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        追溯化學(xué)發(fā)展史,在概念教學(xué)中培養(yǎng)證據(jù)推理意識

        2022-02-18 18:42:48成斌斌
        化學(xué)教與學(xué) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:證據(jù)推理化學(xué)史模型建構(gòu)

        成斌斌

        摘要:在化學(xué)教學(xué)過程中精準(zhǔn)滲透化學(xué)史的有效教育,能幫助學(xué)生體會(huì)化學(xué)家探索世界的思維方法和科學(xué)態(tài)度,感受化學(xué)概念形成的曲折和嚴(yán)謹(jǐn),培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)關(guān)鍵能力和必備品格。而在化學(xué)學(xué)科的發(fā)展中,證據(jù)推理貫穿于整個(gè)科學(xué)探究的過程。以“分子、原子”概念教學(xué)為例,以史料為線索,帶領(lǐng)學(xué)生了解認(rèn)知一般規(guī)律;以實(shí)驗(yàn)為證據(jù),推測微觀世界的變化特點(diǎn),最終強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)科知識,提升學(xué)生的思維品質(zhì)。

        關(guān)鍵詞:化學(xué)史;證據(jù)推理;概念教學(xué);模型建構(gòu);宏微結(jié)合

        文章編號:1008-0546(2022)01-0016-04中圖分類號:G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

        doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.004

        一、研究背景

        從人類鉆木取火開始,化學(xué)的萌芽就已悄悄產(chǎn)生?;瘜W(xué)學(xué)科的發(fā)展歷史完整展現(xiàn)了化學(xué)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、化學(xué)規(guī)律的認(rèn)識、化學(xué)方法的創(chuàng)造等過程。化學(xué)教學(xué)不僅要符合學(xué)科知識的邏輯順序,更要符合學(xué)生心理發(fā)展的認(rèn)知規(guī)律。而化學(xué)家對于化學(xué)概念和化學(xué)基本原理的探索過程與學(xué)生的認(rèn)知過程有很大相似性。在化學(xué)教學(xué)過程中精準(zhǔn)滲透化學(xué)史的有效教育,能幫助學(xué)生體會(huì)化學(xué)家探索世界的思維方法和科學(xué)態(tài)度,感受化學(xué)概念形成的曲折和嚴(yán)謹(jǐn),培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)關(guān)鍵能力和必備品格[1]。

        在化學(xué)學(xué)科的發(fā)展中,證據(jù)推理貫穿于整個(gè)科學(xué)探究的過程。研究者常常根據(jù)一個(gè)或一些事實(shí)(包括生活現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、調(diào)查資料及科學(xué)史料等)得出另一個(gè)新的假說,再通過實(shí)驗(yàn)或計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。在這個(gè)過程中,推理是思維過程,證據(jù)是前提條件?;瘜W(xué)學(xué)習(xí)中的證據(jù)推理可以理解成“基于證據(jù)對物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè),通過分析推理加以證實(shí)或證偽,最終建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系[2]?!?/p>

        二、教材分析

        以“分子、原子”概念教學(xué)為例。滬教版教材對分子的表述為:“大量科學(xué)研究證明,分子是構(gòu)成物質(zhì)的一種微粒”“大量的研究結(jié)果表明,分子是由原子結(jié)合而成的”。常規(guī)教學(xué)思路見圖1:

        通過學(xué)習(xí),學(xué)生能了解分子的一般知識,卻失去了體會(huì)科學(xué)家探究微觀世界的一般方法的機(jī)會(huì),對教材中提到的“大量科學(xué)研究證明”“大量研究結(jié)果表明”毫無感觸,不利于學(xué)科能力的培養(yǎng)。學(xué)生對化學(xué)本質(zhì)的理解需建立在實(shí)踐的基礎(chǔ)上?;瘜W(xué)發(fā)展史體現(xiàn)了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)物質(zhì)存在、研究物質(zhì)性質(zhì)、掌握物質(zhì)用途的完整過程,因此,在學(xué)科教學(xué)中追溯化學(xué)發(fā)展史,對引導(dǎo)學(xué)生了解化學(xué)知識產(chǎn)生的社會(huì)文化背景、化學(xué)學(xué)科發(fā)展的變化歷程及化學(xué)對社會(huì)、生產(chǎn)生活產(chǎn)生的影響等有重大的意義。因此,可以化學(xué)發(fā)展史為線索,了解化學(xué)家的基本研究思路,體驗(yàn)“證據(jù)推理”的思維方法,提升學(xué)生的思維品質(zhì)[3]。而在實(shí)際案例中,如何精選化學(xué)史料作為課程資源并轉(zhuǎn)化為探究情境,引導(dǎo)學(xué)生開展探究成為研究重點(diǎn)。同樣以“分子、原子”概念教學(xué)為例,具體教學(xué)流程設(shè)計(jì)見圖2:

        三、課堂實(shí)錄

        1.三次畫水,“看”微觀粒子。

        史料:[英國·布朗]在顯微鏡下觀察懸浮在水中的藤黃粉、花粉微粒,或在無風(fēng)情形觀察空氣中的煙粒、塵埃時(shí)都會(huì)看到懸浮微粒在永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

        視頻展示:電子顯微鏡下的布朗運(yùn)動(dòng)。

        師:實(shí)驗(yàn)告訴我們物質(zhì)都是由不斷運(yùn)動(dòng)的分子、原子、離子等微粒構(gòu)成的,隨著科技的進(jìn)步,我們已經(jīng)可以通過電子呈像“觀測”到這些微粒的存在。

        史料:[道爾頓]1808年,道爾頓提出了“道爾頓原子學(xué)說”,他抓住化學(xué)元素的原子量這個(gè)最本質(zhì)特征,認(rèn)為化學(xué)元素由不可分的微粒—原子構(gòu)成,它是不可再分的最小單位。

        [阿伏加德羅]1811年,意大利化學(xué)家阿伏伽德羅提出了“分子學(xué)說”,主要觀點(diǎn)包括:

        (1)原子是參加化學(xué)反應(yīng)的最小質(zhì)點(diǎn),而分子是游離狀態(tài)下單質(zhì)和化合物的最小質(zhì)點(diǎn);

        (2)分子是由原子組成的;

        (3)單質(zhì)的分子是由相同元素的原子組成,化合物的分子則由不同元素的原子組成。

        [阿侖尼烏斯]1887年阿倫尼烏斯提出電離學(xué)說:電解質(zhì)是溶于水中能形成導(dǎo)電溶液的物質(zhì);這些物質(zhì)在水溶液中時(shí),一部分分子離解成離子;溶液越稀,離解度就越大。

        圖片展示:掃描隧道顯微鏡下的苯分子、硅原子圖像。

        師:請你根據(jù)所學(xué)內(nèi)容再畫一次水,注意體現(xiàn)微粒的基本性質(zhì)。

        師:水是由什么微粒構(gòu)成的呢?

        史料:[尼科爾森]1800年5月,尼科爾森同解剖學(xué)家安東尼·卡萊爾共同研制成英國第一個(gè)伏打電堆,即用銅幣和鋅板各36枚組成的電池組,他們發(fā)現(xiàn),當(dāng)將兩根分別連接銀幣和鋅片的導(dǎo)線放在水中時(shí),與鋅(負(fù)極)連接的金屬絲上發(fā)生氫氣泡,而與銀(正極)連接的金屬絲上產(chǎn)生氧氣。

        實(shí)驗(yàn)演示:(1)用電導(dǎo)率傳感儀測定水的電導(dǎo)率。

        (2)將用硫酸鈉處理后的水倒入電解水裝置,打開電源開關(guān),觀察到兩極均產(chǎn)生小氣泡,且正負(fù)極氣體體積比為1∶2。

        (3)分別檢驗(yàn)兩極氣體成分。

        歸納推理:(1)純水幾乎不導(dǎo)電,說明純水中不存在大量自由移動(dòng)的離子。而水分解后產(chǎn)生兩種不同元素組成的物質(zhì),說明水不是由一種原子構(gòu)成,而是由水分子構(gòu)成。水分子由氫、氧原子構(gòu)成。

        (2)氫氣與氧氣體積比約為2∶1,則水分子中氫、氧原子個(gè)數(shù)比也約為2∶1。

        師:請你根據(jù)所學(xué)內(nèi)容再畫一次水,注意體現(xiàn)水分子的構(gòu)成特點(diǎn)。

        2.證據(jù)推理,“測”分子構(gòu)成。

        師:早在電解水實(shí)驗(yàn)前人們就已經(jīng)了解了水的組成??茖W(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)這一事實(shí)的?

        史料:[卡文迪許]英國化學(xué)家卡文迪許最早對水的組成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。1781年,普利斯特利宣稱他做了一個(gè)“毫無頭緒”的實(shí)驗(yàn):他將卡文迪許發(fā)現(xiàn)的氫氣和自己發(fā)現(xiàn)的氧氣混和在一閉口瓶中,然后用電火花引爆,發(fā)現(xiàn)瓶中有露珠生成??ㄎ牡显S對這一情況產(chǎn)生了興趣,他于1784年設(shè)計(jì)了一個(gè)抽真空的密封實(shí)驗(yàn)裝置,使其充滿氫氣和氧氣的混合氣體,用電火花引爆,恢復(fù)到室溫后,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物是一定體積的液態(tài)水。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn),卡文迪許發(fā)現(xiàn),若將氫氣和普通空氣混合引燃,幾乎全部氫氣和1/5的普通空氣恰好反應(yīng);若用氧氣代替普通空氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn),同樣獲得水,且氫氣和氧氣相互化合的體積比為2.02∶1,由此,他確認(rèn)了水是由氫氣和氧氣化合而成。

        [阿伏伽德羅]阿伏伽德羅在1811年提出了一種分子假說:“同體積的氣體,在相同的溫度和壓力時(shí),含有相同數(shù)目的分子。”這一假說被稱為阿伏伽德羅定律。這一假說是根據(jù)蓋·呂薩克在1809年發(fā)表的氣體化合體積定律加以發(fā)展而形成的。阿伏伽德羅在1811年的著作中寫道:“蓋·呂薩克在他的論文里曾經(jīng)說,氣體化合時(shí),它們的體積成簡單的比例。如果所得的產(chǎn)物也是氣體的話,其體積也是簡單的比例。這說明了在這些體積中所作用的分子數(shù)是基本相同的。由此必須承認(rèn),氣體物質(zhì)化合時(shí),它們的分子數(shù)目是基本相同的?!?/p>

        演示實(shí)驗(yàn):收集不同體積比的氫、氧混合氣體于礦泉水瓶中,分別點(diǎn)燃,觀察現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫氣與氧氣體積比為2∶1時(shí),爆炸最劇烈。若在強(qiáng)度較高的剛性容器中,借助壓力傳感器或溫度傳感器,可發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫氣和氧氣體積比為2∶1時(shí),反應(yīng)后容器內(nèi)壓強(qiáng)最小,溫度最高(見表1)。

        歸納推理:當(dāng)氫氣與氧氣體積比為2∶1時(shí),爆炸最劇烈,說明此比例下能量釋放最完全,氫氣與氧氣恰好完全反應(yīng)。由于相同狀況下,氣體的體積比等于其分子個(gè)數(shù)比,因此,水分子中氫、氧原子個(gè)數(shù)比為2∶1。即水的化學(xué)式為H2O。電解水實(shí)驗(yàn)中氫氣和氧氣的體積比為2∶1也能說明這一結(jié)論。

        3.模型建構(gòu),“析”變化實(shí)質(zhì)

        師:從微粒的角度看,氫氣和氧氣點(diǎn)燃后是如何生成水的?

        史料:[霍夫曼]球棍模型是一種空間填充模型,用來表現(xiàn)化學(xué)分子的三維空間分布。在此作圖方式中,線代表化學(xué)鍵,可連結(jié)以球型表示的原子中心。最早的球棒分子模型是由德國化學(xué)家奧古斯特·威廉·馮·霍夫曼所作,目的是用來講課。

        模型建構(gòu):(1)動(dòng)手搭建氫分子、氧分子、水分子的球棍模型;

        (2)動(dòng)手模擬氫氣燃燒過程中的微觀變化過程(見圖3)。

        歸納推理:化學(xué)變化過程中,分子拆分成原子,原子再重新組合形成新的分子。該過程中分子種類、物質(zhì)種類改變;元素種類、原子種類、原子數(shù)量均不變。

        師:氫氣燃燒后先是生成氣態(tài)的水蒸氣,后水蒸氣液化成液態(tài)水。這個(gè)過程和氫氣燃燒的本質(zhì)區(qū)別在哪里?

        演示實(shí)驗(yàn):(1)將少量酒精放在癟保鮮袋中,將保鮮袋置于熱水中,觀察現(xiàn)象;

        (2)產(chǎn)生變化后再將保鮮袋取出,觀察現(xiàn)象;

        (3)打開聞一聞,有無酒精的氣味;

        (4)取樣點(diǎn)燃,有無可燃性。

        歸納推理:放入熱水后,袋中酒精“消失不見”,塑料袋膨脹鼓起;取出后塑料袋迅速變癟,袋中又有液體出現(xiàn)。經(jīng)檢測,酒精的化學(xué)性質(zhì)在汽化、液化過程中并未發(fā)生改變。說明物理變化過程中,分子種類不變,只是分子間的間隙和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變。

        模型建構(gòu):請你用圖示的方法表示出你對氫氣燃燒后生成氣態(tài)的水蒸氣,后水蒸氣液化成液態(tài)水的過程中的微粒變化的理解。

        生:給出圖4所示示意圖

        師:對于分子構(gòu)成的物質(zhì),哪種微??梢员3制浠瘜W(xué)性質(zhì)?

        演示實(shí)驗(yàn):(1)分別點(diǎn)燃液態(tài)酒精和氣態(tài)酒精,觀察現(xiàn)象;

        (2)向水、過氧化氫溶液中分別加入少量二氧化錳,觀察現(xiàn)象。

        歸納推理:液態(tài)酒精和氣態(tài)酒精都具有可燃性,因?yàn)槠浞肿臃N類相同;加入二氧化錳后,過氧化氫分解,而水不分解,因?yàn)槠浞肿臃N類不同。說明分子可以保持物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。

        4.宏微結(jié)合,“辨”物質(zhì)類別

        師:請根據(jù)氫氣和氧氣燃燒反應(yīng)前后容器內(nèi)物質(zhì)組成(宏觀)、微觀粒子構(gòu)成(微觀),判斷反應(yīng)前后容器內(nèi)物質(zhì)屬于純凈物還是混合物,并說明理由。

        小結(jié):(宏觀角度)由一種物質(zhì)組成的是純凈物,由多種物質(zhì)組成的是混合物;

        (微觀角度)由同種分子構(gòu)成的是純凈物,由不同種分子構(gòu)成的是混合物。

        三、教學(xué)反思

        化學(xué)概念的建立既需要事實(shí)依據(jù),也需要理論支撐。在教學(xué)過程中,以史料為線索,帶領(lǐng)學(xué)生了解科學(xué)家對物質(zhì)認(rèn)知的發(fā)展過程,體會(huì)科技進(jìn)步對探索微觀世界的幫助;以實(shí)驗(yàn)為證據(jù),推測水的微觀構(gòu)成、物質(zhì)變化的微觀實(shí)質(zhì),以微觀理論解釋宏觀現(xiàn)象,以宏觀事實(shí)證實(shí)微觀變化。在情境中激發(fā)思維,在問題中構(gòu)建觀念,在建構(gòu)中掌握方法,最終在學(xué)習(xí)知識的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)科思維能力[4]。

        參考文獻(xiàn)

        [1]費(fèi)志明,陳懋.融入化學(xué)史的“水的組成”化學(xué)啟蒙教學(xué)探索[J].化學(xué)教學(xué),2021(2):48-50.

        [2]楊硯寧.基于證據(jù)推理的科學(xué)探究:實(shí)驗(yàn)、評價(jià)及反思——以“鐵釘銹蝕實(shí)驗(yàn)”為例[J].化學(xué)教與學(xué),2017(2):13-15+33.

        [3]石華軍.基于化學(xué)史教育的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐[D].濟(jì)南:山東師范大學(xué),2013.

        [4]楊芬.基于化學(xué)史促進(jìn)學(xué)生概念理解的教學(xué)研究[D].桂林:廣西師范大學(xué),2019.

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