基于認(rèn)知邏輯的“歷史重演”教學(xué)法

李文良 許白恩 洪永健

摘要：化學(xué)史作為重要的課程資源融入課堂教學(xué)，需要兼顧歷史發(fā)生過程與學(xué)生的認(rèn)知心理發(fā)生過程之間的協(xié)調(diào)，解決-化學(xué)發(fā)展歷史與教學(xué)情境問題之間的轉(zhuǎn)化，讓問題解決的過程中能真正促進(jìn)學(xué)生能力的不斷提升和認(rèn)知內(nèi)容的逐步深化。以化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系為例，扼要以認(rèn)知邏輯的嚴(yán)格形式，探討了基于“歷史重演”的化學(xué)教學(xué)實(shí)施。

關(guān)鍵詞：化學(xué)史;重演法;化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量關(guān)系

文章編號：1008-0546（2020）01-0072-04 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.020

一、設(shè)計(jì)背景

教育理論研究認(rèn)為，科學(xué)史應(yīng)該成為教師教學(xué)設(shè)計(jì)的重要資源。生物學(xué)中“重演律”：個(gè)體的發(fā)展史，是系統(tǒng)發(fā)展史簡單而迅速的重演。學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的過程和人類研究科學(xué)的過程存在一定的相似性，即學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的過程“重演”著人類研究科學(xué)的過程。本文以化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系為例，扼要以認(rèn)知邏輯的嚴(yán)格形式，重復(fù)化學(xué)發(fā)展的道路，探討基于“歷史重演”的化學(xué)教學(xué)實(shí)施。

二、設(shè)計(jì)理念

“歷史重演法”既要揭示歷史發(fā)生原理的內(nèi)容和特征，更要考慮學(xué)生已有的認(rèn)知水平。為了真正促進(jìn)學(xué)生能力的不斷提升和認(rèn)知內(nèi)容的逐步深化，將人類認(rèn)識“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”的歷史劃成一個(gè)時(shí)間軸，分析時(shí)間軸上學(xué)生已有的認(rèn)知水平，將其巧妙地設(shè)計(jì)到課堂教學(xué)中，具體分析如下：

1.科學(xué)歷史維度的分析

化學(xué)教學(xué)中無法把科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程詳細(xì)且全面展開，教師應(yīng)該對歷史事件中“重要問題的解決過程”重新詮釋編排，避免學(xué)生對質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程認(rèn)識簡單化?；谖镔|(zhì)不滅定律的假設(shè)，1673年波義耳用敞口容器研究金屬汞的燃燒實(shí)驗(yàn)，意外發(fā)現(xiàn)固體的質(zhì)量比原來汞的質(zhì)量增加了。1703年，德國科學(xué)家施塔爾在敞口容器中燃燒木炭，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量減少。1756年，俄國化學(xué)家羅蒙諾索夫?qū)㈠a放在密閉容器中煅燒生成氧化錫，容器的總質(zhì)量不變。由于對空氣成分認(rèn)識的局限性，這一成果并沒有得到承認(rèn)，直到1789年，法國化學(xué)家拉瓦錫通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，基于空氣成分的發(fā)現(xiàn)以普遍命題的形式把質(zhì)量守恒定律清晰地表述出來。1803年，道爾頓提出原子學(xué)說。正是質(zhì)量守恒定律以及定比定律和倍比定律的發(fā)現(xiàn)，原子學(xué)說才得到人們的承認(rèn)。1908年，德國化學(xué)家朗道爾特通過精確度0.001kg的實(shí)驗(yàn)，質(zhì)量守恒定律的正確性才得到承認(rèn)。20世紀(jì)初，愛因斯坦提出質(zhì)能方程，質(zhì)量守恒定律才發(fā)展成理論定律。

2.學(xué)生認(rèn)知維度的分析

當(dāng)前的教材編寫順序，是學(xué)生先有原子、分子概念、化學(xué)變化的微觀本質(zhì)和空氣成分等前認(rèn)知，再學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律，顯然與科學(xué)家在歷史事件順序中的認(rèn)知邏輯關(guān)系是顛倒的。學(xué)生已有守恒思想，學(xué)習(xí)障礙不會停留在“質(zhì)量是否守恒”的邏輯推理上。學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于，一是缺乏從表面現(xiàn)象觀察到微觀實(shí)質(zhì)解釋的化學(xué)思想，很難主動(dòng)應(yīng)用“分子一原子”理論解釋質(zhì)量守恒定律;二是對物質(zhì)反應(yīng)體系分析的缺陷，造成學(xué)生做出錯(cuò)誤的解釋，這與科學(xué)家錯(cuò)誤理論的來源極其相似。錯(cuò)誤觀念緣起學(xué)生對“守恒概念”建構(gòu)中“質(zhì)量指向的迷失”，無法定位守恒的是“參加反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物的總質(zhì)量”，尤其是缺乏關(guān)注參與反應(yīng)或者生成的氣體導(dǎo)致無法完整分析反應(yīng)體系內(nèi)的物質(zhì)，這是學(xué)生學(xué)習(xí)的最大障礙。概念轉(zhuǎn)變的策略是學(xué)生在“重演歷史”過程中對比分析科學(xué)家及課堂的實(shí)驗(yàn)，從中感悟“實(shí)驗(yàn)體系”，把握守恒的“質(zhì)量”，促進(jìn)認(rèn)知能力的發(fā)展。

三、教學(xué)實(shí)施

環(huán)節(jié)1：介紹天平，創(chuàng)設(shè)具體問題情境

【史料】桌面儀器，增加了“天平”——托盤天平和電子天平?；瘜W(xué)家們利用“天平”建立了不少化學(xué)基本定律。拉瓦錫認(rèn)為“必須用天平進(jìn)行精確測定來確定真理”。天平的使用讓化學(xué)研究進(jìn)入了定量時(shí)代，那化學(xué)反應(yīng)中將有怎樣的質(zhì)量關(guān)系？正是這一關(guān)系的發(fā)現(xiàn)，為道爾頓原子學(xué)說的提出打下了基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)意圖：天平的引入，改變學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)研究方法的認(rèn)識，推動(dòng)學(xué)生化學(xué)觀念從“質(zhì)”到“量”的發(fā)展?；瘜W(xué)史料，讓學(xué)生明確分析物質(zhì)變化角度與方法的改變，感受問題的價(jià)值和探究的意義。

環(huán)節(jié)2：模型建構(gòu)，復(fù)習(xí)化學(xué)變化本質(zhì)

【演示】學(xué)生合作用氫原子和氧原子的模型模擬電解水的微觀過程。

【提問】在水電解這一分子拆分和原子組合的變化過程中，什么變了？什么不變？

學(xué)生說出電解水過程中分子的種類變了，原子的種類、個(gè)數(shù)和質(zhì)量不變。

【追問】從質(zhì)量的角度看化學(xué)變化，你能預(yù)測出什么結(jié)論？

學(xué)生基本上回答說化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量不變。

設(shè)計(jì)意圖：重建認(rèn)知順序和方式，引導(dǎo)學(xué)生以“靜”到“動(dòng)”的微觀表征感受化學(xué)研究的多樣化，以“質(zhì)”到“量”的宏觀表征自我構(gòu)建質(zhì)量守恒認(rèn)識的雛形。

環(huán)節(jié)3：實(shí)驗(yàn)探究，感知質(zhì)量守恒定律

【史料】1777年法國科學(xué)家拉瓦錫用定量的方法研究氧化汞的分解，發(fā)現(xiàn)生成的氧氣和汞的質(zhì)量總和，恰好等于氧化汞的質(zhì)量。這是不是巧合？讓我們踏著科學(xué)家的足跡探究化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量的變化關(guān)系。

【問題】要完成氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應(yīng)前后質(zhì)量的測定，需要進(jìn)行幾次稱量？每次稱量的方法有什么不同？

經(jīng)過師生討論，學(xué)生明白本次實(shí)驗(yàn)要采用整體稱量，操作中只需要兩次稱量，且只要保持第一次稱量時(shí)砝碼和游碼不動(dòng)，觀察天平的平衡情況。兩次稱量的不同在于是否反應(yīng)。

【實(shí)驗(yàn)一】學(xué)生分組完成氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應(yīng)前后質(zhì)量的測定，觀察現(xiàn)象，匯報(bào)結(jié)論。

【史料】不僅這個(gè)實(shí)驗(yàn)，拉瓦錫通過大量實(shí)驗(yàn)都得到了反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量相等，并在1789年用清晰的語言把質(zhì)量守恒定律表達(dá)出來。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生準(zhǔn)確把握實(shí)驗(yàn)?zāi)康模斫舛繉?shí)驗(yàn)方法，在設(shè)計(jì)時(shí)使用整體稱量而無需煩瑣的分步稱量。結(jié)合課堂的實(shí)驗(yàn)及化學(xué)史料讓學(xué)生明白定律的得出依賴于嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S習(xí)慣。

環(huán)節(jié)4：數(shù)據(jù)分析，本質(zhì)認(rèn)識質(zhì)量守恒定律

【問題】反應(yīng)前后總質(zhì)量相等的本質(zhì)是什么呢？哪位學(xué)生來分析反應(yīng)前后各稱到了哪些物質(zhì)？

通過共同討論，尤其注意引導(dǎo)學(xué)生觀察沒有參加反應(yīng)的物質(zhì)，分析結(jié)果如圖1所示。

【小結(jié)】學(xué)生利用等量關(guān)系描述質(zhì)量守恒定律的內(nèi)容，并認(rèn)識到等量關(guān)系的本質(zhì)是兩邊物質(zhì)種類不同但質(zhì)量總和相等，即定律的適用范圍。

【問題】根據(jù)質(zhì)量守恒定律，5g冰可以熔化成5 g水，對嗎？

【問題】12 g碳與32 g氧氣完全反應(yīng)生成44 g二氧化碳。那么12g的碳與40 g氧氣反應(yīng)生成多少克二氧化碳？

【問題】245 g氯酸鉀與5g的二氧化錳完全反應(yīng)生成了149 g氯化鉀和多少克的氧氣？

基于問題解決，學(xué)生明白了質(zhì)量守恒定律只適用于化學(xué)變化和“參加反應(yīng)”的重要性。

【史料】①羅馬詩人路克萊修在《物性論》中提出物質(zhì)不滅思想。

②古希臘人們從萬物循環(huán)中體會了物質(zhì)生生不滅的觀念，并認(rèn)為萬物都是由化學(xué)變化中不變的最小的微粒構(gòu)成。

【問題】你能透過化學(xué)反應(yīng)的表象，從反應(yīng)本質(zhì)上認(rèn)識質(zhì)量為什么會守恒嗎？

學(xué)生結(jié)合過去人們的自然觀點(diǎn)，解釋質(zhì)量守恒定"律的本質(zhì)原因。

設(shè)計(jì)意圖：反應(yīng)體系夾雜著各物質(zhì)的質(zhì)量，如何用物質(zhì)的質(zhì)量，是定量的難點(diǎn)。通過引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)據(jù)細(xì)化處理，讓學(xué)生理解“守恒”表象是兩邊物質(zhì)種類不同但質(zhì)量總和相等，本質(zhì)是“物質(zhì)變化”中的等量關(guān)系，認(rèn)識定律的適用范圍;問題鏈的呈現(xiàn)，有利于學(xué)生對關(guān)鍵詞“參加反應(yīng)”的理解;歷史上的科學(xué)抽象思維，用于啟發(fā)學(xué)生思考的方向，促使他們進(jìn)一步認(rèn)識質(zhì)量守恒的原因。

環(huán)節(jié)5：歷史回眸，內(nèi)化質(zhì)量守恒定律

【史料】1673年英國科學(xué)家波義耳將金屬汞放在敞口容器中加熱，一段時(shí)間后，取出固體進(jìn)行稱量，結(jié)果他發(fā)現(xiàn)固體的質(zhì)量比原來汞的質(zhì)量增加了。什么原因?qū)е鹿腆w質(zhì)量增加呢？

對比反應(yīng)前后所稱量的物質(zhì)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)固體質(zhì)量增加的原因是反應(yīng)前沒有稱量參加反應(yīng)氧氣的質(zhì)量。

【史料】1703年德意志化學(xué)家施塔爾在敞口容器中燃燒木炭，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后固體的質(zhì)量減少。質(zhì)量為什么減輕了？

學(xué)生很快說出，原因在于生成的二氧化碳逸散。

【追問】這是不嚴(yán)密的答案，假設(shè)把生成的二氧化碳全部收集起來，其質(zhì)量會等于參加反應(yīng)木炭的質(zhì)量嗎？

學(xué)生容易明白這是不相等的，因此質(zhì)量減少原因是逸散二氧化碳的質(zhì)量大于參加反應(yīng)氧氣的質(zhì)量。

【史料】1756年俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫，他反復(fù)重復(fù)了波義耳的實(shí)驗(yàn)，確實(shí)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后固體質(zhì)量增加了。后來，他改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)：在密閉狀態(tài)完成煅燒金屬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)前后的質(zhì)量總和是相等的。但是羅蒙諾索夫時(shí)代，人們并不知道空氣的成分，他的研究并沒有得到認(rèn)可。直到拉瓦錫發(fā)現(xiàn)空氣的成分，質(zhì)量守恒定律在1789年才真正被清晰地描述出來。

【問題】對比表1的實(shí)驗(yàn)，同樣是敞口容器，為什么實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一樣，有些實(shí)驗(yàn)不遵守質(zhì)量守恒定律嗎？

通過敞口體系不同實(shí)驗(yàn)的對比，學(xué)生體會到“質(zhì)量相等”“質(zhì)量增加”和“質(zhì)量減少”都源于“質(zhì)量守恒”，也正因?yàn)樽袷刭|(zhì)量守恒定律，才會出現(xiàn)“質(zhì)量改變”假象。

設(shè)計(jì)意圖：相同體系不同實(shí)驗(yàn)的對比，以“質(zhì)量改變”的假象，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用定律解決問題的能力，進(jìn)而深入理解定律?；瘜W(xué)史料的引入，讓學(xué)生沉浸于化學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要時(shí)刻、化學(xué)概念不斷進(jìn)步的變遷過程，體驗(yàn)化學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C推理、激烈的思想碰撞和豐富的學(xué)科思維，以批判的眼光感受科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程性和復(fù)雜性。

環(huán)節(jié)6：問題解決，應(yīng)用質(zhì)量守恒定律

【實(shí)驗(yàn)二】學(xué)生分組采用敞口體系完成實(shí)驗(yàn)：大理石與稀鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定，觀察現(xiàn)象，匯報(bào)結(jié)論。

【問題】質(zhì)量為什么變?。?/p>

學(xué)生根據(jù)質(zhì)量守恒定律，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后少稱了生成二氧化碳的質(zhì)量，所以質(zhì)量減少。學(xué)生猜想將產(chǎn)生的二氧化碳全部收集起來和這些物質(zhì)一起稱量，質(zhì)量應(yīng)該是相等。

【問題】如何讓二氧化碳不逸散到空氣中呢？

【實(shí)驗(yàn)三】設(shè)計(jì)思想是形成密閉體系，方法一是教師基于礦泉水瓶采用密閉體系完成實(shí)驗(yàn)：利用電子天平測定大理石與稀鹽酸反應(yīng)前后的質(zhì)量，學(xué)生觀察現(xiàn)象，匯報(bào)結(jié)論。方法二是學(xué)生輕捏塑料瓶感受其中的氣體，再打開瓶蓋，放到電子天平上稱量，觀察現(xiàn)象。

【問題】“嘶”的一聲感受到氣體的逸散，質(zhì)量減少的原因是少稱二氧化碳的質(zhì)量。那你知道產(chǎn)生二氧化碳的質(zhì)量嗎？質(zhì)量不再減輕意味著什么？

學(xué)生容易理解質(zhì)量不再減輕的含義是化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)結(jié)束，產(chǎn)生二氧化碳的質(zhì)量就是反應(yīng)前后的質(zhì)量差。

【問題】觀察表2和表3，你有什么發(fā)現(xiàn)？

通過表2和表3，學(xué)生總結(jié)得出，若用有氣體參與或生成的反應(yīng)來驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律，要采用密閉的實(shí)驗(yàn)體系。

【實(shí)驗(yàn)四】教師采用敞口體系完成實(shí)驗(yàn)：鎂條燃燒前后質(zhì)量的測定

【問題】在稱量反應(yīng)后物質(zhì)的總質(zhì)量之前，學(xué)生預(yù)測反應(yīng)后總質(zhì)量會怎么變化。

【預(yù)測】學(xué)生一：質(zhì)量減少，因?yàn)槿紵a(chǎn)生了白煙逸散到空氣中

學(xué)生二：質(zhì)量增加，因?yàn)榉磻?yīng)前沒有稱到參加反應(yīng)氧氣的質(zhì)量。

【問題】教師稱量反應(yīng)后物質(zhì)的總質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量減少了。剛才的兩種想法其實(shí)都是合理的，為什么最終質(zhì)量會減少呢？

通過分析與討論，學(xué)生認(rèn)為飄走的白煙的質(zhì)量比參加反應(yīng)氧氣的質(zhì)量多，導(dǎo)致質(zhì)量減少。而且實(shí)驗(yàn)還可能存在兩種情況：若飄走的白煙的質(zhì)量比參加反應(yīng)氧氣的質(zhì)量少，質(zhì)量會增大;若飄走的白煙的質(zhì)量等于參加反應(yīng)氧氣的質(zhì)量，質(zhì)量會相等。

【史料】微課視頻回顧人類發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律的漫長過程。其中，“燃素說”雖然是錯(cuò)誤的理論，牽絆了科學(xué)家前進(jìn)的步伐，但是在那個(gè)時(shí)代或多或少包含著某些有價(jià)值的成分;質(zhì)量守恒定律從提出到認(rèn)可經(jīng)歷100多年，依賴于更精密實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展。任何一項(xiàng)科學(xué)研究的發(fā)現(xiàn)，都離不開科學(xué)家辛勤的汗水，科學(xué)是永無止境的，還有更多的謎底，等著揭開。

設(shè)計(jì)意圖：不同體系同一實(shí)驗(yàn)的對比結(jié)果，形成認(rèn)知沖突;問題鏈的設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，強(qiáng)化了定律中“各物質(zhì)”“質(zhì)量總和”等關(guān)鍵詞。選擇礦泉水瓶，因其質(zhì)地可使學(xué)生體驗(yàn)到氣體的存在與質(zhì)量變化的關(guān)系，通過體系從密閉到敞口的對比，既體驗(yàn)“質(zhì)量變化”的實(shí)質(zhì)，又了解化學(xué)計(jì)算中氣體質(zhì)量的測定。鎂條燃燒實(shí)驗(yàn)的處理，采用“POE策略”，即“預(yù)測一觀察一解釋”策略，學(xué)生根據(jù)對質(zhì)量守恒定律的已有認(rèn)識預(yù)測結(jié)論，再以猜想和實(shí)際結(jié)果對比，使對定律的理解、運(yùn)用更上一個(gè)臺階。最后，在充分理解科學(xué)知識的基礎(chǔ)上，形成科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步對人類社會發(fā)展的作用。

四、教學(xué)反思

“歷史重演”主要是基于科學(xué)發(fā)展的過程與學(xué)生學(xué)習(xí)的過程具有一定的相似性，而不是以時(shí)間順序完整地重復(fù)歷史上科學(xué)家們研究的所有過程，這種重演應(yīng)該從認(rèn)識論的高度反映部分必然性的重演，同時(shí)注重學(xué)生已有的認(rèn)知水平。具體到教學(xué)中，教師要從科學(xué)家對問題的現(xiàn)象分析、原理論證和思想觀念等維度提煉出教學(xué)情境問題，在問題解決中充分挖掘研究過程的科學(xué)思維，讓化學(xué)史不僅僅用于勵(lì)志，更應(yīng)著眼于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。