構(gòu)建“科”“技”融合的化學課堂
——以“碳及其化合物單元復習課”為例

郭建虹

當下，課堂教學和社會認知均存在“科”“技”不分的現(xiàn)象。從內(nèi)容上看，科學思維是以探索和發(fā)現(xiàn)事物本質(zhì)與規(guī)律、構(gòu)建科學的知識體系為核心的認知性思維；技術(shù)思維是以發(fā)明與創(chuàng)新方法、手段、工具、技藝為核心的實踐性思維。從性質(zhì)上看，科學思維是真理導向的發(fā)現(xiàn)性思維、反映性思維，以求真為目的；技術(shù)思維是實用導向的工具性思維，以求實（具有實效性）為目的，追求的是由目標到方案，再到問題解決的過程。從成果上看科學思維的成果主要是科學理論、定律、規(guī)律等，是全人類的共同精神財富，呈現(xiàn)為可物化的知識產(chǎn)品；技術(shù)思維的成果主要是發(fā)明、專利、技術(shù)訣竅，也可能是技術(shù)文獻與論文。［1］

初中階段科學課程的學習，一般為物理、化學、生物三門學科，包含學習科學知識、培養(yǎng)科學思維兩個方面。技術(shù)和科學，不僅是一種應用體系、知識體系，更是一種思維方式。科學課堂不但應該讓學生了解技術(shù)成果、科學知識，更應該從“知識控制”走向“支持探究”，讓學生在感受傳統(tǒng)技藝、科學成果的魅力的同時，理解其所特有的思維形式。

“碳及其化合物單元復習課”是筆者參加2019 年江蘇省優(yōu)質(zhì)課評比活動的課堂實錄。筆者試圖讓學生通過本課的學習，在中國古代技藝與西方科學的碰撞中，體會古人調(diào)控化學反應的高超技藝及其重要意義，領(lǐng)略數(shù)據(jù)分析、理論構(gòu)想、演繹推理等科學思維方法，認識到技術(shù)和科學是推動人類文明發(fā)展的兩大力量。

一、教學目標

首先，通過溫習整理活動，從“化合價—類別”的角度有序梳理常見的含碳物質(zhì)及其性質(zhì)。

其次，通過實驗探究活動，從“宏觀—微觀—符號”的角度有序構(gòu)建含碳物質(zhì)的表征體系。

再次，通過觀察、推理活動，認識到在一定條件下，物質(zhì)因反應而轉(zhuǎn)化，樹立元素不變的觀念。

最后，通過閱讀、認識化學史，感知化學學習需要實驗、假說、演繹推理、比較和分類等方法。

二、教學實錄

1.課前準備。

準備兩個干凈的塑料瓶，將葡萄捏破放入塑料瓶中；將糯米飯煮熟晾涼，用少許溫開水調(diào)適量酒曲拌入糯米飯中，糯米飯放入塑料瓶中，旋緊瓶塞。（該實驗在課前3～4天準備）

2.教學板塊1：嘆為觀止的碳世界。

師：查閱元素周期表，我們知道世界上有100 多種元素，而這100 多種元素組成了1.5 億多種化合物，其中90%的化合物都含碳元素。同學們能否從碳元素的化合價、物質(zhì)類別的角度整理已學碳及其化合物？

（學生交流整理的內(nèi)容）

師：碳元素廣泛存在于自然界的空氣、礦石和生物體中。正因如此，古代很多發(fā)現(xiàn)、發(fā)明都和碳及其化合物有關(guān)。讓我們一起從化學視角領(lǐng)略古人利用含碳物質(zhì)的智慧。

【設(shè)計意圖】課前引入，介紹元素種類和物質(zhì)種類數(shù)量的差異，使學生建立起對物質(zhì)多樣性的初步認識。引導學生用比較、分類的方法認識物質(zhì)。

3.教學板塊2：“碳”為觀止的東方技藝

環(huán)節(jié)1：集煙制墨中的發(fā)現(xiàn)。

師：數(shù)千年前，古人就形成燒松取煙、集煙制墨的工藝。你能從化學的角度解釋墨是什么，燒松為什么能制墨嗎？

生1：墨是煙中的含碳單質(zhì)。松樹含有碳元素，不完全燃燒產(chǎn)生煙。

師：《蘭亭集序》歷經(jīng)千載而不褪色，你知道為什么嗎？

生2：墨中含碳單質(zhì)，常溫下單質(zhì)碳化學性質(zhì)穩(wěn)定。

師：古代工匠在植物的劇烈燃燒中獲得碳單質(zhì)，又在植物緩慢氧化中獲得另一種碳的化合物。

環(huán)節(jié)2：發(fā)酵過程中的發(fā)現(xiàn)。

師：西方多用葡萄釀酒，古代中國多用糯米釀酒。其原理相似，區(qū)別在于：葡萄表皮自帶催化劑，大米卻沒有。請同學們觀察礦泉水瓶中的葡萄發(fā)酵和糯米發(fā)酵現(xiàn)象（展示課前準備的兩個塑料瓶）。

生：葡萄、糯米上浮，瓶身堅實，打開時有嘶嘶冒氣聲，瓶內(nèi)出現(xiàn)大量氣泡，聞到酒的氣味。

師：發(fā)酵不但產(chǎn)生酒，還產(chǎn)生一種氣體。如何驗證這種氣體是什么？

生：可以用燃燒的木條、澄清石灰水、濕潤的紫色石蕊試紙檢驗氣體。發(fā)現(xiàn)燃燒的木條熄滅、澄清石灰水變渾濁、試紙變紅，說明該氣體是二氧化碳。

師：對于物質(zhì)的研究，通常會先運用感官觀察顏色、狀態(tài)、氣味等，再運用加熱、灼燒、燃燒等實驗方法，還可以借助其他常見試劑進行判別。

環(huán)節(jié)3：煉銅過程中的發(fā)現(xiàn)。

師：成書于東晉的《拾遺記》中記載古代火法煉銅“地中多丹，煉石為銅，銅色青而利”。從原料孔雀石到銅，這兩種物質(zhì)有哪些區(qū)別？

生：顏色不同、化學式（組成）不同。

師：這說明這一轉(zhuǎn)化是化學變化。我們可以通過實驗再現(xiàn)這一煉銅場景，請同學們模擬實驗，并思考孔雀石是如何發(fā)生這一變化的。

（學生實驗模擬火法煉銅：用鑷子夾持孔雀石；在外焰加熱孔雀石至變色；快速將孔雀石伸入折疊的濾紙內(nèi)，蓋實、用鑷子壓緊；冷卻后取出固體并觀察）

生：加熱時，孔雀石由綠色變?yōu)楹谏?，會炸裂迸濺；伸入濾紙中，濾紙被燒出一個洞，冒煙、變黑；打開濾紙，黑色固體部分變?yōu)榧t色固體。這說明堿式碳酸銅加熱會生成氧化銅，濾紙變黑后又變紅說明碳奪取了氧化銅中的氧。

師：碳不但在燃燒時能與氧氣結(jié)合，加熱時也能與氧化銅中氧元素結(jié)合。

（演示實驗：銅絲繞成螺旋狀，將孔雀石放置于螺旋狀銅絲中。加熱銅絲至孔雀石、銅絲變色且紅熱，立即伸入漏斗狀濾紙中）

師：我們發(fā)現(xiàn)，沒有接觸濾紙的氧化銅也還原為紅色的銅，這是為什么？

生：應該是有一種不易被觀察的物質(zhì)——氣體。而且，它應該和碳性質(zhì)相似，都能奪取氧。

師：1800 年，科學家們也是這樣發(fā)現(xiàn)這種氣體的，并將其命名為“重可燃空氣”。我們今天的思考和發(fā)現(xiàn)與近代早期西方一些化學家的研究非常相似。

【設(shè)計意圖】集煙制墨實驗引導學生分析碳單質(zhì)的成因及性質(zhì)；制曲釀酒實驗引導學生梳理檢驗物質(zhì)的程序和思路；火法煉銅實驗關(guān)注學生實驗操作是否規(guī)范，引導學生尋找證據(jù)，進行推理。此教學板塊加深學生對碳及其化合物之間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的理解，讓學生認識到調(diào)整化學反應條件可以控制反應的發(fā)生和結(jié)果，充分感受從證據(jù)到結(jié)論的思維過程，提升科學思維水平。

4.教學板塊3：“碳”為觀“智”的西方科學。

環(huán)節(jié)1：拉瓦錫燃燒金剛石實驗。

師：拉瓦錫利用兩個大凸透鏡將陽光聚焦在金剛石上使之燃燒，得到無色氣體。他用如此復雜的裝置、昂貴的實驗材料，想證明什么？

生1：鉆石由碳元素組成，是碳單質(zhì)。

生2：單質(zhì)碳在常溫時，化學性質(zhì)穩(wěn)定，但在高溫時具有可燃性。

環(huán)節(jié)2：探析兩種含碳化合物。

師：觀察表1 中“氧化碳”“碳酸氣”中碳、氧元素質(zhì)量分布。西方科學家在木炭燃燒的實驗中發(fā)現(xiàn)，碳元素、氧元素能形成兩種化合物，分別將其命名為“氧化碳”“碳酸氣”，還稱出了組成元素的質(zhì)量。因?qū)嶒灁?shù)據(jù)紛繁復雜，假定碳的質(zhì)量均為“1”，你有什么發(fā)現(xiàn)？

表1 碳氧化合物的分析數(shù)據(jù)

生：當碳的質(zhì)量相等時，碳酸氣中氧的質(zhì)量是氧化碳中氧的質(zhì)量的兩倍。

師：很棒！這就是化學史中道爾頓提出的“倍比定律”，即在兩種相同元素構(gòu)成兩種不同的化合物時，一種元素質(zhì)量相等，與其化合的另外一種元素在兩種化合物中的質(zhì)量比總是保持簡單的整數(shù)比。據(jù)此你對物質(zhì)有什么樣的大膽假設(shè)？

生：質(zhì)量呈整數(shù)比，說明物質(zhì)中存在可數(shù)的個體。

師：道爾頓從數(shù)量關(guān)系，大膽提出科學原子論——物質(zhì)世界的最小單位是原子。化學不但觀察物質(zhì)及其變化的宏觀世界，還從微觀角度探究其本質(zhì)，更有將這兩者融合的符號世界。東方精湛的技藝、西方奧妙的科學，都與碳及其化合物的轉(zhuǎn)化有密切關(guān)系。

【設(shè)計意圖】金剛石燃燒實驗引導學生思考實驗的目的；探析兩種含碳化合物引導學生分析數(shù)據(jù)，提出猜想，推測物質(zhì)由微粒構(gòu)成。本教學板塊中，教師引導學生再現(xiàn)科學史上的這一過程，領(lǐng)略定量實驗、數(shù)據(jù)分析、理論構(gòu)想、微觀建模、演繹推理等科學思維方法的精妙運用。

5.教學板塊4：“碳”為觀“志”。

師：通過以上學習，我們?yōu)橹袊湃酥颇⑨劸?、煉銅的高超技藝所折服；又驚嘆西方科學家探究奧秘的想象力。但科學史上也存在李約瑟之問：“中國古代對人類科技發(fā)展做出了很多重要貢獻，但為什么科學和工業(yè)革命沒有在近代的中國發(fā)生？”

生：中國古代更重視實用，制造有用的物質(zhì)。近代西方科學家探究這些變化背后的奧秘。

師：這個問題很宏大，原因是多維的。而只有技術(shù)與科學的相互融合和促進，才能推動社會的進步和發(fā)展。

【設(shè)計意圖】在本節(jié)課教學的最后環(huán)節(jié)，教師通過李約瑟之問總結(jié)本節(jié)課的中心思想，引導學生從辯證的角度思考中國科學與西方科學之間的不同，從而認識到科學和技術(shù)是推動人類文明發(fā)展的兩大力量，不可分割。

三、教學效果及反思

1.以古代含碳物質(zhì)的應用為載體，在傳統(tǒng)技藝史中認識化學的意義和價值。

化學變化是有一定條件的。本節(jié)課讓學生在中國古代高超制墨、釀酒、煉銅的技藝中領(lǐng)略古人調(diào)控化學反應的智慧，構(gòu)建碳及其化合物的關(guān)系圖，認識化學方程式背后的意義。學生能認識到，從實驗室研究到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，無不滲透著科學家與工程師的心血，化學在人們的生產(chǎn)生活中有著十分重要的價值。

2.以氣體化學史為載體，體會科學思維的一般過程和方法。

本節(jié)課從定性認識二氧化碳到定量認識碳的氧化物，引導學生認識科學原子論；從認為“重可燃空氣”是燃素，到認識其是碳的氧化物，對學生具有啟發(fā)意義。學生在這一過程中可建立起研究物質(zhì)的觀念和方法，感知化學學習需要實驗、假說、演繹、推理、比較和分類等方法。

3.以相關(guān)理論建立過程為載體，完善“宏觀—微觀—符號”的化學體系。

學生通過本課中碳的氧化物的定量測定、數(shù)據(jù)分析、理論構(gòu)想，可以認識到微觀探析對化學發(fā)展的促進作用；通過分析兩種含碳化合物，學生從宏觀現(xiàn)象“整數(shù)”構(gòu)想微觀粒子，從微觀粒子解釋宏觀現(xiàn)象，用符號建立宏微聯(lián)系，實現(xiàn)思維“見著知微，見微知著，符聯(lián)宏微”的跨越。

4.以開放式問題為載體，促進學生理解科學本質(zhì)。

開放式的問題設(shè)計能調(diào)動學生分析、搜索、生成、形成解決問題的方案，提升思維能力。學生在解決開放式問題中遇到的困難，正是科學家長時間研究累積與理論突破的點。如此引導學生重復化學發(fā)展的道路，有利于其掌握化學的基本知識、理解科學本質(zhì)、提升學科素養(yǎng)。