基于化学史促进学生“证据推理与模型认知”核心素养的提升

孙亚茹

摘要：义务教育化学课程标准（2011年版）倡导素养为本的教学，倡导通过创设真实情境，开展以化学实验为主的多种探究活动。实施建议中提到真实的化学史实是极有价值的情景素材。文章以“定组成定律”和“九年之争”化学史实为线索，沿着科学家的足迹体验发现问题、实验探究、建立模型、理解模型的过程，探讨基于化学史，促进学生“证据推理与模型认知”核心素养提升的教学策略。

關键词：化学史；证据推理与模型认知；化学式

文章编号：1008-0546（2021）11-0020-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.005

一、教学主题内容及教学现状分析

本节课内容属于《义务教育化学课程标准（2011年版）》一级主题“物质构成的奥秘”下的二级主题“物质组成的表示”，承载了物质组成的表示—化学式含义理解、化学用语技能等化学基础知识和基本技能；通过宏观、微观、符号“三重表征”发展学生化学元素观和微粒观等基本观念[1]。北京版教材中本节课安排在物质构成的微粒、空气与氧气、水的组成、化学元素之后，为学生初步理解化学、认识物质组成的思路和方法奠定了一定基础。从化学核心素养角度分析，本课时教学是重点发展学生模型认知的重要载体。从广义上理解，化学符号是一种特殊的模型，化学式是纯净物组成的抽象化表征，是综合物质、元素、微粒三个角度揭示物质组成和构成的概念化表达[2]。

以往的大部分教学设计重点关注的是化学式含义的记忆及化学式书写的训练，学生感觉枯燥乏味，也导致后续的化学式计算只套用公式，并不理解计算背后所蕴含的化学意义。

二、教学思想与创新点

2017年12月《普通高中化学课程标准（2017年版）》颁布后，学科核心素养成为引领中学化学课程改革的新航标。以立德树人为根本教育目标，以发展学生学科核心素养为具体指导思想的课程改革同样指导初中化学课程的实施[3]。基于此，本节课采取如下教学策略，突出纯净物组成研究的思路、方法和角度，并由此构建化学式符号模型。创新点如下：

1.引入科学家普鲁斯特对于“定组成定律”的发现过程[4]，回顾普鲁斯特和贝索勒的“九年之争”化学史。通过课前学生访谈和调研发现，学生对“纯净物是否具有固定组成”并没有形成共识，更没有充分的证据给予论证。而“定组成定律”的研究过程和结论对学生认识物质组成具有重要意义和价值。在重温科学研究的历程中，认识到纯净物有固定的组成，混合物没有固定的组成。同时，了解纯净物组成研究的思路角度和方法，突出定性与定量相结合、宏观与微观相结合的化学学科思维特征。

2.通过化学史的情景素材，设计相关学习任务，引导学生跟科学家一起实验、思考和争论，逐渐得出“定组成定律”。讲述普鲁斯特关于水的研究、演示加热分解碱式碳酸铜的实验和以情景剧的形式重现“九年之争”的化学史，充分利用化学史素材创设情境，发展证据推理与模型认知的核心素养。

3.通过展示宏观物质，拼插和绘制微粒示意图，分析微粒图示与化学符号的关联，引导学生多角度、多层次理解化学式的微观含义，建立宏观、微观、符号三重表征的联系。课堂中依据学生实际情况，一步步追问，形成有逻辑的问题串，澄清学生对化学符号的相异构想，同时对于用元素符号和数字表示物质组成的化学式含义也有了更深入、丰富的理解。教学资源及使用价值见表1。

三、教学目标

1.学情分析

通过前面的学习，学生对于物质分类和物质组成已经具有一定的认识，但是具体理解到什么程度还不确定，为此设计了如下问题，了解学生对于物质组成和物质分类的已有认知，具体问题见表2。调研数据统计见图1。

通过对学生调研问卷的整理分析可看出：对于纯净物有固定组成的理由：大部分学生不能从化学角度理解或描述物质组成；小部分学生有一定思考，但角度比较单一；能从化学角度描述纯净物组成的以宏观物质种类居多，分子构成和元素种类其次；只有极少数同学能从定量角度，即元素含量角度描述。经过与学生的进一步访谈了解到，学生对固定组成中的“固定”理解不全面，不到位；不能系统地运用宏观与微观相结合、定性与定量相结合的学科特征思维来思考和解决化学问题，这两点恰恰是本节课学习的障碍点所在，这两点的突破，有助于学生将符号表征与物质的宏观组成、微观构成建立联系，构建符号模型，加深对化学式含义的理解，并突破下一课时化学式计算的难点。

2.教学目标

（1）通过“九年之争”化学史实的体验，认同并能通过相关证据说明纯净物具有固定的组成，发展证据推理、科学探究、创新意识等核心素养。

（2）通过全面、多角度理解和描述水的组成，及解读化学式的含义，初步形成宏观与微观相结合、定性与定量相结合认识纯净物组成的一般思路和方法，初步形成从元素、微粒角度认识物质的化学基本观念，发展宏观辨识与微观探析的核心素养。

（3）通过构建表示纯净物组成的化学式模型，初步完成从语言文字到化学符号的互相转化，感受化学语言的独特魅力，发展抽象思维能力和模型认知的核心素养。

（4）通过书写纯净物化学式，初步学会应用化学式表示纯净物组成的一般方法和规则，从简单应用角度理解化学式的意义和价值。

四、教学流程

基于以上分析，设计本节课的教学流程，见图2。

五、教学实录

1.调研引入，提出问题

【展示】展示课前调研情况。

【教师】纯净物是否具有固定的组成？如何研究纯净物的组成？

2.重温历史，建立模型

【教师】通过电解水实验，我们得到了哪些关于水的组成的认识？

【学生】水由氢元素和氧元素组成。水分子中，氢原子和氧原子的个数比为2∶1。

【教师】我们从元素种类、原子种类和原子个数比的角度对于水的组成进行了研究。对于物质组成的研究经历了曲折的过程。让我们穿越回到18世纪，重温那个年代发生的故事。

【学生】认真聆听，回顾研究纯净物的组成的方法，明确研究角度。

【教师】再现化学史。普鲁斯特采集了世界各地的水，除去杂质，测出来水中的氢元素、氧元素的质量分数均不变，得到结论：水，有固定组成，见图3。此外他又选取了碱式碳酸铜进行研究，他研究碱式碳酸铜的思路延续了水的研究角度，同学们能猜到他的研究思路吗？

【学生】从世界各地取来碱式碳酸铜，检测其中的元素含量是否是一个定值。

【教师】很好，同学们已经猜到了普鲁斯特的研究思路。类似于水电解产生氢气和氧气一样，他也加热分解碱式碳酸铜，见图4，最终生成二氧化碳、水和氧化铜三种常见物质。那现在根据产物的种类，你能确定碱式碳酸铜的元素组成吗？

【学生】二氧化碳由碳、氧元素组成，水由氢、氧元素组成，氧化铜由铜、氧元素组成，根据化学反应前后元素守恒，得出碱式碳酸铜由C、H、O、Cu四种元素组成。

【教师】知道了碱式碳酸铜的元素种类。那如何确定碱式碳酸铜中各元素的含量是否是定值呢？展示普鲁斯特实验中得到的三组数据，见表3。

【学生】不管碱式碳酸铜和氧化铜的质量如何变化，氧化铜的百分含量为固定值，碱式碳酸铜分解产物只有氧化铜中含有铜元素，所以碱式碳酸铜中铜元素的含量也是固定的。同理可得碱式碳酸铜中碳元素、氢元素的含量也是固定的，剩下的氧元素的含量也是固定的。

【教师】很好，普鲁斯特得出结论，即碱式碳酸铜有固定组成。此外，又对很多其他的化合物进行实验研究，最终得到结论：纯净物具有固定组成。他的观点一经提出就受到另一位化学家贝索勒的质疑，他认为纯净物没有固定组成。就这样，两位科学家进行了九年来回来去的争论，也就是历史上著名的“九年之争”。普鲁斯特进行了更加深入的研究，最终发现：铁和氧的化合物有好几种，在天然的铁矿石中，常常是这几种铁的氧化物的混合物！贝索勒研究的是天然的铁矿石是混合物，而普鲁斯特研究的是纯净物。

【学生】两名同学通过情景剧展示两位科学家著名的“九年之争”，如图5。

【教师】根据上述数据，见图6，能计算出其中两种铁的化合物中原子的个数比吗？

【学生】计算两种氧化物中的原子个数比，见图7。

【教师】有了原子个数比，那我们能不能用一种化学符号来表示这两种铁的氧化物呢？

【学生】在学案中写出了Fe2O3和Fe3O4。

3.建立概念，理解模型

【教師】用元素符号和数字表示纯净物固定组成的式子就叫做化学式。化学式也蕴含着定性与定量、宏观与微观丰富的信息。请同学们以水的化学式为例，说出获得的信息。

【学生】表示水这种物质。水由氢元素、氧元素组成。可以表示一个水分子。还可以表示水分子的构成，即由2个氢原子和1个氧原子构成。

【教师】我发现还有部分同学给出了这样的答案：一个水分子由一个氢分子和一个氧原子构成。那水分子中到底有没有氢分子呢？请同学们画出水分子、氢分子的微粒示意图。

【学生】我观察这两个分子，两个氢原子和一个氧原子构成一个水分子，两个氢原子构成一个氢分子，所以水分子中没有氢分子。水分子就是构成水的最基本的微粒。

【教师】了解了化学式的含义之后，下面我们来学习化学式的书写，总结书写化学式约定俗成的一些规律，请同学们在任务单上写出我们前面接触过的物质的化学式。

【学生】在学案上写出物质对应的化学式。

【教师】将化学式按照物质类别填到相应表格内，找出化学式的书写、读法规律。

【学生】总结化学式的书写、读法规律。

4.归纳小结，总结提升

【教师】刚才为什么花这么长时间来探讨纯净物具有固定组成这一问题呢？

【学生】只有有固定的组成，才能用一个确定的式子表示。

【教师】这里的固定指的是什么？

【学生】元素种类是固定的，原子种类也固定，元素含量固定，原子个数比是固定的。

【教师】所以化学式中元素符号和数字不能随意更改。今天探讨的过程也体现了研究纯净物组成的思路和方法，也就是定性定量相结合，宏观微观相结合。化学式这一特定的化学符号建立了宏观与微观之间的一座桥梁。板书设计见图8。

六、教学反思

1.引用“九年之争”化学史，重温科学研究之路

本节课引领学生“穿越”回到18世纪末的“九年之争”，体验通过科学实验证明纯净物具有固定组成的历史，由此发展学生的证据推理与模型认知核心素养[5]。化学史的引入，能够激发学生学习的兴趣，使原本枯燥的知识讲授更加生动和形象化，有助于学生对学科本体知识的深入理解。学生通过教师呈现的历史材料，重温科学研究之路，与科学家一同探究与思考，也让学生了解了科学发展道路的曲折，学习科学家严谨、求实、谦逊的优秀品质[6]。

2.通过证据推理发展思维能力，构建化学符号模型的认知体系

本节课引导学生通过回答“纯净物是否有固定组成？”“如何理解和描述纯净物组成？”“如何用符号表示纯净物组成？”等一系列问题，主动建构化学式这一模型；后续再通过理解化学式含义、学会书写化学式等进行模型的解读和应用。运用模型来解决化学问题，进一步提升学生解决问题的能力，也从思维层面集中凸显了化学学科特质的思想和方法，更全面地体现了化学学科的价值所在[7]。

傅鹰教授有一句名言是“化学给人以知识，化学史给人以智慧”。他高度认同化学史在教育教学方面的价值。将证据推理与模型认知融入到化学教学中，并内化为一种固有学习方式，是培养学生化学核心素养的重要途径[8]。在今后的教学中，会继续用化学史为主线，沿着科学家研究的足迹，不断地完善、修正概念，促进学生对于化学模型的理解与建立，使学生真正理解化学概念的内涵及外延。

致谢：衷心感谢北京市基教研中心黄冬芳老师和大兴区教师进修学校刘春凤老师的悉心指导！

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012

[2]倪霞.基于证据推理与模型认知视角下的教学实践——以“配合物的形成和应用”为例[J].化学教与学，2018（7）：19-21

[3]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018

[4]叶永烈.趣味化学[M].武汉：湖北科学技术出版社，2012

[5]孟献华，李广洲.国内化学史教育研究述评[J].化学教育，2011，32（7）：5-8

[6]宗绪涛.基于化学史教学落实立德树人目标——重温原子构成的发现之旅[J].中学化学教学参考，2019（7）：23-26

[7]张娟，姜建文.基于化学史的“元素周期表”教学设计[J].化学教育（中英文），2017，38（17）：75-81

[8]周正祥，杨玉琴.指向“证据推理与模型认知”的教学设计——以“原子结构模型的演变”为例[J].化学教育（中英文），2018，39（23）：25-30