用科学的方法教真实的化学

郭金花 王金龙

摘要：化学公开课的失真属于是否“真实地教化學”的问题，它与“教真实的化学”是两个不同的概念。一个是态度问题，一个是理念问题，后者更有研究的价值。“真实的化学”包括两个方面：一是化学学科的真实性，即化学学科本来的面貌；二是化学学习的真实性，即化学学习是动态生成的。该文呈现在高一化学“甲烷”公开课中用三种科学的方法教真实的化学的尝试：用化学史还原知识形成的真实脉络；用创新实验揭示现象背后的真实原因；用及时性评价诊断课堂中真实的生成性问题。

关键词：化学教学失真；科学的方法；真实的化学

文章编号：1008-0546（2018）11-0015-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.005

前不久，在为开设公开课查找文献资料时，笔者发现有不少论文讨论了公开课、优质课、示范课等失真的问题。例如：优质课中授课者为了取悦评委、获取高分，对所授知识进行“精心包装”、对实验现象进行“刻意”描述、对教学过程进行“程序设计”，可谓煞费苦心、用尽心思，使得化学课堂失去了真实的面孔。再如：“公开课准备时间长，成本高，被教师们称之为豪华课，华而不实，这样的课平时常规教学不能复制，只能看不能用，课上得很漂亮，学生什么都不会。”对于这些言论，暂且不谈对为了公开课而“煞费苦心”、“用尽心思”的老师情感的严重伤害，其实这样的言论本身就是“失真”的。既然是比赛，“获取高分”的想法可谓人之常情，再真实不过。“精心包装”是对开课的重视，是对学生、评委、听课老师的一种尊重，就好比重要客人来访需穿戴整齐，精心打扮一样。“对教学过程进行程序设计”是为了使教学设计更合乎逻辑，合乎学生的实际，预设是为了更好的生成。“准备时间长，成本高”，恰恰反映了要想真正提升学生的核心素养并不是一件简单的事情，必须依靠教师花时间潜心研读课程标准、悉心了解学生的前认知、精心设计教学程序。需要国家、社会以及学校对教育的大力投入，才能使教师很多难以实现的想法转化为现实。“学生什么都不会”，确有言过其实之嫌。

一、化学教学“失真”之我见

纵观现在很多的示范课、优质课、公开课，都反映了执教教师先进的教育理念，扎实的教学基本功，对课程标准、教材以及教学内容的准确理解，对教育技术的熟练运用等。更重要的是体现了教师承担重任的勇气，因为这些公开课要接受来自教育专家、教师和学生的共同检验。诚然，不排除极少数教师公开课之前在上课所在班级演练过，或事先公布问题的答案，或为了得到想要的实验现象，偷偷换实验药品等等。但这些现象毕竟是少数，而且它已经不是“失真”的问题，而是一个教师师德的问题，这已超出了本文的讨论范畴。

化学公开课“失真”的原因有很多，可能是少部分教师化学专业基本功不够扎实，如：“金属、固态非金属、稀有气体可用元素符号表示它们的化学式，它们都是由原子直接构成的[1]。”可见该教师还不清楚物质组成的化学符号表征的真正意义。可能是实验设计不够合理，如“点燃从玻璃管导出的氢气，火焰呈“黄色”，对于初中生，学生还未学过焰色反应，不知道“黄色”是由玻璃中的钠元素引起的，实验时如果教师将玻璃尖嘴管更换为金属针头就可消除焰色反应的影响了 [2]。也可能是对化学知识的社会应用缺乏严谨的科学态度，没有搜集足够的资料证明自己的观点。如“天宫一号的火箭燃料是氢气” [3]，而实际上天宫一号由长征二号FT1火箭运载，火箭的燃料是偏二甲肼，氧化剂是四氧化二氮。这些“失真”其实是极少数执教教师专业知识的缺失以及经验的不足，而这些不足是可以通过教师的后天努力与积累得以纠正的，这属于是否“真实地教化学”的问题，它与“教真实的化学”是两个不同的概念。前者是态度问题，而后者是理念问题，态度容易转变，但理念不一定人人具备，也不会轻易转变，且理念直接指导教学行为，因此更值得研究。

二、何为真实的化学

笔者认为“真实的化学”包括两个方面：一是化学学科的真实性，即化学学科本来的面貌；二是化学学习的真实性，即化学学习是动态生成的。美国著名作家西奥多·德莱赛（Theodore Herman Albert Dreiser）曾经说过“真实是一切价值的根基”，离开“真实的”前提，一切“价值”都是虚幻的，无意义的。因此，让学生学习真实的化学，是培养学生化学核心素养的前提，也是化学教育的真谛所在。吴星教授认为化学学科的真实性主要表现在以下四个方面：化学来源于生产生活并服务于生产生活、化学是创造和识别物质的科学、化学揭示客观事物及其变化的基本规律、化学以实验作为本学科的主要研究方法。所以，化学课堂教学不能只教给学生被提炼出来的化学知识，更要重视化学知识的来源与学习这些知识的目的；让学生了解化学学科真正的价值，化学的发展史就是创造新分子和构建新物质的历史 [4]，化学是创造美好世界的源泉和力量；让学生感受实验是判断化学知识真伪的“最高法庭”，是揭示化学变化与规律的主要手段。

尽管化学课堂是事先预设的，但同时它也是动态生成的，包括实验的突发状况，学生在课堂上的学习状态、学习的兴趣、积极性、注意力、学习方法与思维方式、合作能力与质量、发表的观点、提出的问题与解决问题的思路方法、甚至错误的问题回答等课堂学习信息 [5]。这些课堂信息，有些可能是教师无法预料的，但它们却是真实存在的。其中很多信息都是有价值的教学资源，要求教师有足够的教育智慧，加以甄别、选择和利用。因此，教师应该允许学生真实学习过程的发生，不能对其视而不见，硬是按照自己的预设按部就班地实施教学，要尊重学生真实的情感、态度和观点等。这样打造出来的课堂才是真实的课堂，是尊重学科本身和学生主体的课堂。

三、用科学的方法教真实的化学

在化学课堂上，教师应通过怎样的方法体现化学学科与化学学习的真实性呢？下面以苏教版《化学2》“天然气的利用 甲烷”的公开教学为例，尝试用科学的方法进行“真实的化学”教学。

1.用化学史还原知识形成的真实脉络

學习心理学认为，学生学习科学知识的过程和人类研究科学的进程之间存在一定的相似性，它认为一个人思维概念的发展成熟过程，重演整个人类认识的历史 [6]。因此，利用化学史进行教学，能与学生真实的学习心理高度契合，从而有助于学生更好地理解化学知识、化学原理与科学方法等。

甲烷是由什么元素组成的？甲烷分子是由几个碳原子和几个氢原子构成的？甲烷的空间构型是怎样的？这些我们现在看似简单的问题，科学家们却用了将近100年的时间去探索。教学片断如下：

[师]我国是最早发现并使用天然气的国家，比西方国家早了1700多年，但对甲烷的研究却始于西方。接下来，就让我们沿着科学家的探索之路学习甲烷的分子组成与结构。

[播放录音]（自己搜集资料录制）发明电池的意大利物理学家伏打（A.Volta）于1776年在意大利北部的科摩（Como）湖中发现了甲烷。1790年，英国医生奥斯汀发表甲烷和氢气的燃烧报告，氢气燃烧生成水，甲烷燃烧生成什么呢？

[演示实验]验纯后点燃甲烷气体，设计实验检验甲烷燃烧的产物是二氧化碳和水。

[播放录音]当年奥斯汀医生也发现甲烷燃烧生成了二氧化碳和水，由此他确定甲烷是碳和氢的化合物。那么一个甲烷分子中究竟有几个碳原子和几个氢原子呢？1831年德国化学家李比希（J.V.Liebig）提出了用燃烧的方法测定有机化合物中碳和氢的组成。

[问题解决]利用李比希测定有机物成分的装置和实验数据以及甲烷在标准状况下的密度，计算甲烷的分子式。

[播放录音]随着人们认识越来越深入，德国化学家凯库勒（FriedrichA·Kekule）提出碳原子四价和碳原子本身可以相互连接的概念。在这些认识的基础上，布特列洛夫（Butlerov）提出了甲烷的平面结构。但同时，人们越来越多地发现了某些有机化合物具有旋光异构现象。德国化学家威利森努斯（Johannes Wislicenus）也发现了乳酸具有左旋和右旋两种现象。这到底是怎么回事呢？

[介绍旋光仪]用图片展示旋光仪，简单介绍旋光仪的工作原理，通过乳酸的旋光现象让学生认识到乳酸具有两种不同的结构。那么是什么原因导致乳酸具有两种不同的结构呢？

[播放录音]此时，又一位天才化学家出现了，他就是荷兰物理化学家——范霍夫（Jacobus He nricus Varrt Hoff）。一天，范霍夫坐在乌德勒支大学的图书馆里，认真地阅读着威利森努斯研究乳酸的一篇论文，他随手在纸上画出了乳酸的化学式，当他把视线集中到分子中心的一个碳原子上时，他立即联想到，如果将这个碳原子上的不同取代基都换成氢原子的话，那么这个乳酸分子就变成了一个甲烷分子。由此他想象，如果让甲烷分子中的4个氢原子不与碳原子排列在一个平面上是否可能呢？这时，具有广博的数学、物理学等知识的范霍夫突然想起，在自然界中一切都趋向于最小能量的状态。这种情况，只有当氢原子均匀地分布在一个碳原子周围的空间时才能达到。范霍夫猛然领悟，正四面体！当然应该是正四面体！他由此进一步想象出，假如用4个不同的取代基换去碳原子周围的氢原子，显然，它们在空间有两种不同的排列方式，这就解释了为什么乳酸具有左旋和右旋两种不同的结构。

[观察模型]观察“乳酸”的两个分子模型（见图1）是否相同（假设图1中的球棍模型代表乳酸的分子模型）？

[改装模型]取其中一个模型，任意互换两个“基团”的位置一次，观察“乳酸”的两个结构是否相同？（见图2）再任意互换两个“基团”的位置一次，观察乳酸的结构是否相同（见图1）？

[画图]如果乳酸是平面结构，用“C”代表碳原子，用“A、B、D、E”分别代表碳原子周围的四个不同的基团，请画出“平面乳酸”一共有多少种不同的结构。

[推理]如果乳酸是四面体结构，它有两种同分异构体；如果乳酸是平面结构，它就有三种同分异构体。根据乳酸的旋光异构体只有两种，从而间接证明甲烷是正四面体结构。

[师]甲烷的正四面体结构已由近代X-射线和电子衍射得到了证明。甲烷有没有可能形成平面结构呢？

[播放视频]实验室成功合成平面甲烷。

[师]科学是无止境的，需要我们一代又一代热爱科学的人运用自己的智慧不断扩展科学知识的边界。

利用化学史进行教学，并不是简单的讲故事、激发学生的学习兴趣，也不只是让学生记住一些重要史实，而是让学生理解每个科学发现经历了怎样的过程，不同历史时代化学家们工作的前后启发、相互间的交流与传承，从而获得科学方法论的价值以及从学科本原上把握化学核心概念发展中所蕴含的学科思想观念[7]。因此，教学过程中应从科学方法论的高度来模拟历史上的重要实验、重现科学研究的探究过程、重建科学模型、再现化学知识形成的真实脉络，同时也让学生切身体会了化学家探索未知的热情、艰辛和勇气，培养学生良好的科学态度。

2.用创新实验揭示现象背后的真实原因

在平时的教学中，我们会发现有些化学实验比较难做，特别是有机实验，耗时长，现象不明显，条件控制不好，还有明显的副反应发生，这对于有限的课堂教学时间来讲，做这样的实验确实存在一定的“风险”。于是，很多教师都用视频实验来代替真实的化学实验，虽然视频实验操作准确（视频可以剪辑）、现象清晰、绿色环保，但是只能观察不能闻嗅，只有正确没有失误，缺乏真实的现场感给人带来的深刻印象，更没有实验成败所带来的心理体验[8]。对于耗时长、现象不明显的实验，教师应坚定“办法总比困难多”的信念，设法创新实验，大胆尝试，尽管课堂上可能会失败，但“失败的实验”同样是真实的，同样可以作为教学的有用资源加以利用。

甲烷与氯气在光照条件下的取代反应，如果利用教材中的实验仪器和装置（见图3） [9]，且用节能灯照射的话（教材中未指明用什么灯光照射），只能看到液面上升以及量筒壁上有油状物生成这两个现象，而且实验需要5-10分钟，实验现象也不够明显。这些现象对甲烷与氯气在光照条件下的取代反应本质的理解所提供的支撑信息较少。创新实验的教学片断如下：

[实验仪器]铁架台（铁圈）、500mL烧杯（內装400mL饱和食盐水）、圆底烧瓶、带橡胶塞的长导管、250W高压汞灯、自制灯箱。

[实验操作]（1）按图4连接好实验装置，检查装置的气密性（告知学生课前已完成装置气密性的检验）。

（2）取下圆底烧瓶，拔掉橡皮塞，用排饱和食盐水的方法收集4/5烧瓶体积的氯气，1/5烧瓶体积的甲烷，迅速塞好橡皮塞，置于铁圈上（氯气与甲烷都在课前制备好，收集在储气瓶中待用）。

（3）调整高压汞灯与烧瓶的距离约5cm，接通电源。

[实验现象]（1）导管中液面慢慢下降，约2分钟后导管口有气泡冒出（见图5）。气泡冒出的速度先慢后快。

（2）约30秒后，导管内液面渐渐上升（见图6），先慢后快，迅速形成喷泉（见图7）。烧瓶中的液面上升约1/2体积。

（3）烧瓶内壁上有油状物产生（但现象不够明显），将烧瓶中的饱和食盐水倒入黑色器皿中，液面上漂浮着一层五彩的油状物（现象明显），且有一股特殊的气味。

（4）仔细观察烧瓶顶部，还有少量黑色物质生成。

[师]导管口为什么有气泡冒出？

[生]甲烷与氯气反应生成了气体，可能是HCl气体（学生课前已预习，知道反应生成了HCl）。

[师]冒气泡是HCl气体导致的吗？常温下，1体积HCl可溶于多少体积的水？

[生]500体积。哦，HCl溶于水应该会产生倒吸。所以后面的喷泉现象可能是HCl气体溶于水引起的。

[师]那为什么一开始是先冒气泡呢？冒气泡的根本原因是烧瓶内的气体压强大于大气压，为什么烧瓶内的压强一开始会增大呢？

[生]因为光照，气体受热膨胀。

[生]也可能是生成了更多新的难溶于水的气体。

[师]第一种假设是完全有可能的，但第二种假设有可能吗？

[生]不可能，如果是这样，后面就不可能产生喷泉的现象，而且烧瓶内的水进了1/2左右。

[师]冒气泡仅仅是因为热胀冷缩引起的吗？如果只是气体膨胀，气泡会冒出那么多且越冒越快吗？还可能是什么原因呢？

[生]反应放热。

[师]非常好！这个反应确实是个放热反应。

[师]刚才同学们其实已经分析了形成喷泉的原因：生成了极易溶于水的气体HCl，你怎么知道是HCl的呢？

[生]反应物是甲烷和氯气，根据元素守恒，可知气体是HCl。

[师]形成喷泉仅仅是生成了极易溶于水的HCl气体这一个原因吗？

[生]也有可能生成了液体，使烧瓶内压强减小形成喷泉，这个液体很可能就是烧瓶壁上的油状液滴。

[师]观察很仔细！这种油状物有一种特殊的气味，它们是一种新的难溶于水的有机物。烧瓶顶部的黑色物质是什么？

[生]应该是炭。

[师]没错。由于今天的室温可能比较高，反应中有副产物炭生成。因此，大家也看到了，有机反应是比较复杂的，受条件的影响比较明显，往往有副反应发生。这是有机反应的特点之一。

甲烷与氯气的取代反应本质是自由基反应，经过链引发、链增长、链终止三个反应阶段。上述反应现象能够揭示此反应机理：在漫射光的作用下，2分钟后才开始冒气泡，然后气泡越冒越快，持续30秒后，溶液迅速倒吸产生喷泉，实验结束。虽然高中课堂不适宜讲这个反应机理，但可以先给学生留下这样一个深刻的感官印象，有利于其今后进一步学习。而且，本实验中的一系列现象，很好地揭示了取代反应的放热现象、反应的产物以及有机反应中伴随的副反应等本质问题。

3.用及时性评价诊断课堂中真实的生成性问题

课堂中的生成性问题最大的特点是具有突发性和真实性，运用及时性评价可以当场诊断并解决生成性问题，实施“教、学、评”一体化。

课前，要求学生查找资料了解“甲烷在自然界中的存在”，并做成课件，上课时，由学生自己介绍这一部分内容。学生讲解可燃冰时的教学片断如下：

[视频]播放可燃冰试开采成功的新闻报道。

[生1]可燃冰的开采从发现到现在，让无数国家趋之若鹜，但开采的难度却让多数国家“各回各家，各找各妈”。看到中国连续产气22天，并有望在2030年实现可燃冰商业化运行，欧美等国坐不住了，纷纷主张，中国应体现国际大国的责任，将可燃冰技术分享，未来在北极地区和欧美进行联合开发！听到这些言论，不知大家有何感想？

[讨论]学生讨论。

[生2]首先我觉得化石能源的发展在国际竞争中发挥着重要的作用。我国可燃冰的研发，以及西欧国家试图想让中国公开可燃冰开采技术的行为，体现了我国在这一领域极为卓越的成就。所以，我国应坚定立场，大力发展化石能源。身为中学生的我们，要好好学习，争取为我国的化学事业的发展添砖加瓦（热烈的掌声）。

[师]感谢邱同学（生1）给我们提供如此丰富的资料，其实从课前同学们交给我的课件来看，很多同学都查找了大量资料，我的课件中有一小部分内容借用了你们的资料，所以在这里感谢大家。同时也非常感谢蒋同学（生2）精彩的发言，我觉得你将来完全可以成为中国外交部发言人（笑声）。发言铿锵有力，自信满满，风度翩翩（笑声、掌声）。更难能可贵的是，同学们不仅仅为咱们中国科技进步感到骄傲与自豪，还不是一味地沾沾自喜，而是认识到作为未来社会接班人，我们所肩负的沉重而又伟大的使命。

让学生课前查找“甲烷在自然界的存在”是经过预设的，但是学生上课时的发言及发言内容，对于教师来说却是动态生成的。有些生成性的信息是令教师意外，甚至是惊喜的。教师应抓住这一契机，在充分肯定学生的基础上，强化学生的民族自豪感和使命感，培养学生的“社会责任”核心素养。因此，课堂及时性评价不仅要及时诊断与解决生成性问题，还要注意应有的放矢，增强促进学生化学学科核心素养发展的指导性。

进行“真实的”化学教学才是有意义的课堂教学行为。但对于什么是“真实的化学”，用怎样的科学方法教“真实的化学”，本研究只是冰山一角。希望有更多的化学教育工作者，在今后的教学理论与实践研究中，对该命题不断地追寻与探索以期取得更大成果。

参考文献

[1][2][3] 王荣桥，何英红.化学公开课的失真现象简探[J].教学与管理，2012（3）：63-64

[4] 张希.化学的创造之美[J].化学教育，2018（1）：2

[5] 林明鑫，许利闽.浅析新课程背景下化学课堂教学中的预设与生成[J].厦门大学学报（自然科学版），2011（9）：206

[6][7] 孟献华，倪娟.基于科学发展历史的教学设计层次分析[J].化学教育，2018（1）：33-34

[8] 陈风雷.化学教学求“真”的路径与价值[J].江苏教育，2017（11）：51

[9] 王祖浩.普通高中课程标准实验教科书化学2（必修）[M].南京：江苏凤凰教育出版社，2017：60