就是創(chuàng)造問題情境，師生共同追蹤知識的來源，激發(fā)學習興趣。在本環(huán)節(jié)的教學中，引入一些科學家們探索水的組成的化學史料，利用這些化學史料創(chuàng)設問題情境，讓學生分析卡文迪許和普里斯特利與水的組成擦肩而過的原因。在課堂教學中，學生參與課堂的主動性大大增強，他們不再局限于閱讀科學故事，而是在體驗科學家的探索之路中產生強烈的求知欲望，并通過教師設置的問題積極分析和評估這些科學家的實驗過程和方法。

環(huán)節(jié)二：還原化學史

【問題9】氫氣和氧氣在點燃的條件下生成水，反之，水能通過化學變化生成氧氣還是氫氣，或兩者兼而有之？

【化學史料3】逆向思維探究水的組成

（1）在17世紀末和18世紀初形成的燃素說，曾用于解釋燃燒現(xiàn)象乃至整個化學。燃素是一種存在于所有可燃材料中的氣態(tài)物質，燃素能在燃燒過程中從可燃物中被釋放出來與空氣結合形成火，含有燃素的多少決定物質燃燒的劇烈程度，并由此推廣為物質的化學變化就是釋放燃素或吸收燃素的過程。

（2）1774年，法國化學家拉瓦錫在研究磷、硫和一些金屬燃燒的過程中發(fā)現(xiàn)了大量不符合燃素說的實驗事實，這使他對該學說產生了懷疑。拉瓦錫在重復了普里斯特利的實驗后，他確定自己發(fā)現(xiàn)了一種支持燃燒的氣體，并將此氣體命名為氧，并確認它是一種元素。

（3）1782年，拉瓦錫重復了普里斯特利和卡文迪許的實驗后，他又在一根紅熱的槍管中通人了水蒸氣也得到了“易燃空氣”。因此，他得出結論：水不是元素，而是氫和氧的化合物。在1787年，他將這種“易燃空氣”命名為氫，并確認它是一種元素。

設計意圖：將化學史引入到教學中，向學生展示科學家的失敗和錯誤、不同學派之間的爭論、理論不斷被建立和推翻的過程，既打破了傳統(tǒng)邏輯教學給學生留下科學發(fā)展是直線前進的印象，又給予了學生正確理解科學革命性發(fā)展機制的思考方向[4]。還原化學史，呈現(xiàn)科學史上解決問題的漫長的歷史過程，可以使學生了解科學的蛻變，促進學生知識建構。在本環(huán)節(jié)的教學中，引入化學史料3：在燃素說流行的時代，拉瓦錫如何擊破燃素學說，他通過實驗事實，先后發(fā)現(xiàn)了氧、氫元素，并最終確定了水的組成。通過化學史的學習引導學生闡述自己的觀點，并對可能存在的問題展開思維碰撞，這樣不僅有利于促進學生新知識的建構，也能使學生意識到在科學發(fā)現(xiàn)中科學思想和態(tài)度的重要性，使學生了解到科學認識是在曲折的、艱辛的過程中不斷進步的，不斷地破舊立新才能使科學研究煥發(fā)新的生命力。

環(huán)節(jié)三：深挖化學史

【化學史料4】

（1）1800年，英國化學家尼科爾森和卡里斯爾利用伏打電池對水進行通電，發(fā)現(xiàn)兩極都有氣泡產生。電解13小時后，他們只得到1.1立方米的氣體，并發(fā)現(xiàn)負極上產生的氣體體積恰好是正極的兩倍。

（2）1811年，意大利化學家阿伏加德羅在大量實驗的基礎上提出假設：同溫同壓下，相同體積的任何氣體都含有相同數(shù)量的分子。由此可以推知：同溫同壓下，氣體的體積之比等于分子數(shù)之比。同時，他還認為簡單氣體的分子由兩個原子構成。

【板書】二、水的電解

【問題10】兩位化學家做了水電解的實驗，產生的氣體是什么？

【生】根據拉瓦錫的水分解實驗，我們猜測：水電解產生的氣體是氫氣和氧氣。

【討論】我們如何制定計劃來證明這個猜想呢？

【小結】根據學生提出的方案，讓大家一起討論，最終選取操作簡便的方案：用燃著的木條來檢驗產生的氣體。

【演示實驗】電解水

【收集證據】學生記錄實驗現(xiàn)象。

兩極產生氣泡，正極慢、負極快，負極產生的氣體體積約為正極的兩倍。放在正極的小木條燒得更旺，放在負極的小木條點燃了氣體，發(fā)出淡藍色的火焰。

【問題11】從實驗現(xiàn)象來看，兩極產生的氣體是什么？

【生】正極產生的是氧氣，因為小木條燒得更旺了;負極產生的氫氣，因為它可以燃燒，并發(fā)出淡藍色火焰。

【問題12】寫出反應文字表達式。根據該反應，水是由什么元素組成的？

【生】氫氣僅由氫元素組成，氧氣僅由氧元素組成，而水通電后只生成了氫氣和氧氣。根據化學反應前后元素種類不變，可知水是由氫和氧兩種元素組成的。

【問題13】根據阿伏加德羅的假設，你能確定水分子中氫、氧原子的個數(shù)比嗎？

【生】由于生成的氫氣與氧氣的體積比為2：1，所以氫分子和氧分子的個數(shù)比為2：1。因為簡單氣體的分子是由兩個原子構成的，所以反應后氫原子與氧原子的個數(shù)比也應為2：1。根據化學反應前后原子的種類和個數(shù)都不變，可推知反應前水分子中氫原子與氧原子的個數(shù)比為2：1。

【師】通過實驗結果和大膽的猜測，事實正如我們推測的那樣，一個水分子確實由兩個氫原子和一個氧原子構成，因此水的化學式可以表示為H2O。

【展示模型】水分子、氧分子和氫分子的比例模型。

【師】當水通電時，水分子分成了氫原子和氧原子。每兩個氫原子又結合成一個氫分子，許多氫分子聚集成氫氣;每兩個氧原子結合形成一個氧分子，許多氧分子聚集成氧氣。

設計意圖：本環(huán)節(jié)通過深挖化學史，巧設探究活動，培養(yǎng)了學生的科學精神，提高了人文素養(yǎng)。教師巧用化學史設計探究活動，讓學生重復化學家所經歷的成功的研究歷程，并能夠模仿此過程完成自己對水組成的探究實驗，這種教學活動的設計能拉近師生距離，使學生愿意參與探究水的組成的實驗過程，使他們對科學本質的探究產生興趣，從而培養(yǎng)他們的科學精神。

環(huán)節(jié)四：正確評價化學史

【師】從公元前6世紀到十九世紀，科學家對“水的組成”的探究可謂是艱辛而曲折。你如何評價這段歷史呢，談談你的觀點。以普里斯特利、卡文迪許和拉瓦錫這三位化學家為例，你是如何評價的？

【生1】普利斯特里已經發(fā)現(xiàn)了氧氣，卡文迪許也已經發(fā)現(xiàn)了氫氣，但是在確鑿的實驗證據面前，他們還是迷信燃素說而不肯承認。這說明他們不能做到“實事求是”，最終失去了發(fā)現(xiàn)新元素、水的組成以及推翻燃素說的極好機會。

【生2】拉瓦錫不迷信權威，利用大量的實驗事實推翻了燃素說并發(fā)現(xiàn)了氧元素，并利用逆向思維，通過水分解實驗的事實，再次無可爭辯地推翻了燃素說并發(fā)現(xiàn)了氫元素和水的組成。拉瓦錫真是一位偉大的化學家。

【師】在燃素說流行的時代，普里斯特利差點就成為了氧氣之父，而卡文迪許離氫氣的最終發(fā)現(xiàn)也只有一步之遙，但他們迷信當時權威的影響從而錯失機會。而拉瓦錫本著“實事求是”的態(tài)度，敏銳地發(fā)現(xiàn)了舊理論的主要弱點，將有用的事實和更正確、更全面的新理論結合起來，擊破了燃素學說，先后發(fā)現(xiàn)了氧、氫元素，并最終確定了水的組成。

設計意圖：由于科學的本質貫穿于科學的發(fā)展歷史中，所以在化學課程中要進行科學本質的教學，必然難以完全避免以化學史的內容作為教育載體[5]。正確評價化學史，引導學生對化學史進行客觀評價，有助于培養(yǎng)學生的科學態(tài)度，了解科學發(fā)現(xiàn)對人類社會的貢獻，理解科學本質。在教學過程中，通過向學生展示科學家們研究工作的發(fā)展歷程，重現(xiàn)科學研究的歷程，讓學生知道科學是重實證的，科學的本質是一種探究活動，同時科學是不斷發(fā)展和被更新的。這段化學史的展現(xiàn)也能使學生體現(xiàn)科學成果背后的付出。

五、實踐反思

基于化學史進行教學設計和實踐，有助于學生從現(xiàn)代科學更成熟更完善的角度了解化學史上那些具有里程碑意義的經典實驗，理解化學科學的本質，深刻地感悟科學家解決實際問題的智慧。本單元的教學將化學發(fā)現(xiàn)的歷史過程作為課堂的一條明線，引領著學生“用科學家的視角”體驗這一歷史的重演，使學生認識到掌握化學知識的必要性和重要性，鼓勵學生追求更高的科學理想，幫助學生建構知識，促進化學學習的深入，同時還增強化學學科的人文魅力，使培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)的目標落地生根。

1.注重親歷知識演化，培養(yǎng)學習者的人文素養(yǎng)

化學史不僅是化學發(fā)展事件的記錄，也是化學科學思想演變的再現(xiàn)。在“燃素說”盛行的時代，拉瓦錫本著實事求是的科學態(tài)度，通過實驗事實擊破了燃素學說，先后發(fā)現(xiàn)了氧、氫元素，并最終確定了水的組成。在教學過程中，使用這一系列的化學史給學生從內心到靈魂進行一次次的洗禮，從而培養(yǎng)他們?yōu)榱俗非笳胬矶粦謾嗤?、敢于質疑的人文素養(yǎng)。

2.合理選取化學史料，創(chuàng)設有價值的學習情境

初中化學大多數(shù)的知識能找到相應的化學史料，但是內容龐雜，缺乏系統(tǒng)性。在教學中，教師需要選取合適的、有價值的化學史料，這就要求教師能夠“慧眼識珠”，選擇能促進學生知識的掌握、方法的習得、人文素養(yǎng)和科學品質培養(yǎng)的內容。

本單元的教學中選取了“拉瓦錫發(fā)現(xiàn)水的組成”的內容作為指導學生提出假設、設計實驗、科學探究和得出結論的來源，這些過程必然會使學生感受到科學探究并不神秘，只要在實踐中仔細觀察、大膽探索、縝密研究，就必將會得到科學家一樣的合理結論。

“水的組成”這段化學發(fā)展史，使學生認識到科學的本質是一種永不停止的探究活動，它會隨著時代的變遷發(fā)生變化，設計這種教學過程，就能促使學生從發(fā)展的高度把握知識，深入理解學科核心概念，也為他們后續(xù)的化學學習奠定基礎。

3.靈活運用多種方式，挖掘化學史的豐富內涵

基于化學史的教學就是要用好化學史料來強調知識遷移和知識的價值，使學生深刻認識到每一化學發(fā)展過程中涉及的化學方法、化學思想變化以及化學知識的進步意義，在教師的引導下挖掘知識背后的過程、方法和思想等豐富內涵，靈活運用多種方式設計出科學探究活動，引導學生獨立學習、探索和合作，使學生樹立“任何有學術意義的研究都是從問題出發(fā)的探索而非從已有知識框架出發(fā)的學習”的科學態(tài)度。

本單元的教學設計與實踐中，可以不難發(fā)現(xiàn)初中階段的化學史教學，不僅可以是“包在藥丸表面的糖衣”式的點綴，也可以是引領學生感受化學奧妙的情景創(chuàng)設，更應該是以合適的方式與化學知識的教學、化學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)無縫對接。

參考文獻

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本文系江蘇省中小學教學研究第十二期課題“基于學科核心素養(yǎng)的中學化學深度教學課例研究”（2017jyktz- L051）研究階段成果。