以學(xué)科文化為載體“演繹”瑣碎的化學(xué)知識
——以滬教版初三化學(xué)“水的組成”的教學(xué)為例

胡正怡

（進才中學(xué)北校 上海 200135）

一、問題的提出

老師說，今天我們學(xué)習(xí)“水的組成”，想必初三學(xué)生都知道水的化學(xué)式是“H2O”，為何如此肯定？初三化學(xué)第一節(jié)課“體驗化學(xué)變化”中三個實驗有兩個都涉及到水，羅列三個方程式，一部分學(xué)生就已經(jīng)記住了。第二章“構(gòu)成物質(zhì)的微粒”，又有哪個學(xué)生不是把“水是由氫元素和氧元素組成的”“一個水分子是由兩個氫原子和一個氧原子構(gòu)成的”當(dāng)成公式一樣背？到了“質(zhì)量守恒定律”又是拿水作為例子，再炒一遍，學(xué)生早已爛熟于心。“水的組成”這節(jié)課作為第三章“溶液”的開篇似乎三兩句話就可以講完，最多再加兩個實驗，根本不需要花費一個課時。

問題在于，這看似簡單的“H2O”，學(xué)生是否明白它的文化內(nèi)涵與價值？是否能體會這個化學(xué)式的由來之曲折？為什么做完了電解水實驗依然有部分學(xué)生會脫口而出：“水是由氫氣和氧氣組成”的？做實驗的意義又在哪里？

這節(jié)課從知識點本身來說非常簡單，若干年以后，若非從事與化學(xué)相關(guān)的職業(yè)，學(xué)生早就把“水的組成”忘得一干二凈。其實，學(xué)化學(xué)和學(xué)其他經(jīng)典學(xué)科一樣，主要是為了學(xué)文化，樹立獨特而又通達(dá)的世界觀，［1］這才是讓學(xué)生終身受益的，而不是為了在當(dāng)下的中考中拿到這一兩分。

“終身受益”［2］這個目標(biāo)有點遠(yuǎn)，我們眼前的初三化學(xué)淺顯而瑣碎，如果能找到一個合適的載體，將零散的化學(xué)知識生動形象地演繹出來，學(xué)生的心門被打開，學(xué)生的思維品質(zhì)也能得到提高。本文以“水的組成”為例，闡述在實際教學(xué)中學(xué)科文化的滲透。

二、“化學(xué)史”為明線貫穿整節(jié)課

化學(xué)史深入課堂是不少教師熱衷的教法之一，既是化學(xué)文化的表現(xiàn)形式，也為課堂增色不少?！八慕M成”的化學(xué)史上涉及多位科學(xué)家、理論學(xué)說和裝置發(fā)明等，如何用好這段歷史，充分發(fā)揮它的功能呢？

1.史實性話題引入

水的發(fā)現(xiàn)史體現(xiàn)了人類文明的進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的人文素養(yǎng)，也有利于學(xué)生從元素觀的角度認(rèn)識物質(zhì)的組成，更直接地指向本節(jié)課的核心內(nèi)容。不妨通過“微信朋友圈”這樣一種時下流行的方式，事先用錄屏軟件錄制好三位科學(xué)家發(fā)朋友圈的小視頻，呈現(xiàn)在白板上，引導(dǎo)學(xué)生假想當(dāng)時的科學(xué)家會發(fā)什么樣的朋友圈。

教學(xué)片段：

【教師】古希臘人曾認(rèn)為水是一種元素，這種觀點持續(xù)了很長時間，直到18世紀(jì)末，三位化學(xué)家先后展開了對水的組成的研究，水的真面目才逐步被揭開。（如圖1所示）

圖1 白板呈現(xiàn)：研究“水的組成”的歷史線

【教師】如果18世紀(jì)末就有微信的話，普利斯特里會發(fā)什么樣的朋友圈呢？（見圖2）

圖2 白板呈現(xiàn)（視頻）：普利斯特里的朋友圈

【教師】普利斯特里提到的“易燃空氣”是誰呢？

【學(xué)生】氫氣、天然氣、煤氣、酒精……

【教師】看來大家有分歧，1781年普利斯特里把他的發(fā)現(xiàn)告訴了卡文迪許，他非常感興趣，作了進一步的研究。（見圖3）

圖3 白板呈現(xiàn)（視頻）：卡文迪許的朋友圈

【教師】生成“水”說明了什么?

【學(xué)生】水是一種化合物

【教師】真相了?？上н@兩位化學(xué)家受當(dāng)時錯誤觀念的束縛，與真相還是失之毫厘。直到1783年，卡文迪許的助手將這一實驗告訴了拉瓦錫，他隨即進行了跟蹤實驗。

圖4 白板呈現(xiàn)（視頻）：拉瓦錫的朋友圈

【教師】最后推翻了“水是一種元素”這個錯誤觀點的是誰？

【學(xué)生】拉瓦錫

這樣的形式瞬間抓住了學(xué)生的眼球，體會科學(xué)研究不是直線上升的過程，科學(xué)的發(fā)展受技術(shù)的限制，也被傳統(tǒng)觀念左右著，在研究中不斷發(fā)現(xiàn)、不斷進步。體會科學(xué)發(fā)展之艱難的同時，體會質(zhì)疑精神。

人類認(rèn)識水經(jīng)歷了漫長的過程，期間發(fā)生的許多故事，極具傳奇色彩，為了更好地凸顯化學(xué)史的文化價值，將水的發(fā)現(xiàn)史貫穿整節(jié)課，學(xué)生循著歷史的進程重走科學(xué)探索之路，才能發(fā)揮出化學(xué)史最大的效用。這里“拉瓦錫”是一位關(guān)鍵人物，他關(guān)系到本節(jié)課歷史線的起承轉(zhuǎn)合以及實驗的引出。

2.拉瓦錫實驗的關(guān)鍵作用

由于第二章學(xué)生已學(xué)過經(jīng)典的拉瓦錫測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)實驗，從這個經(jīng)典實驗入手，得出確定化合物組成的一種方法，遷移到水的組成的探究，貼近學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)。

教學(xué)片段：

【教師】我們最早是在哪里認(rèn)識拉瓦錫的？

【學(xué)生】測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

【教師】這個實驗中涉及到兩個化學(xué)反應(yīng)，汞和氧氣在加熱的條件下生成了紅色粉末，將紅色粉末加強熱，又重新生成了汞和氧氣。請問，紅色粉末由哪些元素組成？

【學(xué)生】汞元素和氧元素。

【教師】你的依據(jù)是什么？

【學(xué)生】質(zhì)量守恒定律。

【教師】汞和氧氣屬于什么類別的物質(zhì)？

【學(xué)生】單質(zhì)。

【教師】紅色粉末屬于什么類別的物質(zhì)？

【學(xué)生】化合物。

【教師】為什么？

【學(xué)生】因為反應(yīng)物提供了兩種元素，但生成物只有一種。

【教師】這個反應(yīng)的基本類型是什么？

【學(xué)生】化合反應(yīng)。

【教師】所以，我們可以通過什么方法來推斷化合物的元素組成？

【學(xué)生】兩種單質(zhì)化合生成一種化合物來推斷它的元素組成。

【教師】非常好，還有哪個角度可以推斷化合物的組成呢？（同時指向白板，見圖5）

圖5 白板呈現(xiàn)：推斷化合物的組成

【學(xué)生】分解。

【教師】其實這個實驗和測定水的組成的實驗有著異曲同工之妙，拉瓦錫正是從“分解”“化合”兩個角度證明了水的組成。

【教師】我們有沒有學(xué)過化合生成水的反應(yīng)？

【學(xué)生】氫氣燃燒。

【教師】那有什么方法可以使水分解呢？

【學(xué)生】電解。

【教師】在拉瓦錫那個時代，電還沒有被廣泛地應(yīng)用，聰明的拉瓦錫將水蒸氣通過一根燒紅的槍管，得到了“易燃空氣”，這個“易燃空氣”是什么？

【學(xué)生】氫氣。

【教師】雖然拉瓦錫不是第一個研究“水的組成”的，但最后真相卻是由他揭開，所以科學(xué)探究需要哪些精神呢？

【學(xué)生】不懼權(quán)威、站在前人的肩膀上……

以拉瓦錫實驗作為鋪墊，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識化合與分解這兩種研究水的組成的方法，思維模型分別是“單質(zhì)甲+單質(zhì)乙+……→化合物丙，則化合物丙是由反應(yīng)物中所有物質(zhì)中的全部元素組成的”和“化合物丙→單質(zhì)甲+單質(zhì)乙+……，則化合物丙是由生成物中所有物質(zhì)中的全部元素組成的”。兩種逆向的模型思維在學(xué)生腦海中刻下印記，學(xué)生將運用已有的知識去解決新的問題，考驗知識遷移的能力，不僅僅培養(yǎng)了學(xué)科思維品質(zhì)，也是一種證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)的體現(xiàn)。

這里有一個細(xì)節(jié)問題常被忽視，如圖5所示，汞和氧氣化合的條件是加熱，紅色粉末分解的條件又是加熱，兩個加熱沒有區(qū)別的話對學(xué)生來說是莫名其妙的，在加熱條件下到底是化合還是分解呢？其實這兩個加熱的溫度是不一樣的，分解一般都是吸熱的，化合一般都是放熱的，我們可以這樣理解，溫度較低的加熱就是吸熱，相對較高溫度的加熱來說就是降低了溫度，所以前一個加熱可以理解為引發(fā)反應(yīng)，僅僅需要反應(yīng)速度，這是一個必要條件，后一個加熱是既引發(fā)反應(yīng)又有利于分解、有利于平衡正向移動，絕大部分分解反應(yīng)都是吸熱的，雙氧水分解放熱是由于雙氧水本身太不穩(wěn)定，這就是化學(xué)文化了。這兩個加熱的區(qū)別要搞清楚，鑒于學(xué)生尚處于初三階段，不妨把后一個加熱換成加強熱，學(xué)生心里就有底了。

3.宏觀到微觀的過渡

前半節(jié)課通過重走科學(xué)探索之路可以很順利地落實水的宏觀組成這一授課重點，而本節(jié)課的研究重點并不止步于此，如何引導(dǎo)學(xué)生透過宏觀的現(xiàn)象去理解微觀的本質(zhì)呢？這是本節(jié)課的難點。繼續(xù)沿著歷史線帶領(lǐng)學(xué)生一步一步往前走可以順其自然地引出水分子的微觀構(gòu)成，培養(yǎng)學(xué)生用微粒的觀點去解釋宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)的能力。

教師可在前半節(jié)課小結(jié)階段板書“H O”并向?qū)W生提問：“這是不是水的化學(xué)式？”學(xué)生自然知道缺少了下標(biāo)，不是水的化學(xué)式，學(xué)生也能夠意識到雖然拉瓦錫正式確立了水的元素組成，但這還不足以確立水的化學(xué)式。此時，教師就可以按照科學(xué)研究的歷史順序，呈現(xiàn)1803年道爾頓的原子學(xué)說和1811年阿伏伽德羅的分子學(xué)說，并引導(dǎo)學(xué)生“下標(biāo)”如何確立。進一步體會質(zhì)量守恒等觀念。

將化學(xué)史作為整節(jié)課的主線（見圖6），從普利斯特里和卡文迪許兩位科學(xué)家的故事入手，以拉瓦錫實驗作為核心，引導(dǎo)學(xué)生提煉出一種推斷化合物組成的方法，并且將這種方法應(yīng)用于對水的研究，在宏觀上研究了水的元素組成，且從微觀的角度驗證了水分子的構(gòu)成，像這樣將化學(xué)史的效能發(fā)揮到最大化，學(xué)生既學(xué)習(xí)到人類文明、體會到科學(xué)精神，又得到了化學(xué)思維的訓(xùn)練。

圖6 白板呈現(xiàn)：研究“水的組成”的歷史線

三、“元素觀”“微粒觀”為暗線串起碎片知識

作為中學(xué)化學(xué)的兩大核心觀念，“元素觀”“微粒觀”是初中階段教師應(yīng)幫助學(xué)生建構(gòu)起來的，這種概念依靠知識點的羅列能否成功建構(gòu)？雖不影響考試，但學(xué)生若只是單純地記憶能否開辟出化學(xué)的視角去認(rèn)識世界、解釋世界呢？學(xué)生的思維品質(zhì)是否會越來越僵化呢？

到目前所學(xué)內(nèi)容為止，教材給了學(xué)生很多次機會樹立“元素觀”“微粒觀”，早在第一章“世界通用的化學(xué)語言”就擺出了初中階段需要掌握的元素，然而會背會寫并不意味著“元素觀”的形成；同樣地，在第二章里“分子”“原子”更是頻繁出現(xiàn)的主角，學(xué)生是否能用微粒的觀點去解釋宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)？

1.以實驗為支撐建構(gòu)“元素觀”

“水的組成”這節(jié)課的實驗通常是氫氣燃燒和電解水，通過化學(xué)史的學(xué)習(xí)學(xué)生已經(jīng)知道三位科學(xué)家都通過氫氣燃燒合成了水，那么如何有效地落實“化合與分解兩種方法推斷化合物的元素組成”這一思維模型呢？實驗必不可少。

（1）氫氣燃燒

教材上將“氫氣燃燒”作為演示實驗，在課堂上當(dāng)場做無疑能夠讓學(xué)生情緒高漲，從激發(fā)學(xué)生的興趣的角度而言是無可挑剔的。但學(xué)生對于氫氣燃燒應(yīng)該不是首次接觸了，在第二章學(xué)習(xí)氧氣的性質(zhì)時就包括了氫氣燃燒，不妨改成視頻實驗，學(xué)生也是有興趣的，也可以為后續(xù)的實驗騰出更多時間。

（2）電解水

在探討分解水的方法時，除了遵循化學(xué)史上拉瓦錫的實驗，教師通常會給出如下的信息：“水具有很高的熱穩(wěn)定性，即使加熱到2000 K（約1726.85 ℃），也只有0.588%的水分解?！?/p>

給出這個信息的目的是讓學(xué)生感知一般的實驗條件難以使水分解，但2000 K（約1726.85 ℃）這個溫度實際上學(xué)生是沒有概念的，必須要跟學(xué)生說清楚，什么叫2000 K（1700 ℃）？不妨再給出如下信息：

“鐵的熔點：1538 ℃；銅的熔點：1083.4 ℃”

用鐵、銅的熔點作對比，這樣學(xué)生就有感覺了，1700 ℃時鐵、銅都熔化了，原來要達(dá)到那么高的溫度水才有千分之幾的分解，學(xué)生能更深刻地認(rèn)識到分解水之困難，再順著歷史線引出“電解水”就順理成章了。

“電解水”教材上安排的也是演示實驗，對于有條件的學(xué)校而言，可以為每一組同學(xué)配備微型水電解器和學(xué)生電源，讓學(xué)生自己動手進行驗證，通過分析和討論，得出結(jié)論，印象深刻。但也有相當(dāng)一部分學(xué)校配備的只是供教師演示的霍夫曼水電解器，雖然該裝置較為古老、存在較多缺陷，但它正符合本節(jié)課化學(xué)史的一個時間節(jié)點。對于陽極容易被氧化而導(dǎo)致電解液變紅的問題，可以用20%的硫酸鈉溶液代替常用的氫氧化鈉或硫酸作為電解液，通電較長時間電解液也不會變色；由于課上時間有限，3～5 min產(chǎn)生的氫氣較少，用點燃法檢驗氫氣時火苗太小，有兩個辦法可以解決，一是準(zhǔn)備一張干燥的薄紙，把紙湊到火苗上點著，這樣現(xiàn)象就明顯多了，遠(yuǎn)處的學(xué)生也都能看見，比同屏器效果更好；二是準(zhǔn)備一根足夠長的鉑絲，制成螺旋狀，纏繞在鐵電極上，這樣可以深入電解液足夠深，短時間內(nèi)通電就可以使液面降到玻璃管的一半以下，得到較多氫氣，再配合液壓，點燃時可以觀察到很長的火苗。

裝置優(yōu)化之后，有了現(xiàn)象明顯的實驗提供的有力支撐，學(xué)生對電解水實驗產(chǎn)生直觀體驗，通過觀察顯性的實驗感悟化學(xué)研究物質(zhì)元素組成的科學(xué)過程與方法，理解水在化學(xué)變化中可分，進一步理解規(guī)律：在化學(xué)變化前后，原子的種類不變、元素的種類也不變，初步判斷水是由氫元素和氧元素組成的，利用生成物的元素組成來判斷反應(yīng)物水的元素組成，同時感悟守恒思想，并內(nèi)化為自己的知識，在觀賞和分析的過程中潛移默化地進行著“元素觀”的自主建構(gòu)，顯然，“電解水”實驗為發(fā)展學(xué)生從元素的視角來重新認(rèn)識水及其變化起到舉足輕重的作用，值得作進一步的改進研究。

2.計算與模型聯(lián)合建構(gòu)“微粒觀”

（1）計算環(huán)節(jié)將宏觀與微觀相結(jié)合

如何得知水分子中氫氧原子的個數(shù)比就是2∶1？對不少學(xué)生而言這已經(jīng)是個想當(dāng)然的結(jié)論了，要不要讓學(xué)生思考交流？知道2∶1這個結(jié)論并不是我們所追求的，如何在建構(gòu)知識的過程中培養(yǎng)學(xué)生的“微粒觀”以此提升學(xué)生的思維品質(zhì)才是有教育價值的。學(xué)生通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎愕贸?∶1的結(jié)論，收獲的不僅僅是一個化學(xué)式，更多的是培養(yǎng)一種用微粒的視角來看待宏觀物質(zhì)的能力。

教師可以給出氫氣和氧氣的密度數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生從定量的角度結(jié)合相關(guān)的物理公式和化學(xué)式推算，由體積比推導(dǎo)到質(zhì)量比，再由質(zhì)量比推導(dǎo)到物質(zhì)的量之比最終得出結(jié)論。這個環(huán)節(jié)緊接著電解水實驗之后，學(xué)生不難想到將電解水實驗中氫氣和氧氣的體積比數(shù)據(jù)運用到這一步的計算中，將宏觀與微觀有機結(jié)合共同構(gòu)筑起相互聯(lián)系、完整的認(rèn)知系統(tǒng)，對學(xué)生的宏觀辨識與微觀探析素養(yǎng)的培養(yǎng)很有幫助。

（2）模型拼搭將微觀世界可視化

“微粒觀”的建構(gòu)一直是化學(xué)啟蒙階段的教學(xué)難點，最常用且有效的教學(xué)策略是采用模型來展示化學(xué)反應(yīng)過程，幫助學(xué)生更好地理解分子、原子的微觀結(jié)構(gòu)以及化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)，化“看不見”為“看得見”。球棍模型常用于分子、原子的結(jié)構(gòu)分析，但不適于表現(xiàn)整個化學(xué)反應(yīng)的微觀過程，因此本節(jié)課的教學(xué)中，可以給每組學(xué)生發(fā)一塊小型白板，用兩種不同顏色的磁力貼分別表示氫原子和氧原子，由學(xué)生在剛才計算的基礎(chǔ)上拼搭出氫氣燃燒或電解水的微觀反應(yīng)過程，驗證水的化學(xué)式的正確性，學(xué)生拼搭結(jié)束后，教師可以呈現(xiàn)如下信息：

“1809年化學(xué)家蓋·呂薩克實驗得出，氫氣和氧氣點燃生成水蒸氣，氣體的體積比是2∶1∶2”再一次將觀念建構(gòu)融入化學(xué)史中，首尾呼應(yīng)。模型教學(xué)將抽象的微粒變得形象直觀，學(xué)生能夠更深層次地感悟守恒思想，體會到分子、原子的“分分合合”乃是化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，學(xué)會從宏觀和微觀兩個層面來分析化學(xué)變化本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生由表及里地學(xué)習(xí)，突破難點的同時，進一步培養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)。

在實際教學(xué)中，學(xué)生拼搭的水分子模型各不相同，有把三個原子呈一條直線排列的、也有三個原子擠在一起的、還有把三個原子拼成“米老鼠頭”的，說明學(xué)生對于原子如何構(gòu)成分子的想法各不相同，教師可以抓住這一點向?qū)W生提問：“氫原子和氧原子到底是以哪種方式構(gòu)成水分子的呢？”，留下這樣一個懸念給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生自主探究微觀世界的欲望，同時也為將來高中階段“化學(xué)鍵”的學(xué)習(xí)埋下伏筆。

充分運用計算和模型相配合，在教學(xué)中滲透“元素觀”和“微粒觀”等學(xué)科核心觀念，讓教與學(xué)回歸學(xué)科文化，帶給學(xué)生的不僅僅是知識更是思想內(nèi)涵。

四、結(jié)語

“化學(xué)真的是一種文化?！保?］我們在進行教學(xué)設(shè)計時應(yīng)該注意到，化學(xué)不是單純的知識羅列，每一堂化學(xué)課都有它的文化內(nèi)涵，諸如“水的組成”這樣簡單的知識點，我們也應(yīng)該去挖掘它背后所承載的學(xué)科文化，落實學(xué)科核心觀念與素養(yǎng)，帶給學(xué)生思維品質(zhì)上的提升。