基于概念演变史与元素观建构的九年级化学复习课

沈健

摘要：基于《义务教育化学课程标准（2011年版）》，对九年级学段元素观的培养要求作了论述，梳理了沪教版九年级教材中元素观的文本脉络，在九年级上学期复习课中，以元素概念演变历史进程为背景，从“元素是什么”“从元素看物质”“从元素看化学变化”三个角度帮助学生搭建元素观。

关键词：元素观；元素概念演变史；复习课

文章编号：1008-0546（2022）01-0073-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.018

*本文系南平市十三五骨干教师培养对象培训课题“基于科学史初中化学元素观建构的案例研究”阶段性研究成果。

化学教学要结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，引导学生进一步学习化学的基本原理和方法，形成化学核心观念[1]。元素观是化学基本观念，元素观的内涵是什么？沪教版九年级教材中元素观建构的文本脉络是怎样的？如何在九年级化学教学中建构元素观？笔者尝试在九年级上学期复习课阶段，进行“再探元素的前世今生”复习教学，以元素概念演变的历史为情景，引导学生通过知识整合、提炼、应用，将隐性的观念教育显现化，以达学以致慧。

一、教学主题内容与现状分析

1.元素观的理解与表述

笔者以“元素观”为主题，在“中国知网”检索，找到370条结果，其中上海师范大学吴俊明教授和华东师范大学吴敏教授，在“元素概念的演变与化学元素观的教学”一文中对元素观作了系统阐述，据此笔者基于《义务教育化学课程标准（2011年版）》，对九年级学段元素观的理解与表述进行整理，见表1。

2.教材编写中元素观呈现的文本脉络

沪教版教材依据九年级学生的认知心理特征，采用循序渐进的策略，将元素观的建构过程安排在各章节，分阶段进行。表2呈现了教材（上册）中“物质是由元素组成的”“化学变化过程中元素不变”等元素观的文本梳理。

3.教学现状分析

化学概念不仅是基础知识的组成部分，概念建构过程还承载着发展学生思维能力的功能[4]。当下，元素观的教学易被简化为元素概念的教学，缺少元素观的整体感知，元素概念演变中的教育教学资源开发欠缺，在平时教学过程中被习题、试题导向教学，如在使用元素概念时，不能说“个”，只能说“种”。在分析元素与原子关系时，强调是宏观与微观的关系，至于学生理解不理解，不予细究，只是一味地刷题，却对“元素是对原子的一种概括与分类”观点的认知不足，在这样的教学中，学生不仅没有体验到科学概念的探索历程，更忽视了学科思想方法的教育。

二、教学内容的撷取与学习流程设计

1.元素概念的演变

人类探索组成物质的基本成分——元素的历程曲折而又漫长。从古代抽象玄虚的元素观，到近代波义耳基于分析理性和实验的元素观[5]，再由道尔顿将元素概念引向微观世界——原子，门捷列夫等人发现不同元素间的内在联系——周期律，到卢瑟福ɑ粒子散射实验——原子是可分的，二十世纪初索迪提出了同位素的假说，催生了现代元素概念——具有相同核电荷数的一类原子的总称，居里夫人对放射性元素钋和镭的发现与研究——元素是可变的……至今，微觀世界不断有许多新发现，但现代元素概念与化学研究水平——在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用[2]是相称的。

2.学情与教学初衷

在九年级上学期期末阶段，学生学习了从化学视角认知身边常见物质，对氧气、二氧化碳、水、金属等元素化合物质知识初成体系，所在教学班有近70%的同学能熟练运用化学用语，对分子、原子、元素、质量守恒定律等概念的认知略显生涩，对元素观缺乏整体感知。因教材编写顺序和学习循序渐进的特征，元素观在新授课中是分散在各章节中教学，学生对元素观是碎片化认知，为促使学生形成元素观结构化认知，可利用期末复习阶段，将隐性的元素观整合呈现，以元素概念演变史为背景，在元素观大概念的统摄下进行复习课设计。

3.教学目标

（1）通过“元素是什么”“从元素看物质”“从元素看化学变化”，三个维度的结构化教学，整合元素观的认知，通过复习让学生能说出3-4点元素观内涵。

（2）通过复习，让学生明晰元素概念、元素与原子的关系，检查学生运用化学用语表达物质的组成及变化的水平，厘清纯净物、混合物、单质、化合物、氧化物几个概念关系，能准确对常见物质进行分类，能运用质量守恒的思想解决化学计算、探究蔗糖组成中是否含碳元素等现实问题。

（3）在元素概念的演变史的教学情景中，学习求真务实的科学精神，在辨析概念中锻炼学生敢于质疑的科学品质。

（4）通过复习让学生关注到技术的发展对科学研究推动的重要作用。

4.学习流程设计

根据元素概念的演变和学情特点、教学目标，笔者撷取了相关史料为情景素材，在九年级上期开设“再探元素的前世今生”复习课。本课情景线、知识线、活动线如图1所示。

三、课程实施

1.元素之迷

【教师】同学们，你们会猜字谜吗，老师准备了一些字谜，你们想挑战一下吗？

（1）抵押石头。（打一化学元素）

（2）金属之冠。（打一化学元素）

（3）端着金碗的乞讨者。（打一化学元素）

（4）品德高尚。（打三种化学元素）

【学生】（1）碘；（2）钾；（3）钙；（4）锌、磷、镁。

【教师】组成物质的基本成分是什么？这个问题，像“谜”一样困扰着人们长达数千年。今天让我们重踏先哲的脚印，再探元素的“前世今生”！

设计意图：物质组成之迷，如字谜一样吸引着人们去思考。

2.元素概念的演变与辨析

（1）古代元素观

【教师】春秋时期《管子·水地篇》记有“水者，何也？万物之本原也……”。这句话表达了什么样的观点？

【学生】水是组成物质的基本成分。

【教师追问】那个时候，先哲们为什么会做出这样的判断，他们的依据，你认为是什么呢？

【学生】植物生长需要水；许多生物体内都有水；江、河、湖、海中有水，空气中有水蒸气……

【教师】历史上不同时期东西方哲学家对物质的组成基本成分提出了一些玄虚而又抽象的观点，如东方的“金、木、水、火、土阴阳五行学说”，古希腊亚里士多德“土、水、气、火”四元素说，但随着生产的发展，人们对自然界的物质有了越来越多的发现和认识。如：

①加热朱砂[HgS]可以获得水银。你能写出该反应的化学方程式吗？这个化学反应的类型是什么？

②又如东汉炼丹家魏伯阳在所著的《周易参同契》记有“胡粉投火中，色坏还为铅。”“胡粉”受热后会变成铅的氧化物，如Pb3O4。请写出Pb3O4在炭火中转变为铅的化学方程式；这个化学反应的类型是什么？体现了碳单质什么性质？

【教师】炼丹术士为着各种目的研究物质，相继发现了锡、砷、锑、锌、磷等单质。为近代元素概念的诞生做好了证据准备。

设计意图：一是培养学生证据意识；二是检阅学生化学方程式书写能力；三是让学生感受生产实践经验是科学知识重要来源。

（2）近代元素定义

【教师】1661年伟大的英国科学家波义耳的《怀疑的化学家》一书出版，对亚里士多德的“四元素观”提出了质疑。他认为“元素是指某些原始的和完全纯净的简单物体，它不能由任何其他物质所构成，也不能彼此相互构成[6]。”你认为波义耳所提出的元素和我们现在所定义的哪类物质特点相似？

【学生】单质。

【教师】按照波义耳元素定义，金刚石与石墨还是由同种元素组成的吗？但科学探索的历史长河中，波义耳元素定义的伟大在于，让化学摆脱了神学、炼丹术的樊篱，为化学研究建立了一套方法论，从而把化学引向了科学的康庄大道。

【教师】一百多年后，空气组成的发现者——法国科学家拉瓦锡给元素下的定义是：“元素是用任何方法都未能分解的物质[6]。”拉瓦锡元素定义的意义在于他建立了一个元素的判断标准，这个标准是什么？

【学生】能否再分解。

【教师】在我们教材中有专门的一节内容是通过一个实验研究一种物质的组成，是什么实验，得出了什么结论？

【学生】电解水实验，水是由氢元素和氧元素组成的。

【教师】所属反应类型是什么？

【学生】分解反应。

【教师】电解让人们发现，水还能分解，水并不是由单一元素组成的。电解技术的发现和利用，不仅开启电化学时代，也是化学元素发现的井喷时代。

设计意图：思想方法教育。感悟“分解”是研究物質组成的重要方法，由古代将水认为是一种元素，到现在发现水还可以再分，并不是简单的基本成分，感悟“技术”对科学研究的重要推动作用。

（3）现代元素定义诞生

【教师】在这个时期，英国科学家道尔顿在1803年提出了著名的原子学说。其中关于化学元素，他写到：“化学元素由非常微小的、不可再分的物质粒子——原子组成，原子在所有化学变化中均保持自己的独特性质……原子的质量是每一种元素的特征性质[7]”。道尔顿将元素的定义引向了原子。原子可不可以再分？

【学生】原子存在内部结构，原子在化学变化中不能再分。

【教师】卢瑟福ɑ粒子散射实验奠定了现代原子结构学说，哪位同学能解读一下这个实验现象。

【学生1】大部份ɑ粒子能穿透金箔保持方向不变，少数发生了偏转，极为少数居然原方向反弹。只有极少数ɑ粒子出现反弹或偏转现象，似乎ɑ粒子碰到一个质点，这个质点占原子内部体积很小，但这个质点质量非常大，说明原子内部质量不是均匀分布的，而是几乎集中在这个质点上，且这个质点带正电荷。

【学生2】原子是由居于原子中心的原子核和核外电子构成。原子核是由质子和中子构成。原子的质量主要集中在原子核上。

【品读定义】“元素是用任何方法都未能分解的物质”——拉瓦锡的元素定义存在的问题是什么？

【学生】“任何方法”——没有界线。

【教师】化学是在分子、原子水平上研究物质，所以所谓“分解的方法”应当要有“界线”！

【教师】请同学们打开课本70页，齐声读相对原子质量的定义。（当学生读到“以一种碳原子”时喊停，反复2次）

【教师追问】你们想到了什么？

【学生】有不同种碳原子。

【教师】是的，存在不同种碳原子。表3是某些元素原子的数据，如果要对这些原子进行分类，按什么分，最简单？原子质量是判断不同元素的合适方法吗？

【学生】可以按质子数的多少，不能用原子质量。

【教师】元素实际上就是对原子的一种概括，一种分类方式，分类的标准是“按质子数的多少”。元素是具有相同核电荷数（即质子数）的同一类原子的总称[3]。该概念所界定的内涵——质子数相同，与外延——同一类原子是相称的，也是和我们在分子、原子水平上研究物质性质和变化相适应的。

设计意图：九年级学段不能讲同位素，但如何在引出这个事实，并发现元素实质是对原子的一种概括与分类，分类的方法是按质子数的多少，进而得出现代元素概念。我觉得与其枯燥地讲解元素概念，做咬文嚼字般的解读，不如引用元素定义演变的历史脉络情景，更能促进学生理解概念为什么要这样定义，进而领会学科思想方法。

3.元素的表示

【教师】我们该如何表示元素呢？见图2，古代，它曾是炼金术士的神密“暗语”，你能看得懂吗？近代，元素符号曾以不同形式呈现在不同的科学家著作中，如道尔顿的元素符号，直到现在我们使用的元素符号，这些变化有什么样的进步？

四、教学评价与反思

1.大概念视角下的课程开发

义务教育阶段的化学教育，要激发学生学习化学的好奇心，引导学生认识物质世界的变化规律，形成化学的基本观念[2]。元素观是基本的化学观念，本课在元素观大概念的统摄下，进行复习课程开发，不仅有利于学生学科知识结构化，还促进学生学科核心素养的整合提升。本课中的学科大概念、基本概念、知识点三个层级关系见图3。

2.科学史素材的甄选要切合教学需求

元素概念的演变史，也是学科思想方法的进步史，鉴往知来，既是教育的本真，更是课程开发的重要策略。面对海量的科学史实，素材的选择应以主要事件和教学需求为准。如：古代中西方都认为“水”是一种元素的观念，到发现水还分解，并不是一种“简单物质”——元素！让学生体会到元素是组成物质的基本成份，即“简单物质”，可以用“分解”的方法研究物质的组成。为让学生认识到元素家族成员的扩充源自于生产实践，故引入魏伯阳关于铅的冶炼记载。本课遴选元素概念的演变史上代表性科学家的论述，以时间为序，依次是波义耳、拉瓦锡、道尔顿等人，在引领学生品读、辨析概念的过程中，不仅领会了学科思想方法，还能学习到一代代科学家追求真理永无止境的探索精神。

元素观是内隐于具体化学知识中的基本观念，通过复习课，从“元素是什么”“从元素看物质”“从元素看化学变化”三个维度，将元素观外显为学生具体的研究任务，帮助学生明晰元素观，进而用好元素观解决问题。学科观念的养成是一个系统的工程，教学中如何更好地渗透学科观念教育，仍需在实践中不断探索。

参考文献

[1]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，2018：2.

[2]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，2012：25，23，1，1.

[3]中学化学课程标准研制组.义务教育教科书·九年级化学（上册）[M].上海：上海教育出版社，2018：103，75.

[4]仇永红，王春，刘晓娟.基于发展化学核心素养的概念教学——以“认识溶液”为例[J].化学教育（中英文）.2020，41（19）：20-24.

[5]吴俊明，吴敏.元素概念的演变与化学元素观的教学——关于科学观念和科学观念教育思考之三[J].化学教学，2014（6）：3-7.

[6]Б.M.凯德洛夫.化学元素概念的演变[M].陳益升，袁绍渊，译.北京.科学出版社. 1985：3，5.

[7]J. R.柏廷顿.化学简史[M].胡作玄，译.北京：中国人民大学出版社. 2010：137.