整合化學(xué)史料 體驗論證過程

任寧生 王凌靜

摘要：嘗試以水的組成為例，重新組織教學(xué)形式，以化學(xué)史為背景，讓學(xué)生親身體驗水的組成發(fā)現(xiàn)歷程，強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究中的論證過程。以期培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識及邏輯推理能力。

關(guān)鍵詞：水的組成;科學(xué)論證;化學(xué)史

文章編號：1008-0546（2019）02-0061-04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

一、問題提出

當(dāng)今日新月異的社會發(fā)展拓展了人們的生活方式，傳統(tǒng)的教學(xué)已經(jīng)不能滿足學(xué)生適應(yīng)社會的需要。正是基于此，學(xué)科核心素養(yǎng)顯得愈發(fā)重要?；瘜W(xué)作為一門以實驗為基礎(chǔ)的實用科學(xué)，科學(xué)的發(fā)展中無處不彰顯著科學(xué)探究的重要性，許多科學(xué)觀點的提出都是通過科學(xué)探究實現(xiàn)的，探究中體現(xiàn)出的核心素養(yǎng)也是化學(xué)學(xué)科最核心的素養(yǎng)。所以，讓學(xué)生重新體驗科學(xué)家探究過程，感受其中體現(xiàn)的核心素養(yǎng)，對學(xué)生培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)及理解化學(xué)本質(zhì)有著至關(guān)重要的作用[1]。在這其中，根據(jù)實驗現(xiàn)象推理得出結(jié)論的證據(jù)推理和邏輯思維能力是科學(xué)探究中重要思維方法。所以，在化學(xué)史的情境中讓學(xué)生體驗科學(xué)論證過程顯得自然而必要。

“水的組成”是人民教育出版社九年級上冊第四單元課題3的內(nèi)容，該課題的呈現(xiàn)方式是模擬史實的研究過程，科學(xué)家在研究水的組成時，通過科學(xué)探究，得出證據(jù)，從宏觀上證明了水的元素組成，從微觀上證實了水分子的原子構(gòu)成[2]。所以，筆者嘗試以“水的組成”為例，整合化學(xué)史料，在化學(xué)史的背景下，讓學(xué)生重新經(jīng)歷科學(xué)家的探究過程，體驗整個科學(xué)論證的過程。

二、設(shè)計思路

“水的組成”研究過程主要分為兩部分，水的生成和水的分解，水的生成主要從定性角度探究氫氣燃燒實驗，水的分解主要從定量角度探究水通電分解實驗。兩部分皆以化學(xué)史引入，在分析史實的基礎(chǔ)上，親身體驗科學(xué)家的探究過程，最后通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评磉^程得出結(jié)論。兩個環(huán)節(jié)以水分子中原子定量關(guān)系進(jìn)行聯(lián)系，從定性研究引入定量研究。教學(xué)流程如圖1所示。

三、教學(xué)過程

1.環(huán)節(jié)一：氫氣發(fā)現(xiàn)史實分析

【提出問題】自然界中水無處不在，今天我們就來研究一下這個我們非常熟悉的水，在研究之前，其實我們已經(jīng)對水有了一定的認(rèn)識，那我們先回憶一下水是由什么元素組成的？

你的依據(jù)是什么？如何用實驗證明呢？

【學(xué)生活動】思考，交流，回答。

[設(shè)計意圖]通過學(xué)生熟悉的問題引入教學(xué)內(nèi)容，從熟悉的問題過渡到有思維深度的問題，學(xué)生由淺入深形成認(rèn)知困惑，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)史實中尋找答案。

【教學(xué)引入】其實，這個問題在18世紀(jì)的時候，科學(xué)家就進(jìn)行了堅持不懈的研究，今天這節(jié)課，就讓我們進(jìn)入科學(xué)家的世界，再現(xiàn)科學(xué)家對水的組成的研究。

【播放視頻】英國BBC紀(jì)錄片，普利斯特里和卡文迪許氫氣燃燒實驗史實。

【提問1】剛才這段視頻講述了卡文迪許發(fā)現(xiàn)氫氣及他與普利斯特里合作發(fā)現(xiàn)水的組成的歷史，那么請根據(jù)剛才的視頻，思考以下幾個問題，第一個問題，從視頻中你能歸納出氫氣的性質(zhì)嗎？有什么證據(jù)呢？

【學(xué)生活動】討論回答。

【教師總結(jié)】氫氣是無色無味的氣體，視頻中可以用排水法收集氫氣，可以得出氫氣難溶于水，視頻中氫氣球脫手后向上飛出證明相同條件下，氫氣的密度比空氣小。

【提問2】視頻中為何將木條伸人試管后會發(fā)出了尖銳的爆鳴聲？

【資料卡片】可燃性氣體等在空氣中達(dá)到一定的含量時，遇到火源就會發(fā)生爆炸。例如，當(dāng)氫氣含量占總體積的4%～74.2%時就會發(fā)生爆炸。

【學(xué)生活動】思考，回答。

【提問3】試管中氫氣不純時點燃會發(fā)生尖銳爆鳴聲，所以在點燃?xì)錃鈺r一定要檢驗其純度，如何檢驗純度，如果氫氣較純，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

【演示實驗】使用課前準(zhǔn)備的氫氣氣囊，制備一試管的氫氣，點燃觀察現(xiàn)象。

【學(xué)生活動】觀察實驗現(xiàn)象，總結(jié)驗純方法。

【教師總結(jié)】氫氣驗純方法。

【設(shè)計意圖】結(jié)合視頻資源，將氫氣驗純方法引入，省去視頻中出現(xiàn)的氫氣不純時的實驗現(xiàn)象，使用儲氣袋提前收集氫氣，觀察驗純操作注意點及氫氣較純時的實驗現(xiàn)象，節(jié)約時間。

【提問3】通過上述視頻，卡文迪許和普利斯特里如何證明了水的組成？什么證據(jù)能夠證明？

【學(xué)生活動】思考，回答。

【教師總結(jié)】在得出結(jié)論的推理過程中，我們需要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评磉^程，需要有歷史背景下的前提條件，包括科學(xué)定律等。在此前提下，證據(jù)和結(jié)論之間的因果關(guān)系也是必不可少的[3]。所以上述的論證過程可以參考以下模式，顯得邏輯更加清晰。如圖2所示。

【設(shè)計意圖】該環(huán)節(jié)充分利用視頻資源，設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)史料中提取和歸納處理信息，并進(jìn)而通過推理得出結(jié)論，讓學(xué)生體驗科學(xué)論證過程，同時，為接下來的實驗探究做鋪墊。

2.環(huán)節(jié)二：體驗經(jīng)典實驗：氫氣燃燒

【教師講述】既然已經(jīng)知道了科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氫氣、點燃?xì)錃獾氖穼?，今天就讓我們回到那個年代。老師課前收集了一瓶氫氣，現(xiàn)在我們就模仿卡文迪許和普利斯特里的實驗，點燃?xì)錃?，注意觀察實驗現(xiàn)象。

【演示實驗】讓一位學(xué)生上臺協(xié)助，演示氫氣燃燒實驗。

【學(xué)生活動】描述氫氣燃燒實驗現(xiàn)象

【教師總結(jié)】氫氣燃燒發(fā)出淡藍(lán)色火焰，放熱，用燒杯罩在火焰上方，發(fā)現(xiàn)燒杯內(nèi)壁有水霧生成。

【提問1】上述實驗現(xiàn)象如何說明水的組成呢？如何證明？

【學(xué)生活動】討論，回答。

【設(shè)計意圖】學(xué)生自主體驗氫氣燃燒實驗，歸納實驗現(xiàn)象，從實驗現(xiàn)象中得出氫氣燃燒有水生成，從而根據(jù)元素種類不變得出水的元素組成，加深學(xué)生的理解。

【提問2】上述實驗實際上是氫氣在空氣中燃燒，但是空氣中除了氧氣，還有其他氣體，為什么氫氣燃燒是與空氣中氧氣發(fā)生反應(yīng)？而不是其他氣體？如何改進(jìn)呢？

【教師講述】卡文迪許在當(dāng)時意識到了這點，所以他對原先的實驗進(jìn)行了改進(jìn)，將原先的空氣換成了純氧，重復(fù)了之前的實驗，發(fā)現(xiàn)依然有水生成，所以證明了氫氣和氧氣反應(yīng)生成了水。

【設(shè)計意圖】通過對實驗的質(zhì)疑，要求學(xué)生以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待科學(xué)實驗中得出的證據(jù)，并通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评淼贸鼋Y(jié)論。

3.環(huán)節(jié)三：再現(xiàn)化學(xué)史料定量分析水的組成

【提問1】現(xiàn)在知道水不是一種元素，是氫氧元素組成，我們就可以用H和O的式子表示水，那你們知道水該如何表示？

【提問2】H₂O中“2”表示什么意義？從我們剛才得到的結(jié)論能不能確定一個水分子中的氫氧原子個數(shù)？

【設(shè)計意圖】學(xué)生的前概念中已經(jīng)有對水化學(xué)式的認(rèn)識。對學(xué)生已有知識進(jìn)行再思考，引導(dǎo)學(xué)生思考化學(xué)式中數(shù)字的含義，從而引出水構(gòu)成中量的關(guān)系探究。

【播放視頻】當(dāng)我們陷入困境的時候，一般歷史都會給我們答案，我們就繼續(xù)看一段視頻，看看拉瓦錫是如何解決這個問題的（BBC紀(jì)錄片剪輯）。

【講述】在剛才的視頻中，我們知道拉瓦錫運(yùn)用逆向思維，將水進(jìn)行了分解，今天我們也來親身體驗這個過程，現(xiàn)在桌子上有一套實驗儀器，根據(jù)實驗步驟進(jìn)行實驗，記錄實驗現(xiàn)象。

【分組實驗】使用超市9V電池連接導(dǎo)線，導(dǎo)線另一端分別接兩根8B鉛筆芯，伸人盛有水的透明水杯中，觀察現(xiàn)象。

【學(xué)生活動】記錄實驗現(xiàn)象。

【提問1】實驗?zāi)康氖菫榱蓑炞C水分解后的產(chǎn)物及水分子中氫氧原子個數(shù)比，該實驗?zāi)芊褡C明水分解后產(chǎn)物是什么？能否證明水分子中氫氧原子個數(shù)比？

【學(xué)生活動】思考，討論。

【提問2】為了實現(xiàn)實驗?zāi)康模枰占傻臍怏w進(jìn)行檢驗，如何收集生成的氣體？又如何檢驗？

【學(xué)生活動】討論，回答。

【教師總結(jié)】為了研究水分解的產(chǎn)物，需要對該實驗進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)對氣體的收集和檢驗。

【設(shè)計意圖】學(xué)生在趣味實驗中體驗水分解的過程，通過分析實驗?zāi)康?，分析趣味實驗的不足之處并提出改進(jìn)措施，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康脑O(shè)計和改進(jìn)實驗的能力。

【演示實驗】介紹教材第80頁電解器，并進(jìn)行電解水實驗。

【提問1】該水電解器實現(xiàn)了對氣體的收集，仔細(xì)觀察實驗，記錄實驗現(xiàn)象。

【學(xué)生活動】交流，記錄，回答。

【教師總結(jié)】水通電后正負(fù)極現(xiàn)象

【提問2】如何檢驗收集到的生成氣體？會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

【學(xué)生活動】討論、交流。

【教師總結(jié)】使用燃著的木條進(jìn)行檢驗，記錄實驗現(xiàn)象。

【提問3】根據(jù)上述實驗現(xiàn)象，你能得出哪些實驗結(jié)論？嘗試使用之前的推理話語推理得出結(jié)論。

【學(xué)生活動】交流，討論，回答。

【教師總結(jié)】水通電后分解的實驗結(jié)論推理可以表示如圖3所示。

【提問4】該實驗?zāi)芊褡C明水分子中氫氧原子個數(shù)比？如何證明？

【資料卡片】1.阿伏伽德羅定律：在相同的溫度和壓強(qiáng)下，相同體積的任何氣體都含有相同數(shù)目的分子。

2.在化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)前后原子的種類沒有改變，數(shù)目沒有增減，原子的質(zhì)量也沒有改變。

【學(xué)生活動】討論，回答。

【教師總結(jié)】定量測定水分子中的原子個數(shù)比的推理過程如圖4所示。

【探究活動】既然已經(jīng)定量分析出水分子中氫氧原子的個數(shù)關(guān)系，下面運(yùn)用實驗桌上提供的一元硬幣和一角硬幣模擬水分解的過程，其中，一元硬幣代表氧原子，一角硬幣代替氫原子。學(xué)生代表上臺演示。

【學(xué)生活動】探究、討論、演示。

【設(shè)計意圖】首先，該部分從定量角度分析水分子的構(gòu)成，強(qiáng)化推理過程中的證據(jù)意識，同時強(qiáng)調(diào)對實驗現(xiàn)象的觀察與描述。其次，該部分要求學(xué)生從微觀角度認(rèn)識水分解的過程，通過探究活動，以宏觀可見的物質(zhì)代替微觀不可見的原子，加深學(xué)生的宏微觀意識。

【課堂小結(jié)】根據(jù)課堂上體驗水的組成的發(fā)展歷程，學(xué)生自己構(gòu)建水的組成發(fā)展歷程圖，強(qiáng)調(diào)證據(jù)在得出結(jié)論過程中的重要性。

【設(shè)計意圖】回顧整個水的組成探究過程，通過自主構(gòu)建框架，讓學(xué)生理解知識間的內(nèi)部邏輯，將知識內(nèi)化的同時，體驗科學(xué)發(fā)展的過程。

四、教學(xué)反思

有關(guān)“水的組成”的教學(xué)設(shè)計很多，為了更好地落實“化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”，筆者嘗試從論證角度人手，讓學(xué)生在化學(xué)史的背景下，科學(xué)探究的體驗中，經(jīng)歷科學(xué)論證的過程，包括證據(jù)意識及推理過程。相較于傳統(tǒng)的水的組成教學(xué)設(shè)計而言，本文對其的教學(xué)探索首先從宏觀定性和微觀定量兩個角度重新認(rèn)識了水的組成發(fā)現(xiàn)歷程，幫助學(xué)生構(gòu)建起宏微觀間的聯(lián)系，這是化學(xué)學(xué)科中非常重要的思維方法[4]。其次，傳統(tǒng)教學(xué)中往往忽視科學(xué)探究中根據(jù)證據(jù)進(jìn)行推理的能力，傳統(tǒng)的教學(xué)更多地是通過證據(jù)簡單地得出結(jié)論，并沒有強(qiáng)調(diào)如何構(gòu)建知識與結(jié)論之間的聯(lián)系，本教學(xué)設(shè)計則強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究中證據(jù)結(jié)論間的邏輯性，不斷讓學(xué)生通過證據(jù)解釋觀點[5]。最后，嘗試讓學(xué)生在化學(xué)史的情境中親身體驗科學(xué)家的探究過程，可以幫助學(xué)生理解科學(xué)發(fā)展的本質(zhì)特征，身臨其境地體驗科學(xué)的本質(zhì)[6]。

參考文獻(xiàn)

[1]韓竹海.基于證據(jù)意識的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)教學(xué)——以“離子晶體”為例[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2017（10）：16-18

[2]人民教育出版社課程教材研究所.教師教學(xué)用書[M].北京：人民教育出版社，2016：78

[3]任寧生，鄧小麗.科學(xué)論證取向的原子結(jié)構(gòu)教學(xué)設(shè)計[J].化學(xué)教育，2017（17）：16-21

[4]王磊.基于學(xué)生核心素養(yǎng)的化學(xué)學(xué)科能力研究[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2017：2-5

[5]鄧峰，劉小艷，李美貴.化學(xué)核心學(xué)習(xí)能力理論框架研究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2017（12）：1-5

[6]任寧生，鄧小麗.科學(xué)論證視野下的科學(xué)教育教學(xué)設(shè)計模型建構(gòu)[J].北學(xué)教學(xué)，2016（4）：14-18