從空氣組成發(fā)現(xiàn)史中獲得智慧

摘要：在“我們周圍的空氣”復(fù)習(xí)課中，圍繞空氣是混合物的實(shí)證、燃燒現(xiàn)象與呼吸作用的關(guān)系以及燃燒本質(zhì)的揭秘過程，挖掘了空氣組成發(fā)現(xiàn)史中蘊(yùn)含的科學(xué)思想與科學(xué)方法，以期學(xué)生能夠從中獲得智慧并形成認(rèn)識世界的正確觀念。

關(guān)鍵詞：空氣組成；科學(xué)探究；燃燒現(xiàn)象；呼吸作用；科學(xué)觀念

文章編號：1005–6629（2014）4–0032–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

空氣是與人類生產(chǎn)、生活密切相關(guān)的我們“身邊的化學(xué)物質(zhì)”，是混合物的典型代表，也是義務(wù)教育階段學(xué)生接觸的第一個物質(zhì)體系。義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）要求學(xué)生能夠說出空氣的主要成分，認(rèn)識空氣對人類生活的重要作用；知道氧氣能跟許多物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)；掌握氧氣、二氧化碳的主要性質(zhì)、用途和實(shí)驗(yàn)室制法。教學(xué)中教師往往重視的也是這些顯性的知識與技能。考察化學(xué)史不難發(fā)現(xiàn)，空氣組成的發(fā)現(xiàn)史是一段曲折艱辛的科學(xué)探究史，其中蘊(yùn)含了許多科學(xué)思想和科學(xué)方法。因此，在單元二“我們周圍的空氣”復(fù)習(xí)課上，帶領(lǐng)學(xué)生重新體驗(yàn)空氣組成的發(fā)現(xiàn)過程，可以促使學(xué)生從科學(xué)家研究問題的思想和方法中獲得智慧，并形成認(rèn)識世界的正確觀念。

1 空氣是混合物的實(shí)證

小學(xué)科學(xué)課上，學(xué)生通過大量有趣的實(shí)驗(yàn)感知了空氣的存在，知道空氣是一種無色、無味、透明的氣體，占據(jù)一定的空間，有彈性、有流動性；初二物理學(xué)習(xí)中，學(xué)生又知道了由于重力作用空氣會產(chǎn)生大氣壓強(qiáng)?？傊?，初三學(xué)習(xí)化學(xué)之前，空氣始終被看成是“一種”氣體。歷史上，空氣最初的確也被當(dāng)成是一種不可再分的元素。鑒于此，復(fù)習(xí)課上可以首先給學(xué)生提出這樣一個問題：科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)空氣組成的復(fù)雜性的呢？

限于學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，如果詳細(xì)介紹空氣組成的發(fā)現(xiàn)過程，一下子出現(xiàn)那么多遙遠(yuǎn)陌生的外國科學(xué)家姓名及其研究成果，不但發(fā)揮不了化學(xué)史應(yīng)有的作用，反而會增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。所以，教師可以先請學(xué)生進(jìn)行思考：空氣看不見摸不著，如果你是科學(xué)家，你怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明它不是純凈物而是混合物呢？“混合物”和“純凈物”是本課題中的一對概念，“由一種物質(zhì)組成”的是純凈物，“由兩種或兩種以上的物質(zhì)混合而成”的是混合物。通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生對“物質(zhì)組成決定性質(zhì)”的學(xué)科思想已經(jīng)有了一定的感性認(rèn)識，在教師的啟發(fā)下基本能夠想到只要證明空氣中有兩種不同性質(zhì)的氣體就可以說明空氣是混合物。這個時(shí)候，教師再結(jié)合PPT展示生動圖片介紹英國化學(xué)家梅猷在1674年所做的實(shí)驗(yàn)：將一片樟腦放入倒置在水中的鐘罩內(nèi)，用聚光鏡點(diǎn)燃樟腦，待燃燒一段時(shí)間熄滅后，鐘罩內(nèi)水面上升，但鐘罩內(nèi)仍剩余部分空氣，不再支持燃燒[1]。這充分說明了空氣中至少存在2種性質(zhì)不同的氣體，一種能夠支持燃燒，另一種正好相反。該實(shí)驗(yàn)還表明了混合物中各組分相對獨(dú)立地保持著各自的性質(zhì)，為后面教學(xué)中“混合”與“化合”的區(qū)分作了鋪墊。

沿襲梅猷的思路，后續(xù)的科學(xué)家們利用可燃物在水面上燃燒的改進(jìn)裝置測定了空氣中氧氣的含量。例如，把白磷放在一片小木塊或任何能浮的物件上，使它漂浮在水面。為了避免把木塊燒毀，在磷和木塊之間墊一些不能燃燒的瓦罐碎片，扣上玻璃鐘罩。一旦白磷開始燃燒，玻璃鐘罩內(nèi)水面就會上升，進(jìn)入鐘罩內(nèi)的水大約占原來空氣體積的五分之一[2]。在聆聽這些史實(shí)的過程中，學(xué)生會慢慢領(lǐng)悟到，教材中使用紅磷燃燒測定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)正是受到了科學(xué)前輩們的啟發(fā)，且依據(jù)中學(xué)現(xiàn)有的條件做了適當(dāng)改進(jìn)，使得操作更簡單、方便。然而由于反應(yīng)體系不是絕對密閉，會給測量結(jié)果造成一定的誤差。

2 燃燒現(xiàn)象與呼吸作用的關(guān)系

教材在介紹氧氣、二氧化碳、氮?dú)饣瘜W(xué)性質(zhì)時(shí)都要提到是否支持燃燒，是否供給呼吸。表面看來，燃燒現(xiàn)象和呼吸作用風(fēng)馬牛不相及，為什么總把二者相提并論呢？在空氣組成發(fā)現(xiàn)史中可以找到問題的答案。

早在十七世紀(jì)六七十年代，波義耳的助手胡克就通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)空氣對動植物呼吸和植物生長是必需的，并把呼吸比作燃燒。同時(shí)代的梅猷認(rèn)為空氣被動物呼吸而喪失作用力與燃燒過程中被吸收是一樣的。如果我們仔細(xì)分析會發(fā)現(xiàn)，燃燒現(xiàn)象和呼吸作用的確在本質(zhì)上有著驚人的相似：都要消耗氧氣產(chǎn)生二氧化碳，過程中都會放出能量。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們定然是意識到了這一點(diǎn)，所以他們在進(jìn)行不同可燃物燃燒實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，常常會借助小白鼠或者親自對研究的氣體進(jìn)行呼吸。1775年，英國化學(xué)家普利斯特里通過加熱汞灰（氧化汞）獲得氧氣后，將小白鼠放在其中，發(fā)現(xiàn)小白鼠比在同體積的尋?？諝庵谢畹臅r(shí)間約長了4倍；他親自呼吸了氧氣，在“很長時(shí)間里身心一直覺得十分輕快舒暢”。對燃燒現(xiàn)象和呼吸作用做過更加深入細(xì)致研究的要數(shù)法國化學(xué)家拉瓦錫，他認(rèn)為吸入肺中的氧氣氧化血液中的含碳物質(zhì)，產(chǎn)生呼出的二氧化碳，動物體熱就是這個氧化過程帶來的結(jié)果[3]。差不多快一個世紀(jì)以后的1860年，法拉第在給青少年所做的關(guān)于蠟燭燃燒的講座中，又把燃燒現(xiàn)象和呼吸作用進(jìn)行了類比：人體呼吸作用過程中，食物就是人體內(nèi)部的“燃料”，與吸入的氧氣發(fā)生作用，生成二氧化碳，同時(shí)放出供人體活動的熱量，就好比蠟燭燃燒放熱一樣[4]。這些化學(xué)史實(shí)使學(xué)生茅塞頓開，看來教材的許多知識都是有來源的！這種不僅知其然而且知其所以然的感覺令學(xué)生倍加興奮，深深體會到了傅鷹先生說過的那句話：“化學(xué)給人以知識，化學(xué)史給人以智慧?！?/p>

3 揭開燃燒本質(zhì)的奧秘

燃燒現(xiàn)象是人類文明以來利用最悠久最廣泛的現(xiàn)象之一，利用燃燒反應(yīng)已有幾十萬年的歷史。我們的祖先利用燃燒產(chǎn)生的熱量取暖、加工食物、冶煉金屬，一步一步推動著社會的發(fā)展。那么，為什么直至近代才揭開其中的奧秘呢？

教師提出問題后，可以請學(xué)生自由發(fā)表自己的看法。采取“頭腦風(fēng)暴”的形式，暢所欲言，教師暫時(shí)不作任何評價(jià)。學(xué)生提到了以前科研意識不強(qiáng)；科研條件不具備；有學(xué)生認(rèn)為在物質(zhì)達(dá)不到需求的時(shí)候不會有更高的精神追求，類似馬斯洛的需要層次理論。自由發(fā)言以后，科研意識和科研條件對科學(xué)研究所起的關(guān)鍵作用引起了學(xué)生的共鳴。我國古代擁有輝煌燦爛的文明，為什么近代落后了？其中一個原因就是技術(shù)落后了。比如說要研究氣體，自然要先收集氣體?！肮び破涫卤叵壤淦鳌甭?！合適的集氣裝置就顯得尤為重要。18世紀(jì)初，英國植物學(xué)家、牧師黑爾斯發(fā)明了“水上集氣法”，于是科學(xué)家們陸續(xù)使用排水法收集各種氣體并對其展開研究。排水集氣裝置和梅猷、普利斯特里、拉瓦錫等使用的玻璃鐘罩都是學(xué)生非常熟悉的教材呈現(xiàn)過的裝置，看來有了“前人栽樹”才有我們“后人乘涼”??！這時(shí)，學(xué)生的思緒似乎被帶到了那個遙遠(yuǎn)的時(shí)代，他們好像忽然頓悟了：科學(xué)家們當(dāng)時(shí)定然還制得過其他氣體，但是有的氣體會溶解在水中，該如何收集溶于水的氣體呢？肯定不能用水！那么用什么樣的液體來替代水呢？于是反反復(fù)復(fù)地實(shí)驗(yàn)！一次又一次地篩選！常溫下唯一的液態(tài)金屬汞就這樣“脫穎而出”，“汞槽集氣法”誕生了。

新授課時(shí)不少學(xué)生對拉瓦錫研究空氣成分所用的裝置[5]提出質(zhì)疑：明明知道汞有毒，為什么還要用汞槽來收集氣體？現(xiàn)在終于豁然開朗了：氧氣畢竟在水里會溶解，對于要得到精確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)家來說，汞槽集氣當(dāng)然是首選了。于是，學(xué)生們開始嘖嘖稱贊那些精巧的玻璃儀器以及當(dāng)時(shí)科學(xué)家們非凡的創(chuàng)造能力。同時(shí)，由衷地發(fā)出感慨，歐洲的玻璃制造技術(shù)領(lǐng)先于世界，給他們科學(xué)研究真是創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件。不是嗎？玻璃是透明的，方便對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察；玻璃受熱容易熔化，方便加工成各種所需要的儀器，如曲頸甑等。而我國的玻璃制造業(yè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐洲，直到19世紀(jì)末20世紀(jì)初，才有少數(shù)幾個生產(chǎn)平板玻璃及玻璃瓶的小廠。想到我們與世界先進(jìn)國家的差距，學(xué)生頓時(shí)有一種責(zé)任在肩的感覺，無形中加強(qiáng)了情感態(tài)度價(jià)值觀方面的教育。

4 燃燒現(xiàn)象的揭秘給我們的啟示

化學(xué)學(xué)習(xí)作為一個特殊的認(rèn)識過程，是學(xué)生學(xué)習(xí)前人的認(rèn)識成果的過程，也應(yīng)當(dāng)以必然的形式重演人類認(rèn)識活動的歷史發(fā)展過程。教學(xué)中，學(xué)生曾多次對“火到底是什么東西”產(chǎn)生過好奇，歷史上科學(xué)家們也不例外。是啊，火到底是什么？是一種物質(zhì)嗎？還是一種能量？這個問題引領(lǐng)著科學(xué)家們對燃燒現(xiàn)象進(jìn)行深入研究。

1673年，波義耳做了對比實(shí)驗(yàn)：首先在一個抽掉空氣的容器中，將硫磺灑在一塊燒紅的鐵板上，發(fā)現(xiàn)硫磺只冒煙不燃燒；再在有空氣的容器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硫磺燃燒產(chǎn)生淡藍(lán)色火焰[6]。對比實(shí)驗(yàn)有力地證明了燃燒需要空氣的參與。那么可燃物與空氣是如何作用的呢？早在波義耳之前，法國化學(xué)家雷伊就根據(jù)金屬鉛和錫煅燒后增重的事實(shí)，提出了自己的猜想：是空氣凝結(jié)到了鉛、錫中，就像干燥的沙土吸收了水分變得更重一樣[7]；英國化學(xué)家梅猷則認(rèn)為空氣中存在一種“燃?xì)饩?，?dāng)金屬被煅燒于空氣中時(shí)，這種“燃?xì)饩奔磁c之化合使金屬增重[8]?？諝庵心Y(jié)到金屬中去的部分或者說“燃?xì)饩保痪拖裎覀兯熘难鯕鈫?？兩位化學(xué)家多么富有遠(yuǎn)見卓識！可惜這些遠(yuǎn)見卓識在當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的重視。原因是，當(dāng)時(shí)好多人把目光集中在了燃燒現(xiàn)象上，燃燒現(xiàn)象給人最直觀的感覺就是物體在燃燒過程中好像有某種東西從中逃走了。例如，木炭、硫、磷等燃燒時(shí)產(chǎn)生了“裊裊青煙，冉冉騰空而去”。于是，“燃素學(xué)說”應(yīng)運(yùn)而生，該學(xué)說認(rèn)為可燃物含有“燃素”，物體燃燒時(shí)釋放“燃素”而留下灰燼。由于“燃素學(xué)說”能解釋當(dāng)時(shí)的許多現(xiàn)象，導(dǎo)致其統(tǒng)治化學(xué)界竟然長達(dá)一個世紀(jì)之久。法國化學(xué)家拉瓦錫透過燃燒現(xiàn)象看到了問題的本質(zhì)，他利用教材呈現(xiàn)的裝置[9]進(jìn)行了汞和氧氣的化合以及氧化汞的分解，發(fā)現(xiàn)后者釋放出的氣體正是前者消耗的氣體，從而揭開了燃燒的奧秘：可燃物與空氣中氧氣的結(jié)合。

空氣組成的確定伴隨著氧氣的發(fā)現(xiàn)和燃燒本質(zhì)的揭秘，這段科學(xué)探究史充滿了曲折：在即將接近真相的時(shí)候（雷伊、梅猷、波義耳），卻又走了很長時(shí)間的彎路（燃素學(xué)說），最終才又撥開迷霧（氧化學(xué)說）。這段科學(xué)史告訴我們，科學(xué)研究并不是一路坦途，它是一代又一代科學(xué)家們不辭勞苦、鍥而不舍奮斗的結(jié)果；繼承中有發(fā)展，批判中有進(jìn)步；質(zhì)疑中去尋求新證據(jù)，取得充分證據(jù)后再提出新理論，新理論還要進(jìn)一步經(jīng)受事實(shí)的檢驗(yàn)?？茖W(xué)的發(fā)展和進(jìn)步正是一代又一代科學(xué)家們研究積淀下來的結(jié)果。

5 認(rèn)識世界的科學(xué)觀念

“燃素學(xué)說”統(tǒng)治化學(xué)界長達(dá)一個世紀(jì)，當(dāng)時(shí)許多科學(xué)大師都是它的信徒，如舍勒、普利斯特里、卡文迪許等，但是該學(xué)說最終被證明是錯誤的。這就說明所有的科學(xué)規(guī)律、理論，甚至被稱為“真理”的東西無非都是科學(xué)家的“發(fā)明”，是暫時(shí)獲得較為廣泛認(rèn)可、并被大量實(shí)踐檢驗(yàn)的假說。這段化學(xué)史警醒我們在教學(xué)中要讓學(xué)生帶著“目前人們是這樣認(rèn)識世界”而非“世界本來就是這樣”的態(tài)度去理解科學(xué)問題，這樣才能使學(xué)生產(chǎn)生“也許目前這樣的認(rèn)識并不正確”、“也許還有更加接近真實(shí)的認(rèn)識”這種批判的科學(xué)態(tài)度，對學(xué)生的質(zhì)疑精神和批判意識的培養(yǎng)才成為可能[10]。拉瓦錫時(shí)代，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)空氣由氮?dú)夂脱鯕鈨煞N氣體組成，一個世紀(jì)以后，英國物理學(xué)家瑞利和化學(xué)家拉姆塞不放過小數(shù)點(diǎn)后第三位數(shù)字的差異[11]，才最終導(dǎo)致了稀有氣體的發(fā)現(xiàn)。由此可見，人們對世界的認(rèn)識是具有階段性和發(fā)展性的。這時(shí)候，教師可以趁熱打鐵告訴學(xué)生，為了區(qū)別于分子構(gòu)成的物質(zhì)，初三階段，我們認(rèn)為金屬是由原子直接構(gòu)成的；到了高中甚至大學(xué)，這個看法就不正確了，關(guān)于金屬晶體結(jié)構(gòu)的各種理論會拓寬我們認(rèn)識金屬的視野。再如，初中階段我們從元素組成上看化學(xué)反應(yīng)，將其劃分為4大基本類型；到了高中階段，這種不完全覆蓋式的劃分方法就不能滿足學(xué)習(xí)需要了，所以我們重新確定標(biāo)準(zhǔn)，從更加本質(zhì)的層面上將化學(xué)反應(yīng)劃分為氧化還原反應(yīng)和非氧化還原反應(yīng)。這種科學(xué)觀念的滲透給學(xué)生今后看問題指明了方向。

新課程提倡教師要“引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，啟迪學(xué)生的科學(xué)思維[12]”?？茖W(xué)思維是科學(xué)創(chuàng)造的源泉，化學(xué)教育的任務(wù)不僅僅在于向?qū)W生傳授化學(xué)科學(xué)知識，而且還要善于揭示蘊(yùn)含于各種化學(xué)理論、概念、發(fā)明、發(fā)現(xiàn)中的化學(xué)家的科學(xué)思維方法。體驗(yàn)空氣組成發(fā)現(xiàn)史的過程，就是引導(dǎo)學(xué)生用心體會科學(xué)家科學(xué)思維的過程，目的是盡可能把它內(nèi)化成為可以適用于自己的思維方式，在增長見識的過程中獲得智慧。

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