基于HPS教育的化學(xué)教學(xué)設(shè)計

鄭海鵬 梁秋嬋 陳博

摘要：在教學(xué)中將化學(xué)教學(xué)與化學(xué)歷史結(jié)合，可以使教學(xué)不只局限于現(xiàn)成的知識結(jié)論，還可以追溯知識的來源和發(fā)展。在歷史發(fā)展的過程所體現(xiàn)的科學(xué)本質(zhì)思想，有助于提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。文章以人教版九年級化學(xué)“氧氣”課題為例，以氧氣的發(fā)現(xiàn)歷程為教學(xué)主線，運用實驗探究，學(xué)習(xí)氧氣的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和常見用途。

關(guān)鍵詞：HPS教育;化學(xué)史;氧氣教學(xué)設(shè)計;科學(xué)探究

文章編號：1008-0546（2019）02-0057-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

一、引言

HPS是科學(xué)史（History）、科學(xué)哲學(xué)（Philosophy）、科學(xué)教學(xué)（Science Teaching）三者的簡稱。HPS最早源于19世紀末，由物理學(xué)家恩斯特·馬斯（Mach，E）提出，他認為可以用歷史和哲學(xué)的方式教授科學(xué)[1]。

其中H代表科學(xué)史（History），主要是科學(xué)隨著時間、空間、人物、事件的發(fā)展過程。當代科學(xué)課程改革與發(fā)展的一大特點就是將科學(xué)思想觀念的演變過程和典型事例融入科學(xué)教學(xué)之中。通過科學(xué)史的學(xué)習(xí)，體會科學(xué)發(fā)展的動態(tài)過程，有助于學(xué)生把握科學(xué)的本質(zhì)，深入理解科學(xué)與人、社會之間的關(guān)系及科學(xué)的發(fā)展對人的精神的影響[2]。P代表科學(xué)哲學(xué)（Philosophy），著重于從哲學(xué)思辨的角度出發(fā)關(guān)注科學(xué)本質(zhì)是什么，而科學(xué)本質(zhì)的教學(xué)是科學(xué)教育內(nèi)容的重要組成部分，所以將科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)教育相融合，能夠引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的科學(xué)觀，加深對科學(xué)本質(zhì)的理解[3]。S代表科學(xué)教學(xué)（Science Teaching），主要是學(xué)習(xí)科學(xué)的內(nèi)在含義，關(guān)注科學(xué)進展，了解當代科學(xué)技術(shù)最新成果和新的科學(xué)思想，以及科學(xué)與社會、經(jīng)濟和政治之間的聯(lián)系，同時使學(xué)生深刻領(lǐng)悟化學(xué)知識所蘊含的人文價值，從而增強學(xué)生的社會責任感與歷史使命感[4]。

HPS教育充分體現(xiàn)了自然科學(xué)與人文學(xué)科的跨學(xué)科聯(lián)系，不僅僅局限于科學(xué)知識本身的學(xué)習(xí)，還可以反映出人們在確定知識中的思想和方法。將科學(xué)概念放在歷史的坐標系中學(xué)習(xí)，從知識發(fā)生過程中學(xué)習(xí)科學(xué)概念，要比照本宣科更有趣味，也更易理解和掌握[5]，幫助學(xué)生多角度了解科學(xué)的本質(zhì)及其規(guī)律。將鮮活的科學(xué)史與化學(xué)教學(xué)相結(jié)合，理應(yīng)成為教師順應(yīng)國際化學(xué)教育改革趨勢、提升中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑[6]。

筆者于2018年8月中旬查閱中國知網(wǎng)期刊數(shù)據(jù)庫，以“氧氣”和“教學(xué)設(shè)計”為篇名進行文獻檢索，發(fā)現(xiàn)僅有3篇文獻進行了“氧氣”的課例設(shè)計[7][8][9]，但并沒有融入HPS教育。因此，從檢索結(jié)果看，關(guān)于氧氣課例設(shè)計這方面的研究有著豐富的發(fā)展空間和必要性。本文以“氧氣”為例，進行教學(xué)設(shè)計，并融入HPS教育，為我國HPS教育提供參考和借鑒。

二、“氧氣”教學(xué)設(shè)計

1.設(shè)計思路

在人教版化學(xué)九年級上冊第二單元課題2"氧氣”[10]中，設(shè)置了關(guān)于氧氣的化學(xué)性質(zhì)的實驗，但卻沒有設(shè)置關(guān)于氧氣的化學(xué)史知識。在傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計中，教師通常利用課本上呈現(xiàn)的實驗內(nèi)容進行教學(xué)，僅通過實驗了解氧氣的化學(xué)性質(zhì)。筆者通過搜索、整理關(guān)于氧氣的歷史資料，在改進后的教學(xué)設(shè)計中呈現(xiàn)了普里斯特里、舍勒和拉瓦錫這3段關(guān)于氧氣發(fā)現(xiàn)的化學(xué)史資料，并將其作為歷史線索。發(fā)掘這段化學(xué)史資料中最引人入勝、具有關(guān)鍵作用的事件，包括科學(xué)家面臨的難題，運用已有知識解決問題或提出新的科學(xué)理論，以及將科學(xué)發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)化為學(xué)生可以參與研究的問題[11]，一方面補充了相關(guān)的教材內(nèi)容，另一方面為教學(xué)提供了真實的歷史背景，使課堂教學(xué)變得豐富有趣。

教學(xué)流程如圖1所示，首先，普里斯特里的發(fā)現(xiàn)鏈接氧氣的物理性質(zhì)和常見用途、蠟燭燃燒實驗和木條復(fù)燃的實驗，然后通過舍勒的發(fā)現(xiàn)進行氧氣與木炭、硫粉、鐵絲反應(yīng)的演示實驗，最后通過拉瓦錫的發(fā)現(xiàn)回顧、總結(jié)整節(jié)課的學(xué)習(xí)。本教學(xué)設(shè)計從歷史事件與“氧氣”這一課題知識的關(guān)聯(lián)點出發(fā)，通過重現(xiàn)歷史事件中關(guān)于氧氣的實驗和設(shè)計探究實驗，讓學(xué)生了解氧氣的歷史發(fā)展的過程，從中學(xué)習(xí)氧氣的性質(zhì)和用途，體會勇于質(zhì)疑的科學(xué)精神，初探科學(xué)的本質(zhì)。

2.教學(xué)目標

（1）知識與技能

①認識氧氣的物理性質(zhì)和常見用途;

②觀察和描述木炭、硫粉、鐵絲等在氧氣中燃燒的現(xiàn)象，從中歸納出氧氣的化學(xué)性質(zhì)以及掌握化合反應(yīng)的定義;

③了解氧氣與人類關(guān)系密切。

（2）過程與方法

①通過探究蠟燭在氧氣和空氣中燃燒的現(xiàn)象，體驗科學(xué)探究的過程;

②通過活動和探究，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和歸納的能力。

（3）情感態(tài)度與價值觀

①通過化學(xué)史的發(fā)展體會敢于質(zhì)疑的科學(xué)態(tài)度;

②認識科學(xué)發(fā)展的過程是一個不斷完善的過程。

3.教學(xué)過程

（1）新課引入

在我們身邊的各行各業(yè)中都需要使用氧氣，例如金屬的高溫切割、登山氧氣瓶和醫(yī)用氧氣面罩（圖片展示），說明氧氣與我們生活生產(chǎn)的關(guān)系非常密切。

氧氣在我們的生活生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，無處不在，缺它不可，既然氧氣對人類至關(guān)重要，那么它是怎么被人類發(fā)現(xiàn)的呢？接下來，我將帶領(lǐng)大家一起重溫氧氣的發(fā)現(xiàn)之路。

【設(shè)計意圖】對于圖片所展示的內(nèi)容，學(xué)生往往再熟悉不過，突出氧氣對人類社會活動的重要性，由生活問題轉(zhuǎn)向化學(xué)學(xué)習(xí)，符合建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)方式。

（2）發(fā)現(xiàn)之路第一站：普里斯特里

【歷史事件】《氧氣的滋味，普里斯特里和老鼠都知道》：我叫普里斯特里，來自英國，是一個化學(xué)家，在1773年的時候，我用透鏡聚焦太陽光加熱氧化汞（Hg0）時，得到一種無色氣體。我將兩只小老鼠放進充滿這種氣體的玻璃罩里，發(fā)現(xiàn)老鼠存活的時間要比在等體積的空氣中長3-4倍，我還親自嘗試吸了一口這種氣體，發(fā)現(xiàn)沒有氣味，但能使身心覺得十分輕松愉快。

【提出問題】普里斯特里所發(fā)現(xiàn)的氣體就是氧氣，正如我手中這瓶制取好的氧氣，我們可以得到關(guān)于氧氣的哪些信息？

【講述】氧氣的物理性質(zhì)：在標準狀況下，氧氣的密度為1.429g/L，比空氣的密度（1.293gAL）略大，不易溶于水。在室溫下，1L水能溶解約30mL氧氣。在壓強為101kPa時，氧氣在-183℃變?yōu)榈{色液體，在-218℃變?yōu)榈{色雪花狀固體。

【歷史事件】隨后，我發(fā)現(xiàn)這種氣體能使蠟燭的燃燒更劇烈。當時，我對“燃素說”也有很深的了解（即：可以燃燒的物質(zhì)=灰燼+燃素），我知道蠟燭燃燒會產(chǎn)生燃素，空氣中含有的燃素多了就會使蠟燭熄滅，而且空氣中原來就含有較多的燃素。而這種氣體能使蠟燭發(fā)出更明亮的光，有可能是因為這種氣體的燃素含量極少甚至是沒有[12]，所以我把該氣體命名為“脫燃素空氣”。

【提問】根據(jù)普里斯特里的描述，如何驗證氧氣能使蠟燭的燃燒更劇烈？

【設(shè)計并完成實驗】請一位學(xué)生點燃兩根大小粗細均相當?shù)南灎T，但其中一根蠟燭系有一根堅固的硬鐵絲，兩根蠟燭點燃后，我迅速把系有硬鐵絲的蠟燭伸人盛滿氧氣的集氣瓶中。

【實驗現(xiàn)象】在集氣瓶中的蠟燭燃燒得比在空氣中劇烈。

【追問】既然氧氣能使燃燒更劇烈，能否使帶火星的木條復(fù)燃？

【演示實驗】將帶有火星的小木條伸進裝有氧氣的集氣瓶內(nèi)。

【實驗現(xiàn)象】小木條復(fù)燃。

【得出結(jié)論】氧氣支持燃燒，同時這是檢驗氧氣的方法。

【講述】普里斯特里觀察到了氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象，卻不知道這是氧氣，局限于當時的“燃素說”理論，沒能真正地發(fā)現(xiàn)氧氣，但是人類對于氧氣的發(fā)現(xiàn)不會止步于普里斯特里的發(fā)現(xiàn)。

【設(shè)計意圖】通過普利斯特里的發(fā)現(xiàn)，學(xué)生能依據(jù)歷史資料以及現(xiàn)場展示總結(jié)出氧氣的部分物理性質(zhì)以及常見用途。學(xué)生還處于化學(xué)學(xué)習(xí)的初始階段，讓學(xué)生設(shè)計一個簡單的對比實驗驗證氧氣的助燃性，不僅可以提升學(xué)生的興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于對比實驗的動手設(shè)計能力和思維。同時，助燃性這一知識點銜接著下一站的歷史事件。

（3）發(fā)現(xiàn)之路第二站：舍勒

【歷史事件】我是舍勒，來自瑞典，我熱愛化學(xué)研究。1774年，我把硝石（硝酸鉀KNO₃）放進曲頸甑中加熱，得到了一種無色氣體，這是一種能夠維持生命活動的氣體。我把這種氣體收集起來，把紅熱的木炭放進去，木炭一下子就燒起來了，比在普通空氣中燃燒得更亮。接著，我把氫氣、蠟燭和硫磺都嘗試過一遍，發(fā)現(xiàn)該氣體能使燃燒更加旺盛，發(fā)出更為明亮的光，我把該氣體命名為“火空氣”。根據(jù)我對“燃素說”的了解，我知道物質(zhì)燃燒會釋放燃素，而“火空氣”能使木炭燃燒，還能發(fā)出更亮的光，有可能因為燃素與“火空氣”結(jié)合，形成了更明亮的火焰。

【演示實驗】從上述事件中可以發(fā)現(xiàn)氧氣參與了反應(yīng)，現(xiàn)在我們重現(xiàn)舍勒的實驗。

【實驗現(xiàn)象】木炭在空氣中燃燒的現(xiàn)象為表面發(fā)紅，放出熱量;在氧氣中劇烈燃燒，發(fā)出白光，放出熱量。

【得出結(jié)論】碳+氧氣直燮卜二氧化碳

【追問】若把木炭換成硫和鐵，會有什么現(xiàn)象？

【演示實驗】

實驗1（播放視頻）：取少量硫粉于燃燒匙中，用酒精燈在空氣中點燃后伸入盛有氧氣的集氣瓶中。

實驗2（現(xiàn)場演示）：將一條細鐵絲繞成螺旋狀，一端系上一根火柴，點燃火柴，待火柴臨近燒完時，迅速伸人盛有氧氣的集氣瓶里。

【實驗現(xiàn)象】

實驗1：在空氣中燃燒發(fā)出微弱淡藍色火焰;在氧氣中燃燒發(fā)出藍紫色火焰，放出熱量，均生成有刺激性氣味的氣體。

實驗2：在氧氣中劇烈燃燒，火星四射，生成黑色固體。

【得出結(jié)論】四氧化三鐵。

【解釋并總結(jié)規(guī)律】進一步證實，氧氣具有助燃性，支持燃燒，能使燃燒更為劇烈。由于氧氣濃度不同，導(dǎo)致現(xiàn)象不一樣。以上反應(yīng)都是兩種物質(zhì)反應(yīng)生成另一種物質(zhì)的反應(yīng)，因此，這類反應(yīng)為化合反應(yīng)。同時，我們可以發(fā)現(xiàn)以上的反應(yīng)都是物質(zhì)與氧發(fā)生的反應(yīng)，這一類反應(yīng)屬于氧化反應(yīng)。

【講述】與普里斯特里一樣，舍勒也發(fā)現(xiàn)了氧氣，而且他還進一步研究了氧氣的化學(xué)性質(zhì)，大家已經(jīng)開始意識到可能發(fā)現(xiàn)了一種新的物質(zhì)，但當時權(quán)威的“燃素說”認為物質(zhì)燃燒是釋放燃素，同時發(fā)光發(fā)熱的過程，便再一次錯過了氧氣的發(fā)現(xiàn)，而推翻陳舊的“燃素說”的任務(wù)，便落在了拉瓦錫身上。

【設(shè)計意圖】第二站的事件內(nèi)容，承接著上一站中氧氣的助燃性。演示實驗的順序相對于課本有所調(diào)整，由于歷史資料中舍勒進行了氧氣與木炭的反應(yīng)實驗，首先在課堂上重現(xiàn)該實驗，再進行氧氣與硫粉、鐵絲的反應(yīng)，從中學(xué)習(xí)氧氣的化學(xué)性質(zhì)，進一步掌握氧氣的助燃性。同時，通過普利斯特里和舍勒的故事讓學(xué)生明白科學(xué)家不是圣人，他們并不是總能發(fā)現(xiàn)真理，在科學(xué)研究時也會受到已有錯誤理論的影響和束縛。

（4）發(fā)現(xiàn)之路第三站：拉瓦錫

【歷史事件】我叫拉瓦錫，是一個法國化學(xué)家。我發(fā)現(xiàn)金屬在燃燒中會增重，是因為結(jié)合了空氣中的某種成份，究竟是什么成份，我不能確定。在1774年，普里斯特里和舍勒先后向我介紹了他們得到“脫燃素空氣”和“火空氣”的過程。我靈光一閃，在第二年，我將水銀（汞Hg）放在曲頸甑中連續(xù)加熱12天，反應(yīng)結(jié)束后，我發(fā)現(xiàn)容器里空氣的體積減少了大約1/5，水銀表面出現(xiàn)了紅色粉末（氧化汞HgO），重量增加，我再把紅色粉末放在另外一個容器里加熱，發(fā)現(xiàn)得到了一種氣體（氧氣）和水銀，得到的水銀與曲頸顫中剩下的水銀加起來的質(zhì)量剛好等于原來水銀的質(zhì)量，氣體體積也剛好等于容器中減少的體積。我把得到的氣體加入前一個容器里剩下的4/5的氣體中，發(fā)現(xiàn)混合氣體與空氣的性質(zhì)一致。我本來對“燃素說”是深信不疑的，但是后來發(fā)現(xiàn)它無法解釋金屬在燃燒后為何增重，我開始產(chǎn)生懷疑，我認為這種氣體是一種新的物質(zhì)，存在于我們身邊的空氣中，金屬的燃燒是金屬與這種氣體化合的過程，而不是釋放燃素的過程，因此反應(yīng)后質(zhì)量增加，我否定了“燃素說”。在1777年的時候，我正式把這種氣體命名為“氧”（Oxygen），含義是酸的元素。

【回顧知識】這節(jié)課了解了氧氣的發(fā)現(xiàn)過程，同時學(xué)習(xí)了氧氣的性質(zhì)，請同學(xué)總結(jié)氧氣的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。

【總結(jié)】至此，人類最終發(fā)現(xiàn)了一種新元素——氧。氧氣的發(fā)現(xiàn)，是化學(xué)史上一個重要的里程碑，徹底糾正了包括“燃素說”在內(nèi)的許多錯誤理論，建立了新的“燃燒學(xué)說”，這為后續(xù)的化學(xué)科學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。氧氣的發(fā)現(xiàn)不是一帆風順的，而是一個曲折的過程，普里斯特里和舍勒都受到了“燃素說”的束縛，只有拉瓦錫敢于沖破“燃素說”的思想牢籠，解釋了燃燒和氧的本質(zhì)，所以他才成為化學(xué)發(fā)展史上真正發(fā)現(xiàn)氧氣的人。拉瓦錫勇于質(zhì)疑的可貴品質(zhì)，成為了發(fā)現(xiàn)氧氣的關(guān)鍵所在，這才是科學(xué)的本質(zhì)思想。

【作業(yè)布置】根據(jù)今天所了解到關(guān)于氧氣的發(fā)現(xiàn)的化學(xué)史實，把普里斯特里、舍勒和拉瓦錫三人的研究成果聯(lián)系起來，寫一篇關(guān)于氧氣發(fā)現(xiàn)過程的感想，談?wù)勛约簩瘜W(xué)史的學(xué)習(xí)和科學(xué)本質(zhì)思想的感受，在下次的課上分享自己的感想，并且預(yù)習(xí)“氧氣的制取”，收集有關(guān)氧氣制取的化學(xué)史資料，在下一節(jié)課中展示。

【設(shè)計意圖】拉瓦錫發(fā)現(xiàn)氧氣的實驗不僅僅是發(fā)現(xiàn)了氧氣，也是在課題1“空氣”中研究空氣成分的實驗，能夠有效結(jié)合學(xué)生已學(xué)習(xí)的知識。這三段歷史事件不僅是氧氣發(fā)現(xiàn)史，也提及了關(guān)于燃燒現(xiàn)象本質(zhì)揭示的部分發(fā)展過程，為第七單元課題1“燃燒與滅火”的學(xué)習(xí)提供知識基礎(chǔ)。通過拉瓦錫的發(fā)現(xiàn)，學(xué)生可以了解到拉瓦錫在前人的成果基礎(chǔ)上，進一步思考、提出新的觀點，同時讓學(xué)生回顧之前的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并且由學(xué)生總結(jié)，杭理歷史發(fā)展路線。教師總結(jié)氧氣發(fā)現(xiàn)史的哲學(xué)道理，讓學(xué)生初步體會科學(xué)探究的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的思維，體會科學(xué)精神的本質(zhì)。作業(yè)布置的目的在于讓學(xué)生進一步理解和掌握本節(jié)課的內(nèi)容，緊扣和深化本節(jié)課的HPS主題，加深學(xué)生對化學(xué)史和科學(xué)本質(zhì)的理解，以第一人稱的身份分享知識的學(xué)習(xí)方式是最高效率的學(xué)習(xí)方式。預(yù)習(xí)任務(wù)在于讓學(xué)生感受到化學(xué)史的豐富，由于舍勒的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)涉及了制取氧氣的方法，不僅可以承接下一節(jié)課的學(xué)習(xí)，還可以讓學(xué)生從同一化學(xué)史中學(xué)習(xí)不同的知識。

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