基于概念演變史與元素觀建構的九年級化學復習課

沈健

摘要：基于《義務教育化學課程標準（2011年版）》，對九年級學段元素觀的培養要求作了論述，梳理了滬教版九年級教材中元素觀的文本脈絡，在九年級上學期復習課中，以元素概念演變歷史進程為背景，從“元素是什么”“從元素看物質”“從元素看化學變化”三個角度幫助學生搭建元素觀。

關鍵詞：元素觀；元素概念演變史；復習課

文章編號：1008-0546（2022）01-0073-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.018

*本文系南平市十三五骨干教師培養對象培訓課題“基于科學史初中化學元素觀建構的案例研究”階段性研究成果。

化學教學要結合人類探索物質及其變化的歷史與化學科學發展的趨勢，引導學生進一步學習化學的基本原理和方法，形成化學核心觀念[1]。元素觀是化學基本觀念，元素觀的內涵是什么？滬教版九年級教材中元素觀建構的文本脈絡是怎樣的？如何在九年級化學教學中建構元素觀？筆者嘗試在九年級上學期復習課階段，進行“再探元素的前世今生”復習教學，以元素概念演變的歷史為情景，引導學生通過知識整合、提煉、應用，將隱性的觀念教育顯現化，以達學以致慧。

一、教學主題內容與現狀分析

1.元素觀的理解與表述

筆者以“元素觀”為主題，在“中國知網”檢索，找到370條結果，其中上海師范大學吳俊明教授和華東師范大學吳敏教授，在“元素概念的演變與化學元素觀的教學”一文中對元素觀作了系統闡述，據此筆者基于《義務教育化學課程標準（2011年版）》，對九年級學段元素觀的理解與表述進行整理，見表1。

2.教材編寫中元素觀呈現的文本脈絡

滬教版教材依據九年級學生的認知心理特征，采用循序漸進的策略，將元素觀的建構過程安排在各章節，分階段進行。表2呈現了教材（上冊）中“物質是由元素組成的”“化學變化過程中元素不變”等元素觀的文本梳理。

3.教學現狀分析

化學概念不僅是基礎知識的組成部分，概念建構過程還承載著發展學生思維能力的功能[4]。當下，元素觀的教學易被簡化為元素概念的教學，缺少元素觀的整體感知，元素概念演變中的教育教學資源開發欠缺，在平時教學過程中被習題、試題導向教學，如在使用元素概念時，不能說“個”，只能說“種”。在分析元素與原子關系時，強調是宏觀與微觀的關系，至于學生理解不理解，不予細究，只是一味地刷題，卻對“元素是對原子的一種概括與分類”觀點的認知不足，在這樣的教學中，學生不僅沒有體驗到科學概念的探索歷程，更忽視了學科思想方法的教育。

二、教學內容的擷取與學習流程設計

1.元素概念的演變

人類探索組成物質的基本成分——元素的歷程曲折而又漫長。從古代抽象玄虛的元素觀，到近代波義耳基于分析理性和實驗的元素觀[5]，再由道爾頓將元素概念引向微觀世界——原子，門捷列夫等人發現不同元素間的內在聯系——周期律，到盧瑟福ɑ粒子散射實驗——原子是可分的，二十世紀初索迪提出了同位素的假說，催生了現代元素概念——具有相同核電荷數的一類原子的總稱，居里夫人對放射性元素釙和鐳的發現與研究——元素是可變的……至今，微觀世界不斷有許多新發現，但現代元素概念與化學研究水平——在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質及其應用[2]是相稱的。

2.學情與教學初衷

在九年級上學期期末階段，學生學習了從化學視角認知身邊常見物質，對氧氣、二氧化碳、水、金屬等元素化合物質知識初成體系，所在教學班有近70%的同學能熟練運用化學用語，對分子、原子、元素、質量守恒定律等概念的認知略顯生澀，對元素觀缺乏整體感知。因教材編寫順序和學習循序漸進的特征，元素觀在新授課中是分散在各章節中教學，學生對元素觀是碎片化認知，為促使學生形成元素觀結構化認知，可利用期末復習階段，將隱性的元素觀整合呈現，以元素概念演變史為背景，在元素觀大概念的統攝下進行復習課設計。

3.教學目標

（1）通過“元素是什么”“從元素看物質”“從元素看化學變化”，三個維度的結構化教學，整合元素觀的認知，通過復習讓學生能說出3-4點元素觀內涵。

（2）通過復習，讓學生明晰元素概念、元素與原子的關系，檢查學生運用化學用語表達物質的組成及變化的水平，厘清純凈物、混合物、單質、化合物、氧化物幾個概念關系，能準確對常見物質進行分類，能運用質量守恒的思想解決化學計算、探究蔗糖組成中是否含碳元素等現實問題。

（3）在元素概念的演變史的教學情景中，學習求真務實的科學精神，在辨析概念中鍛煉學生敢于質疑的科學品質。

（4）通過復習讓學生關注到技術的發展對科學研究推動的重要作用。

4.學習流程設計

根據元素概念的演變和學情特點、教學目標，筆者擷取了相關史料為情景素材，在九年級上期開設“再探元素的前世今生”復習課。本課情景線、知識線、活動線如圖1所示。

三、課程實施

1.元素之迷

【教師】同學們，你們會猜字謎嗎，老師準備了一些字謎，你們想挑戰一下嗎？

（1）抵押石頭。（打一化學元素）

（2）金屬之冠。（打一化學元素）

（3）端著金碗的乞討者。（打一化學元素）

（4）品德高尚。（打三種化學元素）

【學生】（1）碘；（2）鉀；（3）鈣；（4）鋅、磷、鎂。

【教師】組成物質的基本成分是什么？這個問題，像“謎”一樣困擾著人們長達數千年。今天讓我們重踏先哲的腳印，再探元素的“前世今生”！

設計意圖：物質組成之迷，如字謎一樣吸引著人們去思考。

2.元素概念的演變與辨析

（1）古代元素觀

【教師】春秋時期《管子·水地篇》記有“水者，何也？萬物之本原也……”。這句話表達了什么樣的觀點？

【學生】水是組成物質的基本成分。

【教師追問】那個時候，先哲們為什么會做出這樣的判斷，他們的依據，你認為是什么呢？

【學生】植物生長需要水；許多生物體內都有水；江、河、湖、海中有水，空氣中有水蒸氣……

【教師】歷史上不同時期東西方哲學家對物質的組成基本成分提出了一些玄虛而又抽象的觀點，如東方的“金、木、水、火、土陰陽五行學說”，古希臘亞里士多德“土、水、氣、火”四元素說，但隨著生產的發展，人們對自然界的物質有了越來越多的發現和認識。如：

①加熱朱砂[HgS]可以獲得水銀。你能寫出該反應的化學方程式嗎？這個化學反應的類型是什么？

②又如東漢煉丹家魏伯陽在所著的《周易參同契》記有“胡粉投火中，色壞還為鉛。”“胡粉”受熱后會變成鉛的氧化物，如Pb3O4。請寫出Pb3O4在炭火中轉變為鉛的化學方程式；這個化學反應的類型是什么？體現了碳單質什么性質？

【教師】煉丹術士為著各種目的研究物質，相繼發現了錫、砷、銻、鋅、磷等單質。為近代元素概念的誕生做好了證據準備。

設計意圖：一是培養學生證據意識；二是檢閱學生化學方程式書寫能力；三是讓學生感受生產實踐經驗是科學知識重要來源。

（2）近代元素定義

【教師】1661年偉大的英國科學家波義耳的《懷疑的化學家》一書出版，對亞里士多德的“四元素觀”提出了質疑。他認為“元素是指某些原始的和完全純凈的簡單物體，它不能由任何其他物質所構成，也不能彼此相互構成[6]。”你認為波義耳所提出的元素和我們現在所定義的哪類物質特點相似？

【學生】單質。

【教師】按照波義耳元素定義，金剛石與石墨還是由同種元素組成的嗎？但科學探索的歷史長河中，波義耳元素定義的偉大在于，讓化學擺脫了神學、煉丹術的樊籬，為化學研究建立了一套方法論，從而把化學引向了科學的康莊大道。

【教師】一百多年后，空氣組成的發現者——法國科學家拉瓦錫給元素下的定義是：“元素是用任何方法都未能分解的物質[6]。”拉瓦錫元素定義的意義在于他建立了一個元素的判斷標準，這個標準是什么？

【學生】能否再分解。

【教師】在我們教材中有專門的一節內容是通過一個實驗研究一種物質的組成，是什么實驗，得出了什么結論？

【學生】電解水實驗，水是由氫元素和氧元素組成的。

【教師】所屬反應類型是什么？

【學生】分解反應。

【教師】電解讓人們發現，水還能分解，水并不是由單一元素組成的。電解技術的發現和利用，不僅開啟電化學時代，也是化學元素發現的井噴時代。

設計意圖：思想方法教育。感悟“分解”是研究物質組成的重要方法，由古代將水認為是一種元素，到現在發現水還可以再分，并不是簡單的基本成分，感悟“技術”對科學研究的重要推動作用。

（3）現代元素定義誕生

【教師】在這個時期，英國科學家道爾頓在1803年提出了著名的原子學說。其中關于化學元素，他寫到：“化學元素由非常微小的、不可再分的物質粒子——原子組成，原子在所有化學變化中均保持自己的獨特性質……原子的質量是每一種元素的特征性質[7]”。道爾頓將元素的定義引向了原子。原子可不可以再分？

【學生】原子存在內部結構，原子在化學變化中不能再分。

【教師】盧瑟福ɑ粒子散射實驗奠定了現代原子結構學說，哪位同學能解讀一下這個實驗現象。

【學生1】大部份ɑ粒子能穿透金箔保持方向不變，少數發生了偏轉，極為少數居然原方向反彈。只有極少數ɑ粒子出現反彈或偏轉現象，似乎ɑ粒子碰到一個質點，這個質點占原子內部體積很小，但這個質點質量非常大，說明原子內部質量不是均勻分布的，而是幾乎集中在這個質點上，且這個質點帶正電荷。

【學生2】原子是由居于原子中心的原子核和核外電子構成。原子核是由質子和中子構成。原子的質量主要集中在原子核上。

【品讀定義】“元素是用任何方法都未能分解的物質”——拉瓦錫的元素定義存在的問題是什么？

【學生】“任何方法”——沒有界線。

【教師】化學是在分子、原子水平上研究物質，所以所謂“分解的方法”應當要有“界線”！

【教師】請同學們打開課本70頁，齊聲讀相對原子質量的定義。（當學生讀到“以一種碳原子”時喊停，反復2次）

【教師追問】你們想到了什么？

【學生】有不同種碳原子。

【教師】是的，存在不同種碳原子。表3是某些元素原子的數據，如果要對這些原子進行分類，按什么分，最簡單？原子質量是判斷不同元素的合適方法嗎？

【學生】可以按質子數的多少，不能用原子質量。

【教師】元素實際上就是對原子的一種概括，一種分類方式，分類的標準是“按質子數的多少”。元素是具有相同核電荷數（即質子數）的同一類原子的總稱[3]。該概念所界定的內涵——質子數相同，與外延——同一類原子是相稱的，也是和我們在分子、原子水平上研究物質性質和變化相適應的。

設計意圖：九年級學段不能講同位素，但如何在引出這個事實，并發現元素實質是對原子的一種概括與分類，分類的方法是按質子數的多少，進而得出現代元素概念。我覺得與其枯燥地講解元素概念，做咬文嚼字般的解讀，不如引用元素定義演變的歷史脈絡情景，更能促進學生理解概念為什么要這樣定義，進而領會學科思想方法。

3.元素的表示

【教師】我們該如何表示元素呢？見圖2，古代，它曾是煉金術士的神密“暗語”，你能看得懂嗎？近代，元素符號曾以不同形式呈現在不同的科學家著作中，如道爾頓的元素符號，直到現在我們使用的元素符號，這些變化有什么樣的進步？

四、教學評價與反思

1.大概念視角下的課程開發

義務教育階段的化學教育，要激發學生學習化學的好奇心，引導學生認識物質世界的變化規律，形成化學的基本觀念[2]。元素觀是基本的化學觀念，本課在元素觀大概念的統攝下，進行復習課程開發，不僅有利于學生學科知識結構化，還促進學生學科核心素養的整合提升。本課中的學科大概念、基本概念、知識點三個層級關系見圖3。

2.科學史素材的甄選要切合教學需求

元素概念的演變史，也是學科思想方法的進步史，鑒往知來，既是教育的本真，更是課程開發的重要策略。面對海量的科學史實，素材的選擇應以主要事件和教學需求為準。如：古代中西方都認為“水”是一種元素的觀念，到發現水還分解，并不是一種“簡單物質”——元素！讓學生體會到元素是組成物質的基本成份，即“簡單物質”，可以用“分解”的方法研究物質的組成。為讓學生認識到元素家族成員的擴充源自于生產實踐，故引入魏伯陽關于鉛的冶煉記載。本課遴選元素概念的演變史上代表性科學家的論述，以時間為序，依次是波義耳、拉瓦錫、道爾頓等人，在引領學生品讀、辨析概念的過程中，不僅領會了學科思想方法，還能學習到一代代科學家追求真理永無止境的探索精神。

元素觀是內隱于具體化學知識中的基本觀念，通過復習課，從“元素是什么”“從元素看物質”“從元素看化學變化”三個維度，將元素觀外顯為學生具體的研究任務，幫助學生明晰元素觀，進而用好元素觀解決問題。學科觀念的養成是一個系統的工程，教學中如何更好地滲透學科觀念教育，仍需在實踐中不斷探索。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：2.

[2]中華人民共和國教育部.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，2012：25，23，1，1.

[3]中學化學課程標準研制組.義務教育教科書·九年級化學（上冊）[M].上海：上海教育出版社，2018：103，75.

[4]仇永紅，王春，劉曉娟.基于發展化學核心素養的概念教學——以“認識溶液”為例[J].化學教育（中英文）.2020，41（19）：20-24.

[5]吳俊明，吳敏.元素概念的演變與化學元素觀的教學——關于科學觀念和科學觀念教育思考之三[J].化學教學，2014（6）：3-7.

[6]Б.M.凱德洛夫.化學元素概念的演變[M].陳益升，袁紹淵，譯.北京.科學出版社. 1985：3，5.

[7]J. R.柏廷頓.化學簡史[M].胡作玄，譯.北京：中國人民大學出版社. 2010：137.