微粒觀的發展及其對培養學生宏微核心素養的意義

王金威 張鵬飛

摘 ? 要：公元前幾百年學者認為物質的本源是水、火、氣等物質，公元幾世紀時學者又提出了元素說和四原性說，再到道爾頓提出了原子學說。學生微粒觀的建構對于學生學習化學，形成化學思維具有至關重要的作用，可通過講授化學史實的發展過程來建構學生的宏觀辨識與微觀探析的概念。在化學史實的學習中讓學生認識化學、熱愛化學、體會化學學科的本真和思考的美麗，從而培養學生的化學學科核心素養。

關鍵詞：化學教學；微粒觀；核心素養；化學史教育；化學史

在新的時代背景下，對人的要求也在不斷地變化，為了培養學生能夠適應社會，成為一個全面發展的人，對學生發展提出了新的要求。2017年頒布的新課標，即《普通高中化學課程標準》就提出了核心素養這一新的概念，課標中提出化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”5個方面[ 1 ]。而在這五個核心素養中，最能體現出化學學科特點的素養當數“宏觀辨識與微觀探析”。鄭長龍教授提出：在新課標中“宏觀辨識與微觀探析”的內容回答了化學學科的 “以實驗為基礎”，與物理學和生物學的 “以實驗為 基礎”有什么不同，凝練了化學學科的本質特征[ 2 ]。在化學學習中最重要的內容就當屬構建學生的宏觀辨識與微觀辨析的概念，讓學生具有系統的微粒觀。學生只有有良好的微粒觀，才能夠理解化學中的宏觀現象的本質。透過現象看到本質，理解化學科學的真正內涵。

在常規的化學教學下，學生對物質微粒觀的掌握情況并不是很好。學生的學習屬于記憶性學習而非理解性學習，對于知識的掌握僅僅停留在記憶水平，而不能熟練靈活的運用[ 3 ]。微粒性認識是對物質構成及其轉化的微觀本質認識，微粒性認識形成的標志是“解釋”，即解釋現象。而學生不能夠準確的解釋宏觀現象出現時，在微觀角度發生的反應，這說明學生對于微粒觀的理解是機械的記憶而不是系統的建構成能夠靈活運用的微粒觀。

為了解決這一問題，本文設想通過化學史的學習來促進學生微粒觀的建構，從整個化學科學發展的歷史長河中出發，對化學史進行學習。學生在完整的學習過化學知識之前，對于微粒的概念是陌生的、抽象的，在其大腦里的思維觀念與歷史上研究構成物質的最小微粒是什么的自然哲學家和自然科學家是一樣的。都是從無知到好奇、從好奇到求知、最后求得真理的過程，所以通過化學史實的發展建構學生的宏觀辨識與微觀探析的概念符合學生的認知。能夠讓學生在了解化學史實的過程中，豐富視野、掌握化學研究方法和思想、體會科學家們智慧的火花。本文通過廣泛參考史料，按時間順序將人類從“能不能把萬物的根源歸結成一種單一存在的實在物料”這一問題的提出，到道爾頓提出原子論，這一有關人類“微粒觀”認識發展的歷史進行敘述。

1 ?愛奧尼亞學派的自然哲學觀

古希臘哲學家泰勒斯在公元前600年，首先提出一個問題：能不能把萬物的根源歸結成一種單一存在的實在物料，而世間的萬物都是它表現出來的某一種形式或者是從它本身衍生出來的。他認為自然界中最小的微粒就是水，所有的物質都是由水組成或者由水衍生而成。同時，各種物質不能超越氣、液、固三種形態，這樣他就創立了一種模式，即用純自然的術語描述人類和周圍世界的變化，而不渲染上神學宗教色彩[ 4 ]。泰勒斯首先提出了關于“物質本源”這個前人從未提及的問題，開創了一個新時代，這是人類向化學科學、向研究物質組成邁出的第一步。并且他也注意到任何物質都逃不出氣、液、固這三種狀態，即又指出了物質存在的三種狀態。同樣的，學生在學習化學知識之前通過對宏觀世界物質的觀察就能夠意識到物質具有固、液、氣三種狀態。

阿納克西曼德根據他的老師泰勒斯的主張，引申出了一個新的概念——阿培隆。他認為阿培隆是一種混沌的物質，萬物皆生于阿培隆，萬物就猶如阿培隆中的泡沫一樣不斷地生生滅滅。阿納克西曼德的思想中還透漏著對立觀的思想，就正如在宏觀現象的學習中，常常伴隨著微觀層面的變化，宏觀和微觀二者對立統一，從微觀的角度認識事物的實質去解釋宏觀角度所觀察到的現象。

阿納克米西尼的觀點是“萬物皆是氣”，即物質的本源是由一種物質所組成的，萬物之間產生區別的原因則是凝聚程度量變造成的。他認為：氣稀釋變成火、氣凝聚變成水、然后又會變成土和石頭[ 5 ]。盡管他這個觀點現在看來并不準確，但是我們可以正確的運用的他的思路去解釋氣、液、固三相變化。比如我們在認識水蒸氣、水、冰，都是由水分子組成的，造成其不同的原因可以解釋為凝聚程度量變造成的，即水稀釋變成水蒸氣，而水分子凝聚則就變成了冰。

公元前五世紀，畢達哥拉斯的弟子們盡管沒有說出物質的本源是什么，但是他們指出了冷、熱、干、濕這四種物性要素是造成物質運動和變化的關鍵，通過這四種要素的作用引起物質的稀散和凝聚。盡管這四種物性只是人構想出來的，沒有物質實體，但是這種微觀粒子相互作用的觀念與現代化學的觀點不謀而合。即微觀粒子在物質內部是運動的，而且化學反應就是建立在離子運動所引起的碰撞上的。同時，這種“物性”觀點深深的影響了亞里士多德的微粒觀。

愛奧尼亞學派最后一批哲學家的代表人物阿納薩哥拉。他設想宇宙中存在著無數“種子”的微粒，這些微粒既不能夠被創造也不能被消滅，是由它們聚合和分裂形成的世間萬物。同時他提出了“物以類聚”的概念，如含有肉質較多的粒子相互結合就便生成了肉體。

2 ?恩培多克勒的元素說和德謨克里特的原子論

公元前五世紀，恩培多克勒承認萬物都是有“種子”的，但并不是無數多種。他認為自然界中只有四種元素，即水、氣、火、土，他們都是由恒定不變的細小微粒組成，即只有四種“種子”，而世間的所有物質都由這四種“種子”組成，造成物質不同的原因只是由于每種物質中所存在的各“種子”的比例不同。同時他又提出了“愛力”與“憎力”的概念，即元素在愛力的作用下結合、在憎力的作用下分離。這是科學史上首次使用正確的、客觀的力說明微粒之間的相互作用的觀點，與現代化學中所提到的微粒之間的引力和斥力是一致的。該理論被視作化學親和力學說的萌芽。

同時也是在公元前五世紀，留基伯和他的弟子德謨克里特提出了“古代原子論”，德謨克里特認為世界上的各種物質都是由不可再分的原子組成，物質的千變萬化都是原子組合和分離的結果，宇宙中的現實存在只不過是原子和虛空[ 6 ]。但是他所指的原子并非我們現代科學意義上的原子，他所認為的原子是由同一種原質組成的，只是由于形狀和大小不同從而形成了火、土、氣、水四種元素。原子的存在和運動產生了宇宙中所發生的自然現象，物質的產生源自于原子之間所進行的碰撞，并不是由于誰的意志而形成的。德謨克里特是杰出的唯物主義者，他古代樸素的原子理論為后世化學學科的出現和后人微粒觀的建構起到了重大作用。

3 ?亞里士多德的“四原性說”

人的認識的發展并不一定是直線向上發展的，而是螺旋上升的甚至有時會有倒退的現象出現，而人類對于一個問題的認識也是這樣。在古代樸素唯物主義的觀點之后，公元前四百年出現了以蘇格拉底和他的弟子柏拉圖為代表的雅典學派，試圖用主觀、思維的本末倒置的方式去認識自然世界。

柏拉圖的弟子亞里士多德有選擇性地吸收了柏拉圖的理論，同時也吸收了部分愛奧尼亞學派的觀點，提出了后世所稱的“四原性說”。在他看來，萬物的基礎是單一、潛在的原初物質，或者叫第一質料。他認為自然界中的物質實體固然重要，但并不是最重要的，而其本質是物性。他的“四原性說”是指由四種物性濕、冷、干、熱組合，但對立的兩種物性無法組合，所以便只有四種組合，便分別組成了火、水、土、氣四種元素。

亞里士多德所提出的元素也并非現代意義的化學元素，而是指把物性組合并依附在原初物質中生成元素。不同元素有按不同的比例結合成所謂的“何蒙米利亞”，“何蒙米利亞”是構成世界物質的微粒。這與阿納薩哥拉所提出的“種子”概念相似，但是與現代化學元素概念相去甚遠。他提出了合成、化合和摻合三個有關元素之間相互結合的概念。合成既是現代意義上的機械混合，化合是指能生成新物體之間的混合，摻合是指能生成新物體的液體之間的混合。化合和摻合的提出，能夠體現出他已經能夠從微觀的角度說明物質的轉化，即物質間的各個元素重新排列組合，形成結合新的比例從而舊的物質消失、新的物質生成。但是他只討論了固體與液體的物質變化，說明在當時還沒有注意到對氣體反應的研究。

亞里士多德的“四原性說”對后世的影響頗深，古希臘的煉金術和中世紀阿拉伯的金丹術的理論基礎均是在他的“四原性說”下發展而成的。

4 ? “三元素論”與伽桑狄的“原子論”

在15世紀，帕拉切爾蘇斯提出了與亞里士多德的“四原性說”完全不同的“三元素論”。在“三元素論”中他認為構成各種金屬的要素是硫、汞、鹽三種元素，各種金屬不同原因來自這三種元素的組成比例不同。硫代表易燃性的要素、汞代表可溶性或金屬性的要素、鹽是構成固體實體的要素。按照他的理論，木柴燃燒時燃燒的是硫，蒸發的是汞，剩下的是鹽。這一理論在當時獲得了很大一批人的支持，因為他的理論能夠完全符合當時科學家們在做干餾時的實驗現象。通過宏觀的實驗所觀察到的現象，去解釋探討微觀所發生的反應，盡管在現代化學中看起來像是荒誕的謬誤，但是在當時甚至對后世關于“物質是由什么組成的”這一問題做出了巨大的貢獻。

比利時的化學家范·海爾蒙特則對當時所流行的各種元素說持否定態度，他認為只有水和空氣才能夠被稱為元素，且這兩種元素之間是不可以互相轉變的，也都不能再拆分成為更加簡單的物質。雖然他的這一理論在現在看來是錯誤的，但是他已經不像前人一樣用邏輯推理忽略實證，而是極力通過實驗來證明自己的觀點。對后世，對化學的認識有著很大的影響，表現出了真正科學家的作風。

隨著歐洲工業革命的勝利，人類的自然科學觀從古代跨越到了近代，對物質本源也有了更加清晰的認識。不再籠罩在神學和經院哲學的陰影下，而是從更加理性的、機械唯物論角度探討物質的本源。法國科學家伽桑狄提出的用原子論和機械論哲學解釋物質的本源，試圖用微粒的大小和形狀來解釋由它們組成的物質所顯現出來的宏觀性質。如熱是由微小的圓形物質所組成的，而冷是由有棱角的鋒利的錐形原子組成的，他的這一理論在后面很多年都受到了化學家們的關注。

5 ?波義耳的微粒觀與道爾頓的原子論

摒棄了超自然或者來自于神的意志這些唯心主義的觀點，用機械唯物論方法解釋自然現象的科學家中，最偉大的代表人物當屬英國科學家波義耳。波義耳出生于優渥的家庭，但他不貪圖享樂把精力和金錢都投身于科學研究中。對于化學的態度，他認為化學應該從哲學的角度觀察，而不是以一種經驗技藝的態度認識化學。他主張化學是一門科學，而在這門科學中最重要的就當屬實驗。他認為“沒有實驗，任何新的東西都不能被深知。”“空談無濟于事，實驗決定一切。”“如果把自己的精力都獻給了實驗，收集和觀察事實，并關心真正的科學成就較之個人的利益為重，那么他就很容易證明，他們在世界上建立的偉大功勛。”他的實驗觀在他一生的研究中起了決定性的作用，相較于前人苦思冥想的研究方式，他的用實驗來證明自己想法的觀點更加科學。

并且他希望對物質實在的終極本質，即表象背后的實質作出解釋。即像古人一樣，借鑒可觀察世界的知識，抽象它的各個方面，并將其轉化為基本原理。具體而言就是，他主張這些原則的可解性，試圖通過與可觀察的宏觀領域的類比，提出關于微觀領域的似乎合理的主張。這些主張援引了不可觀測粒子的形狀、大小和運動，必然超出了直接可觀察屬性，從而使得關于這些不可觀察粒子的論述并不必然合理。盡管他的這一想法在這一具體情境下不盡合理，但是他將宏觀微觀聯系起來，并且能夠通過實驗進行證實的思想是足夠先進的。

波義耳在他一生的化學研究中，最深入的是對物質的組成和結構的探討，他試圖用機械論的方式把物質的性質和化學變化描述出來[ 7 ]。他接受了伽桑狄的原子論的看法，反對亞里士多德的“四原性說”和帕拉切爾蘇斯所提出的“三元素論”。在他的著作《懷疑的化學家》中，通過大量的實驗駁斥了以上兩種理論，證明了這兩種理論都是錯誤的。他用黃金不能被火燒而分解出硫、汞、鹽來否定三元素說，他又通過做“硝石實驗”來駁斥亞里士多德的“實體形式”和各種“元素論”[ 8 ]。

他設計的“硝石實驗”由三部分組成，分別是硝石的分解、硝石的復原以及硝石的制備。通過這記錄三部分的實驗的現象和結果，反證出元素論并不能夠合理的解釋這些現象，所以證明了“四原性說”和“三元素論”是錯誤的。為了奠定化學實驗的理論基礎，波義耳嘗試用機械原則對實驗進行微粒論解釋：波義耳將熱、聲音、顏色等現象的原因解釋為微粒的運動、排列的改變；認為氣味、溶解、揮發性、腐蝕性、結晶等性質或現象也是由于微粒排列、運動等機械屬性。波義耳將“顏色的改變”視為物體微粒結構在反射時對光微粒的排列產生了“修正”，這種光的“微粒論”在一定程度上影響了牛頓的光學研究[ 9 ]。

在評價這一實驗時，波義耳說，“這一實例與理智哲學的眾多概念相一致。迄今，這種理智哲學還沒有太多的實驗貯備，新實驗則更稀少；……實驗應該按其價值，而非數量多寡得到評價；單個實驗……同樣十分值得用一整本著作研究。一粒優質的大珍珠用于裝飾王冠，而眾多小珍珠（盡管也是真的）無甚價值，在金器店和藥店稱重售賣。”

波義耳的微粒觀主要有以下幾方面的內容：構成一般物體的粒子都是同一種粒子——“自然最小質”或者稱作“同質粒子”。粒子具有大小、形狀但是沒有運動能力，粒子能運動是由于上帝把粒子們置于運動之中了。他認為“同質粒子”可以凝結成為“第一凝結物”，“第一凝結物”還可以凝結成為“第二凝結物”，不斷地凝結、不斷生成更為復雜的物質。在一般的化學變化中只有較大的微粒發生變化，較小的微粒內部結構是不變的。物體的性質如顏色、氣味、溶解性等等，是受微粒的組成和結構影響的，不同的組成和結構會表現出不同的性質。兩種物質能夠發生反應是因為兩者之間具有一定的“適配性”[ 10 ]。

波義耳雖然否定了“四原性說”和“三元素論”，但是他仍然認為有唯一的一種原初的物質構成各種元素。盡管波義耳的觀點在當時并未被大家廣泛接受，但是他的微粒觀相較于之前的觀點，已經有了質的飛躍，為建立近代的化學概念掃清了障礙，做出了巨大的貢獻。

在這之后道爾頓結合了拉瓦錫所提出的元素學說理論和威廉·希金斯等人提出的化學原子論，將二者有機地結合起來，使化學成為真正的獨立科學。

道爾頓堅持進行氣象學研究長達50多年，他通過長年的研究蒸汽壓、混合氣體分壓、氣體擴散等等問題，從而催生了他所提出的原子論的觀點。

他指出：“一切具有可感覺到大小的物體，不管是液體還是固體，都是由極大數目的極其微小的原子所構成。在化學作用范圍內，物質既不能創造也不能消滅[ 11 ]。道爾頓的原子論可以總結為： 化學元素由非常微小的、不可再分的物質粒子，即原子組成，原子在所有化學變化中均保持自己的獨特性質; 同一元素的所有的原子，各方面性質，特別是質量，都完全相同，不同元素的原子質量不同。原子的質量是每一個元素的特征性質; 有簡單數值比的元素的原子相結合時就發生化合。

6 ?結語

從以上分析中，我們可以發現人類對于物質本源這一問題，微粒觀的研究主要分為五個時期，從愛奧尼亞學派的自然哲學開始提出了微粒之間的凝聚程度影響性質，微粒具有永恒性和運動性，到恩培多克勒的元素說和德謨克里特的原子論，再到亞里士多德總結他的老師柏拉圖和前人的自然哲學觀點提出的“四原性說”。到了15世紀，對科學的討論脫離了神學和經院哲學的束縛，帕拉切爾蘇斯提出了“三元素論”、伽桑狄提出了“原子論”。隨著工業革命的勝利，人類對于物質的認識愈加深刻，波義耳提出了他的微粒哲學，強調用實驗證明假說，大膽假設，小心求證等觀點。在19世紀初，道爾頓提出了原子論，這一理論奠定了近代化學的基礎，標志著人類對微觀世界的認識有了質的飛躍。

通過對這些化學史實的學習，讓學生了解先賢們是如何對未知世界進行探索的，培養學生發現問題、提出問題、解決問題的能力。在學習前人在探究物質本源到底是什么的過程中，體會其中的科學思想，如何觀察現象、如何進行邏輯推理、從已知推出未知、從能觀察到的宏觀現象推測出微觀世界中所發生的具體反應。盡管在發展的過程中，大多數古代哲學家所提出的關于微粒觀的觀點都是錯誤的，但是我們在學習這些理論時要重視他們思想的表達和方法的運用。學習化學史不只是追求前人研究的結果是什么，最重要的是要體會其求知的過程，從這個過程中感受世界的奇妙、體會化學的魅力，在回顧歷史中理解人們探究微觀世界的動機與意義，從而促進學生宏觀辨識與微觀探析的核心素養的養成。大膽提問，小心求證，不迷信權威，在化學的學習中培養學生辯證唯物主義的科學觀。

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［S］.北 京： 人民教育出版社，2017.

［2］ 鄭長龍.2017年版普通高中化學課程標準的重大變化及解析[J].化學教育（中英文），2018，39（9）：41-47.

［3］ 梁永平，鄭敏.中學生微粒性認理解水平的調查研究[J].化學教育，2004（1）：38-44，54.

［4］ 趙匡華. 化學通史[M]. 北京：高等教育出版社，1990.

［5］ 《化學思想史》編寫組.化學思想史［M］.長沙：湖南教育出版社，1986：56-58

［6］ 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.

［7］ 袁江洋.牛頓煉金術：高貴的哲學［J］.自然科學史研究，2004（4） ： 283-298.

［8］ ?波義耳.懷疑的化學家［M］. 袁江洋，譯.北京： 北京大學出版社，2007.

［9］ 肖顯靜.波義耳將“微粒說”與“實驗”相結合的自然哲學分析[J].山東科技大學學報（社會科學版），2020，22（6）：1-12.

［10］ 陳仕丹，袁江洋.波義耳的“硝石復原”實驗與化學微粒論[J].自然辯證法通訊，2018，40（10）：1-6.

［11］ 道爾頓.化學哲學新體系［M］.李家玉，盛根玉，譯.北京： 北京大學出版社，2006.