聚焦“證據(jù)推理”的中學(xué)化學(xué)史教學(xué)課例研究

莫宇鋒 孫可平

摘要：“證據(jù)推理”是重要的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。通過化學(xué)史課例教學(xué)，可以讓學(xué)生感受和體驗(yàn)化學(xué)發(fā)展過程中化學(xué)家如何使用證據(jù)進(jìn)行推理以獲得概念或理論的整個(gè)過程，也促進(jìn)學(xué)生更深入地理解化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)。本研究以“原子一分子論”發(fā)展史為探索課例，在理論分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建出有效的課堂教學(xué)模式，且在實(shí)踐中進(jìn)行調(diào)整和修正。探索結(jié)果表明，利用“問題鏈”與學(xué)生自主活動(dòng)相結(jié)合、化學(xué)史故事線索與科學(xué)證據(jù)推理過程相結(jié)合這樣兩條線索，能夠構(gòu)建有效發(fā)展學(xué)生證據(jù)意識(shí)，理解化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的課堂教學(xué)。

關(guān)鍵詞：原子一分子論;化學(xué)史;證據(jù)推理

文章編號(hào)：1008-0546（ 2020）08-0051-05

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.08.015

所謂“證據(jù)推理”是基于科學(xué)證據(jù)的推理過程。它包含了獲取、辨別證據(jù)，基于證據(jù)構(gòu)建觀點(diǎn)或主張，利用更多證據(jù)驗(yàn)證這些觀點(diǎn)或主張，并進(jìn)而得到結(jié)論等多個(gè)環(huán)節(jié)或過程?！白C據(jù)推理”素養(yǎng)是化學(xué)核心素養(yǎng)的重要一環(huán)，2017年頒布的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出“證據(jù)推理素養(yǎng)是培養(yǎng)學(xué)生具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實(shí)或證偽;建立證據(jù)、觀點(diǎn)和結(jié)論之間的邏輯關(guān)系”[1]。在化學(xué)教學(xué)中，“證據(jù)推理”強(qiáng)調(diào)能讓學(xué)生體驗(yàn)如何基于證據(jù)進(jìn)行科學(xué)論證的過程。

通常，化學(xué)教學(xué)中的證據(jù)推理設(shè)計(jì)常常是簡(jiǎn)單的、線性的活動(dòng)，而缺乏辯護(hù)、反駁等復(fù)雜的推理環(huán)節(jié)。如何在教學(xué)中呈現(xiàn)完整真實(shí)的證據(jù)推理過程呢？國(guó)外學(xué)者德伯格（de Berg，K.C.）在其研究中曾指出[2]，體驗(yàn)化學(xué)家如何形成和驗(yàn)證化學(xué)知識(shí)對(duì)于理解化學(xué)本質(zhì)或發(fā)展化學(xué)素養(yǎng)至關(guān)重要。換句話說，通過化學(xué)史的教學(xué)，可以讓學(xué)生體會(huì)到證據(jù)推理的全貌，進(jìn)而發(fā)展核心素養(yǎng)。因此，本文試圖以“原子一分子論”為研究對(duì)象，探討如何構(gòu)建有效的化學(xué)史課堂教學(xué)，以幫助學(xué)生發(fā)展證據(jù)推理意識(shí)及其能力。

一、“原子一分子論”教學(xué)內(nèi)容分析

“原子一分子論”是學(xué)生中學(xué)階段第一次接觸的化學(xué)理論，對(duì)學(xué)生來說很難適應(yīng)現(xiàn)象化學(xué)到理論化學(xué)學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。在學(xué)習(xí)原子和分子概念時(shí)，學(xué)生很容易產(chǎn)生疑惑：為什么有些物質(zhì)由雙原子分子組成，而有些則由單原子直接組成？然而，這些問題無法通過直觀的實(shí)驗(yàn)或數(shù)據(jù)來解決，學(xué)生只能依靠單純的記憶被動(dòng)接受?！霸右环肿诱摗卑l(fā)展史中，科學(xué)家基于證據(jù)提出不同的主張，通過不斷地論證得到理論。學(xué)生可以通過獲取科學(xué)家的證據(jù)和觀點(diǎn)，重演歷史故事，體驗(yàn)推理過程。該過程的學(xué)習(xí)不僅有助于學(xué)生解決微觀領(lǐng)域的問題，還能促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)證據(jù)與理論的關(guān)系，初步理解化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)。

中學(xué)化學(xué)教材中涉及“原子一分子論”的內(nèi)容并不多，缺乏“原子一分子論”發(fā)展的連續(xù)性。初中教材重點(diǎn)介紹了原子和分子的概念，但只提示性地介紹原子論和分子論的背景。而高中教材雖然介紹原子論的論點(diǎn)及其局限性，并簡(jiǎn)單地討論了原子結(jié)構(gòu)的歷史演變，卻未涉及原子論到分子論的發(fā)展過程。有調(diào)查指出[3]，由于教科書及相關(guān)著作對(duì)“原子一分子論”的發(fā)展史表述不夠明確，化學(xué)教師容易忽視或不重視該內(nèi)容的教育。因此，本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)之前教師需要梳理“原子一分子論”的故事線索，篩選適合學(xué)生科學(xué)論證的史實(shí)，重建教學(xué)主題呈現(xiàn)的順序。

“原子一分子論”的發(fā)展充分體現(xiàn)了科學(xué)理論“繼承一創(chuàng)新”的辯證發(fā)展規(guī)律[4]，其中包含真實(shí)的證據(jù)推理過程。首先，道爾頓基于氣象學(xué)研究和定量化學(xué)實(shí)驗(yàn)于1808年提出科學(xué)原子論，主張所有物質(zhì)都由原子組成。同年，蓋·呂薩克提出的氣體反應(yīng)定律本想支持道爾頓的原子論，卻引發(fā)“半個(gè)原子”的矛盾[5]。1811年，阿伏伽德羅基于蓋·呂薩克的實(shí)驗(yàn)并結(jié)合原子論提出分子學(xué)說。新學(xué)說試圖解決矛盾，但遭到科學(xué)界的反駁，尤其與當(dāng)時(shí)貝采里烏斯的電化二元論相悖。直到1860年，坎尼扎羅在第一次國(guó)際化學(xué)會(huì)議上客觀論證了分子學(xué)說，最終確立科學(xué)的“原子一分子論”。是以，該發(fā)展史向我們展示了由科學(xué)證據(jù)到理論的曲折過程，涵蓋完整的證據(jù)推理環(huán)節(jié)，如圖l所示。

二、聚焦“證據(jù)推理”的教學(xué)模式設(shè)計(jì)

“原子一分子論”發(fā)展史的介紹，能提供學(xué)生一個(gè)參與證據(jù)推理過程的很好的機(jī)會(huì)，但發(fā)展史本身無法培養(yǎng)學(xué)生的推理能力。教師如何讓學(xué)生在課堂中體驗(yàn)完整的證據(jù)推理過程呢？在發(fā)展史背景下，學(xué)生需要主動(dòng)參與證據(jù)推理的過程，像科學(xué)家一樣交流合作，共同解決問題、矛盾，從而獲取新知。有研究者指出，教學(xué)中的“問題鏈”能指引學(xué)生的思維定向移動(dòng)，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用[6]。因此，教師可以通過設(shè)計(jì)“問題鏈”來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行證據(jù)推理（見圖2），并通過問題反饋來評(píng)價(jià)學(xué)生的推理過程，從而推動(dòng)學(xué)生思維發(fā)展。

從圖2教學(xué)模式中可以看出，學(xué)生活動(dòng)根據(jù)證據(jù)推理過程可分為自主學(xué)習(xí)、小組交流、反思內(nèi)化三個(gè)環(huán)節(jié)。自主學(xué)習(xí)是學(xué)生能夠在課堂中交流討論的前提，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)獲取證據(jù)、明確科學(xué)家的主張，學(xué)生小組基于證據(jù)圍繞矛盾辯護(hù)、反駁主張，進(jìn)一步結(jié)合證據(jù)討論、接受新主張，最終反思科學(xué)發(fā)展的過程。在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)時(shí)，教師可利用微課和問題單在課前幫助學(xué)生了解科學(xué)家的主要證據(jù)和主張。在課堂教學(xué)中，教師引導(dǎo)、協(xié)助學(xué)生進(jìn)行證據(jù)到主張的推理，為學(xué)生提供有效的合作學(xué)習(xí)環(huán)境。課后，根據(jù)學(xué)生的課堂問題反饋，再布置針對(duì)性的反思作業(yè)。

在設(shè)計(jì)“原子一分子論”教學(xué)時(shí)，進(jìn)一步分析史料可知，原子論和電化二元論均主張相同原子不能互相結(jié)合，而分子論主張單質(zhì)氣態(tài)分子可由兩個(gè)相同原子構(gòu)成，相互矛盾的主張構(gòu)成一個(gè)核心問題即“相同原子能否互相結(jié)合”。這也是學(xué)生學(xué)習(xí)“原子一分子論”時(shí)的主要疑惑，在學(xué)生和當(dāng)時(shí)科學(xué)家均未認(rèn)識(shí)“電子”時(shí)，學(xué)生卻被告知?dú)錃獾幕瘜W(xué)式為“H2”是理所當(dāng)然的?；诖?，利用微課介紹“半個(gè)原子”的矛盾時(shí)，給出兩個(gè)典型反應(yīng)方程，即1體積二氧化碳（C02）與碳（C）反應(yīng)生成2體積一氧化碳（CO）以及1體積氮?dú)猓∟）與1體積氧氣（O）化合生成2體積一氧化氮（NO），揭露出矛盾的焦點(diǎn)在于單質(zhì)氣體的組成，為學(xué)生提供支持阿伏伽德羅或反駁貝采里烏斯的證據(jù)。根據(jù)上述教學(xué)模式并針對(duì)“原子一分子論”發(fā)展史中的核心問題，構(gòu)建課堂教學(xué)，如圖3所示。

三、課堂教學(xué)實(shí)施

本次教學(xué)安排在上海市的一所重點(diǎn)高中，選擇了一個(gè)高一教學(xué)班。教學(xué)班包含39名學(xué)生：20名男生和19名女生。這些學(xué)生在課前已觀看微課并完成問題單，具備在課堂討論問題的條件。基于學(xué)生實(shí)際情況和教學(xué)內(nèi)容分析，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)為：

（1）通過觀看化學(xué)史微課，能辨別、獲取科學(xué)家的證據(jù)和主張，說明證據(jù)到主張的推理過程。

（2）通過小組討論和解決問題，能對(duì)主張進(jìn)行辯護(hù)或反駁，能解釋“相同原子可以結(jié)合”的本質(zhì)原因。

（3）通過對(duì)化學(xué)本質(zhì)問題的討論，認(rèn)識(shí)化學(xué)知識(shí)的曲折發(fā)展，加深對(duì)化學(xué)學(xué)科的理解。

本節(jié)課圍繞核心問題的討論將課堂教學(xué)分為4個(gè)環(huán)節(jié)：“創(chuàng)設(shè)問題情境”“引導(dǎo)問題討論”“解決核心問題”和“反思科學(xué)本質(zhì)”，按圖3教學(xué)模式展開，引導(dǎo)學(xué)生逐步體驗(yàn)證據(jù)推理過程。學(xué)生在課前按科學(xué)家角色分為5組，學(xué)生序號(hào)1-5分別代表道爾頓、蓋·呂薩克、阿伏伽德羅、貝采里烏斯、坎尼扎羅。課堂教學(xué)實(shí)踐如下所述：

【環(huán)節(jié)1】引入背景，創(chuàng)設(shè)問題情境

教師：簡(jiǎn)要回顧“原子一分子論”的發(fā)展過程及科學(xué)家的主張。

教師：（提問）依據(jù)蓋·呂薩克的假說和道爾頓的原子論試寫出“2體積一氧化碳與1體積氧氣反應(yīng)生成2體積-氧化碳”的反應(yīng)方程式。

生1：2CO+O2→2CO2

教師：（反問）原子論主張氧氣由2個(gè)氧原子組成嗎？

生1：但蓋·呂薩克所做的實(shí)驗(yàn)是這樣的。

教師：（追問）他的實(shí)驗(yàn)是怎么說明氧氣由2個(gè)氧原子組成呢？有同學(xué)補(bǔ)充嗎？

生：沉默。

教師：我們先按照原子論的主張書寫一下方程，實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裾f明可后續(xù)討論。

生：2CO+O→2CO2

設(shè)計(jì)意圖：簡(jiǎn)要回顧微課，讓學(xué)生重溫“原子一分子論”發(fā)展的背景。通過一個(gè)氣體反應(yīng)方程，明確道爾頓的主張、蓋·呂薩克的實(shí)驗(yàn)和假說，為后續(xù)學(xué)生推理作鋪墊。

【環(huán)節(jié)2】聚焦證據(jù)，引導(dǎo)問題討論

教師：（提問）上述反應(yīng)方程這樣寫到底對(duì)不對(duì)呢？

生：不對(duì)，反應(yīng)前后的氧原子數(shù)不相同，違背了質(zhì)量守恒定律。

教師：（追問）既然不對(duì)，依據(jù)質(zhì)量守恒定律如何修正呢？剛已有同學(xué)給出了一個(gè)答案，還有其它可能嗎？

生4：氧原子前面的系數(shù)可以是2。

教師：（投影）2CO+O2→2CO2;2CO+2O→2CO2。

教師：（引導(dǎo)反駁）如果系數(shù)是2就不符合蓋·呂薩克的假說了，你有什么證據(jù)反駁他的假說嗎？ 生4：微課里有提到，若假設(shè)成立，則l體積氮?dú)夂蚻體積氧氣反應(yīng)生成2體積一氧化氮會(huì)存在半個(gè)氮原子和半個(gè)氧原子（N+O→2NO），而原子不可分割。

教師：（追問）這里又回到道爾頓的原子論，主張相同原子不能夠結(jié)合，這是否有證據(jù)支持呢？

生4：貝采里烏斯的電化二元論解釋了相同原子帶同種電性，而同性相斥，所以相同原子不能夠結(jié)合。

教師：（引導(dǎo)辯護(hù)）不過，從2個(gè)方程中可以看到，雖然CO和CO2是不同的“原子”，但它們的體積和數(shù)目都是2，是支持假說的。那有沒有更多的證據(jù)來支持蓋·呂薩克的假說呢？

生2：1體積二氧化碳與碳化合生成2體積一氧化碳的反應(yīng)中的體積和“原子”數(shù)目也是相等的。

設(shè)計(jì)意圖：通過討論原子論與氣體反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的矛盾，引導(dǎo)學(xué)生基于各科學(xué)家的證據(jù)辯護(hù)、反駁主張，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，為下一步討論核心問題做準(zhǔn)備。

【環(huán)節(jié)3】明確矛盾，解決核心問題

教師：從列舉的方程可以看到在沒有單質(zhì)氣體參與反應(yīng)時(shí)，假說是完全成立的。而一旦涉及氧氣、氮?dú)鈺r(shí)就會(huì)出現(xiàn)矛盾，所以矛盾的關(guān)鍵點(diǎn)在于……

生：（指出矛盾）是否有單質(zhì)氣體參與、單質(zhì)氣體的組成。

教師：（引導(dǎo)解釋）要能夠解釋蓋·呂薩克的實(shí)驗(yàn)，阿伏伽德羅于是假設(shè)單質(zhì)氣體都是由兩個(gè)相同的原子構(gòu)成的，并把多原子稱為“分子”。請(qǐng)同學(xué)們嘗試用分子的概念修正蓋·呂薩克的假說。

生3：同溫同壓下，相同體積的不同氣體含有相同數(shù)目的分子數(shù)。

教師：（引導(dǎo)討論）很好，后來我們把這叫做阿伏伽德羅定律。但阿伏伽德羅建立的分子論未被科學(xué)家接受，不過也沒有其他理論可以解釋氣體實(shí)驗(yàn)事實(shí)，請(qǐng)同學(xué)們討論下一步如何才能解決這個(gè)矛盾呢？

生4：進(jìn)一步探究?jī)蓚€(gè)相同原子是否可以結(jié)合在一起，原子結(jié)合的機(jī)理。

生5：進(jìn)一步檢驗(yàn)電化二元論的正確性，它的假設(shè)可能是錯(cuò)誤的。

教師：（補(bǔ)充擴(kuò)展）隨著科學(xué)家的不斷發(fā)現(xiàn)，電化二元論由于不能解釋越來越多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)成果而被拋棄。在19世紀(jì)末，湯姆森發(fā)現(xiàn)電子，從而打破了原子不可分割的觀點(diǎn)?？茖W(xué)家逐步揭開原子如何結(jié)合成分子的奧秘，也是我們之后化學(xué)鍵要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

設(shè)計(jì)意圖：在明確矛盾的基礎(chǔ)上，利用分子論重新解釋氣體實(shí)驗(yàn)，促使學(xué)生反思證據(jù)和主張的合理性，再通過小組討論找出矛盾的原因共同解決核心問題，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。

【環(huán)節(jié)4】討論總結(jié)，反思科學(xué)本質(zhì)

教師：本節(jié)課我們通過討論共同解決了“原子一分子論”發(fā)展史中的問題，然而歷史上的討論長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)，請(qǐng)同學(xué)們說說為什么分子論長(zhǎng)期不被接受呢？

生5：道爾頓和貝采里烏斯代表了當(dāng)時(shí)的科學(xué)權(quán)威。

生1：分子論自身缺乏充分實(shí)驗(yàn)證據(jù)來證實(shí)。

教師：（反饋展望）非常好，而且并不是所有的單質(zhì)氣體都是雙原子分子。不過，我們現(xiàn)在所說的分子論，也有可能無法解釋未來新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，從而被新理論替代，需要同學(xué)們?cè)谇叭嘶A(chǔ)上繼續(xù)探索。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生討論科學(xué)本質(zhì)問題，促進(jìn)學(xué)生反思科學(xué)的發(fā)展規(guī)律，理解化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課圍繞“原子一分子論”發(fā)展史中的問題展開討論，有意識(shí)地聯(lián)系化學(xué)史故事線索，通過“問題鏈”引導(dǎo)學(xué)生基于證據(jù)進(jìn)行推理，促進(jìn)學(xué)生在解決問題的過程中體驗(yàn)化學(xué)發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。通過分析學(xué)生課堂表現(xiàn)和課后反饋，反思課堂教學(xué)的有效性，具體如下：

（1）在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)1中，生1最初書寫方程式?jīng)]有運(yùn)用原子論的主張，反映學(xué)生對(duì)分子的概念已根深蒂固。在環(huán)節(jié)2中，生4在問題引導(dǎo)下能充分利用歷史證據(jù)反駁主張，生2能利用微課中的例子辯護(hù)主張，但在參與度上只有個(gè)別學(xué)生能給予反饋，說明只有少部分學(xué)生的思路得到引導(dǎo)。在環(huán)節(jié)3、4中，學(xué)生通過問題的討論能說出科學(xué)理論的局限性和實(shí)驗(yàn)證據(jù)的重要性，說明學(xué)生能初步理解科學(xué)知識(shí)的發(fā)展和客觀性。

（2）在課后反饋中，問到“你會(huì)從哪些方面分析科學(xué)家主張的合理性”，有87.2%的學(xué)生提及通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有51.3%的學(xué)生還能提及已有理論、論證方式、邏輯等方面，有10.3%的學(xué)生用“科學(xué)性”概括，說明學(xué)生能初步理解科學(xué)論證過程但對(duì)主張與理論的區(qū)別比較模糊。問到“你如何認(rèn)識(shí)‘原子一分子論的發(fā)展史”，有64.1%的學(xué)生描述了科學(xué)家在發(fā)展史中的作用，說明學(xué)生初步形成科學(xué)的發(fā)展觀。問到“你覺得化學(xué)史課堂是否有必要”，有94.9%的學(xué)生選擇有必要并表示能從中體驗(yàn)科學(xué)家建立理論的過程，可以更有效地學(xué)習(xí)知識(shí)也滿足好奇心，說明學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)史并不是靜態(tài)的史料而是知識(shí)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程。

綜上分析，本節(jié)課創(chuàng)設(shè)的化學(xué)史情境和“問題鏈”能較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生自主獲取證據(jù)，激發(fā)學(xué)生像科學(xué)家一樣辯護(hù)、反駁主張，初步發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理能力，這在一定程度上表明了課堂教學(xué)模式的有效性。但還有幾個(gè)可以改進(jìn)的地方：（1）為讓學(xué)生先擺脫“分子”概念，教學(xué)開始時(shí)可以利用原子實(shí)物模型表示氣體，或?qū)⑸形磳W(xué)習(xí)“分子”概念的初中學(xué)生作為研究對(duì)象。（2）為促進(jìn)學(xué)生更多地參與討論，在引導(dǎo)學(xué)生解決問題時(shí)可播放相應(yīng)的微課片段，協(xié)調(diào)學(xué)生課前的自主學(xué)習(xí)。（3）從課后反饋來看，學(xué)生在理解化學(xué)本質(zhì)方面參差不齊，教師進(jìn)行小組分配時(shí)需注意個(gè)體差異性。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[2] BergK C D.The Place of the History of Chemistry in theTeaching and Learning of Chemistry[M]∥InternationalHandbook of Research in History， Philosophy and ScienceTeaching.Springer Netherlands， 2014： 317-341

[3]袁振東，杜衛(wèi)民，王曉瑾.原子一分子論發(fā)展史教育中值得注意的問題[J].化學(xué)教學(xué)，2014（2）：75-77

[4]張玉春.“原子一分子論”的創(chuàng)立及其對(duì)我們的啟迪[J]化學(xué)教育，2009（12）：81-84

[5] 張德生，化學(xué)史簡(jiǎn)明教程[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009：69-71

[6]王后雄.“問題鏈”的類型及教學(xué)功能——以化學(xué)教學(xué)為 例[J].教育科學(xué)研究，2010（5）：50-54