在教學(xué)中融入不同類型化學(xué)史的思考與實踐

唐雪萍

摘要：筆者將化學(xué)史分為物質(zhì)發(fā)現(xiàn)史、認識發(fā)展史、科學(xué)掌故史和物質(zhì)利用史四個類型，說明在教學(xué)中融入不同類型化學(xué)史的教學(xué)策略;在融入了化學(xué)史的“甲烷”課堂教學(xué)中，學(xué)生穿越歷史長河參與人類對甲烷認識發(fā)展的全過程，在探索、體驗中理解甲烷結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學(xué)本質(zhì)，發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：甲烷;化學(xué)史;核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2022）04x-0002-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04x.001

一、問題的提出

化學(xué)歷史淵源古老，從50萬年前北京猿人學(xué)會用火，人類就開始了最早的化學(xué)實踐，化學(xué)科學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長而曲折的道路，它伴隨著人類社會的進步，是社會發(fā)展的必然，它的發(fā)展，也促進了生產(chǎn)力的發(fā)展，推動歷史的前進。

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》[1]提出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括五個方面的內(nèi)容，分別是：宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任?；瘜W(xué)史在教學(xué)中的有效應(yīng)用對學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)提升起到事半功倍的效果，化學(xué)史貫穿課堂教學(xué)是學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要途徑。

在現(xiàn)階段化學(xué)課堂教學(xué)中，不乏將化學(xué)史僅當成拓展性內(nèi)容進行教學(xué)的現(xiàn)象。目前的教學(xué)研究，主要集中在“教、學(xué)、評”一致性教學(xué)模型構(gòu)建研究[2]、深度學(xué)習(xí)理念下化學(xué)課堂重構(gòu)研究[3，4]以及HPS教育教學(xué)實踐[5，6]等。對化學(xué)史進行分類進而探討不同類化學(xué)史所具備的教學(xué)功能的研究尚屬空白。筆者將化學(xué)史分為物質(zhì)發(fā)現(xiàn)史、認識發(fā)展史、科學(xué)掌故史和物質(zhì)利用史四個類型，并以“甲烷”為例分析用不同化學(xué)史進行課堂教學(xué)的策略，讓學(xué)生在用化學(xué)史創(chuàng)設(shè)的課堂情境中探索甲烷結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學(xué)本質(zhì)，從而發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)。

二、化學(xué)史的分類與教學(xué)策略

化學(xué)史記錄化學(xué)學(xué)科發(fā)展的重大事件，闡述化學(xué)發(fā)展的歷程，展示化學(xué)家們在研究中所采用的科學(xué)方法，多角度呈現(xiàn)化學(xué)家們的科學(xué)精神。將化學(xué)史料整合并融入課堂教學(xué)中，可以為學(xué)生提供最真實、最具說服力的情境，有助于學(xué)生主動構(gòu)建自身發(fā)展所需的化學(xué)基礎(chǔ)知識和基本技能，有利于學(xué)生體驗科學(xué)探究的過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的基本方法，加深對科學(xué)本質(zhì)的認識，發(fā)展創(chuàng)新精神和實踐能力;有利于學(xué)生形成嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度，更深刻地認識科學(xué)、技術(shù)和社會之間的相互關(guān)系[7]。

筆者將化學(xué)史大致分為四類：物質(zhì)發(fā)現(xiàn)史、認識發(fā)展史、科學(xué)掌故史、物質(zhì)利用史等?，F(xiàn)分析不同類化學(xué)史所蘊含的教育教學(xué)價值，對甲烷教學(xué)過程中如何使用相關(guān)化學(xué)史提出建議。

1.物質(zhì)發(fā)現(xiàn)史

英國細菌學(xué)家弗萊明在沒有蓋好器皿蓋的瓊脂上意外發(fā)現(xiàn)了青霉素，園丁送來的紫羅蘭促使酷愛鮮花的波義耳發(fā)現(xiàn)了酸堿指示劑，這些珍貴的史料讓我們感受到化學(xué)家并非高不可攀的圣人，但他們又幾乎無一例外地具有勤奮嚴謹、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學(xué)品質(zhì)。中國早在西周時期，《易經(jīng)》中就有甲烷發(fā)現(xiàn)的記載，象曰：“澤中有火”，澤意指沼澤。秦代，蜀郡守李冰在四川開掘鹽井時也曾利用火井中的沼氣熬煮井鹽。1776年，意大利物理學(xué)家伏打在寫給友人的信中詳細敘述了發(fā)現(xiàn)甲烷的經(jīng)過，信中這樣寫道：“我在湖邊淤泥中收集到一種無色、無味氣體，用木棒攪動淤泥，讓冒出的氣泡通入倒扣的、充滿水的瓶中。點燃這種氣體，火焰呈藍色，燃燒較慢，和氫氣的燃燒不同?！标P(guān)于甲烷發(fā)現(xiàn)的三段歷史用在甲烷課堂教學(xué)的開篇，做教學(xué)線索引導(dǎo)學(xué)生主動從史料記載中獲取甲烷的存在、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等有用信息。

2.甲烷的研究歷史

從1774年舍勒發(fā)現(xiàn)氯氣到1810年氯元素被戴維確認為是一種元素經(jīng)歷了36年;德國化學(xué)家維勒推翻了自己老師貝采里烏斯的“生命力論”學(xué)說，實現(xiàn)了由無機物人工合成尿素的設(shè)想?？梢?，人類對物質(zhì)的認識發(fā)展并沒有我們想的那么簡單，它們的發(fā)展過程往往曲折而艱難。

1790年，英國醫(yī)生奧斯汀通過燃燒產(chǎn)物確定甲烷是碳氫化合物。這段記載在引領(lǐng)學(xué)生參與甲烷成分的探究的同時也滲透著元素分析法的科學(xué)思想。1804年，英國化學(xué)家約翰·道爾頓研究認為1個甲烷分子由1個碳原子和2個氫原子構(gòu)成。若這段史料在課程上呈現(xiàn)，會與學(xué)生的已有認知形成強烈沖突，引發(fā)學(xué)生主動質(zhì)疑，從而加深對1857年凱庫勒提出的碳四價原則的理解。1874年，范特霍夫在圖書館閱讀論文時，偶然產(chǎn)生了一個想法——“甲烷的結(jié)構(gòu)到底是怎樣的呢？”進而提出了碳的正四面體學(xué)說。用這段歷史故事可用于創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生假設(shè)自己是范特霍夫，去探究甲烷的真實結(jié)構(gòu)，再現(xiàn)科學(xué)發(fā)展過程。近代隨著化學(xué)儀器的發(fā)展，X射線和電子衍射進一步證實了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)，可讓學(xué)生感知科技的進步與發(fā)展。《Tetrahedron》期刊，中文譯為《四面體》，于1957年在英國創(chuàng)辦，是一本登載有關(guān)有機化學(xué)原創(chuàng)研究論文的期刊。結(jié)課時運用該素材對甲烷結(jié)構(gòu)的認識有畫龍點睛之作用。

3.科學(xué)掌故史

1865年凱庫勒“南柯一夢”提出了苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，一直是化學(xué)史上極富趣味性的典故?？梢砸龑?dǎo)學(xué)生體會凱庫勒在有機化學(xué)結(jié)構(gòu)方面由鏈到環(huán)的靈感和創(chuàng)造性思維，感悟化學(xué)結(jié)構(gòu)之美。發(fā)明工業(yè)合成氨的“科學(xué)天才”，同時也是制造氯氣、光氣、芥子氣等化學(xué)毒氣用于第一次世界大戰(zhàn)的“戰(zhàn)爭魔鬼”哈伯，他的功與過是引導(dǎo)學(xué)生辯證看待化學(xué)家，幫助學(xué)生樹立正確的人生觀和價值觀的良好素材。

4.物質(zhì)利用史

人類對物質(zhì)的利用推動著化學(xué)科學(xué)的持續(xù)發(fā)展。如果不是在20世紀初哈伯發(fā)明了工業(yè)合成氨，人類的生息繁衍就會遇到大麻煩;1926年侯德榜徹底攻破了氨堿法制堿的技術(shù)難題，并將自己多年實踐經(jīng)驗公布于世，為世界制堿業(yè)做出了巨大貢獻。

1930年美國杜邦公司的商業(yè)機密“氟利昂”，是引入甲烷取代反應(yīng)的優(yōu)秀歷史素材，可激發(fā)學(xué)生探究甲烷化學(xué)性質(zhì)的欲望。甲烷作為優(yōu)質(zhì)清潔燃料也在多處史料中體現(xiàn)：從秦代蜀郡守李冰利用火井中的沼氣熬煮井鹽，到2000年我國距離最長、口徑最大的天然氣輸送工程“西氣東輸”，再到世紀大單2018年中俄簽署天然氣協(xié)議、2017年“藍鯨1號開采可燃冰”、壓裂車“阿波羅一號”開采頁巖氣等，大量視頻素材畫面氣勢恢宏，可在幫助學(xué)生理解甲烷的優(yōu)異燃燒性能的同時，激發(fā)強烈的愛國情感和社會責(zé)任感。gzslib202204021523

三、教學(xué)實踐

1.新舊教材對比分析“甲烷”是最新的人教版《化學(xué)必修第二冊》[8]第七

章第一節(jié)的內(nèi)容。相比于舊教材，新教材凸顯甲烷是認識有機化合物的重要載體，其正四面體結(jié)構(gòu)極具代表性，由它可類推烷烴的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。以甲烷為載體可以建立從結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)有機物性質(zhì)的思維模式;相比于舊教材，新教材更加強調(diào)在碳原子成鍵規(guī)律的基礎(chǔ)上認識分子結(jié)構(gòu)以及特征基團進而認識化學(xué)反應(yīng)的思想;新教材的素材編排更注重發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。例如：在本章開篇的彩頁展示深海開采可燃冰的照片，61頁“資料卡片”中提到“使用模型認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)”，66頁“練習(xí)與應(yīng)用”的第10題鼓勵學(xué)生評價甲烷發(fā)展史上出現(xiàn)的各種結(jié)構(gòu)，旨在讓學(xué)生體驗人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)認識不斷深化的探索歷程。

2.教學(xué)目標

（1）回望人類對甲烷認識的發(fā)展歷史，參與科學(xué)家從宏觀現(xiàn)象逐層深入認識微觀世界的過程;通過搭建球棍模型掌握甲烷的正四面體空間結(jié)構(gòu)，從能量角度分析其四面體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)原因，發(fā)展證據(jù)推理與模型認知等核心素養(yǎng)。

（2）通過實驗印證甲烷相對穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，通過對甲烷是重要燃料、“西氣東輸”工程、中俄天然氣協(xié)議、“可燃冰”的探討，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任素養(yǎng)。

（3）借助球棍模型演示甲烷的取代反應(yīng)，運用“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”這一有機化學(xué)的核心思想對甲烷的取代反應(yīng)進行斷鍵、成鍵分析，實現(xiàn)宏觀、微觀、符號三重表征的有機統(tǒng)一，發(fā)展證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。（4）了解頁巖氣開采現(xiàn)狀和發(fā)展前景，了解壓裂車“阿波羅一號”，激發(fā)創(chuàng)新意識，提升社會責(zé)任感。

3.教學(xué)流程

4.教學(xué)實錄（1）環(huán)節(jié)一：回望歷史，探究甲烷的結(jié)構(gòu)

帶領(lǐng)學(xué)生回望人類對甲烷認識的發(fā)展歷史，參與科學(xué)家從宏觀現(xiàn)象逐層深入認識微觀世界的過程;置身歷史情境，站在1874年范特霍夫的視角探究甲烷的空間結(jié)構(gòu)，通過搭建球棍模型理解甲烷正四面體結(jié)構(gòu)的原因。發(fā)展證據(jù)推理與模型認知等核心素養(yǎng)。

探究甲烷的結(jié)構(gòu)教學(xué)環(huán)節(jié)見表1。

老師：1874年，范特霍夫在大學(xué)圖書館里閱讀論文的時候，偶然產(chǎn)生了一個想法——“甲烷的結(jié)構(gòu)到底是怎樣的呢？”如果你是范特霍夫，你認為甲烷的微觀結(jié)構(gòu)是怎樣的？請嘗試用所提供的材料（黑白泡沫球、牙簽）組裝一個甲烷分子，并討論哪種結(jié)構(gòu)是正確的？

學(xué)生活動：用所提供的材料組裝一個甲烷分子模型——有平面形的，有八爪魚形的，有正四面體形的。

老師：我們從什么角度去思考判斷哪一種結(jié)構(gòu)是合理的？

學(xué)生：可以從化學(xué)鍵、結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定等角度探討。每根化學(xué)鍵代表一對共用電子對，電子對間有斥力，當四對電子均勻地空間分布在碳原子的周圍時候最穩(wěn)定。

實物展示：氣球形象演示碳周圍四對電子的最穩(wěn)定形式，展示球棍模型、比例模型等。

學(xué)生觀察總結(jié)：碳原子位于中心，四個氫原子位于四個頂角，5個原子構(gòu)成正四面體。

老師：同學(xué)們探討得到的結(jié)論正是1874年范特霍夫提出的碳正四面體學(xué)說。近代隨著化學(xué)儀器的發(fā)展，X射線和電子衍射進一步證實了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)——四個碳氫鍵的長度和強度相同，鍵角也相同。

我們一起對甲烷的結(jié)構(gòu)進行了探討，雖然只有短短幾分鐘，在化學(xué)發(fā)展歷史上卻是幾百年的時光，可見人類對物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和研究并非總是一帆風(fēng)順，正是有這么多刻苦鉆研、耐得住寂寞的科學(xué)家才讓我們更加貼近科學(xué)本質(zhì)，才讓我們的生活更加美好。

（2）環(huán)節(jié)二：立足當下，認識甲烷的化學(xué)性質(zhì)進行甲烷分別通入酸性高錳酸鉀溶液、強酸和強堿溶液的實驗，認識甲烷相對穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，通過對2000年“西氣東輸”工程、2018年中俄天然氣協(xié)議、2017年“藍鯨1號開采可燃冰”的了解，并參閱燃燒熱數(shù)據(jù)，計算探討天然氣和汽油燃燒放出相同熱量所生成的二氧化碳的量，深切感知甲烷是重要的清潔能源。

引入1930年美國杜邦公司研發(fā)氟利昂的商業(yè)機密，激發(fā)學(xué)生探究甲烷化學(xué)性質(zhì)的欲望，借助球棍模型模擬甲烷的取代反應(yīng)，對甲烷的取代反應(yīng)進行斷鍵、成鍵分析，實現(xiàn)對甲烷取代反應(yīng)宏觀、微觀、符號三重表征的有機統(tǒng)一。

情境創(chuàng)設(shè)：甲烷還是一種重要的化工原料。CHFCl2二氯一氟甲烷是氟利昂的主要成分之一，它的安全性和制冷效果比起其他制冷劑更為卓越，為當年的杜邦公司創(chuàng)造了巨大的利潤。但是關(guān)于它的合成原理，杜邦公司卻進行了嚴格的保密，這成為了當時最大的商業(yè)機密之一。那么，你們有沒有興趣來破解1930年的這個機密呢？

學(xué)生活動：閱讀科學(xué)探究實驗并觀看甲烷與氯氣的反應(yīng)實驗、記錄實驗現(xiàn)象（表2）。

老師：有機物分子里的某些原子或原子團被其它原子或原子團所代替的反應(yīng)叫做取代反應(yīng)。杜邦公司正是利用甲烷進行取代反應(yīng)發(fā)明了二氯一氟甲烷，創(chuàng)造了巨大的利潤。聰明的你可以設(shè)計它的合成路線嗎？

（3）環(huán)節(jié)三：展望未來，暢想甲烷的廣闊應(yīng)用

觀看視頻了解頁巖氣的廣闊應(yīng)用前景及其開采

的困難，了解壓裂車“阿波羅一號”，激發(fā)創(chuàng)新意識，提升社會責(zé)任。

教師對甲烷的結(jié)構(gòu)特點、物理化學(xué)性質(zhì)、用途等進行總結(jié)后，向同學(xué)們介紹《Tetrahedron》期刊，中文譯為《四面體》，于1957年在英國創(chuàng)辦，是一本登載有機化學(xué)原創(chuàng)研究論文的期刊。

四、教學(xué)反思

著名化學(xué)家傅鷹先生曾經(jīng)說過“化學(xué)給人以知識，化學(xué)史給人以智慧”。我們現(xiàn)有的化學(xué)課堂教學(xué)，偏重于教材知識的傳授和基本技能的訓(xùn)練，對化學(xué)這門學(xué)科的來龍去脈卻沒有較為全面的介紹。在化學(xué)史的視域下開展教學(xué)符合人類認識發(fā)展的規(guī)律，學(xué)生仿佛穿越歷史長河跟隨先輩科學(xué)家經(jīng)歷甲烷的發(fā)現(xiàn)和利用過程，從而實現(xiàn)對科學(xué)本質(zhì)的理解，貼近學(xué)生認知，有利于學(xué)生科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任、創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)的發(fā)展。本節(jié)課對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)從形式落實到實質(zhì)，學(xué)生興趣濃厚，課堂氣氛活躍、輕松。

建議廣大教師積極將化學(xué)史融入化學(xué)課堂教學(xué)中，以提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻

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