追溯化学发展史，在概念教学中培养证据推理意识

成斌斌

摘要：在化学教学过程中精准渗透化学史的有效教育，能帮助学生体会化学家探索世界的思维方法和科学态度，感受化学概念形成的曲折和严谨，培养学生的化学关键能力和必备品格。而在化学学科的发展中，证据推理贯穿于整个科学探究的过程。以“分子、原子”概念教学为例，以史料为线索，带领学生了解认知一般规律；以实验为证据，推测微观世界的變化特点，最终强化学生的学科知识，提升学生的思维品质。

关键词：化学史；证据推理；概念教学；模型建构；宏微结合

文章编号：1008-0546（2022）01-0016-04中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.004

一、研究背景

从人类钻木取火开始，化学的萌芽就已悄悄产生。化学学科的发展历史完整展现了化学物质的发现、化学规律的认识、化学方法的创造等过程。化学教学不仅要符合学科知识的逻辑顺序，更要符合学生心理发展的认知规律。而化学家对于化学概念和化学基本原理的探索过程与学生的认知过程有很大相似性。在化学教学过程中精准渗透化学史的有效教育，能帮助学生体会化学家探索世界的思维方法和科学态度，感受化学概念形成的曲折和严谨，培养学生的化学关键能力和必备品格[1]。

在化学学科的发展中，证据推理贯穿于整个科学探究的过程。研究者常常根据一个或一些事实（包括生活现象、实验现象、实验数据、调查资料及科学史料等）得出另一个新的假说，再通过实验或计算进行验证。在这个过程中，推理是思维过程，证据是前提条件。化学学习中的证据推理可以理解成“基于证据对物质的组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪，最终建立观点、结论和证据之间的逻辑关系[2]。”

二、教材分析

以“分子、原子”概念教学为例。沪教版教材对分子的表述为：“大量科学研究证明，分子是构成物质的一种微粒”“大量的研究结果表明，分子是由原子结合而成的”。常规教学思路见图1：

通过学习，学生能了解分子的一般知识，却失去了体会科学家探究微观世界的一般方法的机会，对教材中提到的“大量科学研究证明”“大量研究结果表明”毫无感触，不利于学科能力的培养。学生对化学本质的理解需建立在实践的基础上。化学发展史体现了科学家发现物质存在、研究物质性质、掌握物质用途的完整过程，因此，在学科教学中追溯化学发展史，对引导学生了解化学知识产生的社会文化背景、化学学科发展的变化历程及化学对社会、生产生活产生的影响等有重大的意义。因此，可以化学发展史为线索，了解化学家的基本研究思路，体验“证据推理”的思维方法，提升学生的思维品质[3]。而在实际案例中，如何精选化学史料作为课程资源并转化为探究情境，引导学生开展探究成为研究重点。同样以“分子、原子”概念教学为例，具体教学流程设计见图2：

三、课堂实录

1.三次画水，“看”微观粒子。

史料：[英国·布朗]在显微镜下观察悬浮在水中的藤黄粉、花粉微粒，或在无风情形观察空气中的烟粒、尘埃时都会看到悬浮微粒在永不停息地做无规则运动。

视频展示：电子显微镜下的布朗运动。

师：实验告诉我们物质都是由不断运动的分子、原子、离子等微粒构成的，随着科技的进步，我们已经可以通过电子呈像“观测”到这些微粒的存在。

史料：[道尔顿]1808年，道尔顿提出了“道尔顿原子学说”，他抓住化学元素的原子量这个最本质特征，认为化学元素由不可分的微粒—原子构成，它是不可再分的最小单位。

[阿伏加德罗]1811年，意大利化学家阿伏伽德罗提出了“分子学说”，主要观点包括：

（1）原子是参加化学反应的最小质点，而分子是游离状态下单质和化合物的最小质点；

（2）分子是由原子组成的；

（3）单质的分子是由相同元素的原子组成，化合物的分子则由不同元素的原子组成。

[阿仑尼乌斯]1887年阿伦尼乌斯提出电离学说：电解质是溶于水中能形成导电溶液的物质；这些物质在水溶液中时，一部分分子离解成离子；溶液越稀，离解度就越大。

图片展示：扫描隧道显微镜下的苯分子、硅原子图像。

师：请你根据所学内容再画一次水，注意体现微粒的基本性质。

师：水是由什么微粒构成的呢？

史料：[尼科尔森]1800年5月，尼科尔森同解剖学家安东尼·卡莱尔共同研制成英国第一个伏打电堆，即用铜币和锌板各36枚组成的电池组，他们发现，当将两根分别连接银币和锌片的导线放在水中时，与锌（负极）连接的金属丝上发生氢气泡，而与银（正极）连接的金属丝上产生氧气。

实验演示：（1）用电导率传感仪测定水的电导率。

（2）将用硫酸钠处理后的水倒入电解水装置，打开电源开关，观察到两极均产生小气泡，且正负极气体体积比为1∶2。

（3）分别检验两极气体成分。

归纳推理：（1）纯水几乎不导电，说明纯水中不存在大量自由移动的离子。而水分解后产生两种不同元素组成的物质，说明水不是由一种原子构成，而是由水分子构成。水分子由氢、氧原子构成。

（2）氢气与氧气体积比约为2∶1，则水分子中氢、氧原子个数比也约为2∶1。

师：请你根据所学内容再画一次水，注意体现水分子的构成特点。

2.证据推理，“测”分子构成。

师：早在电解水实验前人们就已经了解了水的组成。科学家是如何发现这一事实的？

史料：[卡文迪许]英国化学家卡文迪许最早对水的组成进行了实验研究。1781年，普利斯特利宣称他做了一个“毫无头绪”的实验：他将卡文迪许发现的氢气和自己发现的氧气混和在一闭口瓶中，然后用电火花引爆，发现瓶中有露珠生成。卡文迪许对这一情况产生了兴趣，他于1784年设计了一个抽真空的密封实验装置，使其充满氢气和氧气的混合气体，用电火花引爆，恢复到室温后，发现产物是一定体积的液态水。经过大量实验，卡文迪许发现，若将氢气和普通空气混合引燃，几乎全部氢气和1/5的普通空气恰好反应；若用氧气代替普通空气进行实验，同样获得水，且氢气和氧气相互化合的体积比为2.02∶1，由此，他确认了水是由氢气和氧气化合而成。

[阿伏伽德罗]阿伏伽德罗在1811年提出了一种分子假说：“同体积的气体，在相同的温度和压力时，含有相同数目的分子。”这一假说被称为阿伏伽德罗定律。这一假说是根据盖·吕萨克在1809年发表的气体化合体积定律加以发展而形成的。阿伏伽德罗在1811年的著作中写道：“盖·吕萨克在他的论文里曾经说，气体化合时，它们的体积成简单的比例。如果所得的产物也是气体的话，其体积也是简单的比例。这说明了在这些体积中所作用的分子数是基本相同的。由此必须承认，气体物质化合时，它们的分子数目是基本相同的。”

演示实验：收集不同体积比的氢、氧混合气体于矿泉水瓶中，分别点燃，观察现象。发现当氢气与氧气体积比为2∶1时，爆炸最剧烈。若在强度较高的刚性容器中，借助压力传感器或温度传感器，可发现当氢气和氧气体积比为2∶1时，反应后容器内压强最小，温度最高（见表1）。

归纳推理：当氢气与氧气体积比为2∶1时，爆炸最剧烈，说明此比例下能量释放最完全，氢气与氧气恰好完全反应。由于相同状况下，气体的体积比等于其分子个数比，因此，水分子中氢、氧原子个数比为2∶1。即水的化学式为H2O。电解水实验中氢气和氧气的体积比为2∶1也能说明这一结论。

3.模型建构，“析”变化实质

师：从微粒的角度看，氢气和氧气点燃后是如何生成水的？

史料：[霍夫曼]球棍模型是一種空间填充模型，用来表现化学分子的三维空间分布。在此作图方式中，线代表化学键，可连结以球型表示的原子中心。最早的球棒分子模型是由德国化学家奥古斯特·威廉·冯·霍夫曼所作，目的是用来讲课。

模型建构：（1）动手搭建氢分子、氧分子、水分子的球棍模型；

（2）动手模拟氢气燃烧过程中的微观变化过程（见图3）。

归纳推理：化学变化过程中，分子拆分成原子，原子再重新组合形成新的分子。该过程中分子种类、物质种类改变；元素种类、原子种类、原子数量均不变。

师：氢气燃烧后先是生成气态的水蒸气，后水蒸气液化成液态水。这个过程和氢气燃烧的本质区别在哪里？

演示实验：（1）将少量酒精放在瘪保鲜袋中，将保鲜袋置于热水中，观察现象；

（2）产生变化后再将保鲜袋取出，观察现象；

（3）打开闻一闻，有无酒精的气味；

（4）取样点燃，有无可燃性。

归纳推理：放入热水后，袋中酒精“消失不见”，塑料袋膨胀鼓起；取出后塑料袋迅速变瘪，袋中又有液体出现。经检测，酒精的化学性质在汽化、液化过程中并未发生改变。说明物理变化过程中，分子种类不变，只是分子间的间隙和运动状态改变。

模型建构：请你用图示的方法表示出你对氢气燃烧后生成气态的水蒸气，后水蒸气液化成液态水的过程中的微粒变化的理解。

生：给出图4所示示意图

师：对于分子构成的物质，哪种微粒可以保持其化学性质？

演示实验：（1）分别点燃液态酒精和气态酒精，观察现象；

（2）向水、过氧化氢溶液中分别加入少量二氧化锰，观察现象。

归纳推理：液态酒精和气态酒精都具有可燃性，因为其分子种类相同；加入二氧化锰后，过氧化氢分解，而水不分解，因为其分子种类不同。说明分子可以保持物质的化学性质。

4.宏微结合，“辨”物质类别

师：请根据氢气和氧气燃烧反应前后容器内物质组成（宏观）、微观粒子构成（微观），判断反应前后容器内物质属于纯净物还是混合物，并说明理由。

小结：（宏观角度）由一种物质组成的是纯净物，由多种物质组成的是混合物；

（微观角度）由同种分子构成的是纯净物，由不同种分子构成的是混合物。

三、教学反思

化学概念的建立既需要事实依据，也需要理论支撑。在教学过程中，以史料为线索，带领学生了解科学家对物质认知的发展过程，体会科技进步对探索微观世界的帮助；以实验为证据，推测水的微观构成、物质变化的微观实质，以微观理论解释宏观现象，以宏观事实证实微观变化。在情境中激发思维，在问题中构建观念，在建构中掌握方法，最终在学习知识的同时培养学科思维能力[4]。

参考文献

[1]费志明，陈懋.融入化学史的“水的组成”化学启蒙教学探索[J].化学教学，2021（2）：48-50.

[2]杨砚宁.基于证据推理的科学探究：实验、评价及反思——以“铁钉锈蚀实验”为例[J].化学教与学，2017（2）：13-15+33.

[3]石华军.基于化学史教育的化学教学设计研究与实践[D].济南：山东师范大学，2013.

[4]杨芬.基于化学史促进学生概念理解的教学研究[D].桂林：广西师范大学，2019.