融入化學史的“水的組成”化學啟蒙教學探索

費志明 陳懋

摘要： 義務教育初中化學是化學教育的啟蒙階段，以“水的組成”教學為例，

將化學史融入課堂教學中，讓學生與科學家跨越時空對話，探索

學習研究物質組成和結構的方法，促進深度學習，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

關鍵詞： 水的組成; 化學啟蒙; 化學史; 化學教學

文章編號： 1005-6629（2021）02-0048-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題提出

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構及其應用的一門基礎自然科學[1]。

義務教育初中化學是化學教育的啟蒙階段。

化學史反映化學科學發(fā)展的過程，能夠幫助學生理解化學知識及其科學本質。因此，將化學史融入初中課堂是一個有效拓寬學生視野并提高學生科學素養(yǎng)的方法。

融入化學史的教學設計的核心是教師根據學情有目的地選擇一些能夠引起學生探究興趣、易于學生理解和掌握、有助于實現教學目標的歷史材料和問題[2]。為了引導學生學習研究物質組成的方法，建立模型并能運用模型來確定物質的組成和結構，本文以“水的組成”教學片段為例，通過重演化學史來促進學生深度學習。

2? 設計思路

“水的組成”是初中化學第一次通過實驗探究學習研究物質組成的方法，主要包括水的電解和水分子的構成兩部分內容。本節(jié)課的核心任務是從宏觀到微觀、從定性到定量兩個維度探究水的組成，從分子和原子微觀角度認識物質的構成，并圍繞這個核心任務建立教學設計（如圖1所示）。此設計體現“提出問題—實驗探究—模型建構—問題解決”的科學探究過程，發(fā)揮化學實驗證實和證偽的作用，同時，重演探究水的組成科學史故事，引導學生像科學家一樣思考問題，從“宏觀、微觀、符號”三個角度認識物質的研究方法，實現證據推理與模型認知的教學內涵，促進深度學習。

3? 教學過程

3.1? 創(chuàng)設情境，提出問題

教師講述： 20世紀70年代，某地域海面上沒有油和其他可燃物，在250千米/時的颶風吹過后海面著火。水火不相容，海水著火了，為什么？學生猜測，可能和水的組成有關，也可能和風的速度有關。

教師設問： 水是由什么組成的呢？我們如何研究水的組成呢？今天我們通過化學史故事來認識水的組成。

設計意圖： 基于學生對水的宏觀組成、微觀構成已經有初步認識，通過創(chuàng)設故事情境讓學生產生認知沖突，激發(fā)學生的學習興趣，引發(fā)深度學習動機。

3.2? 史事重演，遷移引導

教師講述： 人類對水組成的認識經歷漫長的過程，我們如何來探究水的組成呢？

資料： 自古以來，人們認為水是組成世間萬物的一種（物質），不可再分。例如： 我國有“五行說”（金木水火土），古希臘有“四元素說”（水土氣火）。一直到了16、 17世紀，一些醫(yī)生、藥劑師偶然發(fā)現，金屬落到酸里面會有一些氣體產生，這種氣體可以燃燒。18世紀，英國化學家普利斯特里發(fā)明了排水集氣法，把這種可燃氣體收集起來，對此的研究才開始深入起來。

教師設問： 如何證明水不是某一種元素呢？大約250年前，還沒有電的使用，那當時科學家是怎樣研究水的組成的呢？

[普利斯特里]我叫普利斯特里，英國人，18世紀中葉，我常常愛給朋友們表演魔術： 將鋅加入稀硫酸中，將生成的可燃氣體和空氣混合裝在試管里，搖晃幾下，迅速地把一支點燃的蠟燭移近試管口，試管立馬吐出長長的火舌，并發(fā)出震耳欲聾的爆炸聲。這樣的魔術干了很多次，終于有一天，我發(fā)現瓶壁上有不少水霧，一開始以為是試管沒擦干凈，或者是因為空氣潮濕。后來，我把試管擦干凈，也用了干燥的空氣，還是發(fā)現有水滴，我只能推論，金屬碰到酸液產生的可燃氣體可以燃燒生成水，但說不清為什么。

[卡文迪許]我叫卡文迪許，英國人，1781年普利斯特里把他的發(fā)現告訴我，我用不同比例的可燃氣和空氣混合進行定量實驗，證實了他的發(fā)現，并斷定生成的液體是水。

在氧氣被發(fā)現后，我用純氧氣代替空氣，不僅證明試管中生成的是水，還確認2體積的“可燃氣”與1體積的氧氣恰好化合成水。但我是虔誠的“燃素學說”信徒，還始終認為水是一種元素，沒有做出正確的解釋。

[拉瓦錫]我叫拉瓦錫，法國人，卡文迪許的助手布拉格登于1783年6月訪問巴黎時，將這一實驗告訴了我，我立即進行了跟蹤實驗，利用氫氣和氧氣的燃燒實驗不僅合成了水，同時還將水高溫分解為氧氣和氫氣。用天平稱量水，水分解產生的氫氣和氧氣化合生成水的前后質量相等。

我認為可燃氣體和氧氣一樣都是元素，而水是可燃氣體和氧氣的化合物，我用氫氣來命名可燃氣體，意思是形成水的物質。

[尼克爾森]我叫尼克爾森，英國人，1799年意大利科學家伏特發(fā)明“伏打電池”，于是在1800年我用伏打電池在常溫下對水進行通電分解，再次確認了水的組成。

教師設問： 沿著科學家研究的軌跡，帶給我們什么啟示？有什么收獲？學生發(fā)言很熱烈，從情感上、方法上紛紛談了自己的看法，比如普利斯特里的好奇、拉瓦錫的質疑批判等。

設計意圖： 通過與科學家的時空對話，讓學生體會到科學探究的嚴謹性、曲折性和科學家們在研究過程中的鍥而不舍、實事求是的科學精神以及滲透著的學科思想方法和科學本質。

教師設問： 你能從化學史實驗中，提煉出研究純凈物組成的方法嗎？學生思考與交流得出： 化合法，利用反應物的成分推斷生成物的成分;分解法，利用生成物的成分推斷反應物的成分。

教師設問： 我們如何驗證水的組成呢？學生首先想到高溫加熱，但考慮現實條件而放棄，也有學生想到可以電解水。教師出示簡易的實驗裝置（如圖2所示），為了增強水的導電性，在水中添加氫氧化鈉或稀硫酸溶液。

教師設問： 試管內分別產生什么氣體？又如何檢驗？學生根據科學史，得出是氫氣和氧氣。在不知道哪端是氧氣或氫氣的情況下提出兩端都用燃著的木條，使木條燃得更旺的就是氧氣，氣體本身會燃燒就是氫氣，并進行實驗。

教師要求各小組匯報實驗現象，學生發(fā)言： 電極周圍出現氣泡，試管內液面下降，與正極相連的試管內液面下降速度比與負極相連的試管內的慢，氣體檢驗的操作不夠方便。于是，教師用圖3所示裝置演示了實驗，一段時間后，讀出與正、負極相連兩端的玻璃管內氣體的體積，正極端和負極端產生氣體體積比約為1∶2，并進行了氣體的檢驗，確定水通電后生成了氫氣和氧氣。

教師設問： 電解水生成氫氣和氧氣，水由什么元素組成？學生討論得出，氫氣由氫元素組成，氧氣由氧元素組成，根據化學反應前后元素種類守恒，推測水由氫元素和氧元素組成。

設計意圖： 借助科學史故事，引導學生建構實驗模型，從簡單到復雜，排除各種干擾因素。教師不斷追問，學生進行證據推理得出結論，像科學家一樣批判性思考問題，讓學生經歷一次有意義的探究過程，實現真正的深度學習。

3.3? 時空對話，建構模型

教師設問： 水由水分子構成，水分子由什么構成？科學家如何建構水分子模型！

[道爾頓]我叫道爾頓，英國人，自拉瓦錫發(fā)現質量守恒定律后，1803年10月，我通過定量實驗發(fā)現： 1克氫氣和8克氧氣化合成9克水，假如不按這個一定的比例，多余的就要剩下而不參加化合。我認為元素是由原子構成的，原子在一切化學變化中不可再分。

[蓋·呂薩克]我叫蓋·呂薩克，法國人，我精確測定水的組成： 用電火花點燃氫氣和氧氣的混合物，發(fā)現氫氣、氧氣、水蒸氣的體積比永遠是2∶1∶2，我提出假說： 在同溫同壓下，相同體積的氣體中含有相同數目的原子。這將是支持原子論的又一有力證據。

道爾頓對蓋·呂薩克的事實首先提出質疑，事實： 2體積氫氣+1體積氧氣→2體積水蒸氣;推理： 2個氫氣原子與1個氧氣原子形成2個水原子;矛盾： 要想生成2個水原子，必須將1個氧氣原子分為兩半，配到兩個“水原子”中，這與原子不可分割的觀點是對立的。

[阿伏伽德羅]我叫阿伏伽德羅，意大利人，1811年，道爾頓與蓋·呂薩克，你們別爭論了，我認為物質由分子構成，分子是構成物質的最小微粒。在同溫同壓下，相同體積的氣體中含有相同數目的分子。我認為簡單氣體的分子由2個原子構成。這樣，你們的爭論問題都解決了。

教師提示： 原子分子論的確立過程對你有何啟示？學生認為，科學家根據宏觀物質之間的定量關系推測出物質是由微觀粒子構成的，這種思維方法值得我們學習。

教師設問： 基于以上理論，你能推理水分子的結構嗎？學生根據簡單氣體分子由2個原子構成，先畫出氫分子和氧分子模型（如圖4所示）。根據同溫同壓下，氣體體積比等于分子數目比，得出每個水分子有2個氫原子和1個氧原子構成。教師展示2014年中國科學家在電子顯微鏡下看到水分子的面貌，明確水分子的真實結構。

教師設問： 如何從“宏觀、微觀、符號”三個角度分別表達水電解這一化學變化過程？學生從文字表達式（宏觀角度）： 水→氫氣+氧氣;微粒模型表達（微觀角度），如圖5所示;符號表達式： 2H2O2H2↑+O2↑。

教師設問： 根據水電解過程的示意圖及實驗現象，分析水在通電情況下是如何分解產生氫氣和氧氣的？學生觀察模型認識到： 水在通電時水分子獲得足夠的能量，水分子分解為氫原子和氧原子，每2個氫原子結合成1個氫分子，每2個氧原子結合成1個氧分子;若干個氫分子結合形成氫氣，若干個氧分子結合形成氧氣。這樣學生便明確了化學變化的實質。

教師追問： 對于某地域海面上水發(fā)生燃燒的原因，你們猜測為什么？學生認為，當颶風達到205千米/小時，風與海水發(fā)生高速摩擦，從而產生巨大的電壓，使水分子中的氫原子和氧原子分離，產生氫氣和氧氣，一旦達到一定溫度或有一丁點火星，海面上便燃起了大火。

設計意圖： 學生接受科學教育的過程就是知識再生產的過程。借助科學史故事，讓學生從定性到定量建構水分子的結構，利用微粒模型分析問題，促進深度學習。

4? 結語

在化學啟蒙教學中，教師應基于學生的認知規(guī)律和初中化學教材特點，充分挖掘教材中蘊含的學科價值，整合相關化學史故事，突出學科思想方法的滲透。以史為鑒，學史明理。化學史是重要的化學啟蒙教學資源，是一種動態(tài)的、發(fā)展的知識方法學習體系。將化學史融入課堂教學，既不影響教學進度，又能作為知識方法的串接線，有較強的故事性和趣味性，對培養(yǎng)學生大膽質疑、勇于探索的精神，促進學生深度學習、發(fā)展學生的科學素養(yǎng)大有裨益。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2011年版）[S]. 北京： 北京師范大學出版社， 2012.

[2]馮杰亮. 初中化學模型建構促進深度學習的教學策略探討——以“化學反應中物質質量變化的圖像教學”為例[J]. 教學月刊（教學參考）， 2019， （11）： 20～23.