融入化学史的“水的组成”化学启蒙教学探索

费志明 陈懋

摘要： 义务教育初中化学是化学教育的启蒙阶段，以“水的组成”教学为例，

将化学史融入课堂教学中，让学生与科学家跨越时空对话，探索

学习研究物质组成和结构的方法，促进深度学习，培养学生的科学素养。

关键词： 水的组成; 化学启蒙; 化学史; 化学教学

文章编号： 1005-6629（2021）02-0048-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题提出

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构及其应用的一门基础自然科学[1]。

义务教育初中化学是化学教育的启蒙阶段。

化学史反映化学科学发展的过程，能够帮助学生理解化学知识及其科学本质。因此，将化学史融入初中课堂是一个有效拓宽学生视野并提高学生科学素养的方法。

融入化学史的教学设计的核心是教师根据学情有目的地选择一些能够引起学生探究兴趣、易于学生理解和掌握、有助于实现教学目标的历史材料和问题[2]。为了引导学生学习研究物质组成的方法，建立模型并能运用模型来确定物质的组成和结构，本文以“水的组成”教学片段为例，通过重演化学史来促进学生深度学习。

2  设计思路

“水的组成”是初中化学第一次通过实验探究学习研究物质组成的方法，主要包括水的电解和水分子的构成两部分内容。本节课的核心任务是从宏观到微观、从定性到定量两个维度探究水的组成，从分子和原子微观角度认识物质的构成，并围绕这个核心任务建立教学设计（如图1所示）。此设计体现“提出问题—实验探究—模型建构—问题解决”的科学探究过程，发挥化学实验证实和证伪的作用，同时，重演探究水的组成科学史故事，引导学生像科学家一样思考问题，从“宏观、微观、符号”三个角度认识物质的研究方法，实现证据推理与模型认知的教学内涵，促进深度学习。

3  教学过程

3.1  创设情境，提出问题

教师讲述： 20世纪70年代，某地域海面上没有油和其他可燃物，在250千米/时的飓风吹过后海面着火。水火不相容，海水着火了，为什么？学生猜测，可能和水的组成有关，也可能和风的速度有关。

教师设问： 水是由什么组成的呢？我们如何研究水的组成呢？今天我们通过化学史故事来认识水的组成。

设计意图： 基于学生对水的宏观组成、微观构成已经有初步认识，通过创设故事情境让学生产生认知冲突，激发学生的学习兴趣，引发深度学习动机。

3.2  史事重演，迁移引导

教师讲述： 人类对水组成的认识经历漫长的过程，我们如何来探究水的组成呢？

资料： 自古以来，人们认为水是组成世间万物的一种（物质），不可再分。例如： 我国有“五行说”（金木水火土），古希腊有“四元素说”（水土气火）。一直到了16、 17世纪，一些医生、药剂师偶然发现，金属落到酸里面会有一些气体产生，这种气体可以燃烧。18世纪，英国化学家普利斯特里发明了排水集气法，把这种可燃气体收集起来，对此的研究才开始深入起来。

教师设问： 如何证明水不是某一种元素呢？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组成的呢？

[普利斯特里]我叫普利斯特里，英国人，18世纪中叶，我常常爱给朋友们表演魔术： 将锌加入稀硫酸中，将生成的可燃气体和空气混合装在试管里，摇晃几下，迅速地把一支点燃的蜡烛移近试管口，试管立马吐出长长的火舌，并发出震耳欲聋的爆炸声。这样的魔术干了很多次，终于有一天，我发现瓶壁上有不少水雾，一开始以为是试管没擦干净，或者是因为空气潮湿。后来，我把试管擦干净，也用了干燥的空气，还是发现有水滴，我只能推论，金属碰到酸液产生的可燃气体可以燃烧生成水，但说不清为什么。

[卡文迪许]我叫卡文迪许，英国人，1781年普利斯特里把他的发现告诉我，我用不同比例的可燃气和空气混合进行定量实验，证实了他的发现，并斷定生成的液体是水。

在氧气被发现后，我用纯氧气代替空气，不仅证明试管中生成的是水，还确认2体积的“可燃气”与1体积的氧气恰好化合成水。但我是虔诚的“燃素学说”信徒，还始终认为水是一种元素，没有做出正确的解释。

[拉瓦锡]我叫拉瓦锡，法国人，卡文迪许的助手布拉格登于1783年6月访问巴黎时，将这一实验告诉了我，我立即进行了跟踪实验，利用氢气和氧气的燃烧实验不仅合成了水，同时还将水高温分解为氧气和氢气。用天平称量水，水分解产生的氢气和氧气化合生成水的前后质量相等。

我认为可燃气体和氧气一样都是元素，而水是可燃气体和氧气的化合物，我用氢气来命名可燃气体，意思是形成水的物质。

[尼克尔森]我叫尼克尔森，英国人，1799年意大利科学家伏特发明“伏打电池”，于是在1800年我用伏打电池在常温下对水进行通电分解，再次确认了水的组成。

教师设问： 沿着科学家研究的轨迹，带给我们什么启示？有什么收获？学生发言很热烈，从情感上、方法上纷纷谈了自己的看法，比如普利斯特里的好奇、拉瓦锡的质疑批判等。

设计意图： 通过与科学家的时空对话，让学生体会到科学探究的严谨性、曲折性和科学家们在研究过程中的锲而不舍、实事求是的科学精神以及渗透着的学科思想方法和科学本质。

教师设问： 你能从化学史实验中，提炼出研究纯净物组成的方法吗？学生思考与交流得出： 化合法，利用反应物的成分推断生成物的成分;分解法，利用生成物的成分推断反应物的成分。

教师设问： 我们如何验证水的组成呢？学生首先想到高温加热，但考虑现实条件而放弃，也有学生想到可以电解水。教师出示简易的实验装置（如图2所示），为了增强水的导电性，在水中添加氢氧化钠或稀硫酸溶液。

教师设问： 试管内分别产生什么气体？又如何检验？学生根据科学史，得出是氢气和氧气。在不知道哪端是氧气或氢气的情况下提出两端都用燃着的木条，使木条燃得更旺的就是氧气，气体本身会燃烧就是氢气，并进行实验。

教师要求各小组汇报实验现象，学生发言： 电极周围出现气泡，试管内液面下降，与正极相连的试管内液面下降速度比与负极相连的试管内的慢，气体检验的操作不够方便。于是，教师用图3所示装置演示了实验，一段时间后，读出与正、负极相连两端的玻璃管内气体的体积，正极端和负极端产生气体体积比约为1∶2，并进行了气体的检验，确定水通电后生成了氢气和氧气。

教师设问： 电解水生成氢气和氧气，水由什么元素组成？学生讨论得出，氢气由氢元素组成，氧气由氧元素组成，根据化学反应前后元素种类守恒，推测水由氢元素和氧元素组成。

设计意图： 借助科学史故事，引导学生建构实验模型，从简单到复杂，排除各种干扰因素。教师不断追问，学生进行证据推理得出结论，像科学家一样批判性思考问题，让学生经历一次有意义的探究过程，实现真正的深度学习。

3.3  时空对话，建构模型

教师设问： 水由水分子构成，水分子由什么构成？科学家如何建构水分子模型！

[道尔顿]我叫道尔顿，英国人，自拉瓦锡发现质量守恒定律后，1803年10月，我通过定量实验发现： 1克氢气和8克氧气化合成9克水，假如不按这个一定的比例，多余的就要剩下而不参加化合。我认为元素是由原子构成的，原子在一切化学变化中不可再分。

[盖·吕萨克]我叫盖·吕萨克，法国人，我精确测定水的组成： 用电火花点燃氢气和氧气的混合物，发現氢气、氧气、水蒸气的体积比永远是2∶1∶2，我提出假说： 在同温同压下，相同体积的气体中含有相同数目的原子。这将是支持原子论的又一有力证据。

道尔顿对盖·吕萨克的事实首先提出质疑，事实： 2体积氢气+1体积氧气→2体积水蒸气;推理： 2个氢气原子与1个氧气原子形成2个水原子;矛盾： 要想生成2个水原子，必须将1个氧气原子分为两半，配到两个“水原子”中，这与原子不可分割的观点是对立的。

[阿伏伽德罗]我叫阿伏伽德罗，意大利人，1811年，道尔顿与盖·吕萨克，你们别争论了，我认为物质由分子构成，分子是构成物质的最小微粒。在同温同压下，相同体积的气体中含有相同数目的分子。我认为简单气体的分子由2个原子构成。这样，你们的争论问题都解决了。

教师提示： 原子分子论的确立过程对你有何启示？学生认为，科学家根据宏观物质之间的定量关系推测出物质是由微观粒子构成的，这种思维方法值得我们学习。

教师设问： 基于以上理论，你能推理水分子的结构吗？学生根据简单气体分子由2个原子构成，先画出氢分子和氧分子模型（如图4所示）。根据同温同压下，气体体积比等于分子数目比，得出每个水分子有2个氢原子和1个氧原子构成。教师展示2014年中国科学家在电子显微镜下看到水分子的面貌，明确水分子的真实结构。

教师设问： 如何从“宏观、微观、符号”三个角度分别表达水电解这一化学变化过程？学生从文字表达式（宏观角度）： 水→氢气+氧气;微粒模型表达（微观角度），如图5所示;符号表达式： 2H2O2H2↑+O2↑。

教师设问： 根据水电解过程的示意图及实验现象，分析水在通电情况下是如何分解产生氢气和氧气的？学生观察模型认识到： 水在通电时水分子获得足够的能量，水分子分解为氢原子和氧原子，每2个氢原子结合成1个氢分子，每2个氧原子结合成1个氧分子;若干个氢分子结合形成氢气，若干个氧分子结合形成氧气。这样学生便明确了化学变化的实质。

教师追问： 对于某地域海面上水发生燃烧的原因，你们猜测为什么？学生认为，当飓风达到205千米/小时，风与海水发生高速摩擦，从而产生巨大的电压，使水分子中的氢原子和氧原子分离，产生氢气和氧气，一旦达到一定温度或有一丁点火星，海面上便燃起了大火。

设计意图： 学生接受科学教育的过程就是知识再生产的过程。借助科学史故事，让学生从定性到定量建构水分子的结构，利用微粒模型分析问题，促进深度学习。

4  结语

在化学启蒙教学中，教师应基于学生的认知规律和初中化学教材特点，充分挖掘教材中蕴含的学科价值，整合相关化学史故事，突出学科思想方法的渗透。以史为鉴，学史明理。化学史是重要的化学启蒙教学资源，是一种动态的、发展的知识方法学习体系。将化学史融入课堂教学，既不影响教学进度，又能作为知识方法的串接线，有较强的故事性和趣味性，对培养学生大胆质疑、勇于探索的精神，促进学生深度学习、发展学生的科学素养大有裨益。

参考文献：

[1]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）[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2012.

[2]冯杰亮. 初中化学模型建构促进深度学习的教学策略探讨——以“化学反应中物质质量变化的图像教学”为例[J]. 教学月刊（教学参考）， 2019， （11）： 20～23.