用科學的方法教真實的化學

郭金花 王金龍

摘要：化學公開課的失真屬于是否“真實地教化學”的問題，它與“教真實的化學”是兩個不同的概念。一個是態(tài)度問題，一個是理念問題，后者更有研究的價值?！罢鎸嵉幕瘜W”包括兩個方面：一是化學學科的真實性，即化學學科本來的面貌；二是化學學習的真實性，即化學學習是動態(tài)生成的。該文呈現(xiàn)在高一化學“甲烷”公開課中用三種科學的方法教真實的化學的嘗試：用化學史還原知識形成的真實脈絡(luò)；用創(chuàng)新實驗揭示現(xiàn)象背后的真實原因；用及時性評價診斷課堂中真實的生成性問題。

關(guān)鍵詞：化學教學失真；科學的方法；真實的化學

文章編號：1008-0546（2018）11-0015-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.005

前不久，在為開設(shè)公開課查找文獻資料時，筆者發(fā)現(xiàn)有不少論文討論了公開課、優(yōu)質(zhì)課、示范課等失真的問題。例如：優(yōu)質(zhì)課中授課者為了取悅評委、獲取高分，對所授知識進行“精心包裝”、對實驗現(xiàn)象進行“刻意”描述、對教學過程進行“程序設(shè)計”，可謂煞費苦心、用盡心思，使得化學課堂失去了真實的面孔。再如：“公開課準備時間長，成本高，被教師們稱之為豪華課，華而不實，這樣的課平時常規(guī)教學不能復制，只能看不能用，課上得很漂亮，學生什么都不會?！睂τ谶@些言論，暫且不談對為了公開課而“煞費苦心”、“用盡心思”的老師情感的嚴重傷害，其實這樣的言論本身就是“失真”的。既然是比賽，“獲取高分”的想法可謂人之常情，再真實不過?！熬陌b”是對開課的重視，是對學生、評委、聽課老師的一種尊重，就好比重要客人來訪需穿戴整齊，精心打扮一樣。“對教學過程進行程序設(shè)計”是為了使教學設(shè)計更合乎邏輯，合乎學生的實際，預設(shè)是為了更好的生成。“準備時間長，成本高”，恰恰反映了要想真正提升學生的核心素養(yǎng)并不是一件簡單的事情，必須依靠教師花時間潛心研讀課程標準、悉心了解學生的前認知、精心設(shè)計教學程序。需要國家、社會以及學校對教育的大力投入，才能使教師很多難以實現(xiàn)的想法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實?！皩W生什么都不會”，確有言過其實之嫌。

一、化學教學“失真”之我見

縱觀現(xiàn)在很多的示范課、優(yōu)質(zhì)課、公開課，都反映了執(zhí)教教師先進的教育理念，扎實的教學基本功，對課程標準、教材以及教學內(nèi)容的準確理解，對教育技術(shù)的熟練運用等。更重要的是體現(xiàn)了教師承擔重任的勇氣，因為這些公開課要接受來自教育專家、教師和學生的共同檢驗。誠然，不排除極少數(shù)教師公開課之前在上課所在班級演練過，或事先公布問題的答案，或為了得到想要的實驗現(xiàn)象，偷偷換實驗藥品等等。但這些現(xiàn)象畢竟是少數(shù)，而且它已經(jīng)不是“失真”的問題，而是一個教師師德的問題，這已超出了本文的討論范疇。

化學公開課“失真”的原因有很多，可能是少部分教師化學專業(yè)基本功不夠扎實，如：“金屬、固態(tài)非金屬、稀有氣體可用元素符號表示它們的化學式，它們都是由原子直接構(gòu)成的[1]?！笨梢娫摻處熯€不清楚物質(zhì)組成的化學符號表征的真正意義?？赡苁菍嶒炘O(shè)計不夠合理，如“點燃從玻璃管導出的氫氣，火焰呈“黃色”，對于初中生，學生還未學過焰色反應，不知道“黃色”是由玻璃中的鈉元素引起的，實驗時如果教師將玻璃尖嘴管更換為金屬針頭就可消除焰色反應的影響了 [2]。也可能是對化學知識的社會應用缺乏嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，沒有搜集足夠的資料證明自己的觀點。如“天宮一號的火箭燃料是氫氣” [3]，而實際上天宮一號由長征二號FT1火箭運載，火箭的燃料是偏二甲肼，氧化劑是四氧化二氮。這些“失真”其實是極少數(shù)執(zhí)教教師專業(yè)知識的缺失以及經(jīng)驗的不足，而這些不足是可以通過教師的后天努力與積累得以糾正的，這屬于是否“真實地教化學”的問題，它與“教真實的化學”是兩個不同的概念。前者是態(tài)度問題，而后者是理念問題，態(tài)度容易轉(zhuǎn)變，但理念不一定人人具備，也不會輕易轉(zhuǎn)變，且理念直接指導教學行為，因此更值得研究。

二、何為真實的化學

筆者認為“真實的化學”包括兩個方面：一是化學學科的真實性，即化學學科本來的面貌；二是化學學習的真實性，即化學學習是動態(tài)生成的。美國著名作家西奧多·德萊賽（Theodore Herman Albert Dreiser）曾經(jīng)說過“真實是一切價值的根基”，離開“真實的”前提，一切“價值”都是虛幻的，無意義的。因此，讓學生學習真實的化學，是培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)的前提，也是化學教育的真諦所在。吳星教授認為化學學科的真實性主要表現(xiàn)在以下四個方面：化學來源于生產(chǎn)生活并服務于生產(chǎn)生活、化學是創(chuàng)造和識別物質(zhì)的科學、化學揭示客觀事物及其變化的基本規(guī)律、化學以實驗作為本學科的主要研究方法。所以，化學課堂教學不能只教給學生被提煉出來的化學知識，更要重視化學知識的來源與學習這些知識的目的；讓學生了解化學學科真正的價值，化學的發(fā)展史就是創(chuàng)造新分子和構(gòu)建新物質(zhì)的歷史 [4]，化學是創(chuàng)造美好世界的源泉和力量；讓學生感受實驗是判斷化學知識真?zhèn)蔚摹白罡叻ㄍァ?，是揭示化學變化與規(guī)律的主要手段。

盡管化學課堂是事先預設(shè)的，但同時它也是動態(tài)生成的，包括實驗的突發(fā)狀況，學生在課堂上的學習狀態(tài)、學習的興趣、積極性、注意力、學習方法與思維方式、合作能力與質(zhì)量、發(fā)表的觀點、提出的問題與解決問題的思路方法、甚至錯誤的問題回答等課堂學習信息 [5]。這些課堂信息，有些可能是教師無法預料的，但它們卻是真實存在的。其中很多信息都是有價值的教學資源，要求教師有足夠的教育智慧，加以甄別、選擇和利用。因此，教師應該允許學生真實學習過程的發(fā)生，不能對其視而不見，硬是按照自己的預設(shè)按部就班地實施教學，要尊重學生真實的情感、態(tài)度和觀點等。這樣打造出來的課堂才是真實的課堂，是尊重學科本身和學生主體的課堂。

三、用科學的方法教真實的化學

在化學課堂上，教師應通過怎樣的方法體現(xiàn)化學學科與化學學習的真實性呢？下面以蘇教版《化學2》“天然氣的利用 甲烷”的公開教學為例，嘗試用科學的方法進行“真實的化學”教學。

1.用化學史還原知識形成的真實脈絡(luò)

學習心理學認為，學生學習科學知識的過程和人類研究科學的進程之間存在一定的相似性，它認為一個人思維概念的發(fā)展成熟過程，重演整個人類認識的歷史 [6]。因此，利用化學史進行教學，能與學生真實的學習心理高度契合，從而有助于學生更好地理解化學知識、化學原理與科學方法等。

甲烷是由什么元素組成的？甲烷分子是由幾個碳原子和幾個氫原子構(gòu)成的？甲烷的空間構(gòu)型是怎樣的？這些我們現(xiàn)在看似簡單的問題，科學家們卻用了將近100年的時間去探索。教學片斷如下：

[師]我國是最早發(fā)現(xiàn)并使用天然氣的國家，比西方國家早了1700多年，但對甲烷的研究卻始于西方。接下來，就讓我們沿著科學家的探索之路學習甲烷的分子組成與結(jié)構(gòu)。

[播放錄音]（自己搜集資料錄制）發(fā)明電池的意大利物理學家伏打（A.Volta）于1776年在意大利北部的科摩（Como）湖中發(fā)現(xiàn)了甲烷。1790年，英國醫(yī)生奧斯汀發(fā)表甲烷和氫氣的燃燒報告，氫氣燃燒生成水，甲烷燃燒生成什么呢？

[演示實驗]驗純后點燃甲烷氣體，設(shè)計實驗檢驗甲烷燃燒的產(chǎn)物是二氧化碳和水。

[播放錄音]當年奧斯汀醫(yī)生也發(fā)現(xiàn)甲烷燃燒生成了二氧化碳和水，由此他確定甲烷是碳和氫的化合物。那么一個甲烷分子中究竟有幾個碳原子和幾個氫原子呢？1831年德國化學家李比希（J.V.Liebig）提出了用燃燒的方法測定有機化合物中碳和氫的組成。

[問題解決]利用李比希測定有機物成分的裝置和實驗數(shù)據(jù)以及甲烷在標準狀況下的密度，計算甲烷的分子式。

[播放錄音]隨著人們認識越來越深入，德國化學家凱庫勒（FriedrichA·Kekule）提出碳原子四價和碳原子本身可以相互連接的概念。在這些認識的基礎(chǔ)上，布特列洛夫（Butlerov）提出了甲烷的平面結(jié)構(gòu)。但同時，人們越來越多地發(fā)現(xiàn)了某些有機化合物具有旋光異構(gòu)現(xiàn)象。德國化學家威利森努斯（Johannes Wislicenus）也發(fā)現(xiàn)了乳酸具有左旋和右旋兩種現(xiàn)象。這到底是怎么回事呢？

[介紹旋光儀]用圖片展示旋光儀，簡單介紹旋光儀的工作原理，通過乳酸的旋光現(xiàn)象讓學生認識到乳酸具有兩種不同的結(jié)構(gòu)。那么是什么原因?qū)е氯樗峋哂袃煞N不同的結(jié)構(gòu)呢？

[播放錄音]此時，又一位天才化學家出現(xiàn)了，他就是荷蘭物理化學家——范霍夫（Jacobus He nricus Varrt Hoff）。一天，范霍夫坐在烏德勒支大學的圖書館里，認真地閱讀著威利森努斯研究乳酸的一篇論文，他隨手在紙上畫出了乳酸的化學式，當他把視線集中到分子中心的一個碳原子上時，他立即聯(lián)想到，如果將這個碳原子上的不同取代基都換成氫原子的話，那么這個乳酸分子就變成了一個甲烷分子。由此他想象，如果讓甲烷分子中的4個氫原子不與碳原子排列在一個平面上是否可能呢？這時，具有廣博的數(shù)學、物理學等知識的范霍夫突然想起，在自然界中一切都趨向于最小能量的狀態(tài)。這種情況，只有當氫原子均勻地分布在一個碳原子周圍的空間時才能達到。范霍夫猛然領(lǐng)悟，正四面體！當然應該是正四面體！他由此進一步想象出，假如用4個不同的取代基換去碳原子周圍的氫原子，顯然，它們在空間有兩種不同的排列方式，這就解釋了為什么乳酸具有左旋和右旋兩種不同的結(jié)構(gòu)。

[觀察模型]觀察“乳酸”的兩個分子模型（見圖1）是否相同（假設(shè)圖1中的球棍模型代表乳酸的分子模型）？

[改裝模型]取其中一個模型，任意互換兩個“基團”的位置一次，觀察“乳酸”的兩個結(jié)構(gòu)是否相同？（見圖2）再任意互換兩個“基團”的位置一次，觀察乳酸的結(jié)構(gòu)是否相同（見圖1）？

[畫圖]如果乳酸是平面結(jié)構(gòu)，用“C”代表碳原子，用“A、B、D、E”分別代表碳原子周圍的四個不同的基團，請畫出“平面乳酸”一共有多少種不同的結(jié)構(gòu)。

[推理]如果乳酸是四面體結(jié)構(gòu)，它有兩種同分異構(gòu)體；如果乳酸是平面結(jié)構(gòu)，它就有三種同分異構(gòu)體。根據(jù)乳酸的旋光異構(gòu)體只有兩種，從而間接證明甲烷是正四面體結(jié)構(gòu)。

[師]甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)已由近代X-射線和電子衍射得到了證明。甲烷有沒有可能形成平面結(jié)構(gòu)呢？

[播放視頻]實驗室成功合成平面甲烷。

[師]科學是無止境的，需要我們一代又一代熱愛科學的人運用自己的智慧不斷擴展科學知識的邊界。

利用化學史進行教學，并不是簡單的講故事、激發(fā)學生的學習興趣，也不只是讓學生記住一些重要史實，而是讓學生理解每個科學發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了怎樣的過程，不同歷史時代化學家們工作的前后啟發(fā)、相互間的交流與傳承，從而獲得科學方法論的價值以及從學科本原上把握化學核心概念發(fā)展中所蘊含的學科思想觀念[7]。因此，教學過程中應從科學方法論的高度來模擬歷史上的重要實驗、重現(xiàn)科學研究的探究過程、重建科學模型、再現(xiàn)化學知識形成的真實脈絡(luò)，同時也讓學生切身體會了化學家探索未知的熱情、艱辛和勇氣，培養(yǎng)學生良好的科學態(tài)度。

2.用創(chuàng)新實驗揭示現(xiàn)象背后的真實原因

在平時的教學中，我們會發(fā)現(xiàn)有些化學實驗比較難做，特別是有機實驗，耗時長，現(xiàn)象不明顯，條件控制不好，還有明顯的副反應發(fā)生，這對于有限的課堂教學時間來講，做這樣的實驗確實存在一定的“風險”。于是，很多教師都用視頻實驗來代替真實的化學實驗，雖然視頻實驗操作準確（視頻可以剪輯）、現(xiàn)象清晰、綠色環(huán)保，但是只能觀察不能聞嗅，只有正確沒有失誤，缺乏真實的現(xiàn)場感給人帶來的深刻印象，更沒有實驗成敗所帶來的心理體驗[8]。對于耗時長、現(xiàn)象不明顯的實驗，教師應堅定“辦法總比困難多”的信念，設(shè)法創(chuàng)新實驗，大膽嘗試，盡管課堂上可能會失敗，但“失敗的實驗”同樣是真實的，同樣可以作為教學的有用資源加以利用。

甲烷與氯氣在光照條件下的取代反應，如果利用教材中的實驗儀器和裝置（見圖3） [9]，且用節(jié)能燈照射的話（教材中未指明用什么燈光照射），只能看到液面上升以及量筒壁上有油狀物生成這兩個現(xiàn)象，而且實驗需要5-10分鐘，實驗現(xiàn)象也不夠明顯。這些現(xiàn)象對甲烷與氯氣在光照條件下的取代反應本質(zhì)的理解所提供的支撐信息較少。創(chuàng)新實驗的教學片斷如下：

[實驗儀器]鐵架臺（鐵圈）、500mL燒杯（內(nèi)裝400mL飽和食鹽水）、圓底燒瓶、帶橡膠塞的長導管、250W高壓汞燈、自制燈箱。

[實驗操作]（1）按圖4連接好實驗裝置，檢查裝置的氣密性（告知學生課前已完成裝置氣密性的檢驗）。

（2）取下圓底燒瓶，拔掉橡皮塞，用排飽和食鹽水的方法收集4/5燒瓶體積的氯氣，1/5燒瓶體積的甲烷，迅速塞好橡皮塞，置于鐵圈上（氯氣與甲烷都在課前制備好，收集在儲氣瓶中待用）。

（3）調(diào)整高壓汞燈與燒瓶的距離約5cm，接通電源。

[實驗現(xiàn)象]（1）導管中液面慢慢下降，約2分鐘后導管口有氣泡冒出（見圖5）。氣泡冒出的速度先慢后快。

（2）約30秒后，導管內(nèi)液面漸漸上升（見圖6），先慢后快，迅速形成噴泉（見圖7）。燒瓶中的液面上升約1/2體積。

（3）燒瓶內(nèi)壁上有油狀物產(chǎn)生（但現(xiàn)象不夠明顯），將燒瓶中的飽和食鹽水倒入黑色器皿中，液面上漂浮著一層五彩的油狀物（現(xiàn)象明顯），且有一股特殊的氣味。

（4）仔細觀察燒瓶頂部，還有少量黑色物質(zhì)生成。

[師]導管口為什么有氣泡冒出？

[生]甲烷與氯氣反應生成了氣體，可能是HCl氣體（學生課前已預習，知道反應生成了HCl）。

[師]冒氣泡是HCl氣體導致的嗎？常溫下，1體積HCl可溶于多少體積的水？

[生]500體積。哦，HCl溶于水應該會產(chǎn)生倒吸。所以后面的噴泉現(xiàn)象可能是HCl氣體溶于水引起的。

[師]那為什么一開始是先冒氣泡呢？冒氣泡的根本原因是燒瓶內(nèi)的氣體壓強大于大氣壓，為什么燒瓶內(nèi)的壓強一開始會增大呢？

[生]因為光照，氣體受熱膨脹。

[生]也可能是生成了更多新的難溶于水的氣體。

[師]第一種假設(shè)是完全有可能的，但第二種假設(shè)有可能嗎？

[生]不可能，如果是這樣，后面就不可能產(chǎn)生噴泉的現(xiàn)象，而且燒瓶內(nèi)的水進了1/2左右。

[師]冒氣泡僅僅是因為熱脹冷縮引起的嗎？如果只是氣體膨脹，氣泡會冒出那么多且越冒越快嗎？還可能是什么原因呢？

[生]反應放熱。

[師]非常好！這個反應確實是個放熱反應。

[師]剛才同學們其實已經(jīng)分析了形成噴泉的原因：生成了極易溶于水的氣體HCl，你怎么知道是HCl的呢？

[生]反應物是甲烷和氯氣，根據(jù)元素守恒，可知氣體是HCl。

[師]形成噴泉僅僅是生成了極易溶于水的HCl氣體這一個原因嗎？

[生]也有可能生成了液體，使燒瓶內(nèi)壓強減小形成噴泉，這個液體很可能就是燒瓶壁上的油狀液滴。

[師]觀察很仔細！這種油狀物有一種特殊的氣味，它們是一種新的難溶于水的有機物。燒瓶頂部的黑色物質(zhì)是什么？

[生]應該是炭。

[師]沒錯。由于今天的室溫可能比較高，反應中有副產(chǎn)物炭生成。因此，大家也看到了，有機反應是比較復雜的，受條件的影響比較明顯，往往有副反應發(fā)生。這是有機反應的特點之一。

甲烷與氯氣的取代反應本質(zhì)是自由基反應，經(jīng)過鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止三個反應階段。上述反應現(xiàn)象能夠揭示此反應機理：在漫射光的作用下，2分鐘后才開始冒氣泡，然后氣泡越冒越快，持續(xù)30秒后，溶液迅速倒吸產(chǎn)生噴泉，實驗結(jié)束。雖然高中課堂不適宜講這個反應機理，但可以先給學生留下這樣一個深刻的感官印象，有利于其今后進一步學習。而且，本實驗中的一系列現(xiàn)象，很好地揭示了取代反應的放熱現(xiàn)象、反應的產(chǎn)物以及有機反應中伴隨的副反應等本質(zhì)問題。

3.用及時性評價診斷課堂中真實的生成性問題

課堂中的生成性問題最大的特點是具有突發(fā)性和真實性，運用及時性評價可以當場診斷并解決生成性問題，實施“教、學、評”一體化。

課前，要求學生查找資料了解“甲烷在自然界中的存在”，并做成課件，上課時，由學生自己介紹這一部分內(nèi)容。學生講解可燃冰時的教學片斷如下：

[視頻]播放可燃冰試開采成功的新聞報道。

[生1]可燃冰的開采從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，讓無數(shù)國家趨之若鶩，但開采的難度卻讓多數(shù)國家“各回各家，各找各媽”。看到中國連續(xù)產(chǎn)氣22天，并有望在2030年實現(xiàn)可燃冰商業(yè)化運行，歐美等國坐不住了，紛紛主張，中國應體現(xiàn)國際大國的責任，將可燃冰技術(shù)分享，未來在北極地區(qū)和歐美進行聯(lián)合開發(fā)！聽到這些言論，不知大家有何感想？

[討論]學生討論。

[生2]首先我覺得化石能源的發(fā)展在國際競爭中發(fā)揮著重要的作用。我國可燃冰的研發(fā)，以及西歐國家試圖想讓中國公開可燃冰開采技術(shù)的行為，體現(xiàn)了我國在這一領(lǐng)域極為卓越的成就。所以，我國應堅定立場，大力發(fā)展化石能源。身為中學生的我們，要好好學習，爭取為我國的化學事業(yè)的發(fā)展添磚加瓦（熱烈的掌聲）。

[師]感謝邱同學（生1）給我們提供如此豐富的資料，其實從課前同學們交給我的課件來看，很多同學都查找了大量資料，我的課件中有一小部分內(nèi)容借用了你們的資料，所以在這里感謝大家。同時也非常感謝蔣同學（生2）精彩的發(fā)言，我覺得你將來完全可以成為中國外交部發(fā)言人（笑聲）。發(fā)言鏗鏘有力，自信滿滿，風度翩翩（笑聲、掌聲）。更難能可貴的是，同學們不僅僅為咱們中國科技進步感到驕傲與自豪，還不是一味地沾沾自喜，而是認識到作為未來社會接班人，我們所肩負的沉重而又偉大的使命。

讓學生課前查找“甲烷在自然界的存在”是經(jīng)過預設(shè)的，但是學生上課時的發(fā)言及發(fā)言內(nèi)容，對于教師來說卻是動態(tài)生成的。有些生成性的信息是令教師意外，甚至是驚喜的。教師應抓住這一契機，在充分肯定學生的基礎(chǔ)上，強化學生的民族自豪感和使命感，培養(yǎng)學生的“社會責任”核心素養(yǎng)。因此，課堂及時性評價不僅要及時診斷與解決生成性問題，還要注意應有的放矢，增強促進學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展的指導性。

進行“真實的”化學教學才是有意義的課堂教學行為。但對于什么是“真實的化學”，用怎樣的科學方法教“真實的化學”，本研究只是冰山一角。希望有更多的化學教育工作者，在今后的教學理論與實踐研究中，對該命題不斷地追尋與探索以期取得更大成果。

參考文獻

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