基于化學(xué)史教學(xué)發(fā)展初中生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)
——以“水的組成”為例

康永軍，王榮華，劉媛娜

2014年3月，教育部首次提出了要研究制訂學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)體系，把核心素養(yǎng)落實到各學(xué)科教學(xué)中。核心素養(yǎng)的提出必然會帶來學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，基于發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)不僅要關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的知識是什么，更要關(guān)注這些知識從哪里來。如何實現(xiàn)這樣的學(xué)習(xí)？化學(xué)史的教學(xué)為我們實現(xiàn)這樣的學(xué)習(xí)提供了一種可能?；瘜W(xué)史的教學(xué)就是對化學(xué)知識的追根溯源。教學(xué)的重點就是用歷史的觀點來講述化學(xué)原理、概念、理論和思想，改變教學(xué)中過于強(qiáng)調(diào)知識本體和結(jié)論的局面，把知識的學(xué)習(xí)由記憶變?yōu)榘l(fā)現(xiàn)，學(xué)生經(jīng)歷了知識的發(fā)生、發(fā)展過程，也就能滋養(yǎng)學(xué)生的智慧、發(fā)展學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。那么如何實現(xiàn)化學(xué)史教學(xué)發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)的功能呢？基于化學(xué)史教學(xué)發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的實施策略有哪些？下面以人教版上冊第三單元課題2“水的組成”一課為例進(jìn)行說明和分析。

一、“水的組成”的化學(xué)發(fā)展史中蘊(yùn)含的化學(xué)核心素養(yǎng)

（一）初中階段化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵

核心素養(yǎng)是學(xué)生應(yīng)具備的，能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力[1]?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，我國《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，通過中學(xué)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生形成宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新精神、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任五個方面的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[2]?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》也指出義務(wù)教育階段的化學(xué)課程具有基礎(chǔ)性的特征[3]。

結(jié)合初中化學(xué)課程的性質(zhì)以及高中化學(xué)課程中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的界定，考慮到初、高中化學(xué)的知識廣度、難度、深度的不同，因此對于初中化學(xué)核心素養(yǎng)不能照搬照用高中化學(xué)核心素養(yǎng)，可對高中化學(xué)核心素養(yǎng)的各部分內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化和具體化，以適應(yīng)初中化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)性、啟蒙性的課程性質(zhì)。對照高中化學(xué)核心素養(yǎng)，主要有以下幾個方面的細(xì)化和具體化：第一，高中化學(xué)中“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)在初中化學(xué)中主要體現(xiàn)在學(xué)生是否具備“宏觀——微觀——符號”三重表征之間轉(zhuǎn)化能力；第二，高中化學(xué)中“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)在初中化學(xué)中主要表現(xiàn)在學(xué)生是否具備從物質(zhì)變化與守恒思想的視角認(rèn)識世界的能力；第三，高中化學(xué)中“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)在初中化學(xué)中主要表現(xiàn)在學(xué)生是否認(rèn)識到科學(xué)結(jié)論要有證據(jù)的支持以及是否掌握從證據(jù)到結(jié)論的推理方式；第四，高中化學(xué)中“科學(xué)探究與創(chuàng)新精神”素養(yǎng)在初中化學(xué)中主要表現(xiàn)在對科學(xué)探究的理解以及創(chuàng)新與實踐精神的發(fā)展；第五，高中化學(xué)中“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”素養(yǎng)在初中化學(xué)中主要表現(xiàn)在形成良好的科學(xué)品質(zhì)與強(qiáng)烈的社會責(zé)任感。

（二）“水的組成”的研究史

通過對相關(guān)“水的組成”研究的化學(xué)史料分析，可以總結(jié)出主要有以下幾個重要階段：

我國古代的“五行學(xué)說”和古希臘的“四元素說”都認(rèn)為水是一種元素。

1766年，英國科學(xué)家卡文迪許利用金屬鋅和稀硫酸反應(yīng)得到氫氣，發(fā)現(xiàn)在空氣里點燃?xì)錃鈺ǎ虼水?dāng)時氫氣被命名為“可燃空氣”。與此同時，英國科學(xué)家普利斯特里通過研究發(fā)現(xiàn)氫氣的密度只有空氣的普利斯特里在宮廷表演中進(jìn)行了多次的氫氣爆炸試驗后，發(fā)現(xiàn)氫氣燃燒后的產(chǎn)物是水。

1775年，法國化學(xué)家拉瓦錫用定量的方法研究了空氣的成分。通過實驗，拉瓦錫得出了空氣由氧氣和氮氣組成，其中氧氣約占空氣總體積的結(jié)論。

1776年，瑞典化學(xué)家舍勒利用加熱硝酸鉀的反應(yīng)制得純度較高的氧氣。

1781年，英國科學(xué)家卡文迪許在其他化學(xué)家研究的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計了實驗方案，采用比較純凈的氧氣代替原來的空氣，將“可燃空氣”置于純凈的氧氣中點燃，發(fā)現(xiàn)氣體能夠安靜燃燒，發(fā)出淡藍(lán)色火焰。進(jìn)一步實驗后他發(fā)現(xiàn)兩體積“可燃空氣”和一體積氧氣可以恰好完全反應(yīng)，反應(yīng)后生成的物質(zhì)只有水。

1782年，法國化學(xué)家拉瓦錫利用高溫下水蒸氣與鐵的反應(yīng)，制得了一種黑色固體和“可燃空氣”。因此他證明水是由“可燃空氣”和氧結(jié)合形成的化合物，而不是一種元素組成的物質(zhì)。

1787年，拉瓦錫持續(xù)進(jìn)行實驗，通過氫氣與氧氣反應(yīng)合成了水，同時還利用電解水得到了氫氣和氧氣，再次證明了水是由氫元素和氧元素組成的。

1800年，英國科學(xué)家尼克爾森和卡里斯特爾在常溫下利用“伏打電池”給水通電進(jìn)行電解水的實驗，制得氫氣和氧氣，再次證明了拉瓦錫的結(jié)論。

可見，一部“水的組成”的科學(xué)發(fā)展史讓我們看到了數(shù)千年科學(xué)先賢們?yōu)榱藬[脫舊的觀念的困擾以及擴(kuò)大知識的領(lǐng)地所做的艱苦卓絕的工作，仿佛一部英雄史詩，不但可以激起人們的敬仰之情，更能從中吸收無盡的精神營養(yǎng)[4]。

（三）“水的組成”研究史中的核心素養(yǎng)生成點

結(jié)合課標(biāo)、教材、學(xué)生以及對高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)在初中學(xué)段的具體化和細(xì)化，可以提煉出“水的組成”研究發(fā)展史中的素養(yǎng)生成點主要有：

1．通過引入“水的組成”的化學(xué)發(fā)展史，了解人類認(rèn)識“水的組成”的過程，體驗人類探究世界的方法，增強(qiáng)科學(xué)探究的意識，發(fā)展科學(xué)探究精神。

2．通過化學(xué)史中氫氣的燃燒實驗，再到水的電解實驗，模擬歷史上的事件，進(jìn)行氫氣燃燒、水的電解的實驗探究，讓學(xué)生主動體驗探究過程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力和創(chuàng)新意識。

3．通過氫氣燃燒、水的電解、橡皮泥的球型演示水分子、氫原子、氧原子的分解與組合進(jìn)行模型認(rèn)知，直觀感受水的組成，初步感受“觀察現(xiàn)象——收集證據(jù)——得到結(jié)論”的科學(xué)探究方法。

4．通過氫氣燃燒、水的電解、橡皮泥模擬的綜合分析、觀察比較，使學(xué)生的認(rèn)識從理論到實踐、具體到一般，學(xué)會從宏觀到微觀的觀察與分析，形成“宏觀——微觀——符號”三重表征的轉(zhuǎn)化能力。

5．從水的組成和水的電解實驗中，發(fā)展變化的觀念。通過“水的組成”的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生平衡的思想。

二、“水的組成”的主要教學(xué)過程及分析

活動一：化學(xué)史實引出“水的組成”

歷史線索：穿越歷史長河，播放“水的組成”研究發(fā)展史視頻。

問題線索：問題1，水是我們生活中最常見的物質(zhì)，同學(xué)們知道水是由什么元素組成的嗎？水的化學(xué)式如何表示？問題2，從長達(dá)2 400多年的“水的組成”的發(fā)展史中，你體會到了什么？

設(shè)計意圖：學(xué)生在本節(jié)課學(xué)習(xí)之前已經(jīng)知道水是由氫元素和氧元素組成的，并且知道水的化學(xué)式是H2O。因此本節(jié)課的開始以人類認(rèn)識水的組成的簡要史實引入并展開，通過化學(xué)史創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；通過觀看視頻初步感知從客觀世界提取化學(xué)認(rèn)識對象，感知人類探究世界的過程與方法；通過“從長達(dá)2 400多年的“水的組成”的研究發(fā)展史中，你體會到了什么？”這一開放性問題的設(shè)計，讓學(xué)生暢所欲言，教師加以引導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生形成良好的科學(xué)品質(zhì)與強(qiáng)烈的社會責(zé)任感，初步體驗到科學(xué)研究過程不是一帆風(fēng)順的，過程中充滿了曲折，歷盡艱辛，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的欲望，培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)探究中的百折不撓的精神。

活動二：水的生成實驗初探“水的組成”

歷史線索：穿越到1787年，拉瓦錫的氫氣燃燒。播放視頻：拉瓦錫氫氣燃燒實驗史實。

問題線索：問題1，你能歸納出氫氣的性質(zhì)嗎？有什么證據(jù)呢？問題2，為何將木條伸入試管后會發(fā)出了尖銳的爆鳴聲？問題3，不純的氫氣點燃有可能爆炸，因此使用氫氣前一定要驗純，檢驗氫氣的純度的方法是什么？純凈的氫氣燃燒會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

歷史線索：英國科學(xué)家卡文迪許也跟同學(xué)們一樣意識到這樣不能證明水的組成，他將拉瓦錫實驗中用的空氣換成了純凈的氧氣，再次進(jìn)行實驗，生成物還是只有水，從而準(zhǔn)確得到了氫氣和氧氣反應(yīng)生成了水這一結(jié)論。

問題線索：問題4，上述實驗現(xiàn)象說明水是由什么元素組成的？為什么？問題5，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？

設(shè)計意圖：氫氣的性質(zhì)及驗純方法作為本節(jié)課的了解性知識，通過氫氣爆炸的創(chuàng)新實驗，激發(fā)學(xué)生了解氫氣性質(zhì)的興趣，使學(xué)生了解檢驗氫氣純度的方法，了解氫氣的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、總結(jié)能力。通過挖掘化學(xué)史的價值，本節(jié)課的重點定位于“通過對水的組成的探究學(xué)習(xí)提取出一般無機(jī)物組成的研究方法”，因此，在分析氫氣燃燒實驗過程中，重點不是放在實驗現(xiàn)象和結(jié)論，而是不斷提醒學(xué)生，科學(xué)結(jié)論要有證據(jù)的支持，推理過程中還要有明確的依據(jù)。通過驅(qū)動性問題鏈設(shè)計以及師生的對話，引導(dǎo)學(xué)生多次在證據(jù)、依據(jù)和結(jié)論之間尋找聯(lián)系，強(qiáng)化學(xué)生科學(xué)的推理方式，培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力，同時促進(jìn)學(xué)生由被動思維轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃铀季S，通過簡單的案例，讓學(xué)生形成化學(xué)推理的模式，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會觀察實驗現(xiàn)象，并利用現(xiàn)象推結(jié)論，初步感受“觀察現(xiàn)象——收集證據(jù)——得到結(jié)論”的科學(xué)探究方法。

活動三：水的電解實驗再探水的組成

歷史線索：穿越到1800年，英國科學(xué)家尼克爾森和卡里斯特爾在常溫下利用“伏打電池”給水通電進(jìn)行電解水的實驗，制得氫氣和氧氣。

問題線索：問題1，同學(xué)們，我們現(xiàn)在知道水是由氫和氧元素組成的，那么水的化學(xué)式H2O中“2”表示什么意義？通過剛才的實驗?zāi)懿荒艽_定一個水分子中氫原子和氧原子的個數(shù)呢？問題2，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。問題3，如何檢驗收集到的生成氣體？會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

歷史線索：1809年，蓋·呂薩克用兩體積氫氣和一體積氧氣反應(yīng)，得到了兩體積水蒸氣。

問題線索：問題4，根據(jù)上述實驗現(xiàn)象，你能否推斷出水分子中氫氧原子個數(shù)比？依據(jù)是什么？問題5，為什么不能根據(jù)實驗確定水分子中氫原子和氧原子的個數(shù)呢？

設(shè)計意圖：在本節(jié)課學(xué)習(xí)前學(xué)生已經(jīng)非常熟悉水的化學(xué)式了，但對于化學(xué)式中數(shù)字的含義不是非常清楚，借此將水的組成的分析由定性遞進(jìn)至定量，從而引導(dǎo)學(xué)生思考水的微觀構(gòu)成。在這個環(huán)節(jié)，教師繼續(xù)挖掘化學(xué)史素材，引領(lǐng)學(xué)生對物質(zhì)的認(rèn)識從宏觀進(jìn)入微觀的同時，繼續(xù)讓學(xué)生尋找證據(jù)與結(jié)論之間的邏輯關(guān)系。比如在化學(xué)反應(yīng)中微觀粒子的數(shù)量關(guān)系，在宏觀層面是如何體現(xiàn)的。這就需要教師提供幫助，出示資料卡片。通過對宏觀實驗現(xiàn)象的觀察和描述、不斷地尋求證據(jù)、進(jìn)行推理、獲得結(jié)論，強(qiáng)化證據(jù)在推理過程中重要的作用?？茖W(xué)史實和資料卡片作為學(xué)生思維的兩翼，觸發(fā)了學(xué)生思維的飛翔，學(xué)生真正進(jìn)入了深度學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生形成化學(xué)元素觀。

活動四：微觀角度深探“水的組成”

歷史線索：回到快速發(fā)展的當(dāng)代，模擬電解水的微觀世界。

問題線索：問題1，現(xiàn)在，我們通過高科技的設(shè)備，已經(jīng)能夠進(jìn)入水的微觀世界里了，如果你進(jìn)入了水的微觀世界，能想象一下，你看到了什么嗎？

設(shè)計意圖：這個環(huán)節(jié)的活動非常重要，是學(xué)生的學(xué)習(xí)思維方式發(fā)生質(zhì)的飛躍的一步。通過小球模型的設(shè)計，實現(xiàn)學(xué)生從宏觀角度認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)到能夠從微觀角度分析化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)變，同時，也實現(xiàn)化學(xué)符號（化學(xué)式）、小球模型、文字表述這三重表征的統(tǒng)一性認(rèn)識。此任務(wù)設(shè)計成學(xué)生的動手任務(wù)，增強(qiáng)了教與學(xué)的交互性與趣味性，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行宏觀辨識和微觀探析，進(jìn)行證據(jù)推理和模型認(rèn)識。通過學(xué)生觀察分子和原子在化學(xué)變化中的“行為”，促進(jìn)對化學(xué)反應(yīng)微觀過程的理解。

三、“水的組成”化學(xué)史教學(xué)中的思考

以“水的組成”作為基于發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)實踐案例，可以發(fā)現(xiàn)，在以化學(xué)史為載體進(jìn)行發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)教學(xué)中，有以下幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)要注意：

（一）化學(xué)史教學(xué)利于發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

化學(xué)史是化學(xué)產(chǎn)生、形成和發(fā)展及其演變規(guī)律的反映，其包含了化學(xué)知識、科學(xué)研究方法和化學(xué)家的思想演變以及整個追尋真理的漫長過程[5]，是發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要教學(xué)資源。對于“水的組成”一課的設(shè)計，始終定位在“一般無機(jī)物組成的研究方法”的推理過程，以歷史長河中“水的組成”的探索歷程為背景，讓學(xué)生徜徉在各個階段的科學(xué)家的求真過程中，很自然地體驗到科學(xué)探索的過程，從宏觀的定性分析和微觀的定量分析兩個層面深刻體悟“水的組成”探索過程。期間學(xué)生需要證據(jù)推理、實驗探究、交流討論，發(fā)展了學(xué)生各方面的化學(xué)核心素養(yǎng)。

（二）化學(xué)史的價值分析是開展化學(xué)史教學(xué)的前提

學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展是以教學(xué)內(nèi)容為載體，教師要基于學(xué)生現(xiàn)有經(jīng)驗，圍繞化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容?；瘜W(xué)史作為教師教學(xué)設(shè)計的重要資源，其教學(xué)價值主要體現(xiàn)為提升學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣、理解科學(xué)的本質(zhì)和促進(jìn)學(xué)生學(xué)科知識、方法理解等方面[6]?；瘜W(xué)史是一個巨大的知識寶庫，教師應(yīng)當(dāng)合理選擇要使用的化學(xué)史素材，可以從“本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容是什么？蘊(yùn)含了哪些核心素養(yǎng)→本節(jié)課蘊(yùn)含的化學(xué)史素材是什么→化學(xué)史素材中蘊(yùn)含了哪些核心素養(yǎng)？”的思考程序中篩選合適的化學(xué)史素材，在化學(xué)史教學(xué)中將科學(xué)思想、科學(xué)理論、科學(xué)方法的發(fā)展過程進(jìn)行關(guān)鍵性地重現(xiàn)，讓學(xué)生沿著化學(xué)歷史發(fā)展的線索，在邏輯推理與實驗探究的過程中，促進(jìn)對化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提高與發(fā)展。

（三）設(shè)計驅(qū)動性問題鏈?zhǔn)情_展化學(xué)史教學(xué)的關(guān)鍵

學(xué)習(xí)始于問題，學(xué)習(xí)的過程就是解決問題的過程，同樣，學(xué)習(xí)的最終目的是利用所學(xué)的知識解決實際應(yīng)用中的問題。學(xué)習(xí)并不能解決所有問題，但真正的學(xué)習(xí)一定是在解決問題中進(jìn)行的[7]。

教師在教學(xué)過程中利用化學(xué)史素材，需要考慮科學(xué)家提出的科學(xué)問題與現(xiàn)有學(xué)生學(xué)生認(rèn)知水平和知識發(fā)展是否契合，還需要考慮如何將科學(xué)家曾經(jīng)面對的科學(xué)問題轉(zhuǎn)化為促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展和新知識吸收的問題，如果不能契合，那么這一科學(xué)問題就是不能夠在教學(xué)中使用的或者是畫蛇添足的。因此教師在將化學(xué)史中化學(xué)家面臨的科學(xué)問題轉(zhuǎn)化為對學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展有促進(jìn)作用的問題時，就必須要深入了解學(xué)生目前的學(xué)習(xí)能力和發(fā)展趨勢，而且還要熟知化學(xué)史的發(fā)展歷程，二者要結(jié)合起來。

因此，設(shè)計驅(qū)動性問題的基本方法，首先，驅(qū)動性問題一定要與學(xué)生的已有認(rèn)識密切相關(guān)；其次，驅(qū)動性問題一般能夠促使學(xué)生思考以明確自我認(rèn)識，或者揭示學(xué)生的已有認(rèn)識，或者能夠形成認(rèn)知障礙，使學(xué)生對已有認(rèn)識產(chǎn)生疑惑，形成進(jìn)一步探索的欲望；最后，驅(qū)動性問題源于對科學(xué)史實、實驗事實等的說明、解釋、評價等[8]。