基于化學(xué)史的科學(xué)探究教學(xué)實(shí)踐
——以“空氣的成分”為例

周愛平

（桂林市教育科學(xué)研究所，廣西 桂林 541001）

基于化學(xué)史的科學(xué)探究教學(xué)實(shí)踐
——以“空氣的成分”為例

周愛平

（桂林市教育科學(xué)研究所，廣西 桂林 541001）

恰當(dāng)使用化學(xué)史對科學(xué)探究有啟發(fā)和指導(dǎo)作用。將化學(xué)史融入課堂教學(xué)，讓學(xué)生沿著科學(xué)家的足跡重溫科學(xué)探究之路，有利于實(shí)現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)要求的三維目標(biāo)。文章以科學(xué)家發(fā)現(xiàn)空氣成分為案例，介紹利用化學(xué)史促進(jìn)探究教學(xué)的研究。

化學(xué)史；科學(xué)探究；空氣成分；科學(xué)素養(yǎng)

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》指出：“義務(wù)教育階段化學(xué)課程的科學(xué)探究，是學(xué)生積極主動地獲取化學(xué)知識、認(rèn)識和解決化學(xué)問題的重要實(shí)踐活動?？茖W(xué)探究對發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)具有不可替代的作用?！?/p>

科學(xué)探究原指科學(xué)家用科學(xué)的方法探求事物本質(zhì)規(guī)律以及生產(chǎn)知識的過程。在教學(xué)實(shí)踐中，如果充分挖掘化學(xué)史料作為課程資源并轉(zhuǎn)化為探究情景，引導(dǎo)學(xué)生開展探究，對學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)方法，養(yǎng)成科學(xué)的態(tài)度，提高科學(xué)素養(yǎng)是大有裨益的。

本文所呈現(xiàn)的科粵版九年級化學(xué)上冊第二章《2.1空氣的成分》（第一課時）的教學(xué)實(shí)踐，就是利用化學(xué)史知識進(jìn)行科學(xué)探究的一次探索。

一、設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課采用“以化學(xué)史為線索，創(chuàng)設(shè)情景；以實(shí)驗(yàn)探究為手段，展開活動”的教學(xué)策略，[1]通過兩個化學(xué)史資料追蹤科學(xué)家發(fā)現(xiàn)空氣成分的曲折歷程，仿照拉瓦錫實(shí)驗(yàn)對空氣里氧氣的含量進(jìn)行探究，認(rèn)識空氣的兩種主要成分——氮?dú)夂脱鯕獾捏w積含量，初步了解科學(xué)探究的一般方法；通過瑞利等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氬氣等稀有氣體的史實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和探究能力。

本節(jié)課利用化學(xué)史促進(jìn)科學(xué)探究教學(xué)的流程如圖1所示：

圖1 化學(xué)史促進(jìn)科學(xué)探究教學(xué)流程

二、教學(xué)目標(biāo)

（一）知識與技能

1.能說出空氣的主要成分，知道空氣里氧氣體積含量的測定方法；

2.知道氮?dú)夂拖∮袣怏w的特性和用途，認(rèn)識空氣對人類生活的重要作用；

3.初步認(rèn)識純凈物、混合物的概念。

（二）過程與方法

1.初步了解科學(xué)家發(fā)現(xiàn)空氣成分的過程與方法，增進(jìn)對科學(xué)探究的體驗(yàn)；

2.初步學(xué)習(xí)運(yùn)用觀察、比較、分析、歸納等方法對信息進(jìn)行加工的科學(xué)方法。

（三）情感態(tài)度與價值觀

1.重溫科學(xué)家發(fā)現(xiàn)空氣成分的過程，體會科學(xué)家的研究思想、方法和科學(xué)態(tài)度；

2.初步養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、敢于質(zhì)疑和勤于思考等科學(xué)品質(zhì)；

3.初步建立科學(xué)的物質(zhì)觀，認(rèn)識到科學(xué)是不斷發(fā)展、完善的過程。

三、教學(xué)實(shí)錄

［教師］同學(xué)們，我們生活在空氣的“海洋”里，一刻也離不開空氣，正是空氣使地球顯得生機(jī)勃勃。人類對空氣的認(rèn)識經(jīng)歷了漫長的時間，許多科學(xué)家的不斷探索才讓我們逐漸揭開空氣神秘的面紗。今天就讓我們站在巨人的肩膀上認(rèn)識空氣吧。

［教師］十八世紀(jì)中葉以前，人們都以為空氣是一種單一的物質(zhì)，十八世紀(jì)七十年代，法國化學(xué)家拉瓦錫用實(shí)驗(yàn)證明空氣主要成分是氮?dú)夂脱鯕狻Ｋ侨绾蔚贸鲞@一結(jié)論的呢？

［教師］（投影圖1）拉瓦錫將銀白色的液態(tài)汞（水銀）放置于密閉的玻璃容器中，持續(xù)加熱12天后，發(fā)現(xiàn)部分汞變成紅色粉末，汞槽里的水銀升入鐘罩，而容器里的空氣體積則減少了約1/5，而且剩余氣體不支持燃燒和呼吸。于是他第一次用實(shí)驗(yàn)證明了空氣由氧氣和氮?dú)饨M成，氧氣約占空氣體積的1/5。

［教師］拉瓦錫根據(jù)什么現(xiàn)象判斷氧氣約占空氣體積的五分之一？為什么？

［學(xué)生］容器里的空氣體積則減少了約1/5。因?yàn)檠鯕庀暮笕萜鲀?nèi)氣體壓強(qiáng)減小，鐘罩內(nèi)汞的高度升高，升高的體積就是氧氣的體積。

［教師］實(shí)驗(yàn)中水銀消耗的是什么物質(zhì)？

［學(xué)生］（齊答）氧氣。

［教師］能否用其他藥品代替水銀呢？

［學(xué)生1］應(yīng)該可以，只要藥品和氧氣能反應(yīng)。

［學(xué)生2］如果這種藥品能和氮?dú)夥磻?yīng)也不行，所以這種藥品只能與氧氣反應(yīng)。

［教師］實(shí)驗(yàn)中水銀反應(yīng)后生成的是粉末，如果生成氣體對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響嗎？

［學(xué)生3］有，如果生成氣體，就“沒有”氣體壓強(qiáng)差，就沒有水銀液面變化了。

［教師］水銀的多少對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響嗎？

［學(xué)生4］有。如果水銀不夠，那么測得的結(jié)果就是氧氣少于1/5體積。

［教師］如果裝置漏氣對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響嗎？

［學(xué)生5］當(dāng)然有。如果裝置漏氣，就不可能產(chǎn)生壓強(qiáng)差了。

［教師］同學(xué)們非常細(xì)心，發(fā)現(xiàn)了拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，我們可以這樣概括這個實(shí)驗(yàn)：在密閉的空間內(nèi)，利用足量藥品將氧氣消耗，根據(jù)進(jìn)入鐘罩的水銀體積判斷氧氣的體積。

［教師］學(xué)生在初二物理學(xué)習(xí)了有關(guān)大氣壓強(qiáng)的有關(guān)知識，從實(shí)驗(yàn)原理、藥品選擇和裝置選擇三方面重溫拉瓦錫發(fā)現(xiàn)空氣成分的過程，為接下來的探究做好鋪墊。

［教師］仿照拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)，我們也來測定空氣里氧氣的含量。（投影圖3，用圖示裝置完成測定空氣里的氧氣含量實(shí)驗(yàn)，等待集氣瓶冷卻時請一位學(xué)生觸摸集氣瓶外壁。）

圖3 測定空氣里的氧氣含量

［教師］燃著的紅磷進(jìn)入集氣瓶后，瓶內(nèi)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

［學(xué)生］（齊答）紅磷燃燒產(chǎn)生大量白煙。

［學(xué)生6］我剛才觸摸了集氣瓶，感覺到很熱，所以紅磷燃燒是放熱的。

［教師］紅磷燃燒消耗了瓶內(nèi)的什么物質(zhì)？

［學(xué)生］（齊答）氧氣。

［教師］松開止水夾后出現(xiàn)什么現(xiàn)象？怎么解釋？

［學(xué)生］（齊答）燒杯的水進(jìn)入集氣瓶，到達(dá)刻度1處。

［教師］（板書）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：紅磷燃燒，產(chǎn)生大量白煙并放出熱量，打開止水夾后水進(jìn)入集氣瓶中，約占1/5體積。

［學(xué)生7］紅磷消耗了瓶中的氧氣，氣壓減小，水就進(jìn)入瓶中。

［教師］為什么要等到集氣瓶冷卻后才松開止水夾？

［學(xué)生8］因?yàn)榧t磷燃燒放熱，如果沒冷卻，氣體體積會膨脹，進(jìn)入的水可能不到刻度1。

［教師］這個實(shí)驗(yàn)?zāi)芊竦贸鲅鯕饧s占空氣體積的1/5的結(jié)論？

［學(xué)生］（齊答）可以。

［教師］（板書）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：氧氣約占空氣體積的1/5。

［教師］（投影圖1和圖2）如果要得出正確的結(jié)論，你認(rèn)為在本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該注意什么？

［學(xué)生9］（經(jīng)過短暫時間討論）我們認(rèn)為，要得出正確結(jié)論，藥品必須是與水銀、紅磷一樣只與空氣反應(yīng)，而且量要充足。

［學(xué)生10］我們認(rèn)為，使用紅磷的裝置必須保證不漏氣，而且紅磷放入集氣瓶要快。

［教師］為什么紅磷放入集氣瓶要快？

［學(xué)生10］因?yàn)槿绻脑挘瘹馄康挠行怏w就會受熱膨脹，從瓶子“跑”出來，結(jié)果就不準(zhǔn)確。

［學(xué)生11］打開止水夾要等到集氣瓶冷卻以后，否則氣體就會受熱膨脹，結(jié)果也不準(zhǔn)確。

［教師］剛才我們仿照拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)，也成功地探究出空氣里氧氣的含量。大家開動腦筋，總結(jié)出紅磷實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，非常不錯。

［教師］“測定空氣里的氧氣含量”是初中化學(xué)一個重要的科學(xué)探究內(nèi)容，此時學(xué)生化學(xué)知識儲備不足，還無法根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇實(shí)驗(yàn)裝置、化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，因此本實(shí)驗(yàn)主要目的在于引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象得出結(jié)論，分析藥品、操作和裝置氣密性對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。有了拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的鋪墊，學(xué)生很容易理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。

［教師］科學(xué)家對空氣成分的探索并沒有結(jié)束。19世紀(jì)末，英國物理學(xué)家瑞利在研究氣體密度時，發(fā)現(xiàn)從空氣分離出的氮?dú)饷芏龋?.2572 g·L-1）與用化學(xué)方法制得的氮?dú)饷芏龋?.2508 g·L-1）存在一個微小的差異。瑞利沒有放過這一微小差異，他與其他科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)了稀有氣體氬。后來經(jīng)過多位科學(xué)家更加精密的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究，又發(fā)現(xiàn)稀有氣體還有氦、氖、氪、氙等。

［教師］在通常情況下，空氣中的各種成分的比值保持相對穩(wěn)定。（板書）

圖4 空氣中各種成分與空氣總體積的比例

［教師］利用化學(xué)史知識對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的滲透，使學(xué)生們明白：在實(shí)驗(yàn)探究過程中要敢于質(zhì)疑，不輕信權(quán)威，堅(jiān)信實(shí)驗(yàn)事實(shí)?？諝獬煞值牟粩喟l(fā)現(xiàn)，也使學(xué)生意識到科學(xué)是在不斷發(fā)展的，需要人們不斷探索。

［教師］空氣不是單純的一種氣體，它有多種氣體成分，我們稱它為混合物，氮?dú)庵挥梢环N物質(zhì)組成，我們稱它為純凈物。（板書混合物、純凈物概念）

［教師］在組成空氣的各種成分中，氮?dú)夂孔疃?，稀有氣體含量很少，這些氣體都有各自的性質(zhì)和用途。請大家閱讀課本33頁，了解氮?dú)夂拖∮袣怏w的特性和用途。

［教師］小結(jié)氮?dú)夂拖∮袣怏w的特性和用途，指出這些氣體有各自的用途，物質(zhì)的用途是由它們的特性決定的。

［教師］同學(xué)們，下課時間馬上到了，請你談?wù)劚竟?jié)課的收獲。

［學(xué)生12］我知道空氣是一種混合物，以及各種成分的含量。

［學(xué)生13］我知道氮?dú)夂拖∮袣怏w的特性和用途。

［學(xué)生14］我知道很多發(fā)現(xiàn)需要實(shí)驗(yàn)證明，也學(xué)到科學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)。

［學(xué)生15］我知道利用紅磷測定空氣中氧氣含量的方法，包括選擇什么藥品、什么裝置，要怎么操作。

……

［教師］同學(xué)們，這節(jié)課我們站在巨人的肩上，也當(dāng)了一次科學(xué)家，探究了空氣的成分。學(xué)習(xí)了氮?dú)?、稀有氣體的特性和用途，以及什么是混合物和純凈物，初步學(xué)習(xí)用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究的方法。氧氣是空氣中的一種成分，它有哪些性質(zhì)和用途呢？在我們以后的學(xué)習(xí)中還會繼續(xù)探究。

［教師］本環(huán)節(jié)改變傳統(tǒng)課堂突出知識、教師將知識點(diǎn)重復(fù)或通過練習(xí)強(qiáng)化的做法，讓學(xué)生暢所欲言，不僅可以檢測知識目標(biāo)達(dá)成情況，也能提高他們的表達(dá)與交流能力，教師適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)評和贊賞，更能激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情。從學(xué)生的反饋情況可看出，學(xué)生收獲的不僅是知識目標(biāo)，在方法、態(tài)度和科學(xué)精神等方面都受到熏陶。

四、結(jié)語

著名化學(xué)家傅鷹說過：化學(xué)給人以知識，化學(xué)史給人以智慧。在初中化學(xué)教學(xué)中，巧妙利用豐富的化學(xué)史作為課程資源并轉(zhuǎn)化為探究情景，引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)探究，不僅有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，也讓學(xué)生在“做科學(xué)”的探究里獲得科學(xué)思想和科學(xué)方法的啟迪。化學(xué)教師應(yīng)當(dāng)將化學(xué)史作為一種開發(fā)教學(xué)內(nèi)容的素材性資源來合理利用，充分發(fā)掘化學(xué)史的教育教學(xué)功能，[2]將化學(xué)史融入真實(shí)的科學(xué)探究活動中，使化學(xué)史教育成為提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一個重要途徑。

[1]葛秋實(shí)，王秀紅．基于化學(xué)史的教學(xué)設(shè)計(jì)：與科學(xué)家對話——重溫氯的發(fā)現(xiàn)之旅[J]．化學(xué)教育，2011(1)：35.

[2]程曉丹，濮江．基于文獻(xiàn)分析的化學(xué)史教育教學(xué)現(xiàn)狀與建議[J].化學(xué)教育，2011(3)：73.

The Practice of Scientific Inquiry Teaching Based on the History of Chemistry——Taking“the Composition of Air”as an example

Zhou Aiping
(Guilin Institute of Educational Research,Guilin,Guangxi 541001,China)

The appropriate use of the history of chemistry plays an enlightening and guiding role in the method of scientific inquiry. Integrating the history of chemistry into the classroom teaching and developing the students’ability to inquire scientifically along the successful road of great scientists greatly help ensure the fulfillment of the three-dimensional goals in terms of the requirements of the National Standard Curriculum.This paper will not only discuss some typical cases of the composition of air found by some renowned scientists,but also introduce the research on the promotion of inquiry teaching through the method of history of chemistry.

the history of chemistry;scientific inquiry;composition of air;scientific quality

G633.8

A

1001-7070（2016）02-0147-04

10.16020/j.cnki.cn45-1302/z.2016.02.038

（責(zé)任編輯：楊建香）

2016-02-23

桂林市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“基于科學(xué)探究的初中化學(xué)課堂教學(xué)案例研究”（項(xiàng)目編號：2015A-04）研究成果之一。

周愛平（1976-），男，廣西桂林人，桂林市教育科學(xué)研究所中學(xué)化學(xué)教研員，主要從事中學(xué)化學(xué)教學(xué)與研究。