从空气组成发现史中获得智慧

摘要：在“我们周围的空气”复习课中，围绕空气是混合物的实证、燃烧现象与呼吸作用的关系以及燃烧本质的揭秘过程，挖掘了空气组成发现史中蕴含的科学思想与科学方法，以期学生能够从中获得智慧并形成认识世界的正确观念。

关键词：空气组成；科学探究；燃烧现象；呼吸作用；科学观念

文章编号：1005–6629（2014）4–0032–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

空气是与人类生产、生活密切相关的我们“身边的化学物质”，是混合物的典型代表，也是义务教育阶段学生接触的第一个物质体系。义务教育化学课程标准（2011年版）要求学生能够说出空气的主要成分，认识空气对人类生活的重要作用；知道氧气能跟许多物质发生氧化反应；掌握氧气、二氧化碳的主要性质、用途和实验室制法。教学中教师往往重视的也是这些显性的知识与技能。考察化学史不难发现，空气组成的发现史是一段曲折艰辛的科学探究史，其中蕴含了许多科学思想和科学方法。因此，在单元二“我们周围的空气”复习课上，带领学生重新体验空气组成的发现过程，可以促使学生从科学家研究问题的思想和方法中获得智慧，并形成认识世界的正确观念。

1 空气是混合物的实证

小学科学课上，学生通过大量有趣的实验感知了空气的存在，知道空气是一种无色、无味、透明的气体，占据一定的空间，有弹性、有流动性；初二物理学习中，学生又知道了由于重力作用空气会产生大气压强。总之，初三学习化学之前，空气始终被看成是“一种”气体。历史上，空气最初的确也被当成是一种不可再分的元素。鉴于此，复习课上可以首先给学生提出这样一个问题：科学家是如何发现空气组成的复杂性的呢？

限于学生的认知发展水平，如果详细介绍空气组成的发现过程，一下子出现那么多遥远陌生的外国科学家姓名及其研究成果，不但发挥不了化学史应有的作用，反而会增加学生的学习负担，影响学生学习的积极性。所以，教师可以先请学生进行思考：空气看不见摸不着，如果你是科学家，你怎样设计实验证明它不是纯净物而是混合物呢？“混合物”和“纯净物”是本课题中的一对概念，“由一种物质组成”的是纯净物，“由两种或两种以上的物质混合而成”的是混合物。通过前面的学习，学生对“物质组成决定性质”的学科思想已经有了一定的感性认识，在教师的启发下基本能够想到只要证明空气中有两种不同性质的气体就可以说明空气是混合物。这个时候，教师再结合PPT展示生动图片介绍英国化学家梅猷在1674年所做的实验：将一片樟脑放入倒置在水中的钟罩内，用聚光镜点燃樟脑，待燃烧一段时间熄灭后，钟罩内水面上升，但钟罩内仍剩余部分空气，不再支持燃烧[1]。这充分说明了空气中至少存在2种性质不同的气体，一种能够支持燃烧，另一种正好相反。该实验还表明了混合物中各组分相对独立地保持着各自的性质，为后面教学中“混合”与“化合”的区分作了铺垫。

沿袭梅猷的思路，后续的科学家们利用可燃物在水面上燃烧的改进装置测定了空气中氧气的含量。例如，把白磷放在一片小木块或任何能浮的物件上，使它漂浮在水面。为了避免把木块烧毁，在磷和木块之间垫一些不能燃烧的瓦罐碎片，扣上玻璃钟罩。一旦白磷开始燃烧，玻璃钟罩内水面就会上升，进入钟罩内的水大约占原来空气体积的五分之一[2]。在聆听这些史实的过程中，学生会慢慢领悟到，教材中使用红磷燃烧测定空气中氧气含量的实验正是受到了科学前辈们的启发，且依据中学现有的条件做了适当改进，使得操作更简单、方便。然而由于反应体系不是绝对密闭，会给测量结果造成一定的误差。

2 燃烧现象与呼吸作用的关系

教材在介绍氧气、二氧化碳、氮气化学性质时都要提到是否支持燃烧，是否供给呼吸。表面看来，燃烧现象和呼吸作用风马牛不相及，为什么总把二者相提并论呢？在空气组成发现史中可以找到问题的答案。

早在十七世纪六七十年代，波义耳的助手胡克就通过实验研究发现空气对动植物呼吸和植物生长是必需的，并把呼吸比作燃烧。同时代的梅猷认为空气被动物呼吸而丧失作用力与燃烧过程中被吸收是一样的。如果我们仔细分析会发现，燃烧现象和呼吸作用的确在本质上有着惊人的相似：都要消耗氧气产生二氧化碳，过程中都会放出能量。当时的科学家们定然是意识到了这一点，所以他们在进行不同可燃物燃烧实验的同时，常常会借助小白鼠或者亲自对研究的气体进行呼吸。1775年，英国化学家普利斯特里通过加热汞灰（氧化汞）获得氧气后，将小白鼠放在其中，发现小白鼠比在同体积的寻常空气中活的时间约长了4倍；他亲自呼吸了氧气，在“很长时间里身心一直觉得十分轻快舒畅”。对燃烧现象和呼吸作用做过更加深入细致研究的要数法国化学家拉瓦锡，他认为吸入肺中的氧气氧化血液中的含碳物质，产生呼出的二氧化碳，动物体热就是这个氧化过程带来的结果[3]。差不多快一个世纪以后的1860年，法拉第在给青少年所做的关于蜡烛燃烧的讲座中，又把燃烧现象和呼吸作用进行了类比：人体呼吸作用过程中，食物就是人体内部的“燃料”，与吸入的氧气发生作用，生成二氧化碳，同时放出供人体活动的热量，就好比蜡烛燃烧放热一样[4]。这些化学史实使学生茅塞顿开，看来教材的许多知识都是有来源的！这种不仅知其然而且知其所以然的感觉令学生倍加兴奋，深深体会到了傅鹰先生说过的那句话：“化学给人以知识，化学史给人以智慧。”

3 揭开燃烧本质的奥秘

燃烧现象是人类文明以来利用最悠久最广泛的现象之一，利用燃烧反应已有几十万年的历史。我们的祖先利用燃烧产生的热量取暖、加工食物、冶炼金属，一步一步推动着社会的发展。那么，为什么直至近代才揭开其中的奥秘呢？

教师提出问题后，可以请学生自由发表自己的看法。采取“头脑风暴”的形式，畅所欲言，教师暂时不作任何评价。学生提到了以前科研意识不强；科研条件不具备；有学生认为在物质达不到需求的时候不会有更高的精神追求，类似马斯洛的需要层次理论。自由发言以后，科研意识和科研条件对科学研究所起的关键作用引起了学生的共鸣。我国古代拥有辉煌灿烂的文明，为什么近代落后了？其中一个原因就是技术落后了。比如说要研究气体，自然要先收集气体。“工欲善其事必先利其器”嘛！合适的集气装置就显得尤为重要。18世纪初，英国植物学家、牧师黑尔斯发明了“水上集气法”，于是科学家们陆续使用排水法收集各种气体并对其展开研究。排水集气装置和梅猷、普利斯特里、拉瓦锡等使用的玻璃钟罩都是学生非常熟悉的教材呈现过的装置，看来有了“前人栽树”才有我们“后人乘凉”啊！这时，学生的思绪似乎被带到了那个遥远的时代，他们好像忽然顿悟了：科学家们当时定然还制得过其他气体，但是有的气体会溶解在水中，该如何收集溶于水的气体呢？肯定不能用水！那么用什么样的液体来替代水呢？于是反反复复地实验！一次又一次地筛选！常温下唯一的液态金属汞就这样“脱颖而出”，“汞槽集气法”诞生了。

新授课时不少学生对拉瓦锡研究空气成分所用的装置[5]提出质疑：明明知道汞有毒，为什么还要用汞槽来收集气体？现在终于豁然开朗了：氧气毕竟在水里会溶解，对于要得到精确实验数据的科学家来说，汞槽集气当然是首选了。于是，学生们开始啧啧称赞那些精巧的玻璃仪器以及当时科学家们非凡的创造能力。同时，由衷地发出感慨，欧洲的玻璃制造技术领先于世界，给他们科学研究真是创造了得天独厚的条件。不是吗？玻璃是透明的，方便对实验现象进行观察；玻璃受热容易熔化，方便加工成各种所需要的仪器，如曲颈甑等。而我国的玻璃制造业远远落后于欧洲，直到19世纪末20世纪初，才有少数几个生产平板玻璃及玻璃瓶的小厂。想到我们与世界先进国家的差距，学生顿时有一种责任在肩的感觉，无形中加强了情感态度价值观方面的教育。

4 燃烧现象的揭秘给我们的启示

化学学习作为一个特殊的认识过程，是学生学习前人的认识成果的过程，也应当以必然的形式重演人类认识活动的历史发展过程。教学中，学生曾多次对“火到底是什么东西”产生过好奇，历史上科学家们也不例外。是啊，火到底是什么？是一种物质吗？还是一种能量？这个问题引领着科学家们对燃烧现象进行深入研究。

1673年，波义耳做了对比实验：首先在一个抽掉空气的容器中，将硫磺洒在一块烧红的铁板上，发现硫磺只冒烟不燃烧；再在有空气的容器中进行实验，发现硫磺燃烧产生淡蓝色火焰[6]。对比实验有力地证明了燃烧需要空气的参与。那么可燃物与空气是如何作用的呢？早在波义耳之前，法国化学家雷伊就根据金属铅和锡煅烧后增重的事实，提出了自己的猜想：是空气凝结到了铅、锡中，就像干燥的沙土吸收了水分变得更重一样[7]；英国化学家梅猷则认为空气中存在一种“燃气精”，当金属被煅烧于空气中时，这种“燃气精”即与之化合使金属增重[8]。空气中凝结到金属中去的部分或者说“燃气精”，不就像我们所熟知的氧气吗？两位化学家多么富有远见卓识！可惜这些远见卓识在当时并没有引起人们的重视。原因是，当时好多人把目光集中在了燃烧现象上，燃烧现象给人最直观的感觉就是物体在燃烧过程中好像有某种东西从中逃走了。例如，木炭、硫、磷等燃烧时产生了“袅袅青烟，冉冉腾空而去”。于是，“燃素学说”应运而生，该学说认为可燃物含有“燃素”，物体燃烧时释放“燃素”而留下灰烬。由于“燃素学说”能解释当时的许多现象，导致其统治化学界竟然长达一个世纪之久。法国化学家拉瓦锡透过燃烧现象看到了问题的本质，他利用教材呈现的装置[9]进行了汞和氧气的化合以及氧化汞的分解，发现后者释放出的气体正是前者消耗的气体，从而揭开了燃烧的奥秘：可燃物与空气中氧气的结合。

空气组成的确定伴随着氧气的发现和燃烧本质的揭秘，这段科学探究史充满了曲折：在即将接近真相的时候（雷伊、梅猷、波义耳），却又走了很长时间的弯路（燃素学说），最终才又拨开迷雾（氧化学说）。这段科学史告诉我们，科学研究并不是一路坦途，它是一代又一代科学家们不辞劳苦、锲而不舍奋斗的结果；继承中有发展，批判中有进步；质疑中去寻求新证据，取得充分证据后再提出新理论，新理论还要进一步经受事实的检验。科学的发展和进步正是一代又一代科学家们研究积淀下来的结果。

5 认识世界的科学观念

“燃素学说”统治化学界长达一个世纪，当时许多科学大师都是它的信徒，如舍勒、普利斯特里、卡文迪许等，但是该学说最终被证明是错误的。这就说明所有的科学规律、理论，甚至被称为“真理”的东西无非都是科学家的“发明”，是暂时获得较为广泛认可、并被大量实践检验的假说。这段化学史警醒我们在教学中要让学生带着“目前人们是这样认识世界”而非“世界本来就是这样”的态度去理解科学问题，这样才能使学生产生“也许目前这样的认识并不正确”、“也许还有更加接近真实的认识”这种批判的科学态度，对学生的质疑精神和批判意识的培养才成为可能[10]。拉瓦锡时代，科学家研究发现空气由氮气和氧气两种气体组成，一个世纪以后，英国物理学家瑞利和化学家拉姆塞不放过小数点后第三位数字的差异[11]，才最终导致了稀有气体的发现。由此可见，人们对世界的认识是具有阶段性和发展性的。这时候，教师可以趁热打铁告诉学生，为了区别于分子构成的物质，初三阶段，我们认为金属是由原子直接构成的；到了高中甚至大学，这个看法就不正确了，关于金属晶体结构的各种理论会拓宽我们认识金属的视野。再如，初中阶段我们从元素组成上看化学反应，将其划分为4大基本类型；到了高中阶段，这种不完全覆盖式的划分方法就不能满足学习需要了，所以我们重新确定标准，从更加本质的层面上将化学反应划分为氧化还原反应和非氧化还原反应。这种科学观念的渗透给学生今后看问题指明了方向。

新课程提倡教师要“引导学生体验科学探究的过程，启迪学生的科学思维[12]”。科学思维是科学创造的源泉，化学教育的任务不仅仅在于向学生传授化学科学知识，而且还要善于揭示蕴含于各种化学理论、概念、发明、发现中的化学家的科学思维方法。体验空气组成发现史的过程，就是引导学生用心体会科学家科学思维的过程，目的是尽可能把它内化成为可以适用于自己的思维方式，在增长见识的过程中获得智慧。

参考文献：

[1][3]柏廷顿著，胡作玄译.化学简史[M].北京：中国人民大学出版社，2010：66，106，142.

[2]法布尔著，顾均正译.化学奇谈[M].北京：中国青年出版社，1981：66～69.

[4]麦·法拉第著，黎金译.蜡烛的故事[M].上海：少年儿童出版社，1978：113～119.

[5][9]王晶主编.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上）[M].北京：人民教育出版社，2012：26.

[6]袁翰青，应礼文.化学重要史实[M].北京：人民教育出版社，1989：21.

[7][8]林承志.化学之路[M].北京：科学出版社，2011：77～78.

[10]魏锐.中学化学课程学科结构研究[M].北京：北京师范大学出版社，2012：67.

[11]白建娥，刘聪明.化学史点亮新课程[M].北京：清华大学出版社，2012：53.

[12]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012：1.