基于化学史定量分析法的“空气成分的探究”教学设计

李 舒，许晓婷，鹿钰锋，许俊翠

（1.合肥师范学院化学与化学工程学院，安徽 合肥 230601；2.合肥工业大学附属中学，安徽 合肥 232000）

化学史是人类在长期社会实践活动中对化学知识系统、历史的描述[1]。化学史的教学是利用化学发展过程中的重要史实、有关概念定理和科学技术的变迁，对学生进行知识内容、思想方法、社会认识以及道德情感等多方面的培养过程[2]。孟献华对化学史课堂教学设计场景进行分析，归纳出四个教学维度：记忆具体事实、激发学习兴趣、转变学生概念和理解科学方法[3]。本文以定量分析的科学方法为主线，利用化学史设计了“空气成分的探究”教学案例。

1 设计思路

1.1 将定量分析方法贯穿于课堂教学设计

基于化学史的教学，应体现学科发展中所存在的固有规律、学科教学的认知价值及化学发展本质等[4]。一般认为，知识点的建立、引申和扩展，知识点及其连接处一定存在科学方法的因素[5]。因此，将科学方法应用于化学课堂教学设计有较强的可行性和必要性。在此，选取科学方法中的定量分析法作为“空气成分的探究”一节课的主线，借助科学家对空气成分测定的化学科学史实，引导学生认识科学家对科学方法的选择、应用，以及分析方法的发展和演变，体验科学探究的过程，深化对科学本质的认识，体悟科学思想和科学态度，实现化学史应用策略和教育价值的统一。

1.2 基于定量分析法的“空气成分的探究”教学设计思路（图1）

图1 基于定量分析法的“空气成分的探究”教学设计思路

2 教学分析

2.1 教材内容分析

本单元“空气”是继上一单元介绍了化学基本入门知识后，从学生最熟知的事物“空气”入手，进行具体物质的学习。本单元3个课时分别围绕其组成、性质和制备进行研究。本节“空气成分的探究”作为本单元第一课时，其教学价值在于：第一，研究物质组成成分及含量，培养对混合物组成的理解，渗透定量分析研究方法的学科价值；第二，通过探究性实验，发展分析推理、归纳反思的认知价值，并为后两节课“氧气”“制备氧气”奠定认识基础；第三，通过化学史实和空气在生产生活中的应用体现社会价值。

2.2 学情分析

本节课中，学生处于初三上学期刚进入化学学科的入门阶段，在上一单元掌握了化学基本的实验操作方法和定性的物质检验方法，未接触过化学定量分析方法，对分析方法的概念很模糊；初步学习过通过实验进行科学探究；初步对空气包含氮气、氧气、二氧化碳等成分有所了解，但不了解各成分具体含量；对物质组成和性质的理解较为模糊。

3 教学目标

（1）通过对空气组成成分的探究，发展宏观辨识能力，理解纯净物和混合物的概念。

（2）通过认识拉瓦锡测空气中氧气含量的方法，理解化学中的定量分析方法，发展模型认知能力。

（3）通过空气中氧气含量的测定实验，发展证据推理能力，提升科学探究、合作、反思能力和创新意识。

（4）通过了解科学家的科研历程及化学史的发展演变，体悟科学家的研究思想、方法和科学态度，提升社会责任意识。

4 教学过程

[教学环节1]：证明空气的存在

教师提问：同学们，我们周围处处环绕着空气，但它看不见摸不着，大家有什么方法能证明空气的存在吗？

教师讲述：①十七世纪，意大利科学家伽利略做了这样一个实验：把一个大玻璃瓶打足气，称量其重量，再打开玻璃瓶上的活塞重新称重，发现玻璃瓶变轻；②1643年，意大利科学家托里拆利做了著名的压强实验：取一端封闭的玻璃管灌满汞，开口向下插入汞槽，发现玻璃管上方液面会下降，留出一段空间（真空），且无论玻璃管怎样倾斜，甚至换用其他长度和直径的玻璃管，管内水银柱垂直高度始终都为760 mm。这是因为汞受到大气的压力，支持住了760 mm的汞柱。

教师提问：大家思考一下这两个实验，分别得到了怎样的结论？在表达方式上有何区别？请大家先尝试思考，再通过组内交流，得出更为合理的结论。

学生1：向气球里面打气，使它鼓起来的就是空气。

学生2：向小口的保温杯里，或用很粗的水流倒水倒不进去，杯子里充斥的就是空气。

学生3：一个是打足空气的瓶子比不打空气的要重，一个是大气压形成了760 mm的汞柱。

学生4：一个用轻重来表示，一个用数字来表示。

教师归纳：没错，关于两位科学家的结论，一位得到了“变轻”，一位得到了“760 mm汞柱”，那我们用更专业的说法，一个是定性分析，一个是定量分析。定量分析起源于分析化学的一个分支，定性分析化学是研究物质的鉴定，定量分析化学是研究试样中某一物质含量的测定。定量分析方法的提出，使得分析方法从过去凭借直觉、经验作出判断的定性分析，演变为通过实验、公式和数字符号等精确的量化表征来作出判断的定量分析，两种分析方法往往相辅相成，相互补充。

设计意图：从已有知识出发，通过学生对空气存在证明的思考和化学史实的叙述，体会科学家对空气所用的实验探究方法。通过两个实验的比较，初步认识定量分析与定性分析，理解二者的区别和联系。

[教学环节2]：氧气和氮气的发现

教师讲述：①1772年，英国科学家卢瑟福在老师布拉克的研究基础上发现了氮气：他在密闭容器中放入一只老鼠，同时放置白磷以除去氧气，发现老鼠很快窒息死亡；②1777年，法国科学家拉瓦锡结合舍勒和普利斯特里二人的研究，做了研究空气成分的著名实验，提出：空气由氧气和氮气两种气体混合而成，氧气约占空气体积的1/5。

教师提问：请大家阅读教材，独立思考后，以小组为单位讨论以下两个问题：①拉瓦锡是根据什么原理来设计实验装置的？②他通过什么方法测得所消耗的氧气体积？

学生1：将汞加热与氧气反应，消耗密闭装置中的氧气，使装置内气压减小，与外界大气形成气压差。

学生2：通过汞槽内液面的上升。

设计意图：通过化学史进一步理解定性分析和定量分析的本质区别；通过分析拉瓦锡的实验原理，理解其实验设计思路，发展证据推理等素养。

[教学环节3]：测定氧气含量的实验设计

教师引导：同学们，卢瑟福用定性的方法发现了氮气，而拉瓦锡用定量的方法，不但证明了氧气的存在，还测出了氧气在空气中的含量。拉瓦锡实验选用的汞虽然分解温度低，易加热，但汞是有毒物质。大家能否根据老师提供的资料、实验仪器和药品（木炭、硫粉、铁丝、红磷、蜡烛等），参照拉瓦锡的实验原理，自己设计实验来测定空气中氧气的含量？

教师：请各组代表分别说一说你选用药品的理由、装置设计的原理以及优缺点。

学生：选用的药品需满足：①不生成气体，能将装置内氧气消耗完且只跟氧气反应；②装置的设计需满足：保证装置气密性好，形成压强差，便于测量所消耗的体积。

教师：请大家分组进行实验，记录观察到的现象，实验结果有误差的小组分析误差原因，并讨论如何改进。

小组1：测定结果大于1/5，可能是气密性不好或红磷加入速度慢，气体受热逸出。

小组2：测定结果小于1/5，可能是装置未冷却至室温便打开止水夹。

教师总结：因此，以选用红磷燃烧实验的小组为例，为保证所得到的测定结果误差尽可能得小，实验必须满足：①红磷应足量；②检查好装置气密性；③红磷点燃后应迅速将燃烧匙插入集气瓶中，并迅速塞紧橡皮塞；④待集气瓶冷却到室温后，再打开止水夹；⑤集气瓶中加少量水，并事先将水面以上的容积划分为五等份并做上标记，烧杯中的水应多于集气瓶容积的1/5。

设计意图：通过模拟实验设计，深化对实验原理的理解，把握定量实验的基本要素，发展实验设计、观察、操作、合作和反思能力。

[教学环节4]：稀有气体的发现

教师讲述：在拉瓦锡之后，直到十九世纪末，人们仍然认为空气中仅含氮气和氧气。1868 年，法国科学家詹森从日冕光谱中发现了氦元素；1892年，英国科学家瑞利发现，去除空气中其他气体所得到的氮气，与通过化学反应生成的氮气，两者密度之间总是存在着千分之一的差异，因而发现了惰性气体氩；1898 年，英国科学家拉姆塞对空气分馏物进行光谱分析，发现了氖、氪和氙；1908 年，拉姆塞发现了最后一种惰性气体元素氡，至此，元素周期表中零族元素全部被确定下来，瑞利和拉姆塞也因此获得了1904年的诺贝尔奖。

教师讲述：分析化学一直是化学领域的重要分支，是鉴定物质的化学组成、测定物质有关组分的含量、确定物质结构和存在形态等的一门科学。化学定量分析一直在分析化学领域占据着重要地位。当然，定量分析法如今同样应用于各种学科领域，如物理、机械、经济、管理、政治以及文学等等。如今，随着科学家们不断地科研探索，人们已经能用各种实验方法精确地测定空气各组分的含量（介绍教材中空气组分成分含量，并讲解混合物、纯净物的概念）。

设计意图：通过稀有气体元素的发现历程，丰富学生对科学家科学方法和科学精神的感受；通过介绍定量分析法的地位及应用领域，促进对定量分析法的整体理解和感悟。

5 结束语

“空气成分的探究”一课中，通过模拟拉瓦锡的实验原理测定空气中氧气含量的实验，是学生在初中化学初次接触的定量分析实验。本教学设计将定量分析法置为课堂主线，选取定性和定量实验的相关化学史料，进行定性和定量实验对比，通过从定性到定量的初步探析，帮助学生认识定量分析法，初步架构起对化学科学方法的认知。在此基础上，根据拉瓦锡的定量实验原理进行模拟实验设计，发展学生实验设计、操作、合作和反思能力，并通过稀有气体元素的发现历程，帮助学生从分析化学的上位角度理解定量分析法，体会科学家的科学思想和科学态度。