利用化學史教學培養學生的科學素養

陳偉新

化學史是研究化學發生、發展的歷史，是重要的教育資源，蘊含著科學探究方法、思維方式、理性精神等科學教育的重要元素，不僅有助于培養學生的科學態度與精神，理解科學的研究過程與方法，而且有助于學生領悟科學本質。“相對原子質量”一課，通過化學史重構教學，使學生感受到科學是一個開放的、不斷發展的系統[1]。

基于以上理念，筆者根據浙教版八年級下冊“元素符號表示的量”教學內容，充分挖掘“相對原子質量標準”演變的化學史，通過從道爾頓“H為1”的標準到以“以12C原子質量的十二分之一”為標準來搭建教學框架，幫助學生解構前概念，在重演化學史軌跡中，建構“相對原子質量”新概念。回顧“相對標準”變換的一連串科學史實中，追問學生“科學家為什么要選它為標準？如果你是當時開展研究的科學家，你會怎么思考？真的是最好的標準了嗎？”等問題，通過對質、重組、遷移的方法，讓學生理解“相對原子質量”標準的由來，領悟科學本質。

一、體驗情境，引發質疑

出示圖片：國際千克原器。設計以下問題引發學生思考。

問題1：為什么要制造國際千克原器？

問題2：你還知道哪些量的標準？

問題3：原子的質量主要集中在哪里？原子質量的數量級為多少？

通過學生熟悉的質量標準引入，從引進相對量意義著手，讓學生列舉常見量的標準，體驗“標準”是相對的。接著，列出三種原子的氫原子1.6741027千克、碳原子1.9931026千克、氧原子2.6571026千克。讓學生計算一個水分子和一個二氧化碳分子的質量，感知原子有質量但數值很小，體驗“千克”這樣的質量標準用到微觀的原子、分子質量計算，勢必引發質疑去尋找新“標準”。

二、再現史實，建構概念

通過上述甲烷分子、水分子質量計算，讓學生談談過程體驗，并提供以下問題引發學生思考。

問題1：如果你是當時研究的科學家，你會怎么思考？有辦法讓計量簡化嗎？

問題2：你會尋找什么作為標準（尺子），去比一比原子的質量呢？如何讓大家認同你的觀點？

學生參與討論，以小組為單位交流思想，充分表達觀點，并闡述相關理由。

結合學生的交流情況，進行觀點歸納。從中選擇一個原子的質量作為標準的“砝碼”；選擇氫原子作為標準，因為氫原子質量最小。在此基礎上，教師順勢而推，我們來學習當時科學家是怎么思考的。

化學史實1：道爾頓“原子質量”標準的探索

英國著名的化學家約翰·道爾頓（John Dalton）創立原子論的一個主要目標，即確定單質和化合物中原子的相對重量，但是，由于他沒有考慮到元素化合時定比的多樣性，所以沒有能測得準確的原子量[2]。例如，他認為，水是由1個氧原子和1個氫原子組成的。

展示史實后，追問學生以下兩個問題。

問題1：道爾頓認為，水是由1個氧原子和1個氫原子組成的。請想一想水的組成是這樣嗎？

問題2：你認為道爾頓會選擇那種元素為標準？為什么？

化學史實2：道爾頓“原子質量”標準的探索

根據當時拉瓦錫對水的重量分析的結果。基于氫是最輕的原子的假設，道爾頓首先提出（以氫的原子量為1作為標準），根據水是由8份氧氣和1份氫氣化合而成，得出氧的原子量是8[3]。

1803年10月，道爾頓第一次公布了6種元素的原子相對質量。此后不斷增加元素種類，最終增至37種，并對部分數值做了修正。

針對史實提出以下問題，促進學生思考。

問題1：道爾頓為什么把氫設定為1，有科學依據嗎？

問題2：把氫設定為1時，氧為什么是8呢？

化學史實3：道爾頓“原子質量”標準的探索

化學史實4：在歷史上，不同的化學家曾經采用過不同的相對質量“參照系”，瑞典化學家瓊斯·雅可比·柏采留斯曾經用氧的原子量為100作“參照系”。

針對史實提出以下問題，柏采留斯為什么要選擇“氧”為標準呢？請你根據以前所學的知識想一想。學生可能會回答說：因為氧原子比較普遍。此時，老師適當引導，科學史實確實如此，當時科學家們發現，在自然界中含氧的化合物很多，含氫元素的化合物很少。

化學史實5：1860年，比利時化學家斯達（J.S.Stas）提出“O=16”為基準，很快得到公認并在化學領域沿用了整整一個世紀[4]。

展示史實后追問學生，斯達為什么又提出以“O=16”作為“參照標準”呢？以此擴展學生的思維。

化學史實6：伴隨著化學科學的不斷發展和相對原子量數值精度的不斷提高，特別是1929年美國化學家吉奧克（W.F.Giauque）等人發現了17O和18O兩種同位素后，使化學和物理兩大領域的相對原子質量基準出現了差別[5]。

根據比較精確的質譜測定，自然界中氧三種同位素的豐度，16O占99.759%，17O占0.037%，18O占0.204%。化學的相對原子質量基準選用的是天然氧，而物理的相對原子質量基準選用的是16O=16[6]。

展示史實后，引導學生思考以下問題。

問題1：什么是同位素？

問題2：根據材料的介紹，“豐度”表示什么？請描述出你的理解。

問題3：若以物理學界16O這種同位素原子等于16作為標準時，那么天然氧的平均相對原子質量應怎樣計算呢？

化學史實7：科學家們提出了許多建議。曾先后以“4He=4”和以“19F=19”為基準，但都因各自的不足而被否定了[7]。

化學史實8：1957年，美國質譜學家尼爾和化學家厄蘭得提出以12C=12為基準的方案。由于12C基準有利于采用質譜法確定核素的相對原子質量，這一方案得到德國質譜學家馬陶赫（J.Mattauch）的支持。1959年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）接受馬陶赫的意見，建議使用12C =12為相對原子質量基準。1960年，國際純粹與應用物理聯合會（IUPAC）接受了這項倡議，于是一個為世界公認的新相對原子質量基準誕生了[8]。

問題1：12C表示的意義？

問題2：想一想，采用12C作為相對原子質量的標準，12C原子應該符合哪些條件呢？

通過上述兩個問題，用當時科學家的觀點，挑戰學生的思維，促進學生交流、質疑和推理，讓學生調用所學知識，用自己的觀點來闡釋問題，通過“證據—推理”形成自己的見解。有的學生提出的觀點能擊中問題關鍵，如碳原子在自然界中比較普遍且穩定，便于質譜測定。同時，也促使學生綜合運用前面所學的尋找“相對原子質量”標準相關知識，辯證地分析問題，做出有價值的選擇和決定，領悟科學與技術、社會發展的關系。在學生充分表達之后，再展示采用12C作為相對原子質量標準的史實，讓學生體驗到成功的樂趣，激發學習熱情。

引導學生進行探討，在課本上描述時，為什么要以“12C原子質量的十二分之一”而不是以“12C原子質量”作為

標準？

經查證，12C原子的質量為1.9931026千克。要求學生計算出12C原子質量的十二分之一值，并將計算結果與質子中子質量進行對比。

三、體悟本質，學以致用

學生在查元素周期表、相對原子質量表實踐過程中，體會相對原子質量簡潔、規范、準確、國際統一的特點。理解元素符號與相對原子質量的對應關系，使學生初步認識到符號中包含著量的意義。

【練習】查找各元素的相對原子質量。

（1）從元素周期表（附錄4）中查出下列元素的相對原子質量：

Ca ； Al ； Cl ； S 。

（2）從相對原子質量表（附錄3）查出下列元素的相對原子質量：

Ba ； Na ； S ； Br 。

在學生查表之后，引導學生對比附錄4與附錄3。追問學生，為什么附錄3（相對原子質量表）與附錄4（元素周期表）有些雖是同種元素但相對原子質量卻有區別？如硫（附錄3）為32.066，（附錄4）為32.06。讓學生說說變化的可能原因是什么。

通過追問，讓學生調用前面所學“相對原子質量”得出過程的知識來解決問題，發展學生思辨能力。在學生闡述觀點過程中，了解學生的邏輯推理方式[9]。

科學總是不斷發展的。科學知識的生產總是在一定的社會環境中進行，在這一環境中，科學生產的目的是與具有不同目的的其他實踐相互關聯的[10]。促進學生對科學本質理解的教學，可以通過適當歷史事例展示人類探索，并建構化學知識的前因后果。這節課的教學問題設計，從引進相對量的意義入手，將“相對原子質量”標準的產生過程融入化學史教學，而不是“冷不丁”地冒出個“以12C原子質量的十二分之一”作為標準。融“史”于課，由“史”引思，以“史”促探，更重要的是揭示探尋“相對原子質量”標準的思維過程，通過對標準探索和變更發展的歷程，突出分析、評價、推斷、演繹、歸納等批判性思維的訓練。學生沿著科學家探索“相對原子質量”標準的思路，折射出科學本質，這也是發展學生核心素養的重要途徑之一。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育初中科學課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012：3.

[2][3]吳國盛.科學的歷程（第二版）[M].北京：北京大學出版社，2002：344-345.

[4][5][6][7][8]朱清時.義務教育教科書科學教學參考書.八年級下冊 [M].杭州：浙江教育出版社，2014：68.

[9]安德烈·焦爾當.學習的本質[M].上海：華東師范大學出版社，2015：60.

[10]查爾默斯.科學究竟是什么[M].北京：商務印書館，2007：289.

本文系浙江省學前及義務教育段名師工作站2018年度王耀村名師網絡工作室專項課題“基于科學名師網絡工作室的研修活動規劃與實施成效研究”的階段性成果。

（作者單位：浙江省麗水市麗水外國語實驗學校）

責任編輯：李莎

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