追溯化學發展史，在概念教學中培養證據推理意識

成斌斌

摘要：在化學教學過程中精準滲透化學史的有效教育，能幫助學生體會化學家探索世界的思維方法和科學態度，感受化學概念形成的曲折和嚴謹，培養學生的化學關鍵能力和必備品格。而在化學學科的發展中，證據推理貫穿于整個科學探究的過程。以“分子、原子”概念教學為例，以史料為線索，帶領學生了解認知一般規律；以實驗為證據，推測微觀世界的變化特點，最終強化學生的學科知識，提升學生的思維品質。

關鍵詞：化學史；證據推理；概念教學；模型建構；宏微結合

文章編號：1008-0546（2022）01-0016-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.004

一、研究背景

從人類鉆木取火開始，化學的萌芽就已悄悄產生。化學學科的發展歷史完整展現了化學物質的發現、化學規律的認識、化學方法的創造等過程。化學教學不僅要符合學科知識的邏輯順序，更要符合學生心理發展的認知規律。而化學家對于化學概念和化學基本原理的探索過程與學生的認知過程有很大相似性。在化學教學過程中精準滲透化學史的有效教育，能幫助學生體會化學家探索世界的思維方法和科學態度，感受化學概念形成的曲折和嚴謹，培養學生的化學關鍵能力和必備品格[1]。

在化學學科的發展中，證據推理貫穿于整個科學探究的過程。研究者常常根據一個或一些事實（包括生活現象、實驗現象、實驗數據、調查資料及科學史料等）得出另一個新的假說，再通過實驗或計算進行驗證。在這個過程中，推理是思維過程，證據是前提條件。化學學習中的證據推理可以理解成“基于證據對物質的組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽，最終建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系[2]。”

二、教材分析

以“分子、原子”概念教學為例。滬教版教材對分子的表述為：“大量科學研究證明，分子是構成物質的一種微粒”“大量的研究結果表明，分子是由原子結合而成的”。常規教學思路見圖1：

通過學習，學生能了解分子的一般知識，卻失去了體會科學家探究微觀世界的一般方法的機會，對教材中提到的“大量科學研究證明”“大量研究結果表明”毫無感觸，不利于學科能力的培養。學生對化學本質的理解需建立在實踐的基礎上。化學發展史體現了科學家發現物質存在、研究物質性質、掌握物質用途的完整過程，因此，在學科教學中追溯化學發展史，對引導學生了解化學知識產生的社會文化背景、化學學科發展的變化歷程及化學對社會、生產生活產生的影響等有重大的意義。因此，可以化學發展史為線索，了解化學家的基本研究思路，體驗“證據推理”的思維方法，提升學生的思維品質[3]。而在實際案例中，如何精選化學史料作為課程資源并轉化為探究情境，引導學生開展探究成為研究重點。同樣以“分子、原子”概念教學為例，具體教學流程設計見圖2：

三、課堂實錄

1.三次畫水，“看”微觀粒子。

史料：[英國·布朗]在顯微鏡下觀察懸浮在水中的藤黃粉、花粉微粒，或在無風情形觀察空氣中的煙粒、塵埃時都會看到懸浮微粒在永不停息地做無規則運動。

視頻展示：電子顯微鏡下的布朗運動。

師：實驗告訴我們物質都是由不斷運動的分子、原子、離子等微粒構成的，隨著科技的進步，我們已經可以通過電子呈像“觀測”到這些微粒的存在。

史料：[道爾頓]1808年，道爾頓提出了“道爾頓原子學說”，他抓住化學元素的原子量這個最本質特征，認為化學元素由不可分的微粒—原子構成，它是不可再分的最小單位。

[阿伏加德羅]1811年，意大利化學家阿伏伽德羅提出了“分子學說”，主要觀點包括：

（1）原子是參加化學反應的最小質點，而分子是游離狀態下單質和化合物的最小質點；

（2）分子是由原子組成的；

（3）單質的分子是由相同元素的原子組成，化合物的分子則由不同元素的原子組成。

[阿侖尼烏斯]1887年阿倫尼烏斯提出電離學說：電解質是溶于水中能形成導電溶液的物質；這些物質在水溶液中時，一部分分子離解成離子；溶液越稀，離解度就越大。

圖片展示：掃描隧道顯微鏡下的苯分子、硅原子圖像。

師：請你根據所學內容再畫一次水，注意體現微粒的基本性質。

師：水是由什么微粒構成的呢？

史料：[尼科爾森]1800年5月，尼科爾森同解剖學家安東尼·卡萊爾共同研制成英國第一個伏打電堆，即用銅幣和鋅板各36枚組成的電池組，他們發現，當將兩根分別連接銀幣和鋅片的導線放在水中時，與鋅（負極）連接的金屬絲上發生氫氣泡，而與銀（正極）連接的金屬絲上產生氧氣。

實驗演示：（1）用電導率傳感儀測定水的電導率。

（2）將用硫酸鈉處理后的水倒入電解水裝置，打開電源開關，觀察到兩極均產生小氣泡，且正負極氣體體積比為1∶2。

（3）分別檢驗兩極氣體成分。

歸納推理：（1）純水幾乎不導電，說明純水中不存在大量自由移動的離子。而水分解后產生兩種不同元素組成的物質，說明水不是由一種原子構成，而是由水分子構成。水分子由氫、氧原子構成。

（2）氫氣與氧氣體積比約為2∶1，則水分子中氫、氧原子個數比也約為2∶1。

師：請你根據所學內容再畫一次水，注意體現水分子的構成特點。

2.證據推理，“測”分子構成。

師：早在電解水實驗前人們就已經了解了水的組成。科學家是如何發現這一事實的？

史料：[卡文迪許]英國化學家卡文迪許最早對水的組成進行了實驗研究。1781年，普利斯特利宣稱他做了一個“毫無頭緒”的實驗：他將卡文迪許發現的氫氣和自己發現的氧氣混和在一閉口瓶中，然后用電火花引爆，發現瓶中有露珠生成。卡文迪許對這一情況產生了興趣，他于1784年設計了一個抽真空的密封實驗裝置，使其充滿氫氣和氧氣的混合氣體，用電火花引爆，恢復到室溫后，發現產物是一定體積的液態水。經過大量實驗，卡文迪許發現，若將氫氣和普通空氣混合引燃，幾乎全部氫氣和1/5的普通空氣恰好反應；若用氧氣代替普通空氣進行實驗，同樣獲得水，且氫氣和氧氣相互化合的體積比為2.02∶1，由此，他確認了水是由氫氣和氧氣化合而成。

[阿伏伽德羅]阿伏伽德羅在1811年提出了一種分子假說：“同體積的氣體，在相同的溫度和壓力時，含有相同數目的分子。”這一假說被稱為阿伏伽德羅定律。這一假說是根據蓋·呂薩克在1809年發表的氣體化合體積定律加以發展而形成的。阿伏伽德羅在1811年的著作中寫道：“蓋·呂薩克在他的論文里曾經說，氣體化合時，它們的體積成簡單的比例。如果所得的產物也是氣體的話，其體積也是簡單的比例。這說明了在這些體積中所作用的分子數是基本相同的。由此必須承認，氣體物質化合時，它們的分子數目是基本相同的。”

演示實驗：收集不同體積比的氫、氧混合氣體于礦泉水瓶中，分別點燃，觀察現象。發現當氫氣與氧氣體積比為2∶1時，爆炸最劇烈。若在強度較高的剛性容器中，借助壓力傳感器或溫度傳感器，可發現當氫氣和氧氣體積比為2∶1時，反應后容器內壓強最小，溫度最高（見表1）。

歸納推理：當氫氣與氧氣體積比為2∶1時，爆炸最劇烈，說明此比例下能量釋放最完全，氫氣與氧氣恰好完全反應。由于相同狀況下，氣體的體積比等于其分子個數比，因此，水分子中氫、氧原子個數比為2∶1。即水的化學式為H2O。電解水實驗中氫氣和氧氣的體積比為2∶1也能說明這一結論。

3.模型建構，“析”變化實質

師：從微粒的角度看，氫氣和氧氣點燃后是如何生成水的？

史料：[霍夫曼]球棍模型是一種空間填充模型，用來表現化學分子的三維空間分布。在此作圖方式中，線代表化學鍵，可連結以球型表示的原子中心。最早的球棒分子模型是由德國化學家奧古斯特·威廉·馮·霍夫曼所作，目的是用來講課。

模型建構：（1）動手搭建氫分子、氧分子、水分子的球棍模型；

（2）動手模擬氫氣燃燒過程中的微觀變化過程（見圖3）。

歸納推理：化學變化過程中，分子拆分成原子，原子再重新組合形成新的分子。該過程中分子種類、物質種類改變；元素種類、原子種類、原子數量均不變。

師：氫氣燃燒后先是生成氣態的水蒸氣，后水蒸氣液化成液態水。這個過程和氫氣燃燒的本質區別在哪里？

演示實驗：（1）將少量酒精放在癟保鮮袋中，將保鮮袋置于熱水中，觀察現象；

（2）產生變化后再將保鮮袋取出，觀察現象；

（3）打開聞一聞，有無酒精的氣味；

（4）取樣點燃，有無可燃性。

歸納推理：放入熱水后，袋中酒精“消失不見”，塑料袋膨脹鼓起；取出后塑料袋迅速變癟，袋中又有液體出現。經檢測，酒精的化學性質在汽化、液化過程中并未發生改變。說明物理變化過程中，分子種類不變，只是分子間的間隙和運動狀態改變。

模型建構：請你用圖示的方法表示出你對氫氣燃燒后生成氣態的水蒸氣，后水蒸氣液化成液態水的過程中的微粒變化的理解。

生：給出圖4所示示意圖

師：對于分子構成的物質，哪種微粒可以保持其化學性質？

演示實驗：（1）分別點燃液態酒精和氣態酒精，觀察現象；

（2）向水、過氧化氫溶液中分別加入少量二氧化錳，觀察現象。

歸納推理：液態酒精和氣態酒精都具有可燃性，因為其分子種類相同；加入二氧化錳后，過氧化氫分解，而水不分解，因為其分子種類不同。說明分子可以保持物質的化學性質。

4.宏微結合，“辨”物質類別

師：請根據氫氣和氧氣燃燒反應前后容器內物質組成（宏觀）、微觀粒子構成（微觀），判斷反應前后容器內物質屬于純凈物還是混合物，并說明理由。

小結：（宏觀角度）由一種物質組成的是純凈物，由多種物質組成的是混合物；

（微觀角度）由同種分子構成的是純凈物，由不同種分子構成的是混合物。

三、教學反思

化學概念的建立既需要事實依據，也需要理論支撐。在教學過程中，以史料為線索，帶領學生了解科學家對物質認知的發展過程，體會科技進步對探索微觀世界的幫助；以實驗為證據，推測水的微觀構成、物質變化的微觀實質，以微觀理論解釋宏觀現象，以宏觀事實證實微觀變化。在情境中激發思維，在問題中構建觀念，在建構中掌握方法，最終在學習知識的同時培養學科思維能力[4]。

參考文獻

[1]費志明，陳懋.融入化學史的“水的組成”化學啟蒙教學探索[J].化學教學，2021（2）：48-50.

[2]楊硯寧.基于證據推理的科學探究：實驗、評價及反思——以“鐵釘銹蝕實驗”為例[J].化學教與學，2017（2）：13-15+33.

[3]石華軍.基于化學史教育的化學教學設計研究與實踐[D].濟南：山東師范大學，2013.

[4]楊芬.基于化學史促進學生概念理解的教學研究[D].桂林：廣西師范大學，2019.