融入化學(xué)史的“水的組成”化學(xué)啟蒙教學(xué)探索

費志明 陳懋

摘要： 義務(wù)教育初中化學(xué)是化學(xué)教育的啟蒙階段，以“水的組成”教學(xué)為例，

將化學(xué)史融入課堂教學(xué)中，讓學(xué)生與科學(xué)家跨越時空對話，探索

學(xué)習(xí)研究物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的方法，促進深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 水的組成; 化學(xué)啟蒙; 化學(xué)史; 化學(xué)教學(xué)

文章編號： 1005-6629（2021）02-0048-04

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

1? 問題提出

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)自然科學(xué)[1]。

義務(wù)教育初中化學(xué)是化學(xué)教育的啟蒙階段。

化學(xué)史反映化學(xué)科學(xué)發(fā)展的過程，能夠幫助學(xué)生理解化學(xué)知識及其科學(xué)本質(zhì)。因此，將化學(xué)史融入初中課堂是一個有效拓寬學(xué)生視野并提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的方法。

融入化學(xué)史的教學(xué)設(shè)計的核心是教師根據(jù)學(xué)情有目的地選擇一些能夠引起學(xué)生探究興趣、易于學(xué)生理解和掌握、有助于實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的歷史材料和問題[2]。為了引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)研究物質(zhì)組成的方法，建立模型并能運用模型來確定物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，本文以“水的組成”教學(xué)片段為例，通過重演化學(xué)史來促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

2? 設(shè)計思路

“水的組成”是初中化學(xué)第一次通過實驗探究學(xué)習(xí)研究物質(zhì)組成的方法，主要包括水的電解和水分子的構(gòu)成兩部分內(nèi)容。本節(jié)課的核心任務(wù)是從宏觀到微觀、從定性到定量兩個維度探究水的組成，從分子和原子微觀角度認(rèn)識物質(zhì)的構(gòu)成，并圍繞這個核心任務(wù)建立教學(xué)設(shè)計（如圖1所示）。此設(shè)計體現(xiàn)“提出問題—實驗探究—模型建構(gòu)—問題解決”的科學(xué)探究過程，發(fā)揮化學(xué)實驗證實和證偽的作用，同時，重演探究水的組成科學(xué)史故事，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣思考問題，從“宏觀、微觀、符號”三個角度認(rèn)識物質(zhì)的研究方法，實現(xiàn)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的教學(xué)內(nèi)涵，促進深度學(xué)習(xí)。

3? 教學(xué)過程

3.1? 創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教師講述： 20世紀(jì)70年代，某地域海面上沒有油和其他可燃物，在250千米/時的颶風(fēng)吹過后海面著火。水火不相容，海水著火了，為什么？學(xué)生猜測，可能和水的組成有關(guān)，也可能和風(fēng)的速度有關(guān)。

教師設(shè)問： 水是由什么組成的呢？我們?nèi)绾窝芯克慕M成呢？今天我們通過化學(xué)史故事來認(rèn)識水的組成。

設(shè)計意圖： 基于學(xué)生對水的宏觀組成、微觀構(gòu)成已經(jīng)有初步認(rèn)識，通過創(chuàng)設(shè)故事情境讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)深度學(xué)習(xí)動機。

3.2? 史事重演，遷移引導(dǎo)

教師講述： 人類對水組成的認(rèn)識經(jīng)歷漫長的過程，我們?nèi)绾蝸硖骄克慕M成呢？

資料： 自古以來，人們認(rèn)為水是組成世間萬物的一種（物質(zhì)），不可再分。例如： 我國有“五行說”（金木水火土），古希臘有“四元素說”（水土氣火）。一直到了16、 17世紀(jì)，一些醫(yī)生、藥劑師偶然發(fā)現(xiàn)，金屬落到酸里面會有一些氣體產(chǎn)生，這種氣體可以燃燒。18世紀(jì)，英國化學(xué)家普利斯特里發(fā)明了排水集氣法，把這種可燃?xì)怏w收集起來，對此的研究才開始深入起來。

教師設(shè)問： 如何證明水不是某一種元素呢？大約250年前，還沒有電的使用，那當(dāng)時科學(xué)家是怎樣研究水的組成的呢？

[普利斯特里]我叫普利斯特里，英國人，18世紀(jì)中葉，我常常愛給朋友們表演魔術(shù)： 將鋅加入稀硫酸中，將生成的可燃?xì)怏w和空氣混合裝在試管里，搖晃幾下，迅速地把一支點燃的蠟燭移近試管口，試管立馬吐出長長的火舌，并發(fā)出震耳欲聾的爆炸聲。這樣的魔術(shù)干了很多次，終于有一天，我發(fā)現(xiàn)瓶壁上有不少水霧，一開始以為是試管沒擦干凈，或者是因為空氣潮濕。后來，我把試管擦干凈，也用了干燥的空氣，還是發(fā)現(xiàn)有水滴，我只能推論，金屬碰到酸液產(chǎn)生的可燃?xì)怏w可以燃燒生成水，但說不清為什么。

[卡文迪許]我叫卡文迪許，英國人，1781年普利斯特里把他的發(fā)現(xiàn)告訴我，我用不同比例的可燃?xì)夂涂諝饣旌线M行定量實驗，證實了他的發(fā)現(xiàn)，并斷定生成的液體是水。

在氧氣被發(fā)現(xiàn)后，我用純氧氣代替空氣，不僅證明試管中生成的是水，還確認(rèn)2體積的“可燃?xì)狻迸c1體積的氧氣恰好化合成水。但我是虔誠的“燃素學(xué)說”信徒，還始終認(rèn)為水是一種元素，沒有做出正確的解釋。

[拉瓦錫]我叫拉瓦錫，法國人，卡文迪許的助手布拉格登于1783年6月訪問巴黎時，將這一實驗告訴了我，我立即進行了跟蹤實驗，利用氫氣和氧氣的燃燒實驗不僅合成了水，同時還將水高溫分解為氧氣和氫氣。用天平稱量水，水分解產(chǎn)生的氫氣和氧氣化合生成水的前后質(zhì)量相等。

我認(rèn)為可燃?xì)怏w和氧氣一樣都是元素，而水是可燃?xì)怏w和氧氣的化合物，我用氫氣來命名可燃?xì)怏w，意思是形成水的物質(zhì)。

[尼克爾森]我叫尼克爾森，英國人，1799年意大利科學(xué)家伏特發(fā)明“伏打電池”，于是在1800年我用伏打電池在常溫下對水進行通電分解，再次確認(rèn)了水的組成。

教師設(shè)問： 沿著科學(xué)家研究的軌跡，帶給我們什么啟示？有什么收獲？學(xué)生發(fā)言很熱烈，從情感上、方法上紛紛談了自己的看法，比如普利斯特里的好奇、拉瓦錫的質(zhì)疑批判等。

設(shè)計意圖： 通過與科學(xué)家的時空對話，讓學(xué)生體會到科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性、曲折性和科學(xué)家們在研究過程中的鍥而不舍、實事求是的科學(xué)精神以及滲透著的學(xué)科思想方法和科學(xué)本質(zhì)。

教師設(shè)問： 你能從化學(xué)史實驗中，提煉出研究純凈物組成的方法嗎？學(xué)生思考與交流得出： 化合法，利用反應(yīng)物的成分推斷生成物的成分;分解法，利用生成物的成分推斷反應(yīng)物的成分。

教師設(shè)問： 我們?nèi)绾悟炞C水的組成呢？學(xué)生首先想到高溫加熱，但考慮現(xiàn)實條件而放棄，也有學(xué)生想到可以電解水。教師出示簡易的實驗裝置（如圖2所示），為了增強水的導(dǎo)電性，在水中添加氫氧化鈉或稀硫酸溶液。

教師設(shè)問： 試管內(nèi)分別產(chǎn)生什么氣體？又如何檢驗？學(xué)生根據(jù)科學(xué)史，得出是氫氣和氧氣。在不知道哪端是氧氣或氫氣的情況下提出兩端都用燃著的木條，使木條燃得更旺的就是氧氣，氣體本身會燃燒就是氫氣，并進行實驗。

教師要求各小組匯報實驗現(xiàn)象，學(xué)生發(fā)言： 電極周圍出現(xiàn)氣泡，試管內(nèi)液面下降，與正極相連的試管內(nèi)液面下降速度比與負(fù)極相連的試管內(nèi)的慢，氣體檢驗的操作不夠方便。于是，教師用圖3所示裝置演示了實驗，一段時間后，讀出與正、負(fù)極相連兩端的玻璃管內(nèi)氣體的體積，正極端和負(fù)極端產(chǎn)生氣體體積比約為1∶2，并進行了氣體的檢驗，確定水通電后生成了氫氣和氧氣。

教師設(shè)問： 電解水生成氫氣和氧氣，水由什么元素組成？學(xué)生討論得出，氫氣由氫元素組成，氧氣由氧元素組成，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后元素種類守恒，推測水由氫元素和氧元素組成。

設(shè)計意圖： 借助科學(xué)史故事，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)實驗?zāi)Ｐ停瑥暮唵蔚綇?fù)雜，排除各種干擾因素。教師不斷追問，學(xué)生進行證據(jù)推理得出結(jié)論，像科學(xué)家一樣批判性思考問題，讓學(xué)生經(jīng)歷一次有意義的探究過程，實現(xiàn)真正的深度學(xué)習(xí)。

3.3? 時空對話，建構(gòu)模型

教師設(shè)問： 水由水分子構(gòu)成，水分子由什么構(gòu)成？科學(xué)家如何建構(gòu)水分子模型！

[道爾頓]我叫道爾頓，英國人，自拉瓦錫發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律后，1803年10月，我通過定量實驗發(fā)現(xiàn)： 1克氫氣和8克氧氣化合成9克水，假如不按這個一定的比例，多余的就要剩下而不參加化合。我認(rèn)為元素是由原子構(gòu)成的，原子在一切化學(xué)變化中不可再分。

[蓋·呂薩克]我叫蓋·呂薩克，法國人，我精確測定水的組成： 用電火花點燃?xì)錃夂脱鯕獾幕旌衔?，發(fā)現(xiàn)氫氣、氧氣、水蒸氣的體積比永遠(yuǎn)是2∶1∶2，我提出假說： 在同溫同壓下，相同體積的氣體中含有相同數(shù)目的原子。這將是支持原子論的又一有力證據(jù)。

道爾頓對蓋·呂薩克的事實首先提出質(zhì)疑，事實： 2體積氫氣+1體積氧氣→2體積水蒸氣;推理： 2個氫氣原子與1個氧氣原子形成2個水原子;矛盾： 要想生成2個水原子，必須將1個氧氣原子分為兩半，配到兩個“水原子”中，這與原子不可分割的觀點是對立的。

[阿伏伽德羅]我叫阿伏伽德羅，意大利人，1811年，道爾頓與蓋·呂薩克，你們別爭論了，我認(rèn)為物質(zhì)由分子構(gòu)成，分子是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒。在同溫同壓下，相同體積的氣體中含有相同數(shù)目的分子。我認(rèn)為簡單氣體的分子由2個原子構(gòu)成。這樣，你們的爭論問題都解決了。

教師提示： 原子分子論的確立過程對你有何啟示？學(xué)生認(rèn)為，科學(xué)家根據(jù)宏觀物質(zhì)之間的定量關(guān)系推測出物質(zhì)是由微觀粒子構(gòu)成的，這種思維方法值得我們學(xué)習(xí)。

教師設(shè)問： 基于以上理論，你能推理水分子的結(jié)構(gòu)嗎？學(xué)生根據(jù)簡單氣體分子由2個原子構(gòu)成，先畫出氫分子和氧分子模型（如圖4所示）。根據(jù)同溫同壓下，氣體體積比等于分子數(shù)目比，得出每個水分子有2個氫原子和1個氧原子構(gòu)成。教師展示2014年中國科學(xué)家在電子顯微鏡下看到水分子的面貌，明確水分子的真實結(jié)構(gòu)。

教師設(shè)問： 如何從“宏觀、微觀、符號”三個角度分別表達水電解這一化學(xué)變化過程？學(xué)生從文字表達式（宏觀角度）： 水→氫氣+氧氣;微粒模型表達（微觀角度），如圖5所示;符號表達式： 2H2O2H2↑+O2↑。

教師設(shè)問： 根據(jù)水電解過程的示意圖及實驗現(xiàn)象，分析水在通電情況下是如何分解產(chǎn)生氫氣和氧氣的？學(xué)生觀察模型認(rèn)識到： 水在通電時水分子獲得足夠的能量，水分子分解為氫原子和氧原子，每2個氫原子結(jié)合成1個氫分子，每2個氧原子結(jié)合成1個氧分子;若干個氫分子結(jié)合形成氫氣，若干個氧分子結(jié)合形成氧氣。這樣學(xué)生便明確了化學(xué)變化的實質(zhì)。

教師追問： 對于某地域海面上水發(fā)生燃燒的原因，你們猜測為什么？學(xué)生認(rèn)為，當(dāng)颶風(fēng)達到205千米/小時，風(fēng)與海水發(fā)生高速摩擦，從而產(chǎn)生巨大的電壓，使水分子中的氫原子和氧原子分離，產(chǎn)生氫氣和氧氣，一旦達到一定溫度或有一丁點火星，海面上便燃起了大火。

設(shè)計意圖： 學(xué)生接受科學(xué)教育的過程就是知識再生產(chǎn)的過程。借助科學(xué)史故事，讓學(xué)生從定性到定量建構(gòu)水分子的結(jié)構(gòu)，利用微粒模型分析問題，促進深度學(xué)習(xí)。

4? 結(jié)語

在化學(xué)啟蒙教學(xué)中，教師應(yīng)基于學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和初中化學(xué)教材特點，充分挖掘教材中蘊含的學(xué)科價值，整合相關(guān)化學(xué)史故事，突出學(xué)科思想方法的滲透。以史為鑒，學(xué)史明理。化學(xué)史是重要的化學(xué)啟蒙教學(xué)資源，是一種動態(tài)的、發(fā)展的知識方法學(xué)習(xí)體系。將化學(xué)史融入課堂教學(xué)，既不影響教學(xué)進度，又能作為知識方法的串接線，有較強的故事性和趣味性，對培養(yǎng)學(xué)生大膽質(zhì)疑、勇于探索的精神，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)、發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)大有裨益。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S]. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2012.

[2]馮杰亮. 初中化學(xué)模型建構(gòu)促進深度學(xué)習(xí)的教學(xué)策略探討——以“化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)質(zhì)量變化的圖像教學(xué)”為例[J]. 教學(xué)月刊（教學(xué)參考）， 2019， （11）： 20～23.