微粒观的发展及其对培养学生宏微核心素养的意义

王金威 张鹏飞

摘   要：公元前几百年学者认为物质的本源是水、火、气等物质，公元几世纪时学者又提出了元素说和四原性说，再到道尔顿提出了原子学说。学生微粒观的建构对于学生学习化学，形成化学思维具有至关重要的作用，可通过讲授化学史实的发展过程来建构学生的宏观辨识与微观探析的概念。在化学史实的学习中让学生认识化学、热爱化学、体会化学学科的本真和思考的美丽，从而培养学生的化学学科核心素养。

关键词：化学教学；微粒观；核心素养；化学史教育；化学史

在新的时代背景下，对人的要求也在不断地变化，为了培养学生能够适应社会，成为一个全面发展的人，对学生发展提出了新的要求。2017年颁布的新课标，即《普通高中化学课程标准》就提出了核心素养这一新的概念，课标中提出化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”5个方面[ 1 ]。而在这五个核心素养中，最能体现出化学学科特点的素养当数“宏观辨识与微观探析”。郑长龙教授提出：在新课标中“宏观辨识与微观探析”的内容回答了化学学科的 “以实验为基础”，与物理学和生物学的 “以实验为 基础”有什么不同，凝练了化学学科的本质特征[ 2 ]。在化学学习中最重要的内容就当属构建学生的宏观辨识与微观辨析的概念，让学生具有系统的微粒观。学生只有有良好的微粒观，才能够理解化学中的宏观现象的本质。透过现象看到本质，理解化学科学的真正内涵。

在常规的化学教学下，学生对物质微粒观的掌握情况并不是很好。学生的学习属于记忆性学习而非理解性学习，对于知识的掌握仅仅停留在记忆水平，而不能熟练灵活的运用[ 3 ]。微粒性认识是对物质构成及其转化的微观本质认识，微粒性认识形成的标志是“解释”，即解释现象。而学生不能够准确的解释宏观现象出现时，在微观角度发生的反应，这说明学生对于微粒观的理解是机械的记忆而不是系统的建构成能够灵活运用的微粒观。

为了解决这一问题，本文设想通过化学史的学习来促进学生微粒观的建构，从整个化学科学发展的历史长河中出发，对化学史进行学习。学生在完整的学习过化学知识之前，对于微粒的概念是陌生的、抽象的，在其大脑里的思维观念与历史上研究构成物质的最小微粒是什么的自然哲学家和自然科学家是一样的。都是从无知到好奇、从好奇到求知、最后求得真理的过程，所以通过化学史实的发展建构学生的宏观辨识与微观探析的概念符合学生的认知。能够让学生在了解化学史实的过程中，丰富视野、掌握化学研究方法和思想、体会科学家们智慧的火花。本文通过广泛参考史料，按时间顺序将人类从“能不能把万物的根源归结成一种单一存在的实在物料”这一问题的提出，到道尔顿提出原子论，这一有关人类“微粒观”认识发展的历史进行叙述。

1  爱奥尼亚学派的自然哲学观

古希腊哲学家泰勒斯在公元前600年，首先提出一个问题：能不能把万物的根源归结成一种单一存在的实在物料，而世间的万物都是它表现出来的某一种形式或者是从它本身衍生出来的。他认为自然界中最小的微粒就是水，所有的物质都是由水组成或者由水衍生而成。同时，各种物质不能超越气、液、固三种形态，这样他就创立了一种模式，即用纯自然的术语描述人类和周围世界的变化，而不渲染上神学宗教色彩[ 4 ]。泰勒斯首先提出了关于“物质本源”这个前人从未提及的问题，开创了一个新时代，这是人类向化学科学、向研究物质组成迈出的第一步。并且他也注意到任何物质都逃不出气、液、固这三种状态，即又指出了物质存在的三种状态。同样的，学生在学习化学知识之前通过对宏观世界物质的观察就能够意识到物质具有固、液、气三种状态。

阿纳克西曼德根据他的老师泰勒斯的主张，引申出了一个新的概念——阿培隆。他认为阿培隆是一种混沌的物质，万物皆生于阿培隆，万物就犹如阿培隆中的泡沫一样不断地生生灭灭。阿纳克西曼德的思想中还透漏着对立观的思想，就正如在宏观现象的学习中，常常伴随着微观层面的变化，宏观和微观二者对立统一，从微观的角度认识事物的实质去解释宏观角度所观察到的现象。

阿纳克米西尼的观点是“万物皆是气”，即物质的本源是由一种物质所组成的，万物之间产生区别的原因则是凝聚程度量变造成的。他认为：气稀释变成火、气凝聚变成水、然后又会变成土和石头[ 5 ]。尽管他这个观点现在看来并不准确，但是我们可以正确的运用的他的思路去解释气、液、固三相变化。比如我们在认识水蒸气、水、冰，都是由水分子组成的，造成其不同的原因可以解释为凝聚程度量变造成的，即水稀释变成水蒸气，而水分子凝聚则就变成了冰。

公元前五世纪，毕达哥拉斯的弟子们尽管没有说出物质的本源是什么，但是他們指出了冷、热、干、湿这四种物性要素是造成物质运动和变化的关键，通过这四种要素的作用引起物质的稀散和凝聚。尽管这四种物性只是人构想出来的，没有物质实体，但是这种微观粒子相互作用的观念与现代化学的观点不谋而合。即微观粒子在物质内部是运动的，而且化学反应就是建立在离子运动所引起的碰撞上的。同时，这种“物性”观点深深的影响了亚里士多德的微粒观。

爱奥尼亚学派最后一批哲学家的代表人物阿纳萨哥拉。他设想宇宙中存在着无数“种子”的微粒，这些微粒既不能够被创造也不能被消灭，是由它们聚合和分裂形成的世间万物。同时他提出了“物以类聚”的概念，如含有肉质较多的粒子相互结合就便生成了肉体。

2  恩培多克勒的元素说和德谟克里特的原子论

公元前五世纪，恩培多克勒承认万物都是有“种子”的，但并不是无数多种。他认为自然界中只有四种元素，即水、气、火、土，他们都是由恒定不变的细小微粒组成，即只有四种“种子”，而世间的所有物质都由这四种“种子”组成，造成物质不同的原因只是由于每种物质中所存在的各“种子”的比例不同。同时他又提出了“爱力”与“憎力”的概念，即元素在爱力的作用下结合、在憎力的作用下分离。这是科学史上首次使用正确的、客观的力说明微粒之间的相互作用的观点，与现代化学中所提到的微粒之间的引力和斥力是一致的。该理论被视作化学亲和力学说的萌芽。

同时也是在公元前五世纪，留基伯和他的弟子德谟克里特提出了“古代原子论”，德谟克里特认为世界上的各种物质都是由不可再分的原子组成，物质的千变万化都是原子组合和分离的结果，宇宙中的现实存在只不过是原子和虚空[ 6 ]。但是他所指的原子并非我们现代科学意义上的原子，他所认为的原子是由同一种原质组成的，只是由于形状和大小不同从而形成了火、土、气、水四种元素。原子的存在和运动产生了宇宙中所发生的自然现象，物质的产生源自于原子之间所进行的碰撞，并不是由于谁的意志而形成的。德谟克里特是杰出的唯物主义者，他古代朴素的原子理论为后世化学学科的出现和后人微粒观的建构起到了重大作用。

3  亚里士多德的“四原性说”

人的认识的发展并不一定是直线向上发展的，而是螺旋上升的甚至有时会有倒退的现象出现，而人类对于一个问题的认识也是这样。在古代朴素唯物主义的观点之后，公元前四百年出现了以苏格拉底和他的弟子柏拉图为代表的雅典学派，试图用主观、思维的本末倒置的方式去认识自然世界。

柏拉图的弟子亚里士多德有选择性地吸收了柏拉图的理论，同时也吸收了部分爱奥尼亚学派的观点，提出了后世所称的“四原性说”。在他看来，万物的基础是单一、潜在的原初物质，或者叫第一质料。他认为自然界中的物质实体固然重要，但并不是最重要的，而其本质是物性。他的“四原性说”是指由四种物性湿、冷、干、热组合，但对立的两种物性无法组合，所以便只有四种组合，便分别组成了火、水、土、气四种元素。

亚里士多德所提出的元素也并非现代意义的化学元素，而是指把物性组合并依附在原初物质中生成元素。不同元素有按不同的比例结合成所谓的“何蒙米利亚”，“何蒙米利亚”是构成世界物质的微粒。这与阿纳萨哥拉所提出的“种子”概念相似，但是与现代化学元素概念相去甚远。他提出了合成、化合和掺合三个有关元素之间相互结合的概念。合成既是现代意义上的机械混合，化合是指能生成新物体之间的混合，掺合是指能生成新物体的液体之间的混合。化合和掺合的提出，能够体现出他已经能够从微观的角度说明物质的转化，即物质间的各个元素重新排列组合，形成结合新的比例从而旧的物质消失、新的物质生成。但是他只讨论了固体与液体的物质变化，说明在当时还没有注意到对气体反应的研究。

亚里士多德的“四原性说”对后世的影响颇深，古希腊的炼金术和中世纪阿拉伯的金丹术的理论基础均是在他的“四原性说”下发展而成的。

4   “三元素论”与伽桑狄的“原子論”

在15世纪，帕拉切尔苏斯提出了与亚里士多德的“四原性说”完全不同的“三元素论”。在“三元素论”中他认为构成各种金属的要素是硫、汞、盐三种元素，各种金属不同原因来自这三种元素的组成比例不同。硫代表易燃性的要素、汞代表可溶性或金属性的要素、盐是构成固体实体的要素。按照他的理论，木柴燃烧时燃烧的是硫，蒸发的是汞，剩下的是盐。这一理论在当时获得了很大一批人的支持，因为他的理论能够完全符合当时科学家们在做干馏时的实验现象。通过宏观的实验所观察到的现象，去解释探讨微观所发生的反应，尽管在现代化学中看起来像是荒诞的谬误，但是在当时甚至对后世关于“物质是由什么组成的”这一问题做出了巨大的贡献。

比利时的化学家范·海尔蒙特则对当时所流行的各种元素说持否定态度，他认为只有水和空气才能够被称为元素，且这两种元素之间是不可以互相转变的，也都不能再拆分成为更加简单的物质。虽然他的这一理论在现在看来是错误的，但是他已经不像前人一样用逻辑推理忽略实证，而是极力通过实验来证明自己的观点。对后世，对化学的认识有着很大的影响，表现出了真正科学家的作风。

随着欧洲工业革命的胜利，人类的自然科学观从古代跨越到了近代，对物质本源也有了更加清晰的认识。不再笼罩在神学和经院哲学的阴影下，而是从更加理性的、机械唯物论角度探讨物质的本源。法国科学家伽桑狄提出的用原子论和机械论哲学解释物质的本源，试图用微粒的大小和形状来解释由它们组成的物质所显现出来的宏观性质。如热是由微小的圆形物质所组成的，而冷是由有棱角的锋利的锥形原子组成的，他的这一理论在后面很多年都受到了化学家们的关注。

5  波义耳的微粒观与道尔顿的原子论

摒弃了超自然或者来自于神的意志这些唯心主义的观点，用机械唯物论方法解释自然现象的科学家中，最伟大的代表人物当属英国科学家波义耳。波义耳出生于优渥的家庭，但他不贪图享乐把精力和金钱都投身于科学研究中。对于化学的态度，他认为化学应该从哲学的角度观察，而不是以一种经验技艺的态度认识化学。他主张化学是一门科学，而在这门科学中最重要的就当属实验。他认为“没有实验，任何新的东西都不能被深知。”“空谈无济于事，实验决定一切。”“如果把自己的精力都献给了实验，收集和观察事实，并关心真正的科学成就较之个人的利益为重，那么他就很容易证明，他们在世界上建立的伟大功勋。”他的实验观在他一生的研究中起了决定性的作用，相较于前人苦思冥想的研究方式，他的用实验来证明自己想法的观点更加科学。

并且他希望对物质实在的终极本质，即表象背后的实质作出解释。即像古人一样，借鉴可观察世界的知识，抽象它的各个方面，并将其转化为基本原理。具体而言就是，他主张这些原则的可解性，试图通过与可观察的宏观领域的类比，提出关于微观领域的似乎合理的主张。这些主张援引了不可观测粒子的形状、大小和运动，必然超出了直接可观察属性，从而使得关于这些不可观察粒子的论述并不必然合理。尽管他的这一想法在这一具体情境下不尽合理，但是他将宏观微观联系起来，并且能够通过实验进行证实的思想是足够先进的。

波义耳在他一生的化学研究中，最深入的是对物质的组成和结构的探讨，他试图用机械论的方式把物质的性质和化学变化描述出来[ 7 ]。他接受了伽桑狄的原子论的看法，反对亚里士多德的“四原性说”和帕拉切尔苏斯所提出的“三元素论”。在他的著作《怀疑的化学家》中，通过大量的实验驳斥了以上两种理论，证明了这两种理论都是错误的。他用黄金不能被火烧而分解出硫、汞、盐来否定三元素说，他又通过做“硝石实验”来驳斥亚里士多德的“实体形式”和各种“元素论”[ 8 ]。

他设计的“硝石实验”由三部分组成，分别是硝石的分解、硝石的复原以及硝石的制备。通过这记录三部分的实验的现象和结果，反证出元素论并不能够合理的解释这些现象，所以证明了“四原性说”和“三元素论”是错误的。为了奠定化学实验的理论基础，波义耳尝试用机械原则对实验进行微粒论解释：波义耳将热、声音、颜色等现象的原因解释为微粒的运动、排列的改变；认为气味、溶解、挥发性、腐蚀性、结晶等性质或现象也是由于微粒排列、运动等机械属性。波义耳将“颜色的改变”视为物体微粒结构在反射时对光微粒的排列产生了“修正”，这种光的“微粒论”在一定程度上影响了牛顿的光学研究[ 9 ]。

在评价这一实验时，波义耳说，“这一实例与理智哲学的众多概念相一致。迄今，这种理智哲学还没有太多的实验贮备，新实验则更稀少；……实验应该按其价值，而非数量多寡得到评价；单个实验……同样十分值得用一整本著作研究。一粒优质的大珍珠用于装饰王冠，而众多小珍珠（尽管也是真的）无甚价值，在金器店和药店称重售卖。”

波义耳的微粒观主要有以下几方面的内容：构成一般物体的粒子都是同一种粒子——“自然最小质”或者称作“同质粒子”。粒子具有大小、形状但是没有运动能力，粒子能运动是由于上帝把粒子们置于运动之中了。他认为“同质粒子”可以凝结成为“第一凝结物”，“第一凝结物”还可以凝结成为“第二凝结物”，不断地凝结、不断生成更为复杂的物质。在一般的化学变化中只有较大的微粒发生变化，较小的微粒内部结构是不变的。物体的性质如颜色、气味、溶解性等等，是受微粒的组成和结构影响的，不同的组成和结构会表现出不同的性质。两种物质能够发生反应是因为两者之间具有一定的“适配性”[ 10 ]。

波义耳虽然否定了“四原性说”和“三元素论”，但是他仍然认为有唯一的一种原初的物质构成各种元素。尽管波义耳的观点在当时并未被大家广泛接受，但是他的微粒观相较于之前的观点，已经有了质的飞跃，为建立近代的化学概念扫清了障碍，做出了巨大的贡献。

在这之后道尔顿结合了拉瓦锡所提出的元素学说理论和威廉·希金斯等人提出的化学原子论，将二者有机地结合起来，使化学成为真正的独立科学。

道尔顿坚持进行气象学研究长达50多年，他通过长年的研究蒸汽压、混合气体分压、气体扩散等等问题，从而催生了他所提出的原子论的观点。

他指出：“一切具有可感觉到大小的物体，不管是液体还是固体，都是由极大数目的极其微小的原子所构成。在化学作用范围内，物质既不能创造也不能消灭[ 11 ]。道尔顿的原子论可以总结为： 化学元素由非常微小的、不可再分的物质粒子，即原子组成，原子在所有化学变化中均保持自己的独特性质; 同一元素的所有的原子，各方面性质，特别是质量，都完全相同，不同元素的原子质量不同。原子的质量是每一个元素的特征性质; 有简单数值比的元素的原子相结合时就发生化合。

6  结语

从以上分析中，我们可以发现人类对于物质本源这一问题，微粒观的研究主要分为五个时期，从爱奥尼亚学派的自然哲学开始提出了微粒之间的凝聚程度影响性质，微粒具有永恒性和运动性，到恩培多克勒的元素说和德谟克里特的原子论，再到亚里士多德总结他的老师柏拉图和前人的自然哲学观点提出的“四原性说”。到了15世纪，对科学的讨论脱离了神学和经院哲学的束缚，帕拉切尔苏斯提出了“三元素论”、伽桑狄提出了“原子论”。随着工业革命的胜利，人类对于物质的认识愈加深刻，波义耳提出了他的微粒哲學，强调用实验证明假说，大胆假设，小心求证等观点。在19世纪初，道尔顿提出了原子论，这一理论奠定了近代化学的基础，标志着人类对微观世界的认识有了质的飞跃。

通过对这些化学史实的学习，让学生了解先贤们是如何对未知世界进行探索的，培养学生发现问题、提出问题、解决问题的能力。在学习前人在探究物质本源到底是什么的过程中，体会其中的科学思想，如何观察现象、如何进行逻辑推理、从已知推出未知、从能观察到的宏观现象推测出微观世界中所发生的具体反应。尽管在发展的过程中，大多数古代哲学家所提出的关于微粒观的观点都是错误的，但是我们在学习这些理论时要重视他们思想的表达和方法的运用。学习化学史不只是追求前人研究的结果是什么，最重要的是要体会其求知的过程，从这个过程中感受世界的奇妙、体会化学的魅力，在回顾历史中理解人们探究微观世界的动机与意义，从而促进学生宏观辨识与微观探析的核心素养的养成。大胆提问，小心求证，不迷信权威，在化学的学习中培养学生辩证唯物主义的科学观。

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［S］.北 京： 人民教育出版社，2017.

［2］ 郑长龙.2017年版普通高中化学课程标准的重大变化及解析[J].化学教育（中英文），2018，39（9）：41-47.

［3］ 梁永平，郑敏.中学生微粒性认理解水平的调查研究[J].化学教育，2004（1）：38-44，54.

［4］ 赵匡华. 化学通史[M]. 北京：高等教育出版社，1990.

［5］ 《化学思想史》编写组.化学思想史［M］.长沙：湖南教育出版社，1986：56-58

［6］ 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.

［7］ 袁江洋.牛顿炼金术：高贵的哲学［J］.自然科学史研究，2004（4） ： 283-298.

［8］  波义耳.怀疑的化学家［M］. 袁江洋，译.北京： 北京大学出版社，2007.

［9］ 肖显静.波义耳将“微粒说”与“实验”相结合的自然哲学分析[J].山东科技大学学报（社会科学版），2020，22（6）：1-12.

［10］ 陈仕丹，袁江洋.波义耳的“硝石复原”实验与化学微粒论[J].自然辩证法通讯，2018，40（10）：1-6.

［11］ 道尔顿.化学哲学新体系［M］.李家玉，盛根玉，译.北京： 北京大学出版社，2006.