基于化学发展史的初中化学教学实践

李焱　汤芹

摘要：化学发展史能从历史的角度揭示化学发生、发展过程及其规律，它蕴含着许多重要的化学知识、过程和方法，彰显化学家敏捷的思维、坚强的毅力和为实现理想而甘于奉献的精神等人文内涵。文章以2016年部级“一师一优课”活动中的“水的组成”一课为例，基于化学发展史而展开教学，基于化学发展史来构建研究物质组成的思维模型，将提高学生的科学素养落实在课堂教学的实践。

关键词：化学发展史；水的组成；思维模型；数字化校园

文章编号：1008-0546（2017）12-O009-05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.003

一、教学思路设计

本节课通过与水有关的成语引入新课，然后以化学发展史上水的组成科学探究过程为线索，通过问题引领、实验探究、交流讨论、归纳总结认识水的组成和研究物质组成的学科方法，并构建研究物质组成的思维模型。

二、教学过程实录

【环节1】创设学习情景，认识水的物理性质

问题1：说一说你了解的和水有关的成语或诗词。

小组A：水泄不通、水滴穿石、水涨船高。

小组B：日出江花红胜火，春来江水绿如蓝。黄河之水天上来，奔流到海不复回。

小组C：所谓伊人，在水一方。

问题2：基于生活经验和其它学科的学习，你知道水有哪些物理性质吗？

师生交流得出：水是一种无色、无味道、无气味的透明液体；在标准大气压下，熔点0℃，沸点100℃；纯净的水导电性很弱；比热为4.1kJ/g·℃。

设计意图：以诗词引入新课，让学生感受化学的美和诗意。教学是教育的重要组成部分，化学教学除了教给学生化学的知识和方法，培养学生在未来社会适应工作的能力和科学素养外，还应该在教学中让学生感受化学与生活的关系，从化学的视角感受诗意的生活。

【环节2】以化学发展史为线索，引导学生认识和探究水的组成，并构建思维模型

【环节2-1】介绍古代的“水的组成”观

师：古人认为，水是一种元素，不可再分。同学们是怎么认为的呢？

生：水可以再分，因为氢气燃烧可以生成水，那水当然可以分。

（说明：因水电解实验需要一段时间，所以简单介绍水电解装置，并开始水电解实验，大约10分钟后再讨论实验。）

师：大约250年前，还没有电的使用，那当时科学家是怎样研究水的呢？今天，我们就沿着科学家们的足迹，看看科学家们是怎么研究水的组成的。

【环节2-2】从卡文迪许到普利斯特里的科学研究，构建思维模型1

师讲述：1766年，英国的科学家卡文迪许发现将金属锌加入到硫酸中，会产生一种无色气体，这种气体与空气混合后点燃，发生威力巨大的爆炸，他将这种气体叫做“可燃空气”。

师演示：锌加入稀硫酸中（学生表述现象），将导气管放到盛有洗涤剂溶液的烧杯中，吹出一定量的气泡，点燃烧杯中的氢气泡（如图2）。

师讲述：同一时期，英国的科学家普利斯特里，也在研究这种“可燃空气”，这种气体密度只有空气的1/11，普利斯特里多次将这种猛烈的爆炸当作魔术在当时的欧洲贵族聚会上进行表演，直到某一次爆炸表演结束后，他发现玻璃容器的内壁有水雾，随后通过多次反复实验，确认这种水雾就是水。

师演示：氢气混爆实验（图3），并要求学生表述观察到的现象。

生1：氢气爆炸，杯子弹起来了。

生2：氢气发生爆炸，声音很响。

师：你们看到爆炸的火光了吗？我们来看实验的慢速播放（图4）。

生3：氢气中混有空气时，点燃会爆炸，有火光，说明这种爆炸是化学变化。

问题3：在普利斯特里的魔术中，玻璃容器中的水雾是什么呢？为什么？

生4：水。

生5：氢气和空气中的氧气生成水，所以水是由氢、氧两种元素组成的。

师总结：这是研究物质组成的一种思维方法：A+B+……→X，则X是由A、B……中全部元素组成的。我们把这种研究组成的方法称之为“化合法”。

【环节2-3】从拉瓦锡—舍勒—卡文迪许的科学研究，构建思维模型2

问题4：普利斯特里的魔术中玻璃容器中的水雾一定是“可燃空气”与氧气的爆炸产物吗？

生6：是的，空气中只有氧气能助燃。

生7：好像当时的人们还不知道空气的组成吧。

师讲述：确实如此，大约又过了10年的1775年，法国科学家拉瓦锡通过实验验证空气不是一种元素，空气是一种混合物，其中氧气约占1/5；1776年，瑞典科学家舍勒加热硝酸钾获得比较纯净的氧气；1781年，卡文迪许改进了原来的实验方案，他用纯净的氧气代替空气，发现“可燃空气”在纯氧中可以安静燃烧，发出蓝色火焰，（播放氢气安静燃烧的视频）他的研究发现1体积氧气和2体积“可燃空气”恰好完全反应，生成物只有水，没有别的物质。

问题5：假如你在卡文迪许的实验室里，目睹这个实验，你会怎么思考？

生8：能说明“可燃空气”与氧气能生成水，那么水就不再是一种元素了。

生9：还不够，他们还没说明空气中其他气体与氢气生成水的可能性。

生10：应该要把生成的水分解，就像拉瓦锡研究空气那样，先让汞消耗氧气，再把氧化汞分解。

师讲述：大家的想法真的很贴近当时的化学家的思维，了解实验结论的拉瓦锡也认为还要再研究。1782年，拉瓦锡将水蒸气通过1000多度高溫金属管，重新获得了“可燃空气”和氧气。

师总结：同学们，大家将来一定有人会从事科学研究，当你在从事科学研究的过程中一定要注意“研究某一问题时，要考虑是否有其他因素干扰，且要反复地通过科学实验排除干扰因素的存在，才能得出正确结论”。endprint

【环节2-4】从伏特发明电池到尼克尔森电解水的科学研究，构建思维模型3

师讲述：通过拉瓦锡—舍勒—卡文迪许的进一步研究，我们能说水不是构成物质的基本元素，水是可以被分解的。但教室里的现有条件，不太可能实现1000多度的高温啊，怎么办呢？时间到了1799年，意大利科学家伏特发明“伏特电池”，于是，在1800年英国科学家尼克尔森用“伏特电池”在常温下对水进行了通电分解。

师生观察水电解实验，学生描述实验现象。

生11：正极气体少一些，负极气体多一些，中间的漏斗中液面上升了。

生12：我想读一下刻度。负极气体21mL，正极气体只有10mL。

师追问：能推测两极气体各是什么吗？怎样验证？

生13：卡文迪许在实验中发现1体积氧气和2体积“可燃空气”恰好完全反应生成物只有水，根据我们实验中两极上气体体积的关系，推断负极产生的氢气，正极产生的是氧气。

师评价：你太棒了！能运用科学家的实验结论作为推理的依据，这是一种很好的逻辑思维。

师追问：那么我们怎么证明他的推断呢？

学生讲解，教师操作，用带火星木条验证正极气体有助燃性为氧气，负极气体有可燃性为氢气。

师追问：理论上，氢气体积应该是氧气体积的2倍，为什么实验中是氧气略少一些呢？

生14：可能装置气密性不好，氧气漏了一点点。

生15：氢气和氧气在水中的溶解性不一样，可能有少量氧气溶解了。

问题6：通过水电解实验，能得出什么结论？

生16：说明水是由氢、氧两种元素组成的。

师总结：对，水的电解是证明水组成的又一种方法，也是研究物质组成的又一种思维方法：X→A+B+……，则X中是由A、B……中全部元素组成的。我们把这种研究组成的方法称之为“分解法”，“分解法”可以是通电分解，还可以是加热分解。

设计意图：这一环节设计为师生对话，在对化学发展史的介绍过程中，通过教师演示使不同时期科学家的化学实验再现于学生面前。一方面兴趣是学生学好化学的基本条件，使学生身临其境地体会科学家对物质组成的研究思路，能更好地激发学生兴趣；另一方面渗透化学学科的思维方式，在实验探究的过程中重视方法引领，构建研究物质组成的思维模型。

化学发展史不仅是一部科技发展史，也是人类文明的进步史，它蕴含丰富的人文情怀，体现了浓厚的人文色彩，将化学史引入课堂，有利于提高学生人文素养。同时，化学史也是一部化学家的奋斗史，每次成功与喜悦的背后都饱含艰辛，体现了科学家的优秀品质，使学生体会求真求是的科学态度，使化学史教育的科学价值与人文情怀达到统一。

【环节3】总结评价

【环节3-1】从微观角度分析水的构成，建立思维模型4

师讲述：2004年，科学家借助电子显微镜看到了水分子的真实面貌“一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的”，所以水的化学式写作H₂O，与我们的实验结论是一致的。

动画模拟：电解水的微观过程。

问题7：根据刚才的微观模拟，用自己语言表达这个过程。

生17：水分子分解为2个氢原子和一个氧原子，原子之间相互碰撞，2个氢原子重新结合为1个氢气分子，每2个氧原子重新结合为1个氧气分子。

设计意图：“宏观一微观一符号”三重表征的思维模型是化学科学重要的学习方法，只有把微观粒子与宏观反应过程建立有机联系才能真正理解化学实质，有利于学生正确地认识化学概念。

【环节3-2】从微观到宏观，分析水的组成与物质分类

问题8：阅读教材（利用人教数字校园网的电子教材师生共读教材），分析认识“化合物”与“氧化物”两个概念。

师生讨论：（1）水是由两种元素组成的纯净物，由两种或多种元素组成的纯净物叫做化合物（可表示为AB型、ABC型、ABCD型等）。水有两种元素组成，其中一种是氧元素，这样的化合物又叫做氧化物（可表示为AO型）。（2）物质分类体系（图6）。（3）综上所述：水是一种纯净物，由氢元素和氧元素组成，它是化合物，也是氧化物。

设计意图：一是人教数字化校园的使用目的，与其让每一个学生翻书阅读，不如将电子教材展现在屏幕上，使学生迅速找到阅读重点，提高阅读效率，有充分的时间思考和理解化学上对物质分类的表述。二是建构物质分类的思维模型。

【环节4】观看微课，总结学习内容

播放微课“水的组成——擦肩而过的美丽”，对本节课的核心知识进行归纳总结，依据“互联网+”的理念将微课传到班级QQ群中，便于学生课后继续学习理解核心知识。

三、课例评析

笔者有幸作为评审专家参加了2016年部级“一师一优课”评比工作，观看了武汉市第二十八中学汤芹老师“水的组成”这节课，认为汤老师的这节课从教学目标、教学设计、教学过程、教学效果等方面均有值得老师们借鉴学习之处。

1.将学科思想作为核心教学目标，立足提高学生核心素养

北京师范大学林崇德教授指出：“核心素养是学生在接受相应学段的教育过程，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展所需要的必备品格和关键能力。它是关于学生知识、技能、情感、态度、价值观等多方面要求的结合体；它指向过程，关注学生在其培养过程中的体悟，而非结果导向；同时，核心素养兼具稳定性与开放性、发展性，是一个伴随终生可持续发展、与时俱进的动态优化過程，是个体能够适应未来社会、促进终生学习、实现全面发展的基本保障。”初中化学学科核心素养是学生发展核心素养的重要组成部分，其主要内容包括宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学精神与社会责任等5个维度。endprint

本节课知识目标主要有三个内容：（1）氢气的物理性质及其可燃性；（2）水的电解，包括电解装置、电解产物及检验方法、水电解的微观解释等；（3）化合物和氧化物的概念。但本节课教学内容的价值并不只是传授给学生这些具体的死的知识，而是将这些知识作为学生学习的载体，让学生在获取知识的过程中领悟化学学科的思想方法，其中（1）（2）承载了“研究物质组成元素”的学科思想方法，（3）则承载了“物质分类”的学科思想方法。在本节课的教学中，汤老师将两种学科思想方法的渗透作为核心教学目标之一。

通过“小组合作学习”的方式，引导学生从物质分类的角度认识“化合物和氧化物”两个核心概念。通过化学发展的脉络带领学生一步一步认识人类研究水的组成的方法有两种：一种是“化合法”，其思维模型是“A+B+……→X，则X是由反应物中所有物质中的全部元素组成的”，如氢气与氧气生成水，则水是由氢、氧两种元素组成的，而不像古代中国五行学说中的“水是一种元素”。另一种是“分解法”，其思维模型是“X→A+B+……，则X是由生成物中所有物质中的全部元素组成的”，如电解水生成氢气和氧气，则水是由氢、氧两种元素组成的。两种模型的思维过程是逆向的，所以两种思维模型的构建不仅是学科思想方法的培养，也是学生发散思维能力的一种培养途径。

2.将科学史作为教学设计的主线，培养学生的理性思维能力

培根说“读史使人明智”。科学史是科学发生、发展的历史，每一项科学的发展历史中都蕴含着丰富的理性精神与求真意识、批判精神与创新意识。从科学发展史中，我们可以看到真理与谬误相交织的过程，科学理论的演变就像是积木拼图游戏一样，先是在黑暗中摸索，继而渐渐地浮现出来。因此，在化学教学中渗透科学史，不仅仅是给化学知识穿上漂亮的“外衣”，增加化学学习的趣味性，更是为了让学生感悟到科学发展的曲折历程，领悟前人的逻辑思维的模型。

本节课中，汤老师沿着“水的组成”的科学发现史进行教学设计。古代的“五行说”和“四元素说”，认为“水是一种元素”的错误认识；到卡文迪许和普利斯特里两位科学家，虽然都通过实验探测到了水不是一种元素，但是由于受上述错误观点的影响，没能发现科学的结论再到拉瓦锡不仅重复了他们的实验，还做了一个相反的实验，将水蒸气通过105℃的高温金属管，重新获得“可燃空气”，从而分析归纳出：水不是一种元素，而是“易燃空气”和氧的化合物。在这个科学发现史中，老师将科学家的思维展现在学生面前，让学生充分分析每一位科学家的思维过程，辨析科学家思维过程是否符合科学的逻辑，让学生在辨析中体会科学的逻辑思维对科学研究的重要性，从而帮助学生在学习中养成逻辑思维的习惯，进而提高学生化学学习的核心素养。

汤老师对教材的整合体现了她对教学的创新。习总书记说创新能力决定一个国家和民族的前途命运，创新是民族进步之魂。教师要培育具有创新思维能力的学生，教师自己的创新意识至关重要。

3.将实验教学贯穿整个教学过程，促进学生参与课堂的积极性

实验是化学学科的特点，能有效提高学生参与课堂学习活动的积极性。本节课中，汤老师用演示实验的方式进行了与氢气有关的实验（包括氢气验纯、氢气燃烧和氢气爆炸）和“水电解”实验。对与氢气有关的几个实验，她是放到科学家普利斯特里的魔术背景中进行的，很好地激发了学生理性思考的欲望；“氢气爆炸”实验的爆炸声在课堂上不够大，老师播放了在实验室进行实验的视频，通过爆炸实验让学生体会到“可燃性气体点燃前要验纯”的重要性。对水电解实验，汤老师首先请学生观察现象，看到两极产生无色气体，且阴极与阳极气体体积近似为2：1；然后基于卡文迪许“用纯净的氧气代替空气多次重复实验，发现1体积氧气恰好与2体积‘可燃空气完全反应，生成物只有水，没有别的物质。”，引导学生分析推测阳极气体可能是氧气，阴极气体可能是氢气；然后，让学生设计方案检验他们的推测，老师按照学生设计的方案进行实验，发现果然如此。整节课中，汤老师虽然没有开展学生分组实验，但是基于演示实验的逻辑思考却处理得非常好，很好地促进了学生在课堂学习中的积极性。

4.将人教社数字化校园引入教学，提高课堂教学的效率

在“互联网+”的时代，不能将网络资源作为教学资源的老师，我想不应该称之为好老师。目前，有很多教育云平台上，都有很多可以免费使用的教育资源，这些教育资源虽然良莠不齐，但是里面不乏优秀的教育资源可供选择使用。汤老师在本节课中恰到好处地使用了人教社数字化校园电子教材资源，在课堂上师生共读电子教材，利用网络资源解释学生的困惑“为什么两极产生的气体体积不恰好是2：1”，都一定程度上为提高课堂教学效率起到了积极的作用。

5.将教学核心知识浓缩为课后微课，关注不同水平学生的收获

“水的组成——擦肩而过的美丽”，一段制作精美的微视频，是微信公众号“化学大师”发布的趣味学习微课，汤老师并没有“拿来主义”，而是根据自己学生的实际情况进行了深度的再加工，将本节课的核心内容高度浓缩，让课堂上可能没有完全听懂的学生课后还能继续学习思考，这不仅是对学生主体作用的充分体现，更充分体现了老师对不同水平学生的关注，如果我们能做到每一堂课都能让不同水平的孩子有收获的话，那我们的孩子们就不会厌弃学习了，因为收获让他们树立了学习的自信心。

6.存在的一些问題，今后的提高方向

如果要给汤老师提点意见的话，我想说：一是进一步注意教学内容之间的逻辑关系；二是进一步提高课堂问题的思考性和驱动性，让问题真正引领课堂教学过程层层深入和展开，使学生在思考中获取知识，形成学科的思维和方法。endprint