基于概念演變史與元素觀建構(gòu)的九年級(jí)化學(xué)復(fù)習(xí)課

沈健

摘要：基于《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》，對(duì)九年級(jí)學(xué)段元素觀的培養(yǎng)要求作了論述，梳理了滬教版九年級(jí)教材中元素觀的文本脈絡(luò)，在九年級(jí)上學(xué)期復(fù)習(xí)課中，以元素概念演變歷史進(jìn)程為背景，從“元素是什么”“從元素看物質(zhì)”“從元素看化學(xué)變化”三個(gè)角度幫助學(xué)生搭建元素觀。

關(guān)鍵詞：元素觀；元素概念演變史；復(fù)習(xí)課

文章編號(hào)：1008-0546（2022）01-0073-05中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.018

*本文系南平市十三五骨干教師培養(yǎng)對(duì)象培訓(xùn)課題“基于科學(xué)史初中化學(xué)元素觀建構(gòu)的案例研究”階段性研究成果。

化學(xué)教學(xué)要結(jié)合人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和方法，形成化學(xué)核心觀念[1]。元素觀是化學(xué)基本觀念，元素觀的內(nèi)涵是什么？滬教版九年級(jí)教材中元素觀建構(gòu)的文本脈絡(luò)是怎樣的？如何在九年級(jí)化學(xué)教學(xué)中建構(gòu)元素觀？筆者嘗試在九年級(jí)上學(xué)期復(fù)習(xí)課階段，進(jìn)行“再探元素的前世今生”復(fù)習(xí)教學(xué)，以元素概念演變的歷史為情景，引導(dǎo)學(xué)生通過知識(shí)整合、提煉、應(yīng)用，將隱性的觀念教育顯現(xiàn)化，以達(dá)學(xué)以致慧。

一、教學(xué)主題內(nèi)容與現(xiàn)狀分析

1.元素觀的理解與表述

筆者以“元素觀”為主題，在“中國(guó)知網(wǎng)”檢索，找到370條結(jié)果，其中上海師范大學(xué)吳俊明教授和華東師范大學(xué)吳敏教授，在“元素概念的演變與化學(xué)元素觀的教學(xué)”一文中對(duì)元素觀作了系統(tǒng)闡述，據(jù)此筆者基于《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》，對(duì)九年級(jí)學(xué)段元素觀的理解與表述進(jìn)行整理，見表1。

2.教材編寫中元素觀呈現(xiàn)的文本脈絡(luò)

滬教版教材依據(jù)九年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知心理特征，采用循序漸進(jìn)的策略，將元素觀的建構(gòu)過程安排在各章節(jié)，分階段進(jìn)行。表2呈現(xiàn)了教材（上冊(cè)）中“物質(zhì)是由元素組成的”“化學(xué)變化過程中元素不變”等元素觀的文本梳理。

3.教學(xué)現(xiàn)狀分析

化學(xué)概念不僅是基礎(chǔ)知識(shí)的組成部分，概念建構(gòu)過程還承載著發(fā)展學(xué)生思維能力的功能[4]。當(dāng)下，元素觀的教學(xué)易被簡(jiǎn)化為元素概念的教學(xué)，缺少元素觀的整體感知，元素概念演變中的教育教學(xué)資源開發(fā)欠缺，在平時(shí)教學(xué)過程中被習(xí)題、試題導(dǎo)向教學(xué)，如在使用元素概念時(shí)，不能說“個(gè)”，只能說“種”。在分析元素與原子關(guān)系時(shí)，強(qiáng)調(diào)是宏觀與微觀的關(guān)系，至于學(xué)生理解不理解，不予細(xì)究，只是一味地刷題，卻對(duì)“元素是對(duì)原子的一種概括與分類”觀點(diǎn)的認(rèn)知不足，在這樣的教學(xué)中，學(xué)生不僅沒有體驗(yàn)到科學(xué)概念的探索歷程，更忽視了學(xué)科思想方法的教育。

二、教學(xué)內(nèi)容的擷取與學(xué)習(xí)流程設(shè)計(jì)

1.元素概念的演變

人類探索組成物質(zhì)的基本成分——元素的歷程曲折而又漫長(zhǎng)。從古代抽象玄虛的元素觀，到近代波義耳基于分析理性和實(shí)驗(yàn)的元素觀[5]，再由道爾頓將元素概念引向微觀世界——原子，門捷列夫等人發(fā)現(xiàn)不同元素間的內(nèi)在聯(lián)系——周期律，到盧瑟福ɑ粒子散射實(shí)驗(yàn)——原子是可分的，二十世紀(jì)初索迪提出了同位素的假說，催生了現(xiàn)代元素概念——具有相同核電荷數(shù)的一類原子的總稱，居里夫人對(duì)放射性元素釙和鐳的發(fā)現(xiàn)與研究——元素是可變的……至今，微觀世界不斷有許多新發(fā)現(xiàn)，但現(xiàn)代元素概念與化學(xué)研究水平——在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用[2]是相稱的。

2.學(xué)情與教學(xué)初衷

在九年級(jí)上學(xué)期期末階段，學(xué)生學(xué)習(xí)了從化學(xué)視角認(rèn)知身邊常見物質(zhì)，對(duì)氧氣、二氧化碳、水、金屬等元素化合物質(zhì)知識(shí)初成體系，所在教學(xué)班有近70%的同學(xué)能熟練運(yùn)用化學(xué)用語，對(duì)分子、原子、元素、質(zhì)量守恒定律等概念的認(rèn)知略顯生澀，對(duì)元素觀缺乏整體感知。因教材編寫順序和學(xué)習(xí)循序漸進(jìn)的特征，元素觀在新授課中是分散在各章節(jié)中教學(xué)，學(xué)生對(duì)元素觀是碎片化認(rèn)知，為促使學(xué)生形成元素觀結(jié)構(gòu)化認(rèn)知，可利用期末復(fù)習(xí)階段，將隱性的元素觀整合呈現(xiàn)，以元素概念演變史為背景，在元素觀大概念的統(tǒng)攝下進(jìn)行復(fù)習(xí)課設(shè)計(jì)。

3.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過“元素是什么”“從元素看物質(zhì)”“從元素看化學(xué)變化”，三個(gè)維度的結(jié)構(gòu)化教學(xué)，整合元素觀的認(rèn)知，通過復(fù)習(xí)讓學(xué)生能說出3-4點(diǎn)元素觀內(nèi)涵。

（2）通過復(fù)習(xí)，讓學(xué)生明晰元素概念、元素與原子的關(guān)系，檢查學(xué)生運(yùn)用化學(xué)用語表達(dá)物質(zhì)的組成及變化的水平，厘清純凈物、混合物、單質(zhì)、化合物、氧化物幾個(gè)概念關(guān)系，能準(zhǔn)確對(duì)常見物質(zhì)進(jìn)行分類，能運(yùn)用質(zhì)量守恒的思想解決化學(xué)計(jì)算、探究蔗糖組成中是否含碳元素等現(xiàn)實(shí)問題。

（3）在元素概念的演變史的教學(xué)情景中，學(xué)習(xí)求真務(wù)實(shí)的科學(xué)精神，在辨析概念中鍛煉學(xué)生敢于質(zhì)疑的科學(xué)品質(zhì)。

（4）通過復(fù)習(xí)讓學(xué)生關(guān)注到技術(shù)的發(fā)展對(duì)科學(xué)研究推動(dòng)的重要作用。

4.學(xué)習(xí)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)元素概念的演變和學(xué)情特點(diǎn)、教學(xué)目標(biāo)，筆者擷取了相關(guān)史料為情景素材，在九年級(jí)上期開設(shè)“再探元素的前世今生”復(fù)習(xí)課。本課情景線、知識(shí)線、活動(dòng)線如圖1所示。

三、課程實(shí)施

1.元素之迷

【教師】同學(xué)們，你們會(huì)猜字謎嗎，老師準(zhǔn)備了一些字謎，你們想挑戰(zhàn)一下嗎？

（1）抵押石頭。（打一化學(xué)元素）

（2）金屬之冠。（打一化學(xué)元素）

（3）端著金碗的乞討者。（打一化學(xué)元素）

（4）品德高尚。（打三種化學(xué)元素）

【學(xué)生】（1）碘；（2）鉀；（3）鈣；（4）鋅、磷、鎂。

【教師】組成物質(zhì)的基本成分是什么？這個(gè)問題，像“謎”一樣困擾著人們長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年。今天讓我們重踏先哲的腳印，再探元素的“前世今生”！

設(shè)計(jì)意圖：物質(zhì)組成之迷，如字謎一樣吸引著人們?nèi)ニ伎肌?/p>

2.元素概念的演變與辨析

（1）古代元素觀

【教師】春秋時(shí)期《管子·水地篇》記有“水者，何也？萬物之本原也……”。這句話表達(dá)了什么樣的觀點(diǎn)？

【學(xué)生】水是組成物質(zhì)的基本成分。

【教師追問】那個(gè)時(shí)候，先哲們?yōu)槭裁磿?huì)做出這樣的判斷，他們的依據(jù)，你認(rèn)為是什么呢？

【學(xué)生】植物生長(zhǎng)需要水；許多生物體內(nèi)都有水；江、河、湖、海中有水，空氣中有水蒸氣……

【教師】歷史上不同時(shí)期東西方哲學(xué)家對(duì)物質(zhì)的組成基本成分提出了一些玄虛而又抽象的觀點(diǎn)，如東方的“金、木、水、火、土陰陽五行學(xué)說”，古希臘亞里士多德“土、水、氣、火”四元素說，但隨著生產(chǎn)的發(fā)展，人們對(duì)自然界的物質(zhì)有了越來越多的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)。如：

①加熱朱砂[HgS]可以獲得水銀。你能寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式嗎？這個(gè)化學(xué)反應(yīng)的類型是什么？

②又如東漢煉丹家魏伯陽在所著的《周易參同契》記有“胡粉投火中，色壞還為鉛?！薄昂邸笔軣岷髸?huì)變成鉛的氧化物，如Pb3O4。請(qǐng)寫出Pb3O4在炭火中轉(zhuǎn)變?yōu)殂U的化學(xué)方程式；這個(gè)化學(xué)反應(yīng)的類型是什么？體現(xiàn)了碳單質(zhì)什么性質(zhì)？

【教師】煉丹術(shù)士為著各種目的研究物質(zhì)，相繼發(fā)現(xiàn)了錫、砷、銻、鋅、磷等單質(zhì)。為近代元素概念的誕生做好了證據(jù)準(zhǔn)備。

設(shè)計(jì)意圖：一是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識(shí)；二是檢閱學(xué)生化學(xué)方程式書寫能力；三是讓學(xué)生感受生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是科學(xué)知識(shí)重要來源。

（2）近代元素定義

【教師】1661年偉大的英國(guó)科學(xué)家波義耳的《懷疑的化學(xué)家》一書出版，對(duì)亞里士多德的“四元素觀”提出了質(zhì)疑。他認(rèn)為“元素是指某些原始的和完全純凈的簡(jiǎn)單物體，它不能由任何其他物質(zhì)所構(gòu)成，也不能彼此相互構(gòu)成[6]?！蹦阏J(rèn)為波義耳所提出的元素和我們現(xiàn)在所定義的哪類物質(zhì)特點(diǎn)相似？

【學(xué)生】單質(zhì)。

【教師】按照波義耳元素定義，金剛石與石墨還是由同種元素組成的嗎？但科學(xué)探索的歷史長(zhǎng)河中，波義耳元素定義的偉大在于，讓化學(xué)擺脫了神學(xué)、煉丹術(shù)的樊籬，為化學(xué)研究建立了一套方法論，從而把化學(xué)引向了科學(xué)的康莊大道。

【教師】一百多年后，空氣組成的發(fā)現(xiàn)者——法國(guó)科學(xué)家拉瓦錫給元素下的定義是：“元素是用任何方法都未能分解的物質(zhì)[6]?！崩咤a元素定義的意義在于他建立了一個(gè)元素的判斷標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是什么？

【學(xué)生】能否再分解。

【教師】在我們教材中有專門的一節(jié)內(nèi)容是通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究一種物質(zhì)的組成，是什么實(shí)驗(yàn)，得出了什么結(jié)論？

【學(xué)生】電解水實(shí)驗(yàn)，水是由氫元素和氧元素組成的。

【教師】所屬反應(yīng)類型是什么？

【學(xué)生】分解反應(yīng)。

【教師】電解讓人們發(fā)現(xiàn)，水還能分解，水并不是由單一元素組成的。電解技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和利用，不僅開啟電化學(xué)時(shí)代，也是化學(xué)元素發(fā)現(xiàn)的井噴時(shí)代。

設(shè)計(jì)意圖：思想方法教育。感悟“分解”是研究物質(zhì)組成的重要方法，由古代將水認(rèn)為是一種元素，到現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)水還可以再分，并不是簡(jiǎn)單的基本成分，感悟“技術(shù)”對(duì)科學(xué)研究的重要推動(dòng)作用。

（3）現(xiàn)代元素定義誕生

【教師】在這個(gè)時(shí)期，英國(guó)科學(xué)家道爾頓在1803年提出了著名的原子學(xué)說。其中關(guān)于化學(xué)元素，他寫到：“化學(xué)元素由非常微小的、不可再分的物質(zhì)粒子——原子組成，原子在所有化學(xué)變化中均保持自己的獨(dú)特性質(zhì)……原子的質(zhì)量是每一種元素的特征性質(zhì)[7]”。道爾頓將元素的定義引向了原子。原子可不可以再分？

【學(xué)生】原子存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)，原子在化學(xué)變化中不能再分。

【教師】盧瑟福ɑ粒子散射實(shí)驗(yàn)奠定了現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)學(xué)說，哪位同學(xué)能解讀一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【學(xué)生1】大部份ɑ粒子能穿透金箔保持方向不變，少數(shù)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，極為少數(shù)居然原方向反彈。只有極少數(shù)ɑ粒子出現(xiàn)反彈或偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，似乎ɑ粒子碰到一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，這個(gè)質(zhì)點(diǎn)占原子內(nèi)部體積很小，但這個(gè)質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量非常大，說明原子內(nèi)部質(zhì)量不是均勻分布的，而是幾乎集中在這個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，且這個(gè)質(zhì)點(diǎn)帶正電荷。

【學(xué)生2】原子是由居于原子中心的原子核和核外電子構(gòu)成。原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成。原子的質(zhì)量主要集中在原子核上。

【品讀定義】“元素是用任何方法都未能分解的物質(zhì)”——拉瓦錫的元素定義存在的問題是什么？

【學(xué)生】“任何方法”——沒有界線。

【教師】化學(xué)是在分子、原子水平上研究物質(zhì)，所以所謂“分解的方法”應(yīng)當(dāng)要有“界線”！

【教師】請(qǐng)同學(xué)們打開課本70頁(yè)，齊聲讀相對(duì)原子質(zhì)量的定義。（當(dāng)學(xué)生讀到“以一種碳原子”時(shí)喊停，反復(fù)2次）

【教師追問】你們想到了什么？

【學(xué)生】有不同種碳原子。

【教師】是的，存在不同種碳原子。表3是某些元素原子的數(shù)據(jù)，如果要對(duì)這些原子進(jìn)行分類，按什么分，最簡(jiǎn)單？原子質(zhì)量是判斷不同元素的合適方法嗎？

【學(xué)生】可以按質(zhì)子數(shù)的多少，不能用原子質(zhì)量。

【教師】元素實(shí)際上就是對(duì)原子的一種概括，一種分類方式，分類的標(biāo)準(zhǔn)是“按質(zhì)子數(shù)的多少”。元素是具有相同核電荷數(shù)（即質(zhì)子數(shù)）的同一類原子的總稱[3]。該概念所界定的內(nèi)涵——質(zhì)子數(shù)相同，與外延——同一類原子是相稱的，也是和我們?cè)诜肿?、原子水平上研究物質(zhì)性質(zhì)和變化相適應(yīng)的。

設(shè)計(jì)意圖：九年級(jí)學(xué)段不能講同位素，但如何在引出這個(gè)事實(shí)，并發(fā)現(xiàn)元素實(shí)質(zhì)是對(duì)原子的一種概括與分類，分類的方法是按質(zhì)子數(shù)的多少，進(jìn)而得出現(xiàn)代元素概念。我覺得與其枯燥地講解元素概念，做咬文嚼字般的解讀，不如引用元素定義演變的歷史脈絡(luò)情景，更能促進(jìn)學(xué)生理解概念為什么要這樣定義，進(jìn)而領(lǐng)會(huì)學(xué)科思想方法。

3.元素的表示

【教師】我們?cè)撊绾伪硎驹啬兀恳妶D2，古代，它曾是煉金術(shù)士的神密“暗語”，你能看得懂嗎？近代，元素符號(hào)曾以不同形式呈現(xiàn)在不同的科學(xué)家著作中，如道爾頓的元素符號(hào)，直到現(xiàn)在我們使用的元素符號(hào)，這些變化有什么樣的進(jìn)步？

四、教學(xué)評(píng)價(jià)與反思

1.大概念視角下的課程開發(fā)

義務(wù)教育階段的化學(xué)教育，要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的變化規(guī)律，形成化學(xué)的基本觀念[2]。元素觀是基本的化學(xué)觀念，本課在元素觀大概念的統(tǒng)攝下，進(jìn)行復(fù)習(xí)課程開發(fā)，不僅有利于學(xué)生學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)化，還促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的整合提升。本課中的學(xué)科大概念、基本概念、知識(shí)點(diǎn)三個(gè)層級(jí)關(guān)系見圖3。

2.科學(xué)史素材的甄選要切合教學(xué)需求

元素概念的演變史，也是學(xué)科思想方法的進(jìn)步史，鑒往知來，既是教育的本真，更是課程開發(fā)的重要策略。面對(duì)海量的科學(xué)史實(shí)，素材的選擇應(yīng)以主要事件和教學(xué)需求為準(zhǔn)。如：古代中西方都認(rèn)為“水”是一種元素的觀念，到發(fā)現(xiàn)水還分解，并不是一種“簡(jiǎn)單物質(zhì)”——元素！讓學(xué)生體會(huì)到元素是組成物質(zhì)的基本成份，即“簡(jiǎn)單物質(zhì)”，可以用“分解”的方法研究物質(zhì)的組成。為讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到元素家族成員的擴(kuò)充源自于生產(chǎn)實(shí)踐，故引入魏伯陽關(guān)于鉛的冶煉記載。本課遴選元素概念的演變史上代表性科學(xué)家的論述，以時(shí)間為序，依次是波義耳、拉瓦錫、道爾頓等人，在引領(lǐng)學(xué)生品讀、辨析概念的過程中，不僅領(lǐng)會(huì)了學(xué)科思想方法，還能學(xué)習(xí)到一代代科學(xué)家追求真理永無止境的探索精神。

元素觀是內(nèi)隱于具體化學(xué)知識(shí)中的基本觀念，通過復(fù)習(xí)課，從“元素是什么”“從元素看物質(zhì)”“從元素看化學(xué)變化”三個(gè)維度，將元素觀外顯為學(xué)生具體的研究任務(wù)，幫助學(xué)生明晰元素觀，進(jìn)而用好元素觀解決問題。學(xué)科觀念的養(yǎng)成是一個(gè)系統(tǒng)的工程，教學(xué)中如何更好地滲透學(xué)科觀念教育，仍需在實(shí)踐中不斷探索。

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