利用化學(xué)史教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

陳偉新

化學(xué)史是研究化學(xué)發(fā)生、發(fā)展的歷史，是重要的教育資源，蘊(yùn)含著科學(xué)探究方法、思維方式、理性精神等科學(xué)教育的重要元素，不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與精神，理解科學(xué)的研究過程與方法，而且有助于學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)。“相對原子質(zhì)量”一課，通過化學(xué)史重構(gòu)教學(xué)，使學(xué)生感受到科學(xué)是一個(gè)開放的、不斷發(fā)展的系統(tǒng)[1]。

基于以上理念，筆者根據(jù)浙教版八年級下冊“元素符號表示的量”教學(xué)內(nèi)容，充分挖掘“相對原子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”演變的化學(xué)史，通過從道爾頓“H為1”的標(biāo)準(zhǔn)到以“以12C原子質(zhì)量的十二分之一”為標(biāo)準(zhǔn)來搭建教學(xué)框架，幫助學(xué)生解構(gòu)前概念，在重演化學(xué)史軌跡中，建構(gòu)“相對原子質(zhì)量”新概念?；仡櫋跋鄬?biāo)準(zhǔn)”變換的一連串科學(xué)史實(shí)中，追問學(xué)生“科學(xué)家為什么要選它為標(biāo)準(zhǔn)？如果你是當(dāng)時(shí)開展研究的科學(xué)家，你會怎么思考？真的是最好的標(biāo)準(zhǔn)了嗎？”等問題，通過對質(zhì)、重組、遷移的方法，讓學(xué)生理解“相對原子質(zhì)量”標(biāo)準(zhǔn)的由來，領(lǐng)悟科學(xué)本質(zhì)。

一、體驗(yàn)情境，引發(fā)質(zhì)疑

出示圖片：國際千克原器。設(shè)計(jì)以下問題引發(fā)學(xué)生思考。

問題1：為什么要制造國際千克原器？

問題2：你還知道哪些量的標(biāo)準(zhǔn)？

問題3：原子的質(zhì)量主要集中在哪里？原子質(zhì)量的數(shù)量級為多少？

通過學(xué)生熟悉的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)引入，從引進(jìn)相對量意義著手，讓學(xué)生列舉常見量的標(biāo)準(zhǔn)，體驗(yàn)“標(biāo)準(zhǔn)”是相對的。接著，列出三種原子的氫原子1.6741027千克、碳原子1.9931026千克、氧原子2.6571026千克。讓學(xué)生計(jì)算一個(gè)水分子和一個(gè)二氧化碳分子的質(zhì)量，感知原子有質(zhì)量但數(shù)值很小，體驗(yàn)“千克”這樣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)用到微觀的原子、分子質(zhì)量計(jì)算，勢必引發(fā)質(zhì)疑去尋找新“標(biāo)準(zhǔn)”。

二、再現(xiàn)史實(shí)，建構(gòu)概念

通過上述甲烷分子、水分子質(zhì)量計(jì)算，讓學(xué)生談?wù)勥^程體驗(yàn)，并提供以下問題引發(fā)學(xué)生思考。

問題1：如果你是當(dāng)時(shí)研究的科學(xué)家，你會怎么思考？有辦法讓計(jì)量簡化嗎？

問題2：你會尋找什么作為標(biāo)準(zhǔn)（尺子），去比一比原子的質(zhì)量呢？如何讓大家認(rèn)同你的觀點(diǎn)？

學(xué)生參與討論，以小組為單位交流思想，充分表達(dá)觀點(diǎn)，并闡述相關(guān)理由。

結(jié)合學(xué)生的交流情況，進(jìn)行觀點(diǎn)歸納。從中選擇一個(gè)原子的質(zhì)量作為標(biāo)準(zhǔn)的“砝碼”；選擇氫原子作為標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)闅湓淤|(zhì)量最小。在此基礎(chǔ)上，教師順勢而推，我們來學(xué)習(xí)當(dāng)時(shí)科學(xué)家是怎么思考的。

化學(xué)史實(shí)1：道爾頓“原子質(zhì)量”標(biāo)準(zhǔn)的探索

英國著名的化學(xué)家約翰·道爾頓（John Dalton）創(chuàng)立原子論的一個(gè)主要目標(biāo)，即確定單質(zhì)和化合物中原子的相對重量，但是，由于他沒有考慮到元素化合時(shí)定比的多樣性，所以沒有能測得準(zhǔn)確的原子量[2]。例如，他認(rèn)為，水是由1個(gè)氧原子和1個(gè)氫原子組成的。

展示史實(shí)后，追問學(xué)生以下兩個(gè)問題。

問題1：道爾頓認(rèn)為，水是由1個(gè)氧原子和1個(gè)氫原子組成的。請想一想水的組成是這樣嗎？

問題2：你認(rèn)為道爾頓會選擇那種元素為標(biāo)準(zhǔn)？為什么？

化學(xué)史實(shí)2：道爾頓“原子質(zhì)量”標(biāo)準(zhǔn)的探索

根據(jù)當(dāng)時(shí)拉瓦錫對水的重量分析的結(jié)果?；跉涫亲钶p的原子的假設(shè)，道爾頓首先提出（以氫的原子量為1作為標(biāo)準(zhǔn)），根據(jù)水是由8份氧氣和1份氫氣化合而成，得出氧的原子量是8[3]。

1803年10月，道爾頓第一次公布了6種元素的原子相對質(zhì)量。此后不斷增加元素種類，最終增至37種，并對部分?jǐn)?shù)值做了修正。

針對史實(shí)提出以下問題，促進(jìn)學(xué)生思考。

問題1：道爾頓為什么把氫設(shè)定為1，有科學(xué)依據(jù)嗎？

問題2：把氫設(shè)定為1時(shí)，氧為什么是8呢？

化學(xué)史實(shí)3：道爾頓“原子質(zhì)量”標(biāo)準(zhǔn)的探索

化學(xué)史實(shí)4：在歷史上，不同的化學(xué)家曾經(jīng)采用過不同的相對質(zhì)量“參照系”，瑞典化學(xué)家瓊斯·雅可比·柏采留斯曾經(jīng)用氧的原子量為100作“參照系”。

針對史實(shí)提出以下問題，柏采留斯為什么要選擇“氧”為標(biāo)準(zhǔn)呢？請你根據(jù)以前所學(xué)的知識想一想。學(xué)生可能會回答說：因?yàn)檠踉颖容^普遍。此時(shí)，老師適當(dāng)引導(dǎo)，科學(xué)史實(shí)確實(shí)如此，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在自然界中含氧的化合物很多，含氫元素的化合物很少。

化學(xué)史實(shí)5：1860年，比利時(shí)化學(xué)家斯達(dá)（J.S.Stas）提出“O=16”為基準(zhǔn)，很快得到公認(rèn)并在化學(xué)領(lǐng)域沿用了整整一個(gè)世紀(jì)[4]。

展示史實(shí)后追問學(xué)生，斯達(dá)為什么又提出以“O=16”作為“參照標(biāo)準(zhǔn)”呢？以此擴(kuò)展學(xué)生的思維。

化學(xué)史實(shí)6：伴隨著化學(xué)科學(xué)的不斷發(fā)展和相對原子量數(shù)值精度的不斷提高，特別是1929年美國化學(xué)家吉奧克（W.F.Giauque）等人發(fā)現(xiàn)了17O和18O兩種同位素后，使化學(xué)和物理兩大領(lǐng)域的相對原子質(zhì)量基準(zhǔn)出現(xiàn)了差別[5]。

根據(jù)比較精確的質(zhì)譜測定，自然界中氧三種同位素的豐度，16O占99.759%，17O占0.037%，18O占0.204%?；瘜W(xué)的相對原子質(zhì)量基準(zhǔn)選用的是天然氧，而物理的相對原子質(zhì)量基準(zhǔn)選用的是16O=16[6]。

展示史實(shí)后，引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題。

問題1：什么是同位素？

問題2：根據(jù)材料的介紹，“豐度”表示什么？請描述出你的理解。

問題3：若以物理學(xué)界16O這種同位素原子等于16作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，那么天然氧的平均相對原子質(zhì)量應(yīng)怎樣計(jì)算呢？

化學(xué)史實(shí)7：科學(xué)家們提出了許多建議。曾先后以“4He=4”和以“19F=19”為基準(zhǔn)，但都因各自的不足而被否定了[7]。

化學(xué)史實(shí)8：1957年，美國質(zhì)譜學(xué)家尼爾和化學(xué)家厄蘭得提出以12C=12為基準(zhǔn)的方案。由于12C基準(zhǔn)有利于采用質(zhì)譜法確定核素的相對原子質(zhì)量，這一方案得到德國質(zhì)譜學(xué)家馬陶赫（J.Mattauch）的支持。1959年，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）接受馬陶赫的意見，建議使用12C =12為相對原子質(zhì)量基準(zhǔn)。1960年，國際純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會（IUPAC）接受了這項(xiàng)倡議，于是一個(gè)為世界公認(rèn)的新相對原子質(zhì)量基準(zhǔn)誕生了[8]。

問題1：12C表示的意義？

問題2：想一想，采用12C作為相對原子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，12C原子應(yīng)該符合哪些條件呢？

通過上述兩個(gè)問題，用當(dāng)時(shí)科學(xué)家的觀點(diǎn)，挑戰(zhàn)學(xué)生的思維，促進(jìn)學(xué)生交流、質(zhì)疑和推理，讓學(xué)生調(diào)用所學(xué)知識，用自己的觀點(diǎn)來闡釋問題，通過“證據(jù)—推理”形成自己的見解。有的學(xué)生提出的觀點(diǎn)能擊中問題關(guān)鍵，如碳原子在自然界中比較普遍且穩(wěn)定，便于質(zhì)譜測定。同時(shí)，也促使學(xué)生綜合運(yùn)用前面所學(xué)的尋找“相對原子質(zhì)量”標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)知識，辯證地分析問題，做出有價(jià)值的選擇和決定，領(lǐng)悟科學(xué)與技術(shù)、社會發(fā)展的關(guān)系。在學(xué)生充分表達(dá)之后，再展示采用12C作為相對原子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的史實(shí)，讓學(xué)生體驗(yàn)到成功的樂趣，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探討，在課本上描述時(shí)，為什么要以“12C原子質(zhì)量的十二分之一”而不是以“12C原子質(zhì)量”作為

標(biāo)準(zhǔn)？

經(jīng)查證，12C原子的質(zhì)量為1.9931026千克。要求學(xué)生計(jì)算出12C原子質(zhì)量的十二分之一值，并將計(jì)算結(jié)果與質(zhì)子中子質(zhì)量進(jìn)行對比。

三、體悟本質(zhì)，學(xué)以致用

學(xué)生在查元素周期表、相對原子質(zhì)量表實(shí)踐過程中，體會相對原子質(zhì)量簡潔、規(guī)范、準(zhǔn)確、國際統(tǒng)一的特點(diǎn)。理解元素符號與相對原子質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系，使學(xué)生初步認(rèn)識到符號中包含著量的意義。

【練習(xí)】查找各元素的相對原子質(zhì)量。

（1）從元素周期表（附錄4）中查出下列元素的相對原子質(zhì)量：

Ca ； Al ； Cl ； S 。

（2）從相對原子質(zhì)量表（附錄3）查出下列元素的相對原子質(zhì)量：

Ba ； Na ； S ； Br 。

在學(xué)生查表之后，引導(dǎo)學(xué)生對比附錄4與附錄3。追問學(xué)生，為什么附錄3（相對原子質(zhì)量表）與附錄4（元素周期表）有些雖是同種元素但相對原子質(zhì)量卻有區(qū)別？如硫（附錄3）為32.066，（附錄4）為32.06。讓學(xué)生說說變化的可能原因是什么。

通過追問，讓學(xué)生調(diào)用前面所學(xué)“相對原子質(zhì)量”得出過程的知識來解決問題，發(fā)展學(xué)生思辨能力。在學(xué)生闡述觀點(diǎn)過程中，了解學(xué)生的邏輯推理方式[9]。

科學(xué)總是不斷發(fā)展的?？茖W(xué)知識的生產(chǎn)總是在一定的社會環(huán)境中進(jìn)行，在這一環(huán)境中，科學(xué)生產(chǎn)的目的是與具有不同目的的其他實(shí)踐相互關(guān)聯(lián)的[10]。促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué)，可以通過適當(dāng)歷史事例展示人類探索，并建構(gòu)化學(xué)知識的前因后果。這節(jié)課的教學(xué)問題設(shè)計(jì)，從引進(jìn)相對量的意義入手，將“相對原子質(zhì)量”標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生過程融入化學(xué)史教學(xué)，而不是“冷不丁”地冒出個(gè)“以12C原子質(zhì)量的十二分之一”作為標(biāo)準(zhǔn)。融“史”于課，由“史”引思，以“史”促探，更重要的是揭示探尋“相對原子質(zhì)量”標(biāo)準(zhǔn)的思維過程，通過對標(biāo)準(zhǔn)探索和變更發(fā)展的歷程，突出分析、評價(jià)、推斷、演繹、歸納等批判性思維的訓(xùn)練。學(xué)生沿著科學(xué)家探索“相對原子質(zhì)量”標(biāo)準(zhǔn)的思路，折射出科學(xué)本質(zhì)，這也是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑之一。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012：3.

[2][3]吳國盛.科學(xué)的歷程（第二版）[M].北京：北京大學(xué)出版社，2002：344-345.

[4][5][6][7][8]朱清時(shí).義務(wù)教育教科書科學(xué)教學(xué)參考書.八年級下冊 [M].杭州：浙江教育出版社，2014：68.

[9]安德烈·焦?fàn)柈?dāng).學(xué)習(xí)的本質(zhì)[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2015：60.

[10]查爾默斯.科學(xué)究竟是什么[M].北京：商務(wù)印書館，2007：289.

本文系浙江省學(xué)前及義務(wù)教育段名師工作站2018年度王耀村名師網(wǎng)絡(luò)工作室專項(xiàng)課題“基于科學(xué)名師網(wǎng)絡(luò)工作室的研修活動規(guī)劃與實(shí)施成效研究”的階段性成果。

（作者單位：浙江省麗水市麗水外國語實(shí)驗(yàn)學(xué)校）

責(zé)任編輯：李莎

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