以学科文化为载体“演绎”琐碎的化学知识<br/>——以沪教版初三化学“水的组成”的教学为例

以学科文化为载体“演绎”琐碎的化学知识
——以沪教版初三化学“水的组成”的教学为例

2023-01-04胡正怡

化学教与学 2023年1期

胡正怡

（进才中学北校上海 200135）

一、问题的提出

老师说，今天我们学习“水的组成”，想必初三学生都知道水的化学式是“H2O”，为何如此肯定？初三化学第一节课“体验化学变化”中三个实验有两个都涉及到水，罗列三个方程式，一部分学生就已经记住了。第二章“构成物质的微粒”，又有哪个学生不是把“水是由氢元素和氧元素组成的”“一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的”当成公式一样背？到了“质量守恒定律”又是拿水作为例子，再炒一遍，学生早已烂熟于心。“水的组成”这节课作为第三章“溶液”的开篇似乎三两句话就可以讲完，最多再加两个实验，根本不需要花费一个课时。

问题在于，这看似简单的“H2O”，学生是否明白它的文化内涵与价值？是否能体会这个化学式的由来之曲折？为什么做完了电解水实验依然有部分学生会脱口而出：“水是由氢气和氧气组成”的？做实验的意义又在哪里？

这节课从知识点本身来说非常简单，若干年以后，若非从事与化学相关的职业，学生早就把“水的组成”忘得一干二净。其实，学化学和学其他经典学科一样，主要是为了学文化，树立独特而又通达的世界观，［1］这才是让学生终身受益的，而不是为了在当下的中考中拿到这一两分。

“终身受益”［2］这个目标有点远，我们眼前的初三化学浅显而琐碎，如果能找到一个合适的载体，将零散的化学知识生动形象地演绎出来，学生的心门被打开，学生的思维品质也能得到提高。本文以“水的组成”为例，阐述在实际教学中学科文化的渗透。

二、“化学史”为明线贯穿整节课

化学史深入课堂是不少教师热衷的教法之一，既是化学文化的表现形式，也为课堂增色不少。“水的组成”的化学史上涉及多位科学家、理论学说和装置发明等，如何用好这段历史，充分发挥它的功能呢？

1.史实性话题引入

水的发现史体现了人类文明的进步和科学技术的发展，不仅可以培养学生的人文素养，也有利于学生从元素观的角度认识物质的组成，更直接地指向本节课的核心内容。不妨通过“微信朋友圈”这样一种时下流行的方式，事先用录屏软件录制好三位科学家发朋友圈的小视频，呈现在白板上，引导学生假想当时的科学家会发什么样的朋友圈。

教学片段：

【教师】古希腊人曾认为水是一种元素，这种观点持续了很长时间，直到18世纪末，三位化学家先后展开了对水的组成的研究，水的真面目才逐步被揭开。（如图1所示）

图1 白板呈现：研究“水的组成”的历史线

【教师】如果18世纪末就有微信的话，普利斯特里会发什么样的朋友圈呢？（见图2）

图2 白板呈现（视频）：普利斯特里的朋友圈

【教师】普利斯特里提到的“易燃空气”是谁呢？

【学生】氢气、天然气、煤气、酒精……

【教师】看来大家有分歧，1781年普利斯特里把他的发现告诉了卡文迪许，他非常感兴趣，作了进一步的研究。（见图3）

图3 白板呈现（视频）：卡文迪许的朋友圈

【教师】生成“水”说明了什么?

【学生】水是一种化合物

【教师】真相了。可惜这两位化学家受当时错误观念的束缚，与真相还是失之毫厘。直到1783年，卡文迪许的助手将这一实验告诉了拉瓦锡，他随即进行了跟踪实验。

图4 白板呈现（视频）：拉瓦锡的朋友圈

【教师】最后推翻了“水是一种元素”这个错误观点的是谁？

【学生】拉瓦锡

这样的形式瞬间抓住了学生的眼球，体会科学研究不是直线上升的过程，科学的发展受技术的限制，也被传统观念左右着，在研究中不断发现、不断进步。体会科学发展之艰难的同时，体会质疑精神。

人类认识水经历了漫长的过程，期间发生的许多故事，极具传奇色彩，为了更好地凸显化学史的文化价值，将水的发现史贯穿整节课，学生循着历史的进程重走科学探索之路，才能发挥出化学史最大的效用。这里“拉瓦锡”是一位关键人物，他关系到本节课历史线的起承转合以及实验的引出。

2.拉瓦锡实验的关键作用

由于第二章学生已学过经典的拉瓦锡测定空气中氧气的体积分数实验，从这个经典实验入手，得出确定化合物组成的一种方法，迁移到水的组成的探究，贴近学生的最近发展区。

教学片段：

【教师】我们最早是在哪里认识拉瓦锡的？

【学生】测定空气中氧气的体积分数。

【教师】这个实验中涉及到两个化学反应，汞和氧气在加热的条件下生成了红色粉末，将红色粉末加强热，又重新生成了汞和氧气。请问，红色粉末由哪些元素组成？

【学生】汞元素和氧元素。

【教师】你的依据是什么？

【学生】质量守恒定律。

【教师】汞和氧气属于什么类别的物质？

【学生】单质。

【教师】红色粉末属于什么类别的物质？

【学生】化合物。

【教师】为什么？

【学生】因为反应物提供了两种元素，但生成物只有一种。

【教师】这个反应的基本类型是什么？

【学生】化合反应。

【教师】所以，我们可以通过什么方法来推断化合物的元素组成？

【学生】两种单质化合生成一种化合物来推断它的元素组成。

【教师】非常好，还有哪个角度可以推断化合物的组成呢？（同时指向白板，见图5）

图5 白板呈现：推断化合物的组成

【学生】分解。

【教师】其实这个实验和测定水的组成的实验有着异曲同工之妙，拉瓦锡正是从“分解”“化合”两个角度证明了水的组成。

【教师】我们有没有学过化合生成水的反应？

【学生】氢气燃烧。

【教师】那有什么方法可以使水分解呢？

【学生】电解。

【教师】在拉瓦锡那个时代，电还没有被广泛地应用，聪明的拉瓦锡将水蒸气通过一根烧红的枪管，得到了“易燃空气”，这个“易燃空气”是什么？

【学生】氢气。

【教师】虽然拉瓦锡不是第一个研究“水的组成”的，但最后真相却是由他揭开，所以科学探究需要哪些精神呢？

【学生】不惧权威、站在前人的肩膀上……

以拉瓦锡实验作为铺垫，带领学生认识化合与分解这两种研究水的组成的方法，思维模型分别是“单质甲+单质乙+……→化合物丙，则化合物丙是由反应物中所有物质中的全部元素组成的”和“化合物丙→单质甲+单质乙+……，则化合物丙是由生成物中所有物质中的全部元素组成的”。两种逆向的模型思维在学生脑海中刻下印记，学生将运用已有的知识去解决新的问题，考验知识迁移的能力，不仅仅培养了学科思维品质，也是一种证据推理与模型认知的核心素养的体现。

这里有一个细节问题常被忽视，如图5所示，汞和氧气化合的条件是加热，红色粉末分解的条件又是加热，两个加热没有区别的话对学生来说是莫名其妙的，在加热条件下到底是化合还是分解呢？其实这两个加热的温度是不一样的，分解一般都是吸热的，化合一般都是放热的，我们可以这样理解，温度较低的加热就是吸热，相对较高温度的加热来说就是降低了温度，所以前一个加热可以理解为引发反应，仅仅需要反应速度，这是一个必要条件，后一个加热是既引发反应又有利于分解、有利于平衡正向移动，绝大部分分解反应都是吸热的，双氧水分解放热是由于双氧水本身太不稳定，这就是化学文化了。这两个加热的区别要搞清楚，鉴于学生尚处于初三阶段，不妨把后一个加热换成加强热，学生心里就有底了。

3.宏观到微观的过渡

前半节课通过重走科学探索之路可以很顺利地落实水的宏观组成这一授课重点，而本节课的研究重点并不止步于此，如何引导学生透过宏观的现象去理解微观的本质呢？这是本节课的难点。继续沿着历史线带领学生一步一步往前走可以顺其自然地引出水分子的微观构成，培养学生用微粒的观点去解释宏观现象的本质的能力。

教师可在前半节课小结阶段板书“H O”并向学生提问：“这是不是水的化学式？”学生自然知道缺少了下标，不是水的化学式，学生也能够意识到虽然拉瓦锡正式确立了水的元素组成，但这还不足以确立水的化学式。此时，教师就可以按照科学研究的历史顺序，呈现1803年道尔顿的原子学说和1811年阿伏伽德罗的分子学说，并引导学生“下标”如何确立。进一步体会质量守恒等观念。

将化学史作为整节课的主线（见图6），从普利斯特里和卡文迪许两位科学家的故事入手，以拉瓦锡实验作为核心，引导学生提炼出一种推断化合物组成的方法，并且将这种方法应用于对水的研究，在宏观上研究了水的元素组成，且从微观的角度验证了水分子的构成，像这样将化学史的效能发挥到最大化，学生既学习到人类文明、体会到科学精神，又得到了化学思维的训练。

图6 白板呈现：研究“水的组成”的历史线

三、“元素观”“微粒观”为暗线串起碎片知识

作为中学化学的两大核心观念，“元素观”“微粒观”是初中阶段教师应帮助学生建构起来的，这种概念依靠知识点的罗列能否成功建构？虽不影响考试，但学生若只是单纯地记忆能否开辟出化学的视角去认识世界、解释世界呢？学生的思维品质是否会越来越僵化呢？

到目前所学内容为止，教材给了学生很多次机会树立“元素观”“微粒观”，早在第一章“世界通用的化学语言”就摆出了初中阶段需要掌握的元素，然而会背会写并不意味着“元素观”的形成；同样地，在第二章里“分子”“原子”更是频繁出现的主角，学生是否能用微粒的观点去解释宏观现象的本质？

1.以实验为支撑建构“元素观”

“水的组成”这节课的实验通常是氢气燃烧和电解水，通过化学史的学习学生已经知道三位科学家都通过氢气燃烧合成了水，那么如何有效地落实“化合与分解两种方法推断化合物的元素组成”这一思维模型呢？实验必不可少。

（1）氢气燃烧

教材上将“氢气燃烧”作为演示实验，在课堂上当场做无疑能够让学生情绪高涨，从激发学生的兴趣的角度而言是无可挑剔的。但学生对于氢气燃烧应该不是首次接触了，在第二章学习氧气的性质时就包括了氢气燃烧，不妨改成视频实验，学生也是有兴趣的，也可以为后续的实验腾出更多时间。

（2）电解水

在探讨分解水的方法时，除了遵循化学史上拉瓦锡的实验，教师通常会给出如下的信息：“水具有很高的热稳定性，即使加热到2000 K（约1726.85 ℃），也只有0.588%的水分解。”

给出这个信息的目的是让学生感知一般的实验条件难以使水分解，但2000 K（约1726.85 ℃）这个温度实际上学生是没有概念的，必须要跟学生说清楚，什么叫2000 K（1700 ℃）？不妨再给出如下信息：

“铁的熔点：1538 ℃；铜的熔点：1083.4 ℃”

用铁、铜的熔点作对比，这样学生就有感觉了，1700 ℃时铁、铜都熔化了，原来要达到那么高的温度水才有千分之几的分解，学生能更深刻地认识到分解水之困难，再顺着历史线引出“电解水”就顺理成章了。

“电解水”教材上安排的也是演示实验，对于有条件的学校而言，可以为每一组同学配备微型水电解器和学生电源，让学生自己动手进行验证，通过分析和讨论，得出结论，印象深刻。但也有相当一部分学校配备的只是供教师演示的霍夫曼水电解器，虽然该装置较为古老、存在较多缺陷，但它正符合本节课化学史的一个时间节点。对于阳极容易被氧化而导致电解液变红的问题，可以用20%的硫酸钠溶液代替常用的氢氧化钠或硫酸作为电解液，通电较长时间电解液也不会变色；由于课上时间有限，3～5 min产生的氢气较少，用点燃法检验氢气时火苗太小，有两个办法可以解决，一是准备一张干燥的薄纸，把纸凑到火苗上点着，这样现象就明显多了，远处的学生也都能看见，比同屏器效果更好；二是准备一根足够长的铂丝，制成螺旋状，缠绕在铁电极上，这样可以深入电解液足够深，短时间内通电就可以使液面降到玻璃管的一半以下，得到较多氢气，再配合液压，点燃时可以观察到很长的火苗。

装置优化之后，有了现象明显的实验提供的有力支撑，学生对电解水实验产生直观体验，通过观察显性的实验感悟化学研究物质元素组成的科学过程与方法，理解水在化学变化中可分，进一步理解规律：在化学变化前后，原子的种类不变、元素的种类也不变，初步判断水是由氢元素和氧元素组成的，利用生成物的元素组成来判断反应物水的元素组成，同时感悟守恒思想，并内化为自己的知识，在观赏和分析的过程中潜移默化地进行着“元素观”的自主建构，显然，“电解水”实验为发展学生从元素的视角来重新认识水及其变化起到举足轻重的作用，值得作进一步的改进研究。

2.计算与模型联合建构“微粒观”

（1）计算环节将宏观与微观相结合

如何得知水分子中氢氧原子的个数比就是2∶1？对不少学生而言这已经是个想当然的结论了，要不要让学生思考交流？知道2∶1这个结论并不是我们所追求的，如何在建构知识的过程中培养学生的“微粒观”以此提升学生的思维品质才是有教育价值的。学生通过严谨的计算得出2∶1的结论，收获的不仅仅是一个化学式，更多的是培养一种用微粒的视角来看待宏观物质的能力。

教师可以给出氢气和氧气的密度数据，引导学生从定量的角度结合相关的物理公式和化学式推算，由体积比推导到质量比，再由质量比推导到物质的量之比最终得出结论。这个环节紧接着电解水实验之后，学生不难想到将电解水实验中氢气和氧气的体积比数据运用到这一步的计算中，将宏观与微观有机结合共同构筑起相互联系、完整的认知系统，对学生的宏观辨识与微观探析素养的培养很有帮助。

（2）模型拼搭将微观世界可视化

“微粒观”的建构一直是化学启蒙阶段的教学难点，最常用且有效的教学策略是采用模型来展示化学反应过程，帮助学生更好地理解分子、原子的微观结构以及化学反应的微观本质，化“看不见”为“看得见”。球棍模型常用于分子、原子的结构分析，但不适于表现整个化学反应的微观过程，因此本节课的教学中，可以给每组学生发一块小型白板，用两种不同颜色的磁力贴分别表示氢原子和氧原子，由学生在刚才计算的基础上拼搭出氢气燃烧或电解水的微观反应过程，验证水的化学式的正确性，学生拼搭结束后，教师可以呈现如下信息：

“1809年化学家盖·吕萨克实验得出，氢气和氧气点燃生成水蒸气，气体的体积比是2∶1∶2”再一次将观念建构融入化学史中，首尾呼应。模型教学将抽象的微粒变得形象直观，学生能够更深层次地感悟守恒思想，体会到分子、原子的“分分合合”乃是化学反应的本质，学会从宏观和微观两个层面来分析化学变化本质，引导学生由表及里地学习，突破难点的同时，进一步培养宏观辨识与微观探析的核心素养。

在实际教学中，学生拼搭的水分子模型各不相同，有把三个原子呈一条直线排列的、也有三个原子挤在一起的、还有把三个原子拼成“米老鼠头”的，说明学生对于原子如何构成分子的想法各不相同，教师可以抓住这一点向学生提问：“氢原子和氧原子到底是以哪种方式构成水分子的呢？”，留下这样一个悬念给学生，激发学生自主探究微观世界的欲望，同时也为将来高中阶段“化学键”的学习埋下伏笔。

充分运用计算和模型相配合，在教学中渗透“元素观”和“微粒观”等学科核心观念，让教与学回归学科文化，带给学生的不仅仅是知识更是思想内涵。