以學科文化為載體“演繹”瑣碎的化學知識
——以滬教版初三化學“水的組成”的教學為例

胡正怡

（進才中學北校 上海 200135）

一、問題的提出

老師說，今天我們學習“水的組成”，想必初三學生都知道水的化學式是“H2O”，為何如此肯定？初三化學第一節課“體驗化學變化”中三個實驗有兩個都涉及到水，羅列三個方程式，一部分學生就已經記住了。第二章“構成物質的微粒”，又有哪個學生不是把“水是由氫元素和氧元素組成的”“一個水分子是由兩個氫原子和一個氧原子構成的”當成公式一樣背？到了“質量守恒定律”又是拿水作為例子，再炒一遍，學生早已爛熟于心。“水的組成”這節課作為第三章“溶液”的開篇似乎三兩句話就可以講完，最多再加兩個實驗，根本不需要花費一個課時。

問題在于，這看似簡單的“H2O”，學生是否明白它的文化內涵與價值？是否能體會這個化學式的由來之曲折？為什么做完了電解水實驗依然有部分學生會脫口而出：“水是由氫氣和氧氣組成”的？做實驗的意義又在哪里？

這節課從知識點本身來說非常簡單，若干年以后，若非從事與化學相關的職業，學生早就把“水的組成”忘得一干二凈。其實，學化學和學其他經典學科一樣，主要是為了學文化，樹立獨特而又通達的世界觀，［1］這才是讓學生終身受益的，而不是為了在當下的中考中拿到這一兩分。

“終身受益”［2］這個目標有點遠，我們眼前的初三化學淺顯而瑣碎，如果能找到一個合適的載體，將零散的化學知識生動形象地演繹出來，學生的心門被打開，學生的思維品質也能得到提高。本文以“水的組成”為例，闡述在實際教學中學科文化的滲透。

二、“化學史”為明線貫穿整節課

化學史深入課堂是不少教師熱衷的教法之一，既是化學文化的表現形式，也為課堂增色不少。“水的組成”的化學史上涉及多位科學家、理論學說和裝置發明等，如何用好這段歷史，充分發揮它的功能呢？

1.史實性話題引入

水的發現史體現了人類文明的進步和科學技術的發展，不僅可以培養學生的人文素養，也有利于學生從元素觀的角度認識物質的組成，更直接地指向本節課的核心內容。不妨通過“微信朋友圈”這樣一種時下流行的方式，事先用錄屏軟件錄制好三位科學家發朋友圈的小視頻，呈現在白板上，引導學生假想當時的科學家會發什么樣的朋友圈。

教學片段：

【教師】古希臘人曾認為水是一種元素，這種觀點持續了很長時間，直到18世紀末，三位化學家先后展開了對水的組成的研究，水的真面目才逐步被揭開。（如圖1所示）

圖1 白板呈現：研究“水的組成”的歷史線

【教師】如果18世紀末就有微信的話，普利斯特里會發什么樣的朋友圈呢？（見圖2）

圖2 白板呈現（視頻）：普利斯特里的朋友圈

【教師】普利斯特里提到的“易燃空氣”是誰呢？

【學生】氫氣、天然氣、煤氣、酒精……

【教師】看來大家有分歧，1781年普利斯特里把他的發現告訴了卡文迪許，他非常感興趣，作了進一步的研究。（見圖3）

圖3 白板呈現（視頻）：卡文迪許的朋友圈

【教師】生成“水”說明了什么?

【學生】水是一種化合物

【教師】真相了。可惜這兩位化學家受當時錯誤觀念的束縛，與真相還是失之毫厘。直到1783年，卡文迪許的助手將這一實驗告訴了拉瓦錫，他隨即進行了跟蹤實驗。

圖4 白板呈現（視頻）：拉瓦錫的朋友圈

【教師】最后推翻了“水是一種元素”這個錯誤觀點的是誰？

【學生】拉瓦錫

這樣的形式瞬間抓住了學生的眼球，體會科學研究不是直線上升的過程，科學的發展受技術的限制，也被傳統觀念左右著，在研究中不斷發現、不斷進步。體會科學發展之艱難的同時，體會質疑精神。

人類認識水經歷了漫長的過程，期間發生的許多故事，極具傳奇色彩，為了更好地凸顯化學史的文化價值，將水的發現史貫穿整節課，學生循著歷史的進程重走科學探索之路，才能發揮出化學史最大的效用。這里“拉瓦錫”是一位關鍵人物，他關系到本節課歷史線的起承轉合以及實驗的引出。

2.拉瓦錫實驗的關鍵作用

由于第二章學生已學過經典的拉瓦錫測定空氣中氧氣的體積分數實驗，從這個經典實驗入手，得出確定化合物組成的一種方法，遷移到水的組成的探究，貼近學生的最近發展區。

教學片段：

【教師】我們最早是在哪里認識拉瓦錫的？

【學生】測定空氣中氧氣的體積分數。

【教師】這個實驗中涉及到兩個化學反應，汞和氧氣在加熱的條件下生成了紅色粉末，將紅色粉末加強熱，又重新生成了汞和氧氣。請問，紅色粉末由哪些元素組成？

【學生】汞元素和氧元素。

【教師】你的依據是什么？

【學生】質量守恒定律。

【教師】汞和氧氣屬于什么類別的物質？

【學生】單質。

【教師】紅色粉末屬于什么類別的物質？

【學生】化合物。

【教師】為什么？

【學生】因為反應物提供了兩種元素，但生成物只有一種。

【教師】這個反應的基本類型是什么？

【學生】化合反應。

【教師】所以，我們可以通過什么方法來推斷化合物的元素組成？

【學生】兩種單質化合生成一種化合物來推斷它的元素組成。

【教師】非常好，還有哪個角度可以推斷化合物的組成呢？（同時指向白板，見圖5）

圖5 白板呈現：推斷化合物的組成

【學生】分解。

【教師】其實這個實驗和測定水的組成的實驗有著異曲同工之妙，拉瓦錫正是從“分解”“化合”兩個角度證明了水的組成。

【教師】我們有沒有學過化合生成水的反應？

【學生】氫氣燃燒。

【教師】那有什么方法可以使水分解呢？

【學生】電解。

【教師】在拉瓦錫那個時代，電還沒有被廣泛地應用，聰明的拉瓦錫將水蒸氣通過一根燒紅的槍管，得到了“易燃空氣”，這個“易燃空氣”是什么？

【學生】氫氣。

【教師】雖然拉瓦錫不是第一個研究“水的組成”的，但最后真相卻是由他揭開，所以科學探究需要哪些精神呢？

【學生】不懼權威、站在前人的肩膀上……

以拉瓦錫實驗作為鋪墊，帶領學生認識化合與分解這兩種研究水的組成的方法，思維模型分別是“單質甲+單質乙+……→化合物丙，則化合物丙是由反應物中所有物質中的全部元素組成的”和“化合物丙→單質甲+單質乙+……，則化合物丙是由生成物中所有物質中的全部元素組成的”。兩種逆向的模型思維在學生腦海中刻下印記，學生將運用已有的知識去解決新的問題，考驗知識遷移的能力，不僅僅培養了學科思維品質，也是一種證據推理與模型認知的核心素養的體現。

這里有一個細節問題常被忽視，如圖5所示，汞和氧氣化合的條件是加熱，紅色粉末分解的條件又是加熱，兩個加熱沒有區別的話對學生來說是莫名其妙的，在加熱條件下到底是化合還是分解呢？其實這兩個加熱的溫度是不一樣的，分解一般都是吸熱的，化合一般都是放熱的，我們可以這樣理解，溫度較低的加熱就是吸熱，相對較高溫度的加熱來說就是降低了溫度，所以前一個加熱可以理解為引發反應，僅僅需要反應速度，這是一個必要條件，后一個加熱是既引發反應又有利于分解、有利于平衡正向移動，絕大部分分解反應都是吸熱的，雙氧水分解放熱是由于雙氧水本身太不穩定，這就是化學文化了。這兩個加熱的區別要搞清楚，鑒于學生尚處于初三階段，不妨把后一個加熱換成加強熱，學生心里就有底了。

3.宏觀到微觀的過渡

前半節課通過重走科學探索之路可以很順利地落實水的宏觀組成這一授課重點，而本節課的研究重點并不止步于此，如何引導學生透過宏觀的現象去理解微觀的本質呢？這是本節課的難點。繼續沿著歷史線帶領學生一步一步往前走可以順其自然地引出水分子的微觀構成，培養學生用微粒的觀點去解釋宏觀現象的本質的能力。

教師可在前半節課小結階段板書“H O”并向學生提問：“這是不是水的化學式？”學生自然知道缺少了下標，不是水的化學式，學生也能夠意識到雖然拉瓦錫正式確立了水的元素組成，但這還不足以確立水的化學式。此時，教師就可以按照科學研究的歷史順序，呈現1803年道爾頓的原子學說和1811年阿伏伽德羅的分子學說，并引導學生“下標”如何確立。進一步體會質量守恒等觀念。

將化學史作為整節課的主線（見圖6），從普利斯特里和卡文迪許兩位科學家的故事入手，以拉瓦錫實驗作為核心，引導學生提煉出一種推斷化合物組成的方法，并且將這種方法應用于對水的研究，在宏觀上研究了水的元素組成，且從微觀的角度驗證了水分子的構成，像這樣將化學史的效能發揮到最大化，學生既學習到人類文明、體會到科學精神，又得到了化學思維的訓練。

圖6 白板呈現：研究“水的組成”的歷史線

三、“元素觀”“微粒觀”為暗線串起碎片知識

作為中學化學的兩大核心觀念，“元素觀”“微粒觀”是初中階段教師應幫助學生建構起來的，這種概念依靠知識點的羅列能否成功建構？雖不影響考試，但學生若只是單純地記憶能否開辟出化學的視角去認識世界、解釋世界呢？學生的思維品質是否會越來越僵化呢？

到目前所學內容為止，教材給了學生很多次機會樹立“元素觀”“微粒觀”，早在第一章“世界通用的化學語言”就擺出了初中階段需要掌握的元素，然而會背會寫并不意味著“元素觀”的形成；同樣地，在第二章里“分子”“原子”更是頻繁出現的主角，學生是否能用微粒的觀點去解釋宏觀現象的本質？

1.以實驗為支撐建構“元素觀”

“水的組成”這節課的實驗通常是氫氣燃燒和電解水，通過化學史的學習學生已經知道三位科學家都通過氫氣燃燒合成了水，那么如何有效地落實“化合與分解兩種方法推斷化合物的元素組成”這一思維模型呢？實驗必不可少。

（1）氫氣燃燒

教材上將“氫氣燃燒”作為演示實驗，在課堂上當場做無疑能夠讓學生情緒高漲，從激發學生的興趣的角度而言是無可挑剔的。但學生對于氫氣燃燒應該不是首次接觸了，在第二章學習氧氣的性質時就包括了氫氣燃燒，不妨改成視頻實驗，學生也是有興趣的，也可以為后續的實驗騰出更多時間。

（2）電解水

在探討分解水的方法時，除了遵循化學史上拉瓦錫的實驗，教師通常會給出如下的信息：“水具有很高的熱穩定性，即使加熱到2000 K（約1726.85 ℃），也只有0.588%的水分解。”

給出這個信息的目的是讓學生感知一般的實驗條件難以使水分解，但2000 K（約1726.85 ℃）這個溫度實際上學生是沒有概念的，必須要跟學生說清楚，什么叫2000 K（1700 ℃）？不妨再給出如下信息：

“鐵的熔點：1538 ℃；銅的熔點：1083.4 ℃”

用鐵、銅的熔點作對比，這樣學生就有感覺了，1700 ℃時鐵、銅都熔化了，原來要達到那么高的溫度水才有千分之幾的分解，學生能更深刻地認識到分解水之困難，再順著歷史線引出“電解水”就順理成章了。

“電解水”教材上安排的也是演示實驗，對于有條件的學校而言，可以為每一組同學配備微型水電解器和學生電源，讓學生自己動手進行驗證，通過分析和討論，得出結論，印象深刻。但也有相當一部分學校配備的只是供教師演示的霍夫曼水電解器，雖然該裝置較為古老、存在較多缺陷，但它正符合本節課化學史的一個時間節點。對于陽極容易被氧化而導致電解液變紅的問題，可以用20%的硫酸鈉溶液代替常用的氫氧化鈉或硫酸作為電解液，通電較長時間電解液也不會變色；由于課上時間有限，3～5 min產生的氫氣較少，用點燃法檢驗氫氣時火苗太小，有兩個辦法可以解決，一是準備一張干燥的薄紙，把紙湊到火苗上點著，這樣現象就明顯多了，遠處的學生也都能看見，比同屏器效果更好；二是準備一根足夠長的鉑絲，制成螺旋狀，纏繞在鐵電極上，這樣可以深入電解液足夠深，短時間內通電就可以使液面降到玻璃管的一半以下，得到較多氫氣，再配合液壓，點燃時可以觀察到很長的火苗。

裝置優化之后，有了現象明顯的實驗提供的有力支撐，學生對電解水實驗產生直觀體驗，通過觀察顯性的實驗感悟化學研究物質元素組成的科學過程與方法，理解水在化學變化中可分，進一步理解規律：在化學變化前后，原子的種類不變、元素的種類也不變，初步判斷水是由氫元素和氧元素組成的，利用生成物的元素組成來判斷反應物水的元素組成，同時感悟守恒思想，并內化為自己的知識，在觀賞和分析的過程中潛移默化地進行著“元素觀”的自主建構，顯然，“電解水”實驗為發展學生從元素的視角來重新認識水及其變化起到舉足輕重的作用，值得作進一步的改進研究。

2.計算與模型聯合建構“微粒觀”

（1）計算環節將宏觀與微觀相結合

如何得知水分子中氫氧原子的個數比就是2∶1？對不少學生而言這已經是個想當然的結論了，要不要讓學生思考交流？知道2∶1這個結論并不是我們所追求的，如何在建構知識的過程中培養學生的“微粒觀”以此提升學生的思維品質才是有教育價值的。學生通過嚴謹的計算得出2∶1的結論，收獲的不僅僅是一個化學式，更多的是培養一種用微粒的視角來看待宏觀物質的能力。

教師可以給出氫氣和氧氣的密度數據，引導學生從定量的角度結合相關的物理公式和化學式推算，由體積比推導到質量比，再由質量比推導到物質的量之比最終得出結論。這個環節緊接著電解水實驗之后，學生不難想到將電解水實驗中氫氣和氧氣的體積比數據運用到這一步的計算中，將宏觀與微觀有機結合共同構筑起相互聯系、完整的認知系統，對學生的宏觀辨識與微觀探析素養的培養很有幫助。

（2）模型拼搭將微觀世界可視化

“微粒觀”的建構一直是化學啟蒙階段的教學難點，最常用且有效的教學策略是采用模型來展示化學反應過程，幫助學生更好地理解分子、原子的微觀結構以及化學反應的微觀本質，化“看不見”為“看得見”。球棍模型常用于分子、原子的結構分析，但不適于表現整個化學反應的微觀過程，因此本節課的教學中，可以給每組學生發一塊小型白板，用兩種不同顏色的磁力貼分別表示氫原子和氧原子，由學生在剛才計算的基礎上拼搭出氫氣燃燒或電解水的微觀反應過程，驗證水的化學式的正確性，學生拼搭結束后，教師可以呈現如下信息：

“1809年化學家蓋·呂薩克實驗得出，氫氣和氧氣點燃生成水蒸氣，氣體的體積比是2∶1∶2”再一次將觀念建構融入化學史中，首尾呼應。模型教學將抽象的微粒變得形象直觀，學生能夠更深層次地感悟守恒思想，體會到分子、原子的“分分合合”乃是化學反應的本質，學會從宏觀和微觀兩個層面來分析化學變化本質，引導學生由表及里地學習，突破難點的同時，進一步培養宏觀辨識與微觀探析的核心素養。

在實際教學中，學生拼搭的水分子模型各不相同，有把三個原子呈一條直線排列的、也有三個原子擠在一起的、還有把三個原子拼成“米老鼠頭”的，說明學生對于原子如何構成分子的想法各不相同，教師可以抓住這一點向學生提問：“氫原子和氧原子到底是以哪種方式構成水分子的呢？”，留下這樣一個懸念給學生，激發學生自主探究微觀世界的欲望，同時也為將來高中階段“化學鍵”的學習埋下伏筆。

充分運用計算和模型相配合，在教學中滲透“元素觀”和“微粒觀”等學科核心觀念，讓教與學回歸學科文化，帶給學生的不僅僅是知識更是思想內涵。

四、結語

“化學真的是一種文化。”［1］我們在進行教學設計時應該注意到，化學不是單純的知識羅列，每一堂化學課都有它的文化內涵，諸如“水的組成”這樣簡單的知識點，我們也應該去挖掘它背后所承載的學科文化，落實學科核心觀念與素養，帶給學生思維品質上的提升。