整合化学史料 体验论证过程

任宁生 王凌静

摘要：尝试以水的组成为例，重新组织教学形式，以化学史为背景，让学生亲身体验水的组成发现历程，强调科学探究中的论证过程。以期培养学生的证据意识及逻辑推理能力。

关键词：水的组成;科学论证;化学史

文章编号：1008-0546（2019）02-0061-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

一、问题提出

当今日新月异的社会发展拓展了人们的生活方式，传统的教学已经不能满足学生适应社会的需要。正是基于此，学科核心素养显得愈发重要。化学作为一门以实验为基础的实用科学，科学的发展中无处不彰显着科学探究的重要性，许多科学观点的提出都是通过科学探究实现的，探究中体现出的核心素养也是化学学科最核心的素养。所以，让学生重新体验科学家探究过程，感受其中体现的核心素养，对学生培养化学学科素养及理解化学本质有着至关重要的作用[1]。在这其中，根据实验现象推理得出结论的证据推理和逻辑思维能力是科学探究中重要思维方法。所以，在化学史的情境中让学生体验科学论证过程显得自然而必要。

“水的组成”是人民教育出版社九年级上册第四单元课题3的内容，该课题的呈现方式是模拟史实的研究过程，科学家在研究水的组成时，通过科学探究，得出证据，从宏观上证明了水的元素组成，从微观上证实了水分子的原子构成[2]。所以，笔者尝试以“水的组成”为例，整合化学史料，在化学史的背景下，让学生重新经历科学家的探究过程，体验整个科学论证的过程。

二、设计思路

“水的组成”研究过程主要分为两部分，水的生成和水的分解，水的生成主要从定性角度探究氢气燃烧实验，水的分解主要从定量角度探究水通电分解实验。两部分皆以化学史引入，在分析史实的基础上，亲身体验科学家的探究过程，最后通过严谨的推理过程得出结论。两个环节以水分子中原子定量关系进行联系，从定性研究引入定量研究。教学流程如图1所示。

三、教学过程

1.环节一：氢气发现史实分析

【提出问题】自然界中水无处不在，今天我们就来研究一下这个我们非常熟悉的水，在研究之前，其实我们已经对水有了一定的认识，那我们先回忆一下水是由什么元素组成的？

你的依据是什么？如何用实验证明呢？

【学生活动】思考，交流，回答。

[设计意图]通过学生熟悉的问题引入教学内容，从熟悉的问题过渡到有思维深度的问题，学生由浅入深形成认知困惑，引导学生从化学史实中寻找答案。

【教学引入】其实，这个问题在18世纪的时候，科学家就进行了坚持不懈的研究，今天这节课，就让我们进入科学家的世界，再现科学家对水的组成的研究。

【播放视频】英国BBC纪录片，普利斯特里和卡文迪许氢气燃烧实验史实。

【提问1】刚才这段视频讲述了卡文迪许发现氢气及他与普利斯特里合作发现水的组成的历史，那么请根据刚才的视频，思考以下几个问题，第一个问题，从视频中你能归纳出氢气的性质吗？有什么证据呢？

【学生活动】讨论回答。

【教师总结】氢气是无色无味的气体，视频中可以用排水法收集氢气，可以得出氢气难溶于水，视频中氢气球脱手后向上飞出证明相同条件下，氢气的密度比空气小。

【提问2】视频中为何将木条伸人试管后会发出了尖锐的爆鸣声？

【资料卡片】可燃性气体等在空气中达到一定的含量时，遇到火源就会发生爆炸。例如，当氢气含量占总体积的4%～74.2%时就会发生爆炸。

【学生活动】思考，回答。

【提问3】试管中氢气不纯时点燃会发生尖锐爆鸣声，所以在点燃氢气时一定要检验其纯度，如何检验纯度，如果氢气较纯，会出现什么现象？

【演示实验】使用课前准备的氢气气囊，制备一试管的氢气，点燃观察现象。

【学生活动】观察实验现象，总结验纯方法。

【教师总结】氢气验纯方法。

【设计意图】结合视频资源，将氢气验纯方法引入，省去视频中出现的氢气不纯时的实验现象，使用储气袋提前收集氢气，观察验纯操作注意点及氢气较纯时的实验现象，节约时间。

【提问3】通过上述视频，卡文迪许和普利斯特里如何证明了水的组成？什么证据能够证明？

【学生活动】思考，回答。

【教师总结】在得出结论的推理过程中，我们需要有严谨的推理过程，需要有历史背景下的前提条件，包括科学定律等。在此前提下，证据和结论之间的因果关系也是必不可少的[3]。所以上述的论证过程可以参考以下模式，显得逻辑更加清晰。如图2所示。

【设计意图】该环节充分利用视频资源，设置问题，引导学生从化学史料中提取和归纳处理信息，并进而通过推理得出结论，让学生体验科学论证过程，同时，为接下来的实验探究做铺垫。

2.环节二：体验经典实验：氢气燃烧

【教师讲述】既然已经知道了科学家发现氢气、点燃氢气的史实，今天就让我们回到那个年代。老师课前收集了一瓶氢气，现在我们就模仿卡文迪许和普利斯特里的实验，点燃氢气，注意观察实验现象。

【演示实验】让一位学生上台协助，演示氢气燃烧实验。

【学生活动】描述氢气燃烧实验现象

【教师总结】氢气燃烧发出淡蓝色火焰，放热，用烧杯罩在火焰上方，发现烧杯内壁有水雾生成。

【提問1】上述实验现象如何说明水的组成呢？如何证明？

【学生活动】讨论，回答。

【设计意图】学生自主体验氢气燃烧实验，归纳实验现象，从实验现象中得出氢气燃烧有水生成，从而根据元素种类不变得出水的元素组成，加深学生的理解。

【提问2】上述实验实际上是氢气在空气中燃烧，但是空气中除了氧气，还有其他气体，为什么氢气燃烧是与空气中氧气发生反应？而不是其他气体？如何改进呢？

【教师讲述】卡文迪许在当时意识到了这点，所以他对原先的实验进行了改进，将原先的空气换成了纯氧，重复了之前的实验，发现依然有水生成，所以证明了氢气和氧气反应生成了水。

【设计意图】通过对实验的质疑，要求学生以严谨的态度对待科学实验中得出的证据，并通过严谨的推理得出结论。

3.环节三：再现化学史料定量分析水的组成

【提问1】现在知道水不是一种元素，是氢氧元素组成，我們就可以用H和O的式子表示水，那你们知道水该如何表示？

【提问2】H₂O中“2”表示什么意义？从我们刚才得到的结论能不能确定一个水分子中的氢氧原子个数？

【设计意图】学生的前概念中已经有对水化学式的认识。对学生已有知识进行再思考，引导学生思考化学式中数字的含义，从而引出水构成中量的关系探究。

【播放视频】当我们陷入困境的时候，一般历史都会给我们答案，我们就继续看一段视频，看看拉瓦锡是如何解决这个问题的（BBC纪录片剪辑）。

【讲述】在刚才的视频中，我们知道拉瓦锡运用逆向思维，将水进行了分解，今天我们也来亲身体验这个过程，现在桌子上有一套实验仪器，根据实验步骤进行实验，记录实验现象。

【分组实验】使用超市9V电池连接导线，导线另一端分别接两根8B铅笔芯，伸人盛有水的透明水杯中，观察现象。

【学生活动】记录实验现象。

【提问1】实验目的是为了验证水分解后的产物及水分子中氢氧原子个数比，该实验能否证明水分解后产物是什么？能否证明水分子中氢氧原子个数比？

【学生活动】思考，讨论。

【提问2】为了实现实验目的，需要收集生成的气体进行检验，如何收集生成的气体？又如何检验？

【学生活动】讨论，回答。

【教师总结】为了研究水分解的产物，需要对该实验进行改进，实现对气体的收集和检验。

【设计意图】学生在趣味实验中体验水分解的过程，通过分析实验目的，分析趣味实验的不足之处并提出改进措施，培养学生根据实验目的设计和改进实验的能力。

【演示实验】介绍教材第80页电解器，并进行电解水实验。

【提问1】该水电解器实现了对气体的收集，仔细观察实验，记录实验现象。

【学生活动】交流，记录，回答。

【教师总结】水通电后正负极现象

【提问2】如何检验收集到的生成气体？会出现什么现象？

【学生活动】讨论、交流。

【教师总结】使用燃着的木条进行检验，记录实验现象。

【提问3】根据上述实验现象，你能得出哪些实验结论？尝试使用之前的推理话语推理得出结论。

【学生活动】交流，讨论，回答。

【教师总结】水通电后分解的实验结论推理可以表示如图3所示。

【提问4】该实验能否证明水分子中氢氧原子个数比？如何证明？

【资料卡片】1.阿伏伽德罗定律：在相同的温度和压强下，相同体积的任何气体都含有相同数目的分子。

2.在化学反应中，反应前后原子的种类没有改变，数目没有增减，原子的质量也没有改变。

【学生活动】讨论，回答。

【教师总结】定量测定水分子中的原子个数比的推理过程如图4所示。

【探究活动】既然已经定量分析出水分子中氢氧原子的个数关系，下面运用实验桌上提供的一元硬币和一角硬币模拟水分解的过程，其中，一元硬币代表氧原子，一角硬币代替氢原子。学生代表上台演示。

【学生活动】探究、讨论、演示。

【设计意图】首先，该部分从定量角度分析水分子的构成，强化推理过程中的证据意识，同时强调对实验现象的观察与描述。其次，该部分要求学生从微观角度认识水分解的过程，通过探究活动，以宏观可见的物质代替微观不可见的原子，加深学生的宏微观意识。

【课堂小结】根据课堂上体验水的组成的发展历程，学生自己构建水的组成发展历程图，强调证据在得出结论过程中的重要性。

【设计意图】回顾整个水的组成探究过程，通过自主构建框架，让学生理解知识间的内部逻辑，将知识内化的同时，体验科学发展的过程。

四、教学反思

有关“水的组成”的教学设计很多，为了更好地落实“化学学科核心素养”，笔者尝试从论证角度人手，让学生在化学史的背景下，科学探究的体验中，经历科学论证的过程，包括证据意识及推理过程。相较于传统的水的组成教学设计而言，本文对其的教学探索首先从宏观定性和微观定量两个角度重新认识了水的组成发现历程，帮助学生构建起宏微观间的联系，这是化学学科中非常重要的思维方法[4]。其次，传统教学中往往忽视科学探究中根据证据进行推理的能力，传统的教学更多地是通过证据简单地得出结论，并没有强调如何构建知识与结论之间的联系，本教学设计则强调科学探究中证据结论间的逻辑性，不断让学生通过证据解释观点[5]。最后，尝试让学生在化学史的情境中亲身体验科学家的探究过程，可以帮助学生理解科学发展的本质特征，身临其境地体验科学的本质[6]。

参考文献

[1]韩竹海.基于证据意识的物质结构与性质教学——以“离子晶体”为例[J].中学化学教学参考，2017（10）：16-18

[2]人民教育出版社课程教材研究所.教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2016：78

[3]任宁生，邓小丽.科学论证取向的原子结构教学设计[J].化学教育，2017（17）：16-21

[4]王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017：2-5

[5]邓峰，刘小艳，李美贵.化学核心学习能力理论框架研究[J].中学化学教学参考，2017（12）：1-5

[6]任宁生，邓小丽.科学论证视野下的科学教育教学设计模型建构[J].北学教学，2016（4）：14-18