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(shí)

成斌斌

摘要：在化學(xué)教學(xué)過(guò)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(guò)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(cè)微觀世界的變化特點(diǎn)，最終強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)科知識(shí)，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(hào)：1008-0546（2022）01-0016-04中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(kāi)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(shí)、化學(xué)方法的創(chuàng)造等過(guò)程?；瘜W(xué)教學(xué)不僅要符合學(xué)科知識(shí)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(duì)于化學(xué)概念和化學(xué)基本原理的探索過(guò)程與學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程有很大相似性。在化學(xué)教學(xué)過(guò)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(guò)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(shuō)，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。在這個(gè)過(guò)程中，推理是思維過(guò)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(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過(guò)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(duì)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?！薄按罅康难芯拷Y(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(jiàn)圖1：

通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生能了解分子的一般知識(shí)，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(duì)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(wú)感觸，不利于學(xué)科能力的培養(yǎng)。學(xué)生對(duì)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(guò)程，因此，在學(xué)科教學(xué)中追溯化學(xué)發(fā)展史，對(duì)引導(dǎo)學(xué)生了解化學(xué)知識(shí)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(duì)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(kāi)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(jiàn)圖2：

三、課堂實(shí)錄

1.三次畫水，“看”微觀粒子。

史料：[英國(guó)·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(wú)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(wú)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(guò)電子呈像“觀測(cè)”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(shuō)”，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?！訕?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(shuō)”，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(shuō)：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(qǐng)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(guó)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(cè)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(kāi)電源開(kāi)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(shuō)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(shuō)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(qǐng)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(cè)”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。科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)這一事實(shí)的？

史料：[卡文迪許]英國(guó)化學(xué)家卡文迪許最早對(duì)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(wú)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。卡文迪許對(duì)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(guò)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(shuō)：“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?！边@一假說(shuō)被稱為阿伏伽德羅定律。這一假說(shuō)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(shuō)，氣體化合時(shí)，它們的體積成簡(jiǎn)單的比例。如果所得的產(chǎn)物也是氣體的話，其體積也是簡(jiǎn)單的比例。這說(shuō)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(jiàn)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(shuō)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(shuō)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(lái)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(guó)化學(xué)家?jiàn)W古斯特·威廉·馮·霍夫曼所作，目的是用來(lái)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(guò)程中的微觀變化過(guò)程（見(jiàn)圖3）。

歸納推理：化學(xué)變化過(guò)程中，分子拆分成原子，原子再重新組合形成新的分子。該過(guò)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(guò)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(kāi)聞一聞，有無(wú)酒精的氣味；

（4）取樣點(diǎn)燃，有無(wú)可燃性。

歸納推理：放入熱水后，袋中酒精“消失不見(jiàn)”，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(cè)，酒精的化學(xué)性質(zhì)在汽化、液化過(guò)程中并未發(fā)生改變。說(shuō)明物理變化過(guò)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(qǐng)你用圖示的方法表示出你對(duì)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(guò)程中的微粒變化的理解。

生：給出圖4所示示意圖

師：對(duì)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(guò)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(guò)氧化氫分解，而水不分解，因?yàn)槠浞肿臃N類不同。說(shuō)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(qǐng)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(shuō)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(guò)程中，以史料為線索，帶領(lǐng)學(xué)生了解科學(xué)家對(duì)物質(zhì)認(rèn)知的發(fā)展過(guò)程，體會(huì)科技進(jìn)步對(duì)探索微觀世界的幫助；以實(shí)驗(yàn)為證據(jù)，推測(cè)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(wèn)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(shí)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(píng)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.