基于化學(xué)史定量分析法的“空氣成分的探究”教學(xué)設(shè)計

李 舒，許曉婷，鹿鈺鋒，許俊翠

（1.合肥師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué)附屬中學(xué)，安徽 合肥 232000）

化學(xué)史是人類在長期社會實踐活動中對化學(xué)知識系統(tǒng)、歷史的描述[1]?；瘜W(xué)史的教學(xué)是利用化學(xué)發(fā)展過程中的重要史實、有關(guān)概念定理和科學(xué)技術(shù)的變遷，對學(xué)生進(jìn)行知識內(nèi)容、思想方法、社會認(rèn)識以及道德情感等多方面的培養(yǎng)過程[2]。孟獻(xiàn)華對化學(xué)史課堂教學(xué)設(shè)計場景進(jìn)行分析，歸納出四個教學(xué)維度：記憶具體事實、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、轉(zhuǎn)變學(xué)生概念和理解科學(xué)方法[3]。本文以定量分析的科學(xué)方法為主線，利用化學(xué)史設(shè)計了“空氣成分的探究”教學(xué)案例。

1 設(shè)計思路

1.1 將定量分析方法貫穿于課堂教學(xué)設(shè)計

基于化學(xué)史的教學(xué)，應(yīng)體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展中所存在的固有規(guī)律、學(xué)科教學(xué)的認(rèn)知價值及化學(xué)發(fā)展本質(zhì)等[4]。一般認(rèn)為，知識點的建立、引申和擴(kuò)展，知識點及其連接處一定存在科學(xué)方法的因素[5]。因此，將科學(xué)方法應(yīng)用于化學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計有較強(qiáng)的可行性和必要性。在此，選取科學(xué)方法中的定量分析法作為“空氣成分的探究”一節(jié)課的主線，借助科學(xué)家對空氣成分測定的化學(xué)科學(xué)史實，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)家對科學(xué)方法的選擇、應(yīng)用，以及分析方法的發(fā)展和演變，體驗科學(xué)探究的過程，深化對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識，體悟科學(xué)思想和科學(xué)態(tài)度，實現(xiàn)化學(xué)史應(yīng)用策略和教育價值的統(tǒng)一。

1.2 基于定量分析法的“空氣成分的探究”教學(xué)設(shè)計思路（圖1）

圖1 基于定量分析法的“空氣成分的探究”教學(xué)設(shè)計思路

2 教學(xué)分析

2.1 教材內(nèi)容分析

本單元“空氣”是繼上一單元介紹了化學(xué)基本入門知識后，從學(xué)生最熟知的事物“空氣”入手，進(jìn)行具體物質(zhì)的學(xué)習(xí)。本單元3個課時分別圍繞其組成、性質(zhì)和制備進(jìn)行研究。本節(jié)“空氣成分的探究”作為本單元第一課時，其教學(xué)價值在于：第一，研究物質(zhì)組成成分及含量，培養(yǎng)對混合物組成的理解，滲透定量分析研究方法的學(xué)科價值；第二，通過探究性實驗，發(fā)展分析推理、歸納反思的認(rèn)知價值，并為后兩節(jié)課“氧氣”“制備氧氣”奠定認(rèn)識基礎(chǔ)；第三，通過化學(xué)史實和空氣在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用體現(xiàn)社會價值。

2.2 學(xué)情分析

本節(jié)課中，學(xué)生處于初三上學(xué)期剛進(jìn)入化學(xué)學(xué)科的入門階段，在上一單元掌握了化學(xué)基本的實驗操作方法和定性的物質(zhì)檢驗方法，未接觸過化學(xué)定量分析方法，對分析方法的概念很模糊；初步學(xué)習(xí)過通過實驗進(jìn)行科學(xué)探究；初步對空氣包含氮氣、氧氣、二氧化碳等成分有所了解，但不了解各成分具體含量；對物質(zhì)組成和性質(zhì)的理解較為模糊。

3 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過對空氣組成成分的探究，發(fā)展宏觀辨識能力，理解純凈物和混合物的概念。

（2）通過認(rèn)識拉瓦錫測空氣中氧氣含量的方法，理解化學(xué)中的定量分析方法，發(fā)展模型認(rèn)知能力。

（3）通過空氣中氧氣含量的測定實驗，發(fā)展證據(jù)推理能力，提升科學(xué)探究、合作、反思能力和創(chuàng)新意識。

（4）通過了解科學(xué)家的科研歷程及化學(xué)史的發(fā)展演變，體悟科學(xué)家的研究思想、方法和科學(xué)態(tài)度，提升社會責(zé)任意識。

4 教學(xué)過程

[教學(xué)環(huán)節(jié)1]：證明空氣的存在

教師提問：同學(xué)們，我們周圍處處環(huán)繞著空氣，但它看不見摸不著，大家有什么方法能證明空氣的存在嗎？

教師講述：①十七世紀(jì)，意大利科學(xué)家伽利略做了這樣一個實驗：把一個大玻璃瓶打足氣，稱量其重量，再打開玻璃瓶上的活塞重新稱重，發(fā)現(xiàn)玻璃瓶變輕；②1643年，意大利科學(xué)家托里拆利做了著名的壓強(qiáng)實驗：取一端封閉的玻璃管灌滿汞，開口向下插入汞槽，發(fā)現(xiàn)玻璃管上方液面會下降，留出一段空間（真空），且無論玻璃管怎樣傾斜，甚至換用其他長度和直徑的玻璃管，管內(nèi)水銀柱垂直高度始終都為760 mm。這是因為汞受到大氣的壓力，支持住了760 mm的汞柱。

教師提問：大家思考一下這兩個實驗，分別得到了怎樣的結(jié)論？在表達(dá)方式上有何區(qū)別？請大家先嘗試思考，再通過組內(nèi)交流，得出更為合理的結(jié)論。

學(xué)生1：向氣球里面打氣，使它鼓起來的就是空氣。

學(xué)生2：向小口的保溫杯里，或用很粗的水流倒水倒不進(jìn)去，杯子里充斥的就是空氣。

學(xué)生3：一個是打足空氣的瓶子比不打空氣的要重，一個是大氣壓形成了760 mm的汞柱。

學(xué)生4：一個用輕重來表示，一個用數(shù)字來表示。

教師歸納：沒錯，關(guān)于兩位科學(xué)家的結(jié)論，一位得到了“變輕”，一位得到了“760 mm汞柱”，那我們用更專業(yè)的說法，一個是定性分析，一個是定量分析。定量分析起源于分析化學(xué)的一個分支，定性分析化學(xué)是研究物質(zhì)的鑒定，定量分析化學(xué)是研究試樣中某一物質(zhì)含量的測定。定量分析方法的提出，使得分析方法從過去憑借直覺、經(jīng)驗作出判斷的定性分析，演變?yōu)橥ㄟ^實驗、公式和數(shù)字符號等精確的量化表征來作出判斷的定量分析，兩種分析方法往往相輔相成，相互補(bǔ)充。

設(shè)計意圖：從已有知識出發(fā)，通過學(xué)生對空氣存在證明的思考和化學(xué)史實的敘述，體會科學(xué)家對空氣所用的實驗探究方法。通過兩個實驗的比較，初步認(rèn)識定量分析與定性分析，理解二者的區(qū)別和聯(lián)系。

[教學(xué)環(huán)節(jié)2]：氧氣和氮氣的發(fā)現(xiàn)

教師講述：①1772年，英國科學(xué)家盧瑟福在老師布拉克的研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了氮氣：他在密閉容器中放入一只老鼠，同時放置白磷以除去氧氣，發(fā)現(xiàn)老鼠很快窒息死亡；②1777年，法國科學(xué)家拉瓦錫結(jié)合舍勒和普利斯特里二人的研究，做了研究空氣成分的著名實驗，提出：空氣由氧氣和氮氣兩種氣體混合而成，氧氣約占空氣體積的1/5。

教師提問：請大家閱讀教材，獨立思考后，以小組為單位討論以下兩個問題：①拉瓦錫是根據(jù)什么原理來設(shè)計實驗裝置的？②他通過什么方法測得所消耗的氧氣體積？

學(xué)生1：將汞加熱與氧氣反應(yīng)，消耗密閉裝置中的氧氣，使裝置內(nèi)氣壓減小，與外界大氣形成氣壓差。

學(xué)生2：通過汞槽內(nèi)液面的上升。

設(shè)計意圖：通過化學(xué)史進(jìn)一步理解定性分析和定量分析的本質(zhì)區(qū)別；通過分析拉瓦錫的實驗原理，理解其實驗設(shè)計思路，發(fā)展證據(jù)推理等素養(yǎng)。

[教學(xué)環(huán)節(jié)3]：測定氧氣含量的實驗設(shè)計

教師引導(dǎo)：同學(xué)們，盧瑟福用定性的方法發(fā)現(xiàn)了氮氣，而拉瓦錫用定量的方法，不但證明了氧氣的存在，還測出了氧氣在空氣中的含量。拉瓦錫實驗選用的汞雖然分解溫度低，易加熱，但汞是有毒物質(zhì)。大家能否根據(jù)老師提供的資料、實驗儀器和藥品（木炭、硫粉、鐵絲、紅磷、蠟燭等），參照拉瓦錫的實驗原理，自己設(shè)計實驗來測定空氣中氧氣的含量？

教師：請各組代表分別說一說你選用藥品的理由、裝置設(shè)計的原理以及優(yōu)缺點。

學(xué)生：選用的藥品需滿足：①不生成氣體，能將裝置內(nèi)氧氣消耗完且只跟氧氣反應(yīng)；②裝置的設(shè)計需滿足：保證裝置氣密性好，形成壓強(qiáng)差，便于測量所消耗的體積。

教師：請大家分組進(jìn)行實驗，記錄觀察到的現(xiàn)象，實驗結(jié)果有誤差的小組分析誤差原因，并討論如何改進(jìn)。

小組1：測定結(jié)果大于1/5，可能是氣密性不好或紅磷加入速度慢，氣體受熱逸出。

小組2：測定結(jié)果小于1/5，可能是裝置未冷卻至室溫便打開止水夾。

教師總結(jié)：因此，以選用紅磷燃燒實驗的小組為例，為保證所得到的測定結(jié)果誤差盡可能得小，實驗必須滿足：①紅磷應(yīng)足量；②檢查好裝置氣密性；③紅磷點燃后應(yīng)迅速將燃燒匙插入集氣瓶中，并迅速塞緊橡皮塞；④待集氣瓶冷卻到室溫后，再打開止水夾；⑤集氣瓶中加少量水，并事先將水面以上的容積劃分為五等份并做上標(biāo)記，燒杯中的水應(yīng)多于集氣瓶容積的1/5。

設(shè)計意圖：通過模擬實驗設(shè)計，深化對實驗原理的理解，把握定量實驗的基本要素，發(fā)展實驗設(shè)計、觀察、操作、合作和反思能力。

[教學(xué)環(huán)節(jié)4]：稀有氣體的發(fā)現(xiàn)

教師講述：在拉瓦錫之后，直到十九世紀(jì)末，人們?nèi)匀徽J(rèn)為空氣中僅含氮氣和氧氣。1868 年，法國科學(xué)家詹森從日冕光譜中發(fā)現(xiàn)了氦元素；1892年，英國科學(xué)家瑞利發(fā)現(xiàn)，去除空氣中其他氣體所得到的氮氣，與通過化學(xué)反應(yīng)生成的氮氣，兩者密度之間總是存在著千分之一的差異，因而發(fā)現(xiàn)了惰性氣體氬；1898 年，英國科學(xué)家拉姆塞對空氣分餾物進(jìn)行光譜分析，發(fā)現(xiàn)了氖、氪和氙；1908 年，拉姆塞發(fā)現(xiàn)了最后一種惰性氣體元素氡，至此，元素周期表中零族元素全部被確定下來，瑞利和拉姆塞也因此獲得了1904年的諾貝爾獎。

教師講述：分析化學(xué)一直是化學(xué)領(lǐng)域的重要分支，是鑒定物質(zhì)的化學(xué)組成、測定物質(zhì)有關(guān)組分的含量、確定物質(zhì)結(jié)構(gòu)和存在形態(tài)等的一門科學(xué)?；瘜W(xué)定量分析一直在分析化學(xué)領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。當(dāng)然，定量分析法如今同樣應(yīng)用于各種學(xué)科領(lǐng)域，如物理、機(jī)械、經(jīng)濟(jì)、管理、政治以及文學(xué)等等。如今，隨著科學(xué)家們不斷地科研探索，人們已經(jīng)能用各種實驗方法精確地測定空氣各組分的含量（介紹教材中空氣組分成分含量，并講解混合物、純凈物的概念）。

設(shè)計意圖：通過稀有氣體元素的發(fā)現(xiàn)歷程，豐富學(xué)生對科學(xué)家科學(xué)方法和科學(xué)精神的感受；通過介紹定量分析法的地位及應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)對定量分析法的整體理解和感悟。

5 結(jié)束語

“空氣成分的探究”一課中，通過模擬拉瓦錫的實驗原理測定空氣中氧氣含量的實驗，是學(xué)生在初中化學(xué)初次接觸的定量分析實驗。本教學(xué)設(shè)計將定量分析法置為課堂主線，選取定性和定量實驗的相關(guān)化學(xué)史料，進(jìn)行定性和定量實驗對比，通過從定性到定量的初步探析，幫助學(xué)生認(rèn)識定量分析法，初步架構(gòu)起對化學(xué)科學(xué)方法的認(rèn)知。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)拉瓦錫的定量實驗原理進(jìn)行模擬實驗設(shè)計，發(fā)展學(xué)生實驗設(shè)計、操作、合作和反思能力，并通過稀有氣體元素的發(fā)現(xiàn)歷程，幫助學(xué)生從分析化學(xué)的上位角度理解定量分析法，體會科學(xué)家的科學(xué)思想和科學(xué)態(tài)度。