基于化學史學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)價值的教學設計

劉貝貝 嚴文法

摘要：?化學史是承載化學知識、科學方法、科學思維與科學精神的形成、發(fā)展及演變過程的真實情境素材，具有豐富的學科核心素養(yǎng)培育價值。在闡釋化學史內(nèi)涵價值的基礎上，以“電解質(zhì)的電離”為例，分析史料中蘊含的學科核心素養(yǎng)，設計具體教學過程，討論并揭示了化學史在化學教學及學科核心素養(yǎng)發(fā)展中的價值。

關鍵詞：?化學史;?核心素養(yǎng);?教學設計;?電解質(zhì)的電離

文章編號：?1005-6629（2021）09-0051-05

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“2017年版課標”）從五個維度構建了學科核心素養(yǎng)的內(nèi)容體系，提倡進行素養(yǎng)為本的教學[1]。化學史作為承載化學知識、科學方法、科學思維與科學精神的形成、發(fā)展及演變過程的史實，是兼具教學價值與素養(yǎng)價值的真實情境素材。2017年版課標的“情境素材建議”選取了豐富的化學史料，并在“教學與評價建議”中指出，化學教學可以利用化學實驗史實引導學生了解化學概念、化學原理的形成和發(fā)展，結合人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學科學發(fā)展的趨勢，引導學生進一步學習化學的基本原理和方法等[2]。適時結合化學史進行化學教學，對加深學生科學本質(zhì)及化學觀念的理解、全面發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)有著重要的作用。本文以新人教版必修第一冊“電解質(zhì)的電離”一節(jié)為例，探析結合化學史的教學對學生化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)價值。

1??化學史的內(nèi)涵與價值

化學史描述了人類在長期社會實踐中探索關于自然的化學知識的歷史[3]，體現(xiàn)了化學知識的動態(tài)生成過程，蘊含著化學研究者看待世界的價值觀念與方法論，折射著前人的科學思維、科學精神與科學態(tài)度，這與凝煉著正確價值觀念、必備品格和關鍵能力的化學學科核心素養(yǎng)十分契合。2017年版課標在“情境素材建議”部分遴選了豐富的史料素材，例如通過電離理論建立的化學史料幫助學生了解化學知識、原理形成和發(fā)展的來龍去脈;通過元素周期律（表）的發(fā)現(xiàn)史料使學生認識證據(jù)推理的思維過程與實踐方法;通過人工合成尿素、提取青蒿素等近現(xiàn)代化學史實幫助學生認識化學研究的社會價值等[4]，正是化學史在化學教學中價值的體現(xiàn)?；瘜W史素材能夠幫助學生認識化學知識的動態(tài)發(fā)展歷程，了解科學家利用科學探究方法進行科學探究的過程，體會化學學科在社會歷史進程中的重要價值，促進對科學本質(zhì)的理解[5]。因此，化學史素材具有獨特的育人價值，是發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)過程中不可忽視的重要成分。

2??結合電離史料的“電解質(zhì)的電離”教學設計

2.1??教學設計理念

“電解質(zhì)的電離”選自新人教版必修第一冊第一章第二節(jié)“離子反應”，是本節(jié)內(nèi)容的第一課時。作為“物質(zhì)及其變化”一章的新授課內(nèi)容，“電解質(zhì)”及“電離”概念是后續(xù)學習元素化學、化學反應原理以及理解溶液中離子行為及其變化的重要基礎。但同時，由于對基于歷史原因形成的概念名稱的望文生義以及教學中對“導電性”這一宏觀特征的關注，使得學生頭腦中產(chǎn)生了較多關于電解質(zhì)及電離的迷思概念。

2017年版課標強調(diào)“關注化學理論的歷史演進過程，結合理論模型發(fā)展中的重要事實和科學家的推理論證過程，引導學生認識化學理論的建立過程和思想方法”[6]。本節(jié)教學內(nèi)容中，電離概念與電離學說的形成和發(fā)展的演進過程體現(xiàn)了從基于導電性質(zhì)的感性認識向基于微觀層面的理性認識進行修正的歷程，與學生頭腦中的迷思概念密切相關，將其作為真實情境素材能夠促進學生的概念轉變與理解;同時，電離學說建立過程中科學家們發(fā)現(xiàn)問題、提出假設、主張證據(jù)、修正假設的科學研究過程以及貫穿過程中的科學精神，也蘊含著培育學生化學學科核心素養(yǎng)的重要價值。但許多教師在教學中往往采用與教材編排順序一致的教學設計，對教學內(nèi)容蘊含的素養(yǎng)價值挖掘不夠，導致學生印象不深，未能充分發(fā)揮本節(jié)內(nèi)容獨特的核心素養(yǎng)培養(yǎng)價值。本研究結合電離學說建立的史料進行教學設計，能夠體現(xiàn)出化學史促進學生學科核心素養(yǎng)發(fā)展的獨特價值。本節(jié)教學設計理念如圖1所示。

2.2??教學與評價目標

2.2.1??教學目標

（1）?通過電離學說發(fā)展史料的學習，經(jīng)歷“電解質(zhì)”、“電離”等概念發(fā)展過程，能說出其概念的內(nèi)涵及外延。

（2）?通過溶液導電性的宏觀認識及電離理論史料中科學實驗證據(jù)的推理過程，能解釋酸、堿、鹽等電解質(zhì)在水溶液或熔融狀態(tài)下的微觀電離過程，建立完整的電離理論認識模型。

（3）?通過對電離學說建立史料的評價與反思，認識科學理論建立的曲折動態(tài)發(fā)展過程，欣賞科學家在科學研究過程中敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新等科學精神。

2.2.2??評價目標

（1）?通過對電解質(zhì)微觀內(nèi)涵的解釋說明，診斷并發(fā)展學生基于證據(jù)進行推理的水平。

（2）?通過對電解質(zhì)與非電解質(zhì)的辨識及酸、堿、鹽本質(zhì)的歸納，診斷并發(fā)展學生的概念理解水平及模型認知水平。

2.3??教學環(huán)節(jié)設計

2.3.1??回溯歷史，了解“電解質(zhì)”名稱的由來

[化學史料]19世紀初，科學家們進行了一系列與“電解”相關的實驗研究，英國學者法拉第對這些被電解物質(zhì)溶液的導電性產(chǎn)生了興趣[7]（如表1所示）。

[概念由來]結合這些實驗證據(jù)，法拉第認為：?既然溶液能夠?qū)щ?，那么溶液中就一定存在一些帶電、能夠自由移動的電荷，這也是“離子”概念首次被明確定義[8]。他認為在電流作用下溶液中才會有離子產(chǎn)生，并將通電后能夠被電流分解為離子的化合物稱為“電解質(zhì)”。科學界普遍贊同法拉第在電解過程中提出的假說，有關“電解質(zhì)”的理論在當時被人們視為真理。

[認知沖突]但在1887年，阿倫尼烏斯在實驗中發(fā)現(xiàn)了一些有悖于法拉第觀點的實驗現(xiàn)象，例如：?相同大小的電流作用下，濃度較低的電解質(zhì)溶液導電性竟然強于濃度較高的同種電解質(zhì)溶液。他將電解質(zhì)溶液同導電性聯(lián)系起來進行了大量實驗，基于種種實驗證據(jù)，向法拉第的“電解質(zhì)”說法提出了頗具挑戰(zhàn)性的觀點：?溶解于水的電解質(zhì)會自動在不同程度上解離為帶正電和帶負電的離子，即不需要外加的通電條件，電解質(zhì)溶于水后會自動離解[9]。

[問題引導]如圖2所示，你贊同哪一種觀點呢？怎樣證明你的觀點？

[學生活動]各抒己見，交流討論。

設計意圖：?通過化學史實引出“電解質(zhì)”及“電解”的概念由來，為幫助學生規(guī)避“電解質(zhì)”概念理解時可能產(chǎn)生的字面歧義奠定基礎，同時體會法拉第宏微結合看待事物的化學觀念。而通過阿倫尼烏斯提出又一“電解質(zhì)”概念的史實，引發(fā)學生認知沖突，鼓勵學生調(diào)動已有知識嘗試尋找證據(jù)作出解釋，敢于基于證據(jù)對權威提出質(zhì)疑并進行科學論證，在學習過程中發(fā)展宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知、科學態(tài)度與社會責任的學科核心素養(yǎng)。同時，表1中電解實驗涉及的水、強堿、鹽類等物質(zhì)又可在學生掌握電解質(zhì)、電解與電離概念后進行回顧，實現(xiàn)課堂內(nèi)容的首尾呼應。

2.3.2??學界爭鳴，基于證據(jù)推理“電解質(zhì)”內(nèi)涵

[化學史料1]阿倫尼烏斯在博士論文中詳細闡述了自己的觀點及相關實驗證據(jù)，但由于法拉第在科學界的權威性，以及當時人們還未掌握原子內(nèi)部結構，離子、分子與原子之間差異的客觀事實，阿倫尼烏斯的觀點遭到了猛烈抨擊，反駁方提出了種種批判觀點[10]（如表2所示）。

[認知沖突]在化學學習過程中，我們已經(jīng)初步認識了構成物質(zhì)的微粒——分子、原子和離子，你能找出事實說服克利夫嗎？

[學生活動]鉀單質(zhì)中存在的是鉀原子，與鉀離子有著不同的性質(zhì)，黃綠色的氯氣分子與氯離子也并不相同。

[問題引導]但是，如果氯化鉀在水中能自動解離為K+和Cl-，又怎么回答克勞修斯的質(zhì)疑呢？

[化學史料2]電離學說剛剛誕生，仍然存在著需要完善的地方，許多質(zhì)疑暫時無法被解答，但即使遭到了學界諸多知名化學家的批駁，阿倫尼烏斯也沒有放棄，他將研究結果寄給了同樣研究溶液的化學家奧斯特瓦爾德，在阿倫尼烏斯以及奧斯特瓦爾德、范霍夫的不懈努力下，逐漸獲得了一批支持者[11]（如表3所示）。

[問題引導]隨著對原子結構認識的進一步深入，以及越來越多實驗證據(jù)的出現(xiàn)，科學界接受了阿倫尼烏斯的電離學說。既然阿倫尼烏斯認為電解質(zhì)溶解于水可以自動解離為離子，請同學們結合實驗證據(jù)②試著分析一下，在氯化鈉離解為氯離子和鈉離子的過程中，可能是什么物質(zhì)發(fā)揮了作用呢？鹽水可以導電的微觀實質(zhì)是什么呢？

設計意圖：?科學家圍繞電離學說展開的論辯過程蘊含著思維碰撞的火花、科學求真的態(tài)度以及不畏權威的精神，通過正反方對阿倫尼烏斯提出的“電解質(zhì)”概念的觀點碰撞，發(fā)展學生辯證看待問題以及基于客觀事實進行假設及推理的科學思維，引導學生跟隨論辯過程經(jīng)歷“電解質(zhì)”概念的轉變歷程，并結合克勞修斯的觀點埋下疑問，引出建立電離理論模型的下一環(huán)節(jié)。

2.3.3??學術積淀，建立完整電離理論模型

[微觀探析1]（Flash展示氯化鈉溶液的微觀電離過程）與同學們的猜想一致，水分子在這一過程中發(fā)揮了重要作用，形成的水合氯離子和水合鈉離子為我們很好地解答了克勞修斯等人的質(zhì)疑。

[化學史料]法拉第首次明確定義了“電解質(zhì)”一詞，雖然他“先通電才導致物質(zhì)解離”的說法已被證明錯誤，但這一名稱仍然被沿用下來。其后，更加翔實的實驗證據(jù)及科學理論紛紛涌現(xiàn)，阿倫尼烏斯“電離學說”中一些尚未被解釋的疑問和存在瑕疵的觀點被科學家們逐步完善[12]（如表4所示），為我們科學地描繪了氯化鈉溶液中的微觀世界。結合布拉格和圖班特等人的實驗證據(jù)，你能否試著推理氯化鈉受熱熔化時可以導電的微觀實質(zhì)嗎？在沒有水分子作用的情況下，是什么條件能夠?qū)е伦杂梢苿拥碾x子產(chǎn)生呢？

[學生活動]交流科學猜想。

[微觀探析2]（Flash展示熔融氯化鈉的微觀電離過程）可以看到，氯化鈉熔融時也形成了自由移動的離子，使得它呈現(xiàn)了“導電”的宏觀現(xiàn)象。

[概念引入]像氯化鈉、氯化鉀這樣在水溶液中能夠自動解離、使得溶液能夠?qū)щ姷幕衔锉环Q為電解質(zhì)。而在溶液之外，科學家們也陸續(xù)關注到了熔融狀態(tài)下物質(zhì)的導電性，像碳酸鈣、硫酸鋇等化合物在水溶液中溶解度極小，難以通過實驗證據(jù)說明其溶于水的部分是否發(fā)生了解離，但該類化合物在熔融狀態(tài)下可以導電，因此這類化合物也稱為電解質(zhì)。綜上所述，將電解質(zhì)定義為：?在水溶液或熔融狀態(tài)下能夠?qū)щ姷幕衔铩ｋ娊赓|(zhì)溶于水或受熱熔化時形成自由移動的離子的過程叫做電離，可以用電離方程式表示它的解離過程。

[概念辨析]隨著完整的電離模型的建立，以往人們對“電解質(zhì)”的諸多誤解得以厘清，“電解質(zhì)”及“電離”中的“電”，并不是法拉第學說中認為的“通電能夠離解”，而是因為這些化合物可以在水溶液或熔融狀態(tài)下形成自由移動的離子，才產(chǎn)生了“導電”這一宏觀現(xiàn)象。結合對“電解質(zhì)”的理解，你認為銅是電解質(zhì)嗎？液態(tài)HCl是電解質(zhì)嗎？氨水是電解質(zhì)嗎？

設計意圖：?19、?20世紀圍繞“電解質(zhì)”及“電離學說”展開的一系列科學探究體現(xiàn)了科學理論形成與發(fā)展、演進與更新的歷史進程。在前一環(huán)節(jié)電解質(zhì)概念發(fā)展史實的鋪墊基礎上，結合20世紀初科學家們的實驗證據(jù)來支撐學生對電解質(zhì)微觀內(nèi)涵的科學猜想過程，推動了學生對教材中“電解質(zhì)”概念表述的深層理解，是發(fā)展宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

2.3.4??綜合理解，再探酸、堿、鹽溶液

[問題引導]早在19世紀初，科學家們就發(fā)現(xiàn)了酸、堿、鹽溶液具有導電性，經(jīng)歷了一個世紀后，人們才得以從微觀角度解釋其能夠?qū)щ姷谋举|(zhì)。既然酸、堿、鹽溶液的溶質(zhì)NaCl、?HCl、?KOH等屬于電解質(zhì)，你能從電解質(zhì)電離的微觀角度歸納酸、堿、鹽溶液的涵義嗎？嘗試寫出它們的電離方程式。

[學生活動]表達觀點，課堂書寫。

[問題引導]你怎樣評價法拉第和阿倫尼烏斯這兩位科學家呢？

[學生活動]交流討論，各抒己見。

[課后承接]電解質(zhì)溶液中存在著可以自由移動的離子，如果將多種電解質(zhì)溶液混合，不同離子接觸是否會產(chǎn)生變化呢？

設計意圖：?在掌握“電解質(zhì)”及“電離”概念的基礎上，引導學生從電離角度再認識酸、堿、鹽溶液，在遷移應用中診斷學生的模型認知水平;結合學生對兩位科學家評價的觀點交流，發(fā)展學生辯證看待問題的認識觀念，在串聯(lián)知識線的同時發(fā)揮化學史的學科核心素養(yǎng)培育功能。

3??討論

2017年版課標提倡“重視創(chuàng)設真實且富有價值的問題情境，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展”[13]?；瘜W史作為一種真實的歷史情境素材，涵蓋了物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、概念的提出、理論與模型的建立、重大社會成就等多方面內(nèi)容，呈現(xiàn)了化學學科知識的動態(tài)生成過程，蘊含著科學家面對科學問題時的價值觀念與科學探究方法，承載了豐富的學科核心素養(yǎng)內(nèi)涵。結合化學史的化學教學將靜態(tài)知識結論與動態(tài)知識產(chǎn)生過程緊密結合，引導學生追根溯源，既能知其然，又能知其所以然，促進理解學習，加深知識在學生頭腦中的印象，同時能夠體悟到化學知識在歷史進程中的發(fā)現(xiàn)、揚棄、修正、完善、發(fā)展的演進過程，學會用辯證唯物主義和歷史唯物主義的世界觀和方法論看待問題并解決問題。此外，化學史中前輩科學家探索科學真理的艱辛道路蘊含著問題意識與科學探究方法，具有超出教材知識的附加價值。配合化學史進行情境教學，引導學生感悟科學家研究過程中的科學思維與探究方法，精心設計探究活動，在日常教學中有意識地引導學生圍繞“異常”現(xiàn)象或陌生情境進行科學探究，體現(xiàn)了結合化學史培育學生“證據(jù)推理”與“科學探究”等學科核心素養(yǎng)的重要價值?；瘜W史作為教學過程常見的情境素材，不應將其簡單地嵌入導課環(huán)節(jié)或作為學生感悟科學家品質(zhì)的刻意強調(diào)，教師應在化學教學過程中精心設計，適時結合化學史情境串聯(lián)起知識的教學邏輯，滲透其中蘊含的科學思維與探究方法，自然而生動地引出科學家探索真理的艱辛歷程與寶貴品質(zhì)，使課程內(nèi)容與化學史料渾然一體、相輔相成，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的整體發(fā)展。

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