基于化學(xué)史促進(jìn)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的提升

孫亞茹

摘要：義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）倡導(dǎo)素養(yǎng)為本的教學(xué)，倡導(dǎo)通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，開(kāi)展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)。實(shí)施建議中提到真實(shí)的化學(xué)史實(shí)是極有價(jià)值的情景素材。文章以“定組成定律”和“九年之爭(zhēng)”化學(xué)史實(shí)為線索，沿著科學(xué)家的足跡體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)探究、建立模型、理解模型的過(guò)程，探討基于化學(xué)史，促進(jìn)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)提升的教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：化學(xué)史；證據(jù)推理與模型認(rèn)知；化學(xué)式

文章編號(hào)：1008-0546（2021）11-0020-05中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.005

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

本節(jié)課內(nèi)容屬于《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》一級(jí)主題“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”下的二級(jí)主題“物質(zhì)組成的表示”，承載了物質(zhì)組成的表示—化學(xué)式含義理解、化學(xué)用語(yǔ)技能等化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能；通過(guò)宏觀、微觀、符號(hào)“三重表征”發(fā)展學(xué)生化學(xué)元素觀和微粒觀等基本觀念[1]。北京版教材中本節(jié)課安排在物質(zhì)構(gòu)成的微粒、空氣與氧氣、水的組成、化學(xué)元素之后，為學(xué)生初步理解化學(xué)、認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成的思路和方法奠定了一定基礎(chǔ)。從化學(xué)核心素養(yǎng)角度分析，本課時(shí)教學(xué)是重點(diǎn)發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知的重要載體。從廣義上理解，化學(xué)符號(hào)是一種特殊的模型，化學(xué)式是純凈物組成的抽象化表征，是綜合物質(zhì)、元素、微粒三個(gè)角度揭示物質(zhì)組成和構(gòu)成的概念化表達(dá)[2]。

以往的大部分教學(xué)設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的是化學(xué)式含義的記憶及化學(xué)式書(shū)寫(xiě)的訓(xùn)練，學(xué)生感覺(jué)枯燥乏味，也導(dǎo)致后續(xù)的化學(xué)式計(jì)算只套用公式，并不理解計(jì)算背后所蘊(yùn)含的化學(xué)意義。

二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點(diǎn)

2017年12月《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》頒布后，學(xué)科核心素養(yǎng)成為引領(lǐng)中學(xué)化學(xué)課程改革的新航標(biāo)。以立德樹(shù)人為根本教育目標(biāo)，以發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為具體指導(dǎo)思想的課程改革同樣指導(dǎo)初中化學(xué)課程的實(shí)施[3]?；诖?，本節(jié)課采取如下教學(xué)策略，突出純凈物組成研究的思路、方法和角度，并由此構(gòu)建化學(xué)式符號(hào)模型。創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1.引入科學(xué)家普魯斯特對(duì)于“定組成定律”的發(fā)現(xiàn)過(guò)程[4]，回顧普魯斯特和貝索勒的“九年之爭(zhēng)”化學(xué)史。通過(guò)課前學(xué)生訪談和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)“純凈物是否具有固定組成”并沒(méi)有形成共識(shí)，更沒(méi)有充分的證據(jù)給予論證。而“定組成定律”的研究過(guò)程和結(jié)論對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成具有重要意義和價(jià)值。在重溫科學(xué)研究的歷程中，認(rèn)識(shí)到純凈物有固定的組成，混合物沒(méi)有固定的組成。同時(shí)，了解純凈物組成研究的思路角度和方法，突出定性與定量相結(jié)合、宏觀與微觀相結(jié)合的化學(xué)學(xué)科思維特征。

2.通過(guò)化學(xué)史的情景素材，設(shè)計(jì)相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生跟科學(xué)家一起實(shí)驗(yàn)、思考和爭(zhēng)論，逐漸得出“定組成定律”。講述普魯斯特關(guān)于水的研究、演示加熱分解堿式碳酸銅的實(shí)驗(yàn)和以情景劇的形式重現(xiàn)“九年之爭(zhēng)”的化學(xué)史，充分利用化學(xué)史素材創(chuàng)設(shè)情境，發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

3.通過(guò)展示宏觀物質(zhì)，拼插和繪制微粒示意圖，分析微粒圖示與化學(xué)符號(hào)的關(guān)聯(lián)，引導(dǎo)學(xué)生多角度、多層次理解化學(xué)式的微觀含義，建立宏觀、微觀、符號(hào)三重表征的聯(lián)系。課堂中依據(jù)學(xué)生實(shí)際情況，一步步追問(wèn)，形成有邏輯的問(wèn)題串，澄清學(xué)生對(duì)化學(xué)符號(hào)的相異構(gòu)想，同時(shí)對(duì)于用元素符號(hào)和數(shù)字表示物質(zhì)組成的化學(xué)式含義也有了更深入、豐富的理解。教學(xué)資源及使用價(jià)值見(jiàn)表1。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.學(xué)情分析

通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)于物質(zhì)分類(lèi)和物質(zhì)組成已經(jīng)具有一定的認(rèn)識(shí)，但是具體理解到什么程度還不確定，為此設(shè)計(jì)了如下問(wèn)題，了解學(xué)生對(duì)于物質(zhì)組成和物質(zhì)分類(lèi)的已有認(rèn)知，具體問(wèn)題見(jiàn)表2。調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1。

通過(guò)對(duì)學(xué)生調(diào)研問(wèn)卷的整理分析可看出：對(duì)于純凈物有固定組成的理由：大部分學(xué)生不能從化學(xué)角度理解或描述物質(zhì)組成；小部分學(xué)生有一定思考，但角度比較單一；能從化學(xué)角度描述純凈物組成的以宏觀物質(zhì)種類(lèi)居多，分子構(gòu)成和元素種類(lèi)其次；只有極少數(shù)同學(xué)能從定量角度，即元素含量角度描述。經(jīng)過(guò)與學(xué)生的進(jìn)一步訪談了解到，學(xué)生對(duì)固定組成中的“固定”理解不全面，不到位；不能系統(tǒng)地運(yùn)用宏觀與微觀相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合的學(xué)科特征思維來(lái)思考和解決化學(xué)問(wèn)題，這兩點(diǎn)恰恰是本節(jié)課學(xué)習(xí)的障礙點(diǎn)所在，這兩點(diǎn)的突破，有助于學(xué)生將符號(hào)表征與物質(zhì)的宏觀組成、微觀構(gòu)成建立聯(lián)系，構(gòu)建符號(hào)模型，加深對(duì)化學(xué)式含義的理解，并突破下一課時(shí)化學(xué)式計(jì)算的難點(diǎn)。

2.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)“九年之爭(zhēng)”化學(xué)史實(shí)的體驗(yàn)，認(rèn)同并能通過(guò)相關(guān)證據(jù)說(shuō)明純凈物具有固定的組成，發(fā)展證據(jù)推理、科學(xué)探究、創(chuàng)新意識(shí)等核心素養(yǎng)。

（2）通過(guò)全面、多角度理解和描述水的組成，及解讀化學(xué)式的含義，初步形成宏觀與微觀相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合認(rèn)識(shí)純凈物組成的一般思路和方法，初步形成從元素、微粒角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的化學(xué)基本觀念，發(fā)展宏觀辨識(shí)與微觀探析的核心素養(yǎng)。

（3）通過(guò)構(gòu)建表示純凈物組成的化學(xué)式模型，初步完成從語(yǔ)言文字到化學(xué)符號(hào)的互相轉(zhuǎn)化，感受化學(xué)語(yǔ)言的獨(dú)特魅力，發(fā)展抽象思維能力和模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

（4）通過(guò)書(shū)寫(xiě)純凈物化學(xué)式，初步學(xué)會(huì)應(yīng)用化學(xué)式表示純凈物組成的一般方法和規(guī)則，從簡(jiǎn)單應(yīng)用角度理解化學(xué)式的意義和價(jià)值。

四、教學(xué)流程

基于以上分析，設(shè)計(jì)本節(jié)課的教學(xué)流程，見(jiàn)圖2。

五、教學(xué)實(shí)錄

1.調(diào)研引入，提出問(wèn)題

【展示】展示課前調(diào)研情況。

【教師】純凈物是否具有固定的組成？如何研究純凈物的組成？

2.重溫歷史，建立模型

【教師】通過(guò)電解水實(shí)驗(yàn)，我們得到了哪些關(guān)于水的組成的認(rèn)識(shí)？

【學(xué)生】水由氫元素和氧元素組成。水分子中，氫原子和氧原子的個(gè)數(shù)比為2∶1。

【教師】我們從元素種類(lèi)、原子種類(lèi)和原子個(gè)數(shù)比的角度對(duì)于水的組成進(jìn)行了研究。對(duì)于物質(zhì)組成的研究經(jīng)歷了曲折的過(guò)程。讓我們穿越回到18世紀(jì)，重溫那個(gè)年代發(fā)生的故事。

【學(xué)生】認(rèn)真聆聽(tīng)，回顧研究純凈物的組成的方法，明確研究角度。

【教師】再現(xiàn)化學(xué)史。普魯斯特采集了世界各地的水，除去雜質(zhì)，測(cè)出來(lái)水中的氫元素、氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不變，得到結(jié)論：水，有固定組成，見(jiàn)圖3。此外他又選取了堿式碳酸銅進(jìn)行研究，他研究堿式碳酸銅的思路延續(xù)了水的研究角度，同學(xué)們能猜到他的研究思路嗎？

【學(xué)生】從世界各地取來(lái)堿式碳酸銅，檢測(cè)其中的元素含量是否是一個(gè)定值。

【教師】很好，同學(xué)們已經(jīng)猜到了普魯斯特的研究思路。類(lèi)似于水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣一樣，他也加熱分解堿式碳酸銅，見(jiàn)圖4，最終生成二氧化碳、水和氧化銅三種常見(jiàn)物質(zhì)。那現(xiàn)在根據(jù)產(chǎn)物的種類(lèi)，你能確定堿式碳酸銅的元素組成嗎？

【學(xué)生】二氧化碳由碳、氧元素組成，水由氫、氧元素組成，氧化銅由銅、氧元素組成，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后元素守恒，得出堿式碳酸銅由C、H、O、Cu四種元素組成。

【教師】知道了堿式碳酸銅的元素種類(lèi)。那如何確定堿式碳酸銅中各元素的含量是否是定值呢？展示普魯斯特實(shí)驗(yàn)中得到的三組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

【學(xué)生】不管堿式碳酸銅和氧化銅的質(zhì)量如何變化，氧化銅的百分含量為固定值，堿式碳酸銅分解產(chǎn)物只有氧化銅中含有銅元素，所以堿式碳酸銅中銅元素的含量也是固定的。同理可得堿式碳酸銅中碳元素、氫元素的含量也是固定的，剩下的氧元素的含量也是固定的。

【教師】很好，普魯斯特得出結(jié)論，即堿式碳酸銅有固定組成。此外，又對(duì)很多其他的化合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，最終得到結(jié)論：純凈物具有固定組成。他的觀點(diǎn)一經(jīng)提出就受到另一位化學(xué)家貝索勒的質(zhì)疑，他認(rèn)為純凈物沒(méi)有固定組成。就這樣，兩位科學(xué)家進(jìn)行了九年來(lái)回來(lái)去的爭(zhēng)論，也就是歷史上著名的“九年之爭(zhēng)”。普魯斯特進(jìn)行了更加深入的研究，最終發(fā)現(xiàn)：鐵和氧的化合物有好幾種，在天然的鐵礦石中，常常是這幾種鐵的氧化物的混合物！貝索勒研究的是天然的鐵礦石是混合物，而普魯斯特研究的是純凈物。

【學(xué)生】?jī)擅瑢W(xué)通過(guò)情景劇展示兩位科學(xué)家著名的“九年之爭(zhēng)”，如圖5。

【教師】根據(jù)上述數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖6，能計(jì)算出其中兩種鐵的化合物中原子的個(gè)數(shù)比嗎？

【學(xué)生】計(jì)算兩種氧化物中的原子個(gè)數(shù)比，見(jiàn)圖7。

【教師】有了原子個(gè)數(shù)比，那我們能不能用一種化學(xué)符號(hào)來(lái)表示這兩種鐵的氧化物呢？

【學(xué)生】在學(xué)案中寫(xiě)出了Fe2O3和Fe3O4。

3.建立概念，理解模型

【教師】用元素符號(hào)和數(shù)字表示純凈物固定組成的式子就叫做化學(xué)式?；瘜W(xué)式也蘊(yùn)含著定性與定量、宏觀與微觀豐富的信息。請(qǐng)同學(xué)們以水的化學(xué)式為例，說(shuō)出獲得的信息。

【學(xué)生】表示水這種物質(zhì)。水由氫元素、氧元素組成。可以表示一個(gè)水分子。還可以表示水分子的構(gòu)成，即由2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子構(gòu)成。

【教師】我發(fā)現(xiàn)還有部分同學(xué)給出了這樣的答案：一個(gè)水分子由一個(gè)氫分子和一個(gè)氧原子構(gòu)成。那水分子中到底有沒(méi)有氫分子呢？請(qǐng)同學(xué)們畫(huà)出水分子、氫分子的微粒示意圖。

【學(xué)生】我觀察這兩個(gè)分子，兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成一個(gè)水分子，兩個(gè)氫原子構(gòu)成一個(gè)氫分子，所以水分子中沒(méi)有氫分子。水分子就是構(gòu)成水的最基本的微粒。

【教師】了解了化學(xué)式的含義之后，下面我們來(lái)學(xué)習(xí)化學(xué)式的書(shū)寫(xiě)，總結(jié)書(shū)寫(xiě)化學(xué)式約定俗成的一些規(guī)律，請(qǐng)同學(xué)們?cè)谌蝿?wù)單上寫(xiě)出我們前面接觸過(guò)的物質(zhì)的化學(xué)式。

【學(xué)生】在學(xué)案上寫(xiě)出物質(zhì)對(duì)應(yīng)的化學(xué)式。

【教師】將化學(xué)式按照物質(zhì)類(lèi)別填到相應(yīng)表格內(nèi)，找出化學(xué)式的書(shū)寫(xiě)、讀法規(guī)律。

【學(xué)生】總結(jié)化學(xué)式的書(shū)寫(xiě)、讀法規(guī)律。

4.歸納小結(jié)，總結(jié)提升

【教師】剛才為什么花這么長(zhǎng)時(shí)間來(lái)探討純凈物具有固定組成這一問(wèn)題呢？

【學(xué)生】只有有固定的組成，才能用一個(gè)確定的式子表示。

【教師】這里的固定指的是什么？

【學(xué)生】元素種類(lèi)是固定的，原子種類(lèi)也固定，元素含量固定，原子個(gè)數(shù)比是固定的。

【教師】所以化學(xué)式中元素符號(hào)和數(shù)字不能隨意更改。今天探討的過(guò)程也體現(xiàn)了研究純凈物組成的思路和方法，也就是定性定量相結(jié)合，宏觀微觀相結(jié)合?；瘜W(xué)式這一特定的化學(xué)符號(hào)建立了宏觀與微觀之間的一座橋梁。板書(shū)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖8。

六、教學(xué)反思

1.引用“九年之爭(zhēng)”化學(xué)史，重溫科學(xué)研究之路

本節(jié)課引領(lǐng)學(xué)生“穿越”回到18世紀(jì)末的“九年之爭(zhēng)”，體驗(yàn)通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明純凈物具有固定組成的歷史，由此發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)[5]?；瘜W(xué)史的引入，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使原本枯燥的知識(shí)講授更加生動(dòng)和形象化，有助于學(xué)生對(duì)學(xué)科本體知識(shí)的深入理解。學(xué)生通過(guò)教師呈現(xiàn)的歷史材料，重溫科學(xué)研究之路，與科學(xué)家一同探究與思考，也讓學(xué)生了解了科學(xué)發(fā)展道路的曲折，學(xué)習(xí)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)、謙遜的優(yōu)秀品質(zhì)[6]。

2.通過(guò)證據(jù)推理發(fā)展思維能力，構(gòu)建化學(xué)符號(hào)模型的認(rèn)知體系

本節(jié)課引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)回答“純凈物是否有固定組成？”“如何理解和描述純凈物組成？”“如何用符號(hào)表示純凈物組成？”等一系列問(wèn)題，主動(dòng)建構(gòu)化學(xué)式這一模型；后續(xù)再通過(guò)理解化學(xué)式含義、學(xué)會(huì)書(shū)寫(xiě)化學(xué)式等進(jìn)行模型的解讀和應(yīng)用。運(yùn)用模型來(lái)解決化學(xué)問(wèn)題，進(jìn)一步提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力，也從思維層面集中凸顯了化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思想和方法，更全面地體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的價(jià)值所在[7]。

傅鷹教授有一句名言是“化學(xué)給人以知識(shí)，化學(xué)史給人以智慧”。他高度認(rèn)同化學(xué)史在教育教學(xué)方面的價(jià)值。將證據(jù)推理與模型認(rèn)知融入到化學(xué)教學(xué)中，并內(nèi)化為一種固有學(xué)習(xí)方式，是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑[8]。在今后的教學(xué)中，會(huì)繼續(xù)用化學(xué)史為主線，沿著科學(xué)家研究的足跡，不斷地完善、修正概念，促進(jìn)學(xué)生對(duì)于化學(xué)模型的理解與建立，使學(xué)生真正理解化學(xué)概念的內(nèi)涵及外延。

致謝：衷心感謝北京市基教研中心黃冬芳老師和大興區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校劉春鳳老師的悉心指導(dǎo)！

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012

[2]倪霞.基于證據(jù)推理與模型認(rèn)知視角下的教學(xué)實(shí)踐——以“配合物的形成和應(yīng)用”為例[J].化學(xué)教與學(xué)，2018（7）：19-21

[3]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）[S].北京：人民教育出版社，2018

[4]葉永烈.趣味化學(xué)[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2012

[5]孟獻(xiàn)華，李廣洲.國(guó)內(nèi)化學(xué)史教育研究述評(píng)[J].化學(xué)教育，2011，32（7）：5-8

[6]宗緒濤.基于化學(xué)史教學(xué)落實(shí)立德樹(shù)人目標(biāo)——重溫原子構(gòu)成的發(fā)現(xiàn)之旅[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（7）：23-26

[7]張娟，姜建文.基于化學(xué)史的“元素周期表”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育（中英文），2017，38（17）：75-81

[8]周正祥，楊玉琴.指向“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的教學(xué)設(shè)計(jì)——以“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”為例[J].化學(xué)教育（中英文），2018，39（23）：25-30