基于化學史促進學生“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)的提升

孫亞茹

摘要：義務(wù)教育化學課程標準（2011年版）倡導素養(yǎng)為本的教學，倡導通過創(chuàng)設(shè)真實情境，開展以化學實驗為主的多種探究活動。實施建議中提到真實的化學史實是極有價值的情景素材。文章以“定組成定律”和“九年之爭”化學史實為線索，沿著科學家的足跡體驗發(fā)現(xiàn)問題、實驗探究、建立模型、理解模型的過程，探討基于化學史，促進學生“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)提升的教學策略。

關(guān)鍵詞：化學史；證據(jù)推理與模型認知；化學式

文章編號：1008-0546（2021）11-0020-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.005

一、教學主題內(nèi)容及教學現(xiàn)狀分析

本節(jié)課內(nèi)容屬于《義務(wù)教育化學課程標準（2011年版）》一級主題“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”下的二級主題“物質(zhì)組成的表示”，承載了物質(zhì)組成的表示—化學式含義理解、化學用語技能等化學基礎(chǔ)知識和基本技能；通過宏觀、微觀、符號“三重表征”發(fā)展學生化學元素觀和微粒觀等基本觀念[1]。北京版教材中本節(jié)課安排在物質(zhì)構(gòu)成的微粒、空氣與氧氣、水的組成、化學元素之后，為學生初步理解化學、認識物質(zhì)組成的思路和方法奠定了一定基礎(chǔ)。從化學核心素養(yǎng)角度分析，本課時教學是重點發(fā)展學生模型認知的重要載體。從廣義上理解，化學符號是一種特殊的模型，化學式是純凈物組成的抽象化表征，是綜合物質(zhì)、元素、微粒三個角度揭示物質(zhì)組成和構(gòu)成的概念化表達[2]。

以往的大部分教學設(shè)計重點關(guān)注的是化學式含義的記憶及化學式書寫的訓練，學生感覺枯燥乏味，也導致后續(xù)的化學式計算只套用公式，并不理解計算背后所蘊含的化學意義。

二、教學思想與創(chuàng)新點

2017年12月《普通高中化學課程標準（2017年版）》頒布后，學科核心素養(yǎng)成為引領(lǐng)中學化學課程改革的新航標。以立德樹人為根本教育目標，以發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)為具體指導思想的課程改革同樣指導初中化學課程的實施[3]。基于此，本節(jié)課采取如下教學策略，突出純凈物組成研究的思路、方法和角度，并由此構(gòu)建化學式符號模型。創(chuàng)新點如下：

1.引入科學家普魯斯特對于“定組成定律”的發(fā)現(xiàn)過程[4]，回顧普魯斯特和貝索勒的“九年之爭”化學史。通過課前學生訪談和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，學生對“純凈物是否具有固定組成”并沒有形成共識，更沒有充分的證據(jù)給予論證。而“定組成定律”的研究過程和結(jié)論對學生認識物質(zhì)組成具有重要意義和價值。在重溫科學研究的歷程中，認識到純凈物有固定的組成，混合物沒有固定的組成。同時，了解純凈物組成研究的思路角度和方法，突出定性與定量相結(jié)合、宏觀與微觀相結(jié)合的化學學科思維特征。

2.通過化學史的情景素材，設(shè)計相關(guān)學習任務(wù)，引導學生跟科學家一起實驗、思考和爭論，逐漸得出“定組成定律”。講述普魯斯特關(guān)于水的研究、演示加熱分解堿式碳酸銅的實驗和以情景劇的形式重現(xiàn)“九年之爭”的化學史，充分利用化學史素材創(chuàng)設(shè)情境，發(fā)展證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。

3.通過展示宏觀物質(zhì)，拼插和繪制微粒示意圖，分析微粒圖示與化學符號的關(guān)聯(lián)，引導學生多角度、多層次理解化學式的微觀含義，建立宏觀、微觀、符號三重表征的聯(lián)系。課堂中依據(jù)學生實際情況，一步步追問，形成有邏輯的問題串，澄清學生對化學符號的相異構(gòu)想，同時對于用元素符號和數(shù)字表示物質(zhì)組成的化學式含義也有了更深入、豐富的理解。教學資源及使用價值見表1。

三、教學目標

1.學情分析

通過前面的學習，學生對于物質(zhì)分類和物質(zhì)組成已經(jīng)具有一定的認識，但是具體理解到什么程度還不確定，為此設(shè)計了如下問題，了解學生對于物質(zhì)組成和物質(zhì)分類的已有認知，具體問題見表2。調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計見圖1。

通過對學生調(diào)研問卷的整理分析可看出：對于純凈物有固定組成的理由：大部分學生不能從化學角度理解或描述物質(zhì)組成；小部分學生有一定思考，但角度比較單一；能從化學角度描述純凈物組成的以宏觀物質(zhì)種類居多，分子構(gòu)成和元素種類其次；只有極少數(shù)同學能從定量角度，即元素含量角度描述。經(jīng)過與學生的進一步訪談了解到，學生對固定組成中的“固定”理解不全面，不到位；不能系統(tǒng)地運用宏觀與微觀相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合的學科特征思維來思考和解決化學問題，這兩點恰恰是本節(jié)課學習的障礙點所在，這兩點的突破，有助于學生將符號表征與物質(zhì)的宏觀組成、微觀構(gòu)成建立聯(lián)系，構(gòu)建符號模型，加深對化學式含義的理解，并突破下一課時化學式計算的難點。

2.教學目標

（1）通過“九年之爭”化學史實的體驗，認同并能通過相關(guān)證據(jù)說明純凈物具有固定的組成，發(fā)展證據(jù)推理、科學探究、創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)。

（2）通過全面、多角度理解和描述水的組成，及解讀化學式的含義，初步形成宏觀與微觀相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合認識純凈物組成的一般思路和方法，初步形成從元素、微粒角度認識物質(zhì)的化學基本觀念，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)。

（3）通過構(gòu)建表示純凈物組成的化學式模型，初步完成從語言文字到化學符號的互相轉(zhuǎn)化，感受化學語言的獨特魅力，發(fā)展抽象思維能力和模型認知的核心素養(yǎng)。

（4）通過書寫純凈物化學式，初步學會應(yīng)用化學式表示純凈物組成的一般方法和規(guī)則，從簡單應(yīng)用角度理解化學式的意義和價值。

四、教學流程

基于以上分析，設(shè)計本節(jié)課的教學流程，見圖2。

五、教學實錄

1.調(diào)研引入，提出問題

【展示】展示課前調(diào)研情況。

【教師】純凈物是否具有固定的組成？如何研究純凈物的組成？

2.重溫歷史，建立模型

【教師】通過電解水實驗，我們得到了哪些關(guān)于水的組成的認識？

【學生】水由氫元素和氧元素組成。水分子中，氫原子和氧原子的個數(shù)比為2∶1。

【教師】我們從元素種類、原子種類和原子個數(shù)比的角度對于水的組成進行了研究。對于物質(zhì)組成的研究經(jīng)歷了曲折的過程。讓我們穿越回到18世紀，重溫那個年代發(fā)生的故事。

【學生】認真聆聽，回顧研究純凈物的組成的方法，明確研究角度。

【教師】再現(xiàn)化學史。普魯斯特采集了世界各地的水，除去雜質(zhì)，測出來水中的氫元素、氧元素的質(zhì)量分數(shù)均不變，得到結(jié)論：水，有固定組成，見圖3。此外他又選取了堿式碳酸銅進行研究，他研究堿式碳酸銅的思路延續(xù)了水的研究角度，同學們能猜到他的研究思路嗎？

【學生】從世界各地取來堿式碳酸銅，檢測其中的元素含量是否是一個定值。

【教師】很好，同學們已經(jīng)猜到了普魯斯特的研究思路。類似于水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣一樣，他也加熱分解堿式碳酸銅，見圖4，最終生成二氧化碳、水和氧化銅三種常見物質(zhì)。那現(xiàn)在根據(jù)產(chǎn)物的種類，你能確定堿式碳酸銅的元素組成嗎？

【學生】二氧化碳由碳、氧元素組成，水由氫、氧元素組成，氧化銅由銅、氧元素組成，根據(jù)化學反應(yīng)前后元素守恒，得出堿式碳酸銅由C、H、O、Cu四種元素組成。

【教師】知道了堿式碳酸銅的元素種類。那如何確定堿式碳酸銅中各元素的含量是否是定值呢？展示普魯斯特實驗中得到的三組數(shù)據(jù)，見表3。

【學生】不管堿式碳酸銅和氧化銅的質(zhì)量如何變化，氧化銅的百分含量為固定值，堿式碳酸銅分解產(chǎn)物只有氧化銅中含有銅元素，所以堿式碳酸銅中銅元素的含量也是固定的。同理可得堿式碳酸銅中碳元素、氫元素的含量也是固定的，剩下的氧元素的含量也是固定的。

【教師】很好，普魯斯特得出結(jié)論，即堿式碳酸銅有固定組成。此外，又對很多其他的化合物進行實驗研究，最終得到結(jié)論：純凈物具有固定組成。他的觀點一經(jīng)提出就受到另一位化學家貝索勒的質(zhì)疑，他認為純凈物沒有固定組成。就這樣，兩位科學家進行了九年來回來去的爭論，也就是歷史上著名的“九年之爭”。普魯斯特進行了更加深入的研究，最終發(fā)現(xiàn)：鐵和氧的化合物有好幾種，在天然的鐵礦石中，常常是這幾種鐵的氧化物的混合物！貝索勒研究的是天然的鐵礦石是混合物，而普魯斯特研究的是純凈物。

【學生】兩名同學通過情景劇展示兩位科學家著名的“九年之爭”，如圖5。

【教師】根據(jù)上述數(shù)據(jù)，見圖6，能計算出其中兩種鐵的化合物中原子的個數(shù)比嗎？

【學生】計算兩種氧化物中的原子個數(shù)比，見圖7。

【教師】有了原子個數(shù)比，那我們能不能用一種化學符號來表示這兩種鐵的氧化物呢？

【學生】在學案中寫出了Fe2O3和Fe3O4。

3.建立概念，理解模型

【教師】用元素符號和數(shù)字表示純凈物固定組成的式子就叫做化學式。化學式也蘊含著定性與定量、宏觀與微觀豐富的信息。請同學們以水的化學式為例，說出獲得的信息。

【學生】表示水這種物質(zhì)。水由氫元素、氧元素組成。可以表示一個水分子。還可以表示水分子的構(gòu)成，即由2個氫原子和1個氧原子構(gòu)成。

【教師】我發(fā)現(xiàn)還有部分同學給出了這樣的答案：一個水分子由一個氫分子和一個氧原子構(gòu)成。那水分子中到底有沒有氫分子呢？請同學們畫出水分子、氫分子的微粒示意圖。

【學生】我觀察這兩個分子，兩個氫原子和一個氧原子構(gòu)成一個水分子，兩個氫原子構(gòu)成一個氫分子，所以水分子中沒有氫分子。水分子就是構(gòu)成水的最基本的微粒。

【教師】了解了化學式的含義之后，下面我們來學習化學式的書寫，總結(jié)書寫化學式約定俗成的一些規(guī)律，請同學們在任務(wù)單上寫出我們前面接觸過的物質(zhì)的化學式。

【學生】在學案上寫出物質(zhì)對應(yīng)的化學式。

【教師】將化學式按照物質(zhì)類別填到相應(yīng)表格內(nèi)，找出化學式的書寫、讀法規(guī)律。

【學生】總結(jié)化學式的書寫、讀法規(guī)律。

4.歸納小結(jié)，總結(jié)提升

【教師】剛才為什么花這么長時間來探討純凈物具有固定組成這一問題呢？

【學生】只有有固定的組成，才能用一個確定的式子表示。

【教師】這里的固定指的是什么？

【學生】元素種類是固定的，原子種類也固定，元素含量固定，原子個數(shù)比是固定的。

【教師】所以化學式中元素符號和數(shù)字不能隨意更改。今天探討的過程也體現(xiàn)了研究純凈物組成的思路和方法，也就是定性定量相結(jié)合，宏觀微觀相結(jié)合。化學式這一特定的化學符號建立了宏觀與微觀之間的一座橋梁。板書設(shè)計見圖8。

六、教學反思

1.引用“九年之爭”化學史，重溫科學研究之路

本節(jié)課引領(lǐng)學生“穿越”回到18世紀末的“九年之爭”，體驗通過科學實驗證明純凈物具有固定組成的歷史，由此發(fā)展學生的證據(jù)推理與模型認知核心素養(yǎng)[5]。化學史的引入，能夠激發(fā)學生學習的興趣，使原本枯燥的知識講授更加生動和形象化，有助于學生對學科本體知識的深入理解。學生通過教師呈現(xiàn)的歷史材料，重溫科學研究之路，與科學家一同探究與思考，也讓學生了解了科學發(fā)展道路的曲折，學習科學家嚴謹、求實、謙遜的優(yōu)秀品質(zhì)[6]。

2.通過證據(jù)推理發(fā)展思維能力，構(gòu)建化學符號模型的認知體系

本節(jié)課引導學生通過回答“純凈物是否有固定組成？”“如何理解和描述純凈物組成？”“如何用符號表示純凈物組成？”等一系列問題，主動建構(gòu)化學式這一模型；后續(xù)再通過理解化學式含義、學會書寫化學式等進行模型的解讀和應(yīng)用。運用模型來解決化學問題，進一步提升學生解決問題的能力，也從思維層面集中凸顯了化學學科特質(zhì)的思想和方法，更全面地體現(xiàn)了化學學科的價值所在[7]。

傅鷹教授有一句名言是“化學給人以知識，化學史給人以智慧”。他高度認同化學史在教育教學方面的價值。將證據(jù)推理與模型認知融入到化學教學中，并內(nèi)化為一種固有學習方式，是培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)的重要途徑[8]。在今后的教學中，會繼續(xù)用化學史為主線，沿著科學家研究的足跡，不斷地完善、修正概念，促進學生對于化學模型的理解與建立，使學生真正理解化學概念的內(nèi)涵及外延。

致謝：衷心感謝北京市基教研中心黃冬芳老師和大興區(qū)教師進修學校劉春鳳老師的悉心指導！

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012

[2]倪霞.基于證據(jù)推理與模型認知視角下的教學實踐——以“配合物的形成和應(yīng)用”為例[J].化學教與學，2018（7）：19-21

[3]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018

[4]葉永烈.趣味化學[M].武漢：湖北科學技術(shù)出版社，2012

[5]孟獻華，李廣洲.國內(nèi)化學史教育研究述評[J].化學教育，2011，32（7）：5-8

[6]宗緒濤.基于化學史教學落實立德樹人目標——重溫原子構(gòu)成的發(fā)現(xiàn)之旅[J].中學化學教學參考，2019（7）：23-26

[7]張娟，姜建文.基于化學史的“元素周期表”教學設(shè)計[J].化學教育（中英文），2017，38（17）：75-81

[8]周正祥，楊玉琴.指向“證據(jù)推理與模型認知”的教學設(shè)計——以“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”為例[J].化學教育（中英文），2018，39（23）：25-30