基于化学史的科学探究教学实践——以“空气的成分”为例

周爱平

（桂林市教育科学研究所，广西 桂林 541001）

基于化学史的科学探究教学实践
——以“空气的成分”为例

周爱平

（桂林市教育科学研究所，广西 桂林 541001）

恰当使用化学史对科学探究有启发和指导作用。将化学史融入课堂教学，让学生沿着科学家的足迹重温科学探究之路，有利于实现课程标准要求的三维目标。文章以科学家发现空气成分为案例，介绍利用化学史促进探究教学的研究。

化学史；科学探究；空气成分；科学素养

《义务教育化学课程标准（2011年版）》指出：“义务教育阶段化学课程的科学探究，是学生积极主动地获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动。科学探究对发展学生的科学素养具有不可替代的作用。”

科学探究原指科学家用科学的方法探求事物本质规律以及生产知识的过程。在教学实践中，如果充分挖掘化学史料作为课程资源并转化为探究情景，引导学生开展探究，对学生学习科学方法，养成科学的态度，提高科学素养是大有裨益的。

本文所呈现的科粤版九年级化学上册第二章《2.1空气的成分》（第一课时）的教学实践，就是利用化学史知识进行科学探究的一次探索。

一、设计思路

本节课采用“以化学史为线索，创设情景；以实验探究为手段，展开活动”的教学策略，[1]通过两个化学史资料追踪科学家发现空气成分的曲折历程，仿照拉瓦锡实验对空气里氧气的含量进行探究，认识空气的两种主要成分——氮气和氧气的体积含量，初步了解科学探究的一般方法；通过瑞利等科学家发现氩气等稀有气体的史实培养学生的科学态度和探究能力。

本节课利用化学史促进科学探究教学的流程如图1所示：

图1 化学史促进科学探究教学流程

二、教学目标

（一）知识与技能

1.能说出空气的主要成分，知道空气里氧气体积含量的测定方法；

2.知道氮气和稀有气体的特性和用途，认识空气对人类生活的重要作用；

3.初步认识纯净物、混合物的概念。

（二）过程与方法

1.初步了解科学家发现空气成分的过程与方法，增进对科学探究的体验；

2.初步学习运用观察、比较、分析、归纳等方法对信息进行加工的科学方法。

（三）情感态度与价值观

1.重温科学家发现空气成分的过程，体会科学家的研究思想、方法和科学态度；

2.初步养成严谨求实、敢于质疑和勤于思考等科学品质；

3.初步建立科学的物质观，认识到科学是不断发展、完善的过程。

三、教学实录

［教师］同学们，我们生活在空气的“海洋”里，一刻也离不开空气，正是空气使地球显得生机勃勃。人类对空气的认识经历了漫长的时间，许多科学家的不断探索才让我们逐渐揭开空气神秘的面纱。今天就让我们站在巨人的肩膀上认识空气吧。

［教师］十八世纪中叶以前，人们都以为空气是一种单一的物质，十八世纪七十年代，法国化学家拉瓦锡用实验证明空气主要成分是氮气和氧气。他是如何得出这一结论的呢？

［教师］（投影图1）拉瓦锡将银白色的液态汞（水银）放置于密闭的玻璃容器中，持续加热12天后，发现部分汞变成红色粉末，汞槽里的水银升入钟罩，而容器里的空气体积则减少了约1/5，而且剩余气体不支持燃烧和呼吸。于是他第一次用实验证明了空气由氧气和氮气组成，氧气约占空气体积的1/5。

［教师］拉瓦锡根据什么现象判断氧气约占空气体积的五分之一？为什么？

［学生］容器里的空气体积则减少了约1/5。因为氧气消耗后容器内气体压强减小，钟罩内汞的高度升高，升高的体积就是氧气的体积。

［教师］实验中水银消耗的是什么物质？

［学生］（齐答）氧气。

［教师］能否用其他药品代替水银呢？

［学生1］应该可以，只要药品和氧气能反应。

［学生2］如果这种药品能和氮气反应也不行，所以这种药品只能与氧气反应。

［教师］实验中水银反应后生成的是粉末，如果生成气体对实验结果有影响吗？

［学生3］有，如果生成气体，就“没有”气体压强差，就没有水银液面变化了。

［教师］水银的多少对实验结果有影响吗？

［学生4］有。如果水银不够，那么测得的结果就是氧气少于1/5体积。

［教师］如果装置漏气对实验结果有影响吗？

［学生5］当然有。如果装置漏气，就不可能产生压强差了。

［教师］同学们非常细心，发现了拉瓦锡实验的关键点，我们可以这样概括这个实验：在密闭的空间内，利用足量药品将氧气消耗，根据进入钟罩的水银体积判断氧气的体积。

［教师］学生在初二物理学习了有关大气压强的有关知识，从实验原理、药品选择和装置选择三方面重温拉瓦锡发现空气成分的过程，为接下来的探究做好铺垫。

［教师］仿照拉瓦锡的实验，我们也来测定空气里氧气的含量。（投影图3，用图示装置完成测定空气里的氧气含量实验，等待集气瓶冷却时请一位学生触摸集气瓶外壁。）

图3 测定空气里的氧气含量

［教师］燃着的红磷进入集气瓶后，瓶内出现什么现象？

［学生］（齐答）红磷燃烧产生大量白烟。

［学生6］我刚才触摸了集气瓶，感觉到很热，所以红磷燃烧是放热的。

［教师］红磷燃烧消耗了瓶内的什么物质？

［学生］（齐答）氧气。

［教师］松开止水夹后出现什么现象？怎么解释？

［学生］（齐答）烧杯的水进入集气瓶，到达刻度1处。

［教师］（板书）实验现象：红磷燃烧，产生大量白烟并放出热量，打开止水夹后水进入集气瓶中，约占1/5体积。

［学生7］红磷消耗了瓶中的氧气，气压减小，水就进入瓶中。

［教师］为什么要等到集气瓶冷却后才松开止水夹？

［学生8］因为红磷燃烧放热，如果没冷却，气体体积会膨胀，进入的水可能不到刻度1。

［教师］这个实验能否得出氧气约占空气体积的1/5的结论？

［学生］（齐答）可以。

［教师］（板书）实验结论：氧气约占空气体积的1/5。

［教师］（投影图1和图2）如果要得出正确的结论，你认为在本实验中应该注意什么？

［学生9］（经过短暂时间讨论）我们认为，要得出正确结论，药品必须是与水银、红磷一样只与空气反应，而且量要充足。

［学生10］我们认为，使用红磷的装置必须保证不漏气，而且红磷放入集气瓶要快。

［教师］为什么红磷放入集气瓶要快？

［学生10］因为如果慢的话，集气瓶的有些气体就会受热膨胀，从瓶子“跑”出来，结果就不准确。

［学生11］打开止水夹要等到集气瓶冷却以后，否则气体就会受热膨胀，结果也不准确。

［教师］刚才我们仿照拉瓦锡的实验，也成功地探究出空气里氧气的含量。大家开动脑筋，总结出红磷实验成功的关键，非常不错。

［教师］“测定空气里的氧气含量”是初中化学一个重要的科学探究内容，此时学生化学知识储备不足，还无法根据实验目的选择实验装置、化学反应和进行实验操作，因此本实验主要目的在于引导学生根据现象得出结论，分析药品、操作和装置气密性对实验结果的影响。有了拉瓦锡实验的铺垫，学生很容易理解实验原理和实验成功的关键。

［教师］科学家对空气成分的探索并没有结束。19世纪末，英国物理学家瑞利在研究气体密度时，发现从空气分离出的氮气密度（1.2572 g·L-1）与用化学方法制得的氮气密度（1.2508 g·L-1）存在一个微小的差异。瑞利没有放过这一微小差异，他与其他科学家合作发现了稀有气体氩。后来经过多位科学家更加精密的实验进一步探究，又发现稀有气体还有氦、氖、氪、氙等。

［教师］在通常情况下，空气中的各种成分的比值保持相对稳定。（板书）

图4 空气中各种成分与空气总体积的比例

［教师］利用化学史知识对学生进行科学态度和科学精神的渗透，使学生们明白：在实验探究过程中要敢于质疑，不轻信权威，坚信实验事实。空气成分的不断发现，也使学生意识到科学是在不断发展的，需要人们不断探索。

［教师］空气不是单纯的一种气体，它有多种气体成分，我们称它为混合物，氮气只由一种物质组成，我们称它为纯净物。（板书混合物、纯净物概念）

［教师］在组成空气的各种成分中，氮气含量最多，稀有气体含量很少，这些气体都有各自的性质和用途。请大家阅读课本33页，了解氮气和稀有气体的特性和用途。

［教师］小结氮气和稀有气体的特性和用途，指出这些气体有各自的用途，物质的用途是由它们的特性决定的。

［教师］同学们，下课时间马上到了，请你谈谈本节课的收获。

［学生12］我知道空气是一种混合物，以及各种成分的含量。

［学生13］我知道氮气和稀有气体的特性和用途。

［学生14］我知道很多发现需要实验证明，也学到科学家的严谨。

［学生15］我知道利用红磷测定空气中氧气含量的方法，包括选择什么药品、什么装置，要怎么操作。

……

［教师］同学们，这节课我们站在巨人的肩上，也当了一次科学家，探究了空气的成分。学习了氮气、稀有气体的特性和用途，以及什么是混合物和纯净物，初步学习用实验进行探究的方法。氧气是空气中的一种成分，它有哪些性质和用途呢？在我们以后的学习中还会继续探究。

［教师］本环节改变传统课堂突出知识、教师将知识点重复或通过练习强化的做法，让学生畅所欲言，不仅可以检测知识目标达成情况，也能提高他们的表达与交流能力，教师适当的点评和赞赏，更能激发学生进一步学习化学的热情。从学生的反馈情况可看出，学生收获的不仅是知识目标，在方法、态度和科学精神等方面都受到熏陶。

四、结语

著名化学家傅鹰说过：化学给人以知识，化学史给人以智慧。在初中化学教学中，巧妙利用丰富的化学史作为课程资源并转化为探究情景，引导学生开展科学探究，不仅有助于激发学生的学习兴趣和求知欲望，也让学生在“做科学”的探究里获得科学思想和科学方法的启迪。化学教师应当将化学史作为一种开发教学内容的素材性资源来合理利用，充分发掘化学史的教育教学功能，[2]将化学史融入真实的科学探究活动中，使化学史教育成为提高学生科学素养的一个重要途径。

[1]葛秋实，王秀红．基于化学史的教学设计：与科学家对话——重温氯的发现之旅[J]．化学教育，2011(1)：35.

[2]程晓丹，濮江．基于文献分析的化学史教育教学现状与建议[J].化学教育，2011(3)：73.

The Practice of Scientific Inquiry Teaching Based on the History of Chemistry——Taking“the Composition of Air”as an example

Zhou Aiping
(Guilin Institute of Educational Research,Guilin,Guangxi 541001,China)

The appropriate use of the history of chemistry plays an enlightening and guiding role in the method of scientific inquiry. Integrating the history of chemistry into the classroom teaching and developing the students’ability to inquire scientifically along the successful road of great scientists greatly help ensure the fulfillment of the three-dimensional goals in terms of the requirements of the National Standard Curriculum.This paper will not only discuss some typical cases of the composition of air found by some renowned scientists,but also introduce the research on the promotion of inquiry teaching through the method of history of chemistry.

the history of chemistry;scientific inquiry;composition of air;scientific quality

G633.8

A

1001-7070（2016）02-0147-04

10.16020/j.cnki.cn45-1302/z.2016.02.038

（责任编辑：杨建香）

2016-02-23

桂林市教育科学“十二五”规划课题“基于科学探究的初中化学课堂教学案例研究”（项目编号：2015A-04）研究成果之一。

周爱平（1976-），男，广西桂林人，桂林市教育科学研究所中学化学教研员，主要从事中学化学教学与研究。