科學知識是變化的
——以高中階段“氧化還原反應(yīng)”教學為例

王 冬 顧 曄

（江寧高級中學 江蘇南京 211100）

科學知識是變化的
——以高中階段“氧化還原反應(yīng)”教學為例

王 冬 顧 曄

（江寧高級中學 江蘇南京 211100）

“科學知識是變化的”是科學的本質(zhì)的基本特征之一，結(jié)合化學史闡述了氧化還原反應(yīng)的知識進階，指出概念教學中的知識進階不是對之前概念建構(gòu)的完全否定，新的現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)行理論或概念提出挑戰(zhàn)正是符合科學本質(zhì)的。

科學的本質(zhì)；氧化還原反應(yīng)；科學史

IB課程在最近一次課程修訂中，理化生三門學科均提出一個共同的主旨，即“科學的本質(zhì)”，具體設(shè)計理念是，在關(guān)注學科知識的同時，將科學的本質(zhì)充分整合到課程中去。

科學的本質(zhì)是一個涉及哲學、社會學和科學史等多個方面的復(fù)雜的概念，而其包含的特征卻能讓我們對之有真切的認識：如“科學知識是變化的”，筆者嘗試以氧化還原反應(yīng)的概念進階（圖1）談?wù)劇翱茖W知識是變化的”這一特征。

圖1 氧化還原反應(yīng)概念的進階

以上氧化還原反應(yīng)的概念進階圖中，未加斜體標記的為高中階段的教學范疇，從初中一直延續(xù)到大學普通化學，氧化還原反應(yīng)一直在“進階”過程中。初中例介紹以得氧為特征的氧化反應(yīng)和以失氧為特征的還原反應(yīng)；進入高中后，老師會再次舉例（如Zn+Cu2+原反應(yīng)”是有局限性的，于是提出氧化還原反應(yīng)的宏觀特征——化合價的變化和微觀本質(zhì)——電子轉(zhuǎn)移，于是一個較為完備的氧化還原反應(yīng)概念建構(gòu)完成了；可是到了大學學習《普通化學》或《無機化學》時發(fā)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)是和電化學聯(lián)系在一起的，而且化合價的概念往往被氧化數(shù)代替……。筆者在多輪教學后開始反思：是不是從得失氧角度認識氧化還原反應(yīng)就是不科學、不完善甚至是“過時”的？從電子轉(zhuǎn)移角度認識就是科學的、完美的？

一、從得失氧角度認識氧化還原反應(yīng)——近代化學的萌芽

對于反應(yīng)“CuO+H2======△Cu+H2O”，H2在反應(yīng)中“得氧”生成了水，則氫氣發(fā)生了氧化反應(yīng)；而氧化銅則因“失氧”發(fā)生了還原反應(yīng)。這樣的定義簡單、直觀，并沒有科學性的失誤，我們回顧一下相關(guān)科學史。

史料1：燃素學說和氧化學說

1777年，拉瓦錫重做了普利斯特里和卡文迪許的實驗，精確地稱量了他的試劑和產(chǎn)物，在1780年出版的論文《燃燒通論》中提出他的新的燃燒學說，證明物質(zhì)雖然在一系列的化學反應(yīng)中改變狀態(tài)，物質(zhì)的量在每一反應(yīng)之終與每一反應(yīng)之始卻是相同的；燃燒和呼吸終于被證明為同類的作用，兩者同是氧化，區(qū)別只在迅速與緩慢，結(jié)果都增加重量，這個重量等于化合的氧氣的重量。具負重量的燃素的概念從此就從科學中消失了。

從史料1可見，拉瓦錫（圖2）的氧化理論雖然停留在得失氧的階段，但在當時卻讓“燃素學說”宣告失敗，由此萌發(fā)出近代化學的萌芽。對氧化還原反應(yīng)從“得失氧角度”進行定義不僅不是片面、落后的，相反在化學發(fā)展史上具有里程碑意義，維基百科在定義氧化還原反應(yīng)（Redox Reaction）仍將之完整地呈現(xiàn)“The word oxidation originally implied reaction with oxygen（O2）to form an oxide（氧化物）.The word reduction origi?nally referred to the loss in weight upon heating a metallic ore（金屬礦物）such as a metal oxide to extract the metal.”

圖2 拉瓦錫和拉瓦錫加熱水銀的實驗裝置圖

二、從化合價升降到電子轉(zhuǎn)移——現(xiàn)代化學理論的完善

1.氧化還原反應(yīng)與化合價

中學課本中提到有化合價升降的反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，這對氧化還原反應(yīng)的初學者來說非常方便、直觀，也被稱為氧化還原反應(yīng)的“宏觀特征”。而化合價的經(jīng)典概念是對元素基本性質(zhì)的描述，表明原子間的結(jié)合能力，如1個氫原子只能和1個其他原子結(jié)合，化合價為1（無正負之別）。徐光憲先生在《化學哲學基礎(chǔ)》中《原子價概念的發(fā)展》一文中提到，原子價概念的提出應(yīng)追溯到英國化學家E.P.Frankland（1825-1899），他在1852年提出：金屬或其他元素的每一個原子在化合時具有一種特殊的性質(zhì)，叫做“飽和能力”，即傾向于和一定數(shù)目的其他原子相結(jié)合。

史料2 化合價和氧化數(shù)的提出

1852年，富蘭克林（E.P.Frankland（1825-1899））提出不管原子結(jié)合的原子的特性如何，吸引元素的化合能力（combining power）總是為相同數(shù)目的結(jié)合原子所滿足。后來，把此處的化合能力稱為化合價或原子價（quantivalence或valency，美國化學家仍用老名稱valence）。

1919年，德國化學家阿爾弗雷德·斯托克（Alfred Stock）提出了“斯托克體系”命名方式，其中所有元素的氧化數(shù)（氧化態(tài)）均用相應(yīng)羅馬數(shù)字表示。

1948年，在價鍵理論和電負性的基礎(chǔ)上提出了氧化數(shù)（oxidation number）的概念。在老的化合價理論里，電離化合物（即離子化合物，如NaCl）和非電離化合物（即共價化合物，如CO2）是不加區(qū)別的，柯塞爾和路易斯提出的理論認為它們根本不同。

20世紀70年代初，國際純粹和應(yīng)用化學聯(lián)合會（IUPAC）在《無機化學命名法》中，進一步嚴格定義了氧化數(shù)概念。

從史料2中能看到今天“化合價”的概念模型，但這里的化合價解釋氧化還原反應(yīng)是欠妥的，華彤文教授主編的《普通化學原理》中也指出中學化學課本中用化合價升降表示氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的情況，那里的化合價其實就是氧化數(shù)（oxidation number）。隨著“氧化數(shù)”的提出，氧化還原反應(yīng)的概念也隨之有了進一步的變化：在化學反應(yīng)中，元素的原子或離子在反應(yīng)前后氧化數(shù)發(fā)生變化的一類反應(yīng)稱作氧化還原反應(yīng)。至此，氧化還原反應(yīng)學說已經(jīng)較為完善，不僅擺脫了是否得失“氧”的局限，也指出了氧化過程和還原過程同時發(fā)生的辯證觀點，但后期的氧化還原過程還是和電化學緊密聯(lián)系的（史料3），高中教師反復(fù)強調(diào)的“氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移的問題”又是如何應(yīng)運而生的？

史料3 電化學的起源和發(fā)展

1786年左右，意大利人伽法尼發(fā)現(xiàn)如果使神經(jīng)或肌肉同兩種不相類似的金屬連接起來，而使金屬互相接觸，蛙腿會發(fā)生收縮。

1800年，意大利的伏打證明這種基本現(xiàn)象并不依賴于一種動物物質(zhì)的存在，并發(fā)明了以他的姓名命名的電池（圖3）。1836年，英國科學家丹尼爾對“伏打電池”進行了改良，制造了一個能穩(wěn)定工作的銅鋅原電池，稱為丹尼爾電池（圖4）。

1806年，戴維證明電效應(yīng)與電池內(nèi)化學變化有密切關(guān)系，他在皇家學院實驗室的助手和繼承人法拉第更是制造了目前廣泛使用的電化學名詞（如電極、離子等），并通過實驗得出了法拉第定律。

圖3 伏打展示伏打電堆（voltaic pile）

2.氧化還原反應(yīng)與電化學

國內(nèi)常見的各版本《無機化學》、《普通化學》等大學教材中氧化還原反應(yīng)均出現(xiàn)于電化學相關(guān)章節(jié)，可見電化學層面研究氧化還原反應(yīng)是在氧化數(shù)層面定義的基礎(chǔ)上更具可視性和可操作性，結(jié)合標準電極電勢和能斯特方程，也更有利于研究氧化還原反應(yīng)的趨勢和限度。不能不說電化學的興起和發(fā)展讓氧化還原反應(yīng)這一重要概念有了進一步發(fā)展。目前教材中原電池裝置的雛形就起源于19世紀初的丹尼爾電池模型（圖4、圖5）。

圖4 丹尼爾電池（原型存于National Museum of American Histo?ry,USA.）

圖5 丹尼爾電池的課堂展示模型

電池的出現(xiàn)讓氧化還原反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移為特征的定義有了實物載體，但這并不意味著電子轉(zhuǎn)移比化合價（氧化數(shù)）升降的定義更加本質(zhì)，氧化數(shù)是化合物中某元素所帶形式電荷的數(shù)值，是有實驗依據(jù)的，人們把反映電子轉(zhuǎn)移和偏移的電子數(shù)稱為氧化數(shù)，從這個意義上說，氧化數(shù)變化和電子轉(zhuǎn)移層面的氧化還原反應(yīng)的定義是沒有所謂“宏觀現(xiàn)象”和“微觀本質(zhì)”之分的，二者是對同一問題的不同表述而已。

三、反思

從上述史料（史料1～史料3）中不難發(fā)現(xiàn)，氧化還原反應(yīng)的概念進階本身就是“科學知識是變化的”真實體現(xiàn)。從這個層面上說，維基百科對氧化還原反應(yīng)（Redox Reaction）給出的定義是符合“科學知識是變化的”這一科學本質(zhì)的，并且從“originally”、“Later”及“Ultimately”等副詞中可以看出概念的演變過程。以氧化反應(yīng)為例：

●The word oxidation originally implied reaction with oxygen to form an oxide,since dioxygen（O2（g））was historically the first recognized oxidizing agent.

●Later,the term was expanded to encompass oxy?gen-like substances that accomplished parallel chemical reactions.

●Ultimately,the meaning was generalized to in?clude all processes involving loss of electrons.”

18世紀末，氧化學說確立，人們把與氧化合的反應(yīng)叫氧化反應(yīng)，把從氧化物中奪取氧的反應(yīng)叫還原反應(yīng)；19世紀中，有了化合價的概念，人們把化合價升高的過程叫氧化，把化合價降低的過程叫還原；20世紀初，由于建立了化合價的電子理論，人們把失電子的過程叫氧化，得電子的過程叫還原。每一次氧化還原概念的進階都伴隨新的理論的提出（表1），這不正是“科學知識是變化的”這一科學本質(zhì)的完美體現(xiàn)：新的現(xiàn)象和發(fā)現(xiàn)可以對現(xiàn)行的理論提出挑戰(zhàn)，或者盡管一種理論對現(xiàn)象解釋得很好但可能還有其他理論適用，甚至更好、適用范圍更廣。

表1 科學史視角下的氧化還原反應(yīng)的概念進階

“科學知識是變化的”本身是無可爭議的，但在教學過程中，教師常常傾向否定這樣的動態(tài)變化，而希望將之“講死”，甚至對“前概念”大加否定！這與“科學的本質(zhì)”的理解是背道而馳的。從全球化考試來看，自2016年起IBO將會在所有筆試部分（包括卷一、卷二、卷三）中考查標準水平和高水平學生對科學的本質(zhì)的理解。這種考查不是單獨的考查，而是以特定的學科內(nèi)容為背景。因而說明某一知識缺乏科學本質(zhì)的片面認識是不符合將科學本質(zhì)整合到課程中去的理念的。

［1］ 王茹.科學的本質(zhì)怎么教［J］.上海教育，2014（32）:48-50

［2］ 中國自然辯證法研究會化學化工專業(yè)組編.化學哲學基礎(chǔ)［M］.北京:科學出版社，1986

［3］ 顧曄.從“三序結(jié)合”視角研討人教版《化學1》的使用［J］.化學教學，2012（10）:13-15

［4］ W.C.丹皮爾.科學史［M］.北京:中國人民大學出版社，2010

［5］ J.R.柏廷頓.化學簡史［M］.北京:商務(wù)印書館，1979

1008-0546（2017）10-0038-03

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