整合化學史料 體驗論證過程

任寧生 王凌靜

摘要：嘗試以水的組成為例，重新組織教學形式，以化學史為背景，讓學生親身體驗水的組成發現歷程，強調科學探究中的論證過程。以期培養學生的證據意識及邏輯推理能力。

關鍵詞：水的組成;科學論證;化學史

文章編號：1008-0546（2019）02-0061-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

一、問題提出

當今日新月異的社會發展拓展了人們的生活方式，傳統的教學已經不能滿足學生適應社會的需要。正是基于此，學科核心素養顯得愈發重要。化學作為一門以實驗為基礎的實用科學，科學的發展中無處不彰顯著科學探究的重要性，許多科學觀點的提出都是通過科學探究實現的，探究中體現出的核心素養也是化學學科最核心的素養。所以，讓學生重新體驗科學家探究過程，感受其中體現的核心素養，對學生培養化學學科素養及理解化學本質有著至關重要的作用[1]。在這其中，根據實驗現象推理得出結論的證據推理和邏輯思維能力是科學探究中重要思維方法。所以，在化學史的情境中讓學生體驗科學論證過程顯得自然而必要。

“水的組成”是人民教育出版社九年級上冊第四單元課題3的內容，該課題的呈現方式是模擬史實的研究過程，科學家在研究水的組成時，通過科學探究，得出證據，從宏觀上證明了水的元素組成，從微觀上證實了水分子的原子構成[2]。所以，筆者嘗試以“水的組成”為例，整合化學史料，在化學史的背景下，讓學生重新經歷科學家的探究過程，體驗整個科學論證的過程。

二、設計思路

“水的組成”研究過程主要分為兩部分，水的生成和水的分解，水的生成主要從定性角度探究氫氣燃燒實驗，水的分解主要從定量角度探究水通電分解實驗。兩部分皆以化學史引入，在分析史實的基礎上，親身體驗科學家的探究過程，最后通過嚴謹的推理過程得出結論。兩個環節以水分子中原子定量關系進行聯系，從定性研究引入定量研究。教學流程如圖1所示。

三、教學過程

1.環節一：氫氣發現史實分析

【提出問題】自然界中水無處不在，今天我們就來研究一下這個我們非常熟悉的水，在研究之前，其實我們已經對水有了一定的認識，那我們先回憶一下水是由什么元素組成的？

你的依據是什么？如何用實驗證明呢？

【學生活動】思考，交流，回答。

[設計意圖]通過學生熟悉的問題引入教學內容，從熟悉的問題過渡到有思維深度的問題，學生由淺入深形成認知困惑，引導學生從化學史實中尋找答案。

【教學引入】其實，這個問題在18世紀的時候，科學家就進行了堅持不懈的研究，今天這節課，就讓我們進入科學家的世界，再現科學家對水的組成的研究。

【播放視頻】英國BBC紀錄片，普利斯特里和卡文迪許氫氣燃燒實驗史實。

【提問1】剛才這段視頻講述了卡文迪許發現氫氣及他與普利斯特里合作發現水的組成的歷史，那么請根據剛才的視頻，思考以下幾個問題，第一個問題，從視頻中你能歸納出氫氣的性質嗎？有什么證據呢？

【學生活動】討論回答。

【教師總結】氫氣是無色無味的氣體，視頻中可以用排水法收集氫氣，可以得出氫氣難溶于水，視頻中氫氣球脫手后向上飛出證明相同條件下，氫氣的密度比空氣小。

【提問2】視頻中為何將木條伸人試管后會發出了尖銳的爆鳴聲？

【資料卡片】可燃性氣體等在空氣中達到一定的含量時，遇到火源就會發生爆炸。例如，當氫氣含量占總體積的4%～74.2%時就會發生爆炸。

【學生活動】思考，回答。

【提問3】試管中氫氣不純時點燃會發生尖銳爆鳴聲，所以在點燃氫氣時一定要檢驗其純度，如何檢驗純度，如果氫氣較純，會出現什么現象？

【演示實驗】使用課前準備的氫氣氣囊，制備一試管的氫氣，點燃觀察現象。

【學生活動】觀察實驗現象，總結驗純方法。

【教師總結】氫氣驗純方法。

【設計意圖】結合視頻資源，將氫氣驗純方法引入，省去視頻中出現的氫氣不純時的實驗現象，使用儲氣袋提前收集氫氣，觀察驗純操作注意點及氫氣較純時的實驗現象，節約時間。

【提問3】通過上述視頻，卡文迪許和普利斯特里如何證明了水的組成？什么證據能夠證明？

【學生活動】思考，回答。

【教師總結】在得出結論的推理過程中，我們需要有嚴謹的推理過程，需要有歷史背景下的前提條件，包括科學定律等。在此前提下，證據和結論之間的因果關系也是必不可少的[3]。所以上述的論證過程可以參考以下模式，顯得邏輯更加清晰。如圖2所示。

【設計意圖】該環節充分利用視頻資源，設置問題，引導學生從化學史料中提取和歸納處理信息，并進而通過推理得出結論，讓學生體驗科學論證過程，同時，為接下來的實驗探究做鋪墊。

2.環節二：體驗經典實驗：氫氣燃燒

【教師講述】既然已經知道了科學家發現氫氣、點燃氫氣的史實，今天就讓我們回到那個年代。老師課前收集了一瓶氫氣，現在我們就模仿卡文迪許和普利斯特里的實驗，點燃氫氣，注意觀察實驗現象。

【演示實驗】讓一位學生上臺協助，演示氫氣燃燒實驗。

【學生活動】描述氫氣燃燒實驗現象

【教師總結】氫氣燃燒發出淡藍色火焰，放熱，用燒杯罩在火焰上方，發現燒杯內壁有水霧生成。

【提問1】上述實驗現象如何說明水的組成呢？如何證明？

【學生活動】討論，回答。

【設計意圖】學生自主體驗氫氣燃燒實驗，歸納實驗現象，從實驗現象中得出氫氣燃燒有水生成，從而根據元素種類不變得出水的元素組成，加深學生的理解。

【提問2】上述實驗實際上是氫氣在空氣中燃燒，但是空氣中除了氧氣，還有其他氣體，為什么氫氣燃燒是與空氣中氧氣發生反應？而不是其他氣體？如何改進呢？

【教師講述】卡文迪許在當時意識到了這點，所以他對原先的實驗進行了改進，將原先的空氣換成了純氧，重復了之前的實驗，發現依然有水生成，所以證明了氫氣和氧氣反應生成了水。

【設計意圖】通過對實驗的質疑，要求學生以嚴謹的態度對待科學實驗中得出的證據，并通過嚴謹的推理得出結論。

3.環節三：再現化學史料定量分析水的組成

【提問1】現在知道水不是一種元素，是氫氧元素組成，我們就可以用H和O的式子表示水，那你們知道水該如何表示？

【提問2】H₂O中“2”表示什么意義？從我們剛才得到的結論能不能確定一個水分子中的氫氧原子個數？

【設計意圖】學生的前概念中已經有對水化學式的認識。對學生已有知識進行再思考，引導學生思考化學式中數字的含義，從而引出水構成中量的關系探究。

【播放視頻】當我們陷入困境的時候，一般歷史都會給我們答案，我們就繼續看一段視頻，看看拉瓦錫是如何解決這個問題的（BBC紀錄片剪輯）。

【講述】在剛才的視頻中，我們知道拉瓦錫運用逆向思維，將水進行了分解，今天我們也來親身體驗這個過程，現在桌子上有一套實驗儀器，根據實驗步驟進行實驗，記錄實驗現象。

【分組實驗】使用超市9V電池連接導線，導線另一端分別接兩根8B鉛筆芯，伸人盛有水的透明水杯中，觀察現象。

【學生活動】記錄實驗現象。

【提問1】實驗目的是為了驗證水分解后的產物及水分子中氫氧原子個數比，該實驗能否證明水分解后產物是什么？能否證明水分子中氫氧原子個數比？

【學生活動】思考，討論。

【提問2】為了實現實驗目的，需要收集生成的氣體進行檢驗，如何收集生成的氣體？又如何檢驗？

【學生活動】討論，回答。

【教師總結】為了研究水分解的產物，需要對該實驗進行改進，實現對氣體的收集和檢驗。

【設計意圖】學生在趣味實驗中體驗水分解的過程，通過分析實驗目的，分析趣味實驗的不足之處并提出改進措施，培養學生根據實驗目的設計和改進實驗的能力。

【演示實驗】介紹教材第80頁電解器，并進行電解水實驗。

【提問1】該水電解器實現了對氣體的收集，仔細觀察實驗，記錄實驗現象。

【學生活動】交流，記錄，回答。

【教師總結】水通電后正負極現象

【提問2】如何檢驗收集到的生成氣體？會出現什么現象？

【學生活動】討論、交流。

【教師總結】使用燃著的木條進行檢驗，記錄實驗現象。

【提問3】根據上述實驗現象，你能得出哪些實驗結論？嘗試使用之前的推理話語推理得出結論。

【學生活動】交流，討論，回答。

【教師總結】水通電后分解的實驗結論推理可以表示如圖3所示。

【提問4】該實驗能否證明水分子中氫氧原子個數比？如何證明？

【資料卡片】1.阿伏伽德羅定律：在相同的溫度和壓強下，相同體積的任何氣體都含有相同數目的分子。

2.在化學反應中，反應前后原子的種類沒有改變，數目沒有增減，原子的質量也沒有改變。

【學生活動】討論，回答。

【教師總結】定量測定水分子中的原子個數比的推理過程如圖4所示。

【探究活動】既然已經定量分析出水分子中氫氧原子的個數關系，下面運用實驗桌上提供的一元硬幣和一角硬幣模擬水分解的過程，其中，一元硬幣代表氧原子，一角硬幣代替氫原子。學生代表上臺演示。

【學生活動】探究、討論、演示。

【設計意圖】首先，該部分從定量角度分析水分子的構成，強化推理過程中的證據意識，同時強調對實驗現象的觀察與描述。其次，該部分要求學生從微觀角度認識水分解的過程，通過探究活動，以宏觀可見的物質代替微觀不可見的原子，加深學生的宏微觀意識。

【課堂小結】根據課堂上體驗水的組成的發展歷程，學生自己構建水的組成發展歷程圖，強調證據在得出結論過程中的重要性。

【設計意圖】回顧整個水的組成探究過程，通過自主構建框架，讓學生理解知識間的內部邏輯，將知識內化的同時，體驗科學發展的過程。

四、教學反思

有關“水的組成”的教學設計很多，為了更好地落實“化學學科核心素養”，筆者嘗試從論證角度人手，讓學生在化學史的背景下，科學探究的體驗中，經歷科學論證的過程，包括證據意識及推理過程。相較于傳統的水的組成教學設計而言，本文對其的教學探索首先從宏觀定性和微觀定量兩個角度重新認識了水的組成發現歷程，幫助學生構建起宏微觀間的聯系，這是化學學科中非常重要的思維方法[4]。其次，傳統教學中往往忽視科學探究中根據證據進行推理的能力，傳統的教學更多地是通過證據簡單地得出結論，并沒有強調如何構建知識與結論之間的聯系，本教學設計則強調科學探究中證據結論間的邏輯性，不斷讓學生通過證據解釋觀點[5]。最后，嘗試讓學生在化學史的情境中親身體驗科學家的探究過程，可以幫助學生理解科學發展的本質特征，身臨其境地體驗科學的本質[6]。

參考文獻

[1]韓竹海.基于證據意識的物質結構與性質教學——以“離子晶體”為例[J].中學化學教學參考，2017（10）：16-18

[2]人民教育出版社課程教材研究所.教師教學用書[M].北京：人民教育出版社，2016：78

[3]任寧生，鄧小麗.科學論證取向的原子結構教學設計[J].化學教育，2017（17）：16-21

[4]王磊.基于學生核心素養的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2017：2-5

[5]鄧峰，劉小艷，李美貴.化學核心學習能力理論框架研究[J].中學化學教學參考，2017（12）：1-5

[6]任寧生，鄧小麗.科學論證視野下的科學教育教學設計模型建構[J].北學教學，2016（4）：14-18