構建“科”“技”融合的化學課堂
——以“碳及其化合物單元復習課”為例

郭建虹

當下，課堂教學和社會認知均存在“科”“技”不分的現象。從內容上看，科學思維是以探索和發現事物本質與規律、構建科學的知識體系為核心的認知性思維；技術思維是以發明與創新方法、手段、工具、技藝為核心的實踐性思維。從性質上看，科學思維是真理導向的發現性思維、反映性思維，以求真為目的；技術思維是實用導向的工具性思維，以求實（具有實效性）為目的，追求的是由目標到方案，再到問題解決的過程。從成果上看科學思維的成果主要是科學理論、定律、規律等，是全人類的共同精神財富，呈現為可物化的知識產品；技術思維的成果主要是發明、專利、技術訣竅，也可能是技術文獻與論文。［1］

初中階段科學課程的學習，一般為物理、化學、生物三門學科，包含學習科學知識、培養科學思維兩個方面。技術和科學，不僅是一種應用體系、知識體系，更是一種思維方式。科學課堂不但應該讓學生了解技術成果、科學知識，更應該從“知識控制”走向“支持探究”，讓學生在感受傳統技藝、科學成果的魅力的同時，理解其所特有的思維形式。

“碳及其化合物單元復習課”是筆者參加2019 年江蘇省優質課評比活動的課堂實錄。筆者試圖讓學生通過本課的學習，在中國古代技藝與西方科學的碰撞中，體會古人調控化學反應的高超技藝及其重要意義，領略數據分析、理論構想、演繹推理等科學思維方法，認識到技術和科學是推動人類文明發展的兩大力量。

一、教學目標

首先，通過溫習整理活動，從“化合價—類別”的角度有序梳理常見的含碳物質及其性質。

其次，通過實驗探究活動，從“宏觀—微觀—符號”的角度有序構建含碳物質的表征體系。

再次，通過觀察、推理活動，認識到在一定條件下，物質因反應而轉化，樹立元素不變的觀念。

最后，通過閱讀、認識化學史，感知化學學習需要實驗、假說、演繹推理、比較和分類等方法。

二、教學實錄

1.課前準備。

準備兩個干凈的塑料瓶，將葡萄捏破放入塑料瓶中；將糯米飯煮熟晾涼，用少許溫開水調適量酒曲拌入糯米飯中，糯米飯放入塑料瓶中，旋緊瓶塞。（該實驗在課前3～4天準備）

2.教學板塊1：嘆為觀止的碳世界。

師：查閱元素周期表，我們知道世界上有100 多種元素，而這100 多種元素組成了1.5 億多種化合物，其中90%的化合物都含碳元素。同學們能否從碳元素的化合價、物質類別的角度整理已學碳及其化合物？

（學生交流整理的內容）

師：碳元素廣泛存在于自然界的空氣、礦石和生物體中。正因如此，古代很多發現、發明都和碳及其化合物有關。讓我們一起從化學視角領略古人利用含碳物質的智慧。

【設計意圖】課前引入，介紹元素種類和物質種類數量的差異，使學生建立起對物質多樣性的初步認識。引導學生用比較、分類的方法認識物質。

3.教學板塊2：“碳”為觀止的東方技藝

環節1：集煙制墨中的發現。

師：數千年前，古人就形成燒松取煙、集煙制墨的工藝。你能從化學的角度解釋墨是什么，燒松為什么能制墨嗎？

生1：墨是煙中的含碳單質。松樹含有碳元素，不完全燃燒產生煙。

師：《蘭亭集序》歷經千載而不褪色，你知道為什么嗎？

生2：墨中含碳單質，常溫下單質碳化學性質穩定。

師：古代工匠在植物的劇烈燃燒中獲得碳單質，又在植物緩慢氧化中獲得另一種碳的化合物。

環節2：發酵過程中的發現。

師：西方多用葡萄釀酒，古代中國多用糯米釀酒。其原理相似，區別在于：葡萄表皮自帶催化劑，大米卻沒有。請同學們觀察礦泉水瓶中的葡萄發酵和糯米發酵現象（展示課前準備的兩個塑料瓶）。

生：葡萄、糯米上浮，瓶身堅實，打開時有嘶嘶冒氣聲，瓶內出現大量氣泡，聞到酒的氣味。

師：發酵不但產生酒，還產生一種氣體。如何驗證這種氣體是什么？

生：可以用燃燒的木條、澄清石灰水、濕潤的紫色石蕊試紙檢驗氣體。發現燃燒的木條熄滅、澄清石灰水變渾濁、試紙變紅，說明該氣體是二氧化碳。

師：對于物質的研究，通常會先運用感官觀察顏色、狀態、氣味等，再運用加熱、灼燒、燃燒等實驗方法，還可以借助其他常見試劑進行判別。

環節3：煉銅過程中的發現。

師：成書于東晉的《拾遺記》中記載古代火法煉銅“地中多丹，煉石為銅，銅色青而利”。從原料孔雀石到銅，這兩種物質有哪些區別？

生：顏色不同、化學式（組成）不同。

師：這說明這一轉化是化學變化。我們可以通過實驗再現這一煉銅場景，請同學們模擬實驗，并思考孔雀石是如何發生這一變化的。

（學生實驗模擬火法煉銅：用鑷子夾持孔雀石；在外焰加熱孔雀石至變色；快速將孔雀石伸入折疊的濾紙內，蓋實、用鑷子壓緊；冷卻后取出固體并觀察）

生：加熱時，孔雀石由綠色變為黑色，會炸裂迸濺；伸入濾紙中，濾紙被燒出一個洞，冒煙、變黑；打開濾紙，黑色固體部分變為紅色固體。這說明堿式碳酸銅加熱會生成氧化銅，濾紙變黑后又變紅說明碳奪取了氧化銅中的氧。

師：碳不但在燃燒時能與氧氣結合，加熱時也能與氧化銅中氧元素結合。

（演示實驗：銅絲繞成螺旋狀，將孔雀石放置于螺旋狀銅絲中。加熱銅絲至孔雀石、銅絲變色且紅熱，立即伸入漏斗狀濾紙中）

師：我們發現，沒有接觸濾紙的氧化銅也還原為紅色的銅，這是為什么？

生：應該是有一種不易被觀察的物質——氣體。而且，它應該和碳性質相似，都能奪取氧。

師：1800 年，科學家們也是這樣發現這種氣體的，并將其命名為“重可燃空氣”。我們今天的思考和發現與近代早期西方一些化學家的研究非常相似。

【設計意圖】集煙制墨實驗引導學生分析碳單質的成因及性質；制曲釀酒實驗引導學生梳理檢驗物質的程序和思路；火法煉銅實驗關注學生實驗操作是否規范，引導學生尋找證據，進行推理。此教學板塊加深學生對碳及其化合物之間相互轉化關系的理解，讓學生認識到調整化學反應條件可以控制反應的發生和結果，充分感受從證據到結論的思維過程，提升科學思維水平。

4.教學板塊3：“碳”為觀“智”的西方科學。

環節1：拉瓦錫燃燒金剛石實驗。

師：拉瓦錫利用兩個大凸透鏡將陽光聚焦在金剛石上使之燃燒，得到無色氣體。他用如此復雜的裝置、昂貴的實驗材料，想證明什么？

生1：鉆石由碳元素組成，是碳單質。

生2：單質碳在常溫時，化學性質穩定，但在高溫時具有可燃性。

環節2：探析兩種含碳化合物。

師：觀察表1 中“氧化碳”“碳酸氣”中碳、氧元素質量分布。西方科學家在木炭燃燒的實驗中發現，碳元素、氧元素能形成兩種化合物，分別將其命名為“氧化碳”“碳酸氣”，還稱出了組成元素的質量。因實驗數據紛繁復雜，假定碳的質量均為“1”，你有什么發現？

表1 碳氧化合物的分析數據

生：當碳的質量相等時，碳酸氣中氧的質量是氧化碳中氧的質量的兩倍。

師：很棒！這就是化學史中道爾頓提出的“倍比定律”，即在兩種相同元素構成兩種不同的化合物時，一種元素質量相等，與其化合的另外一種元素在兩種化合物中的質量比總是保持簡單的整數比。據此你對物質有什么樣的大膽假設？

生：質量呈整數比，說明物質中存在可數的個體。

師：道爾頓從數量關系，大膽提出科學原子論——物質世界的最小單位是原子。化學不但觀察物質及其變化的宏觀世界，還從微觀角度探究其本質，更有將這兩者融合的符號世界。東方精湛的技藝、西方奧妙的科學，都與碳及其化合物的轉化有密切關系。

【設計意圖】金剛石燃燒實驗引導學生思考實驗的目的；探析兩種含碳化合物引導學生分析數據，提出猜想，推測物質由微粒構成。本教學板塊中，教師引導學生再現科學史上的這一過程，領略定量實驗、數據分析、理論構想、微觀建模、演繹推理等科學思維方法的精妙運用。

5.教學板塊4：“碳”為觀“志”。

師：通過以上學習，我們為中國古人制墨、釀酒、煉銅的高超技藝所折服；又驚嘆西方科學家探究奧秘的想象力。但科學史上也存在李約瑟之問：“中國古代對人類科技發展做出了很多重要貢獻，但為什么科學和工業革命沒有在近代的中國發生？”

生：中國古代更重視實用，制造有用的物質。近代西方科學家探究這些變化背后的奧秘。

師：這個問題很宏大，原因是多維的。而只有技術與科學的相互融合和促進，才能推動社會的進步和發展。

【設計意圖】在本節課教學的最后環節，教師通過李約瑟之問總結本節課的中心思想，引導學生從辯證的角度思考中國科學與西方科學之間的不同，從而認識到科學和技術是推動人類文明發展的兩大力量，不可分割。

三、教學效果及反思

1.以古代含碳物質的應用為載體，在傳統技藝史中認識化學的意義和價值。

化學變化是有一定條件的。本節課讓學生在中國古代高超制墨、釀酒、煉銅的技藝中領略古人調控化學反應的智慧，構建碳及其化合物的關系圖，認識化學方程式背后的意義。學生能認識到，從實驗室研究到大規模工業生產，無不滲透著科學家與工程師的心血，化學在人們的生產生活中有著十分重要的價值。

2.以氣體化學史為載體，體會科學思維的一般過程和方法。

本節課從定性認識二氧化碳到定量認識碳的氧化物，引導學生認識科學原子論；從認為“重可燃空氣”是燃素，到認識其是碳的氧化物，對學生具有啟發意義。學生在這一過程中可建立起研究物質的觀念和方法，感知化學學習需要實驗、假說、演繹、推理、比較和分類等方法。

3.以相關理論建立過程為載體，完善“宏觀—微觀—符號”的化學體系。

學生通過本課中碳的氧化物的定量測定、數據分析、理論構想，可以認識到微觀探析對化學發展的促進作用；通過分析兩種含碳化合物，學生從宏觀現象“整數”構想微觀粒子，從微觀粒子解釋宏觀現象，用符號建立宏微聯系，實現思維“見著知微，見微知著，符聯宏微”的跨越。

4.以開放式問題為載體，促進學生理解科學本質。

開放式的問題設計能調動學生分析、搜索、生成、形成解決問題的方案，提升思維能力。學生在解決開放式問題中遇到的困難，正是科學家長時間研究累積與理論突破的點。如此引導學生重復化學發展的道路，有利于其掌握化學的基本知識、理解科學本質、提升學科素養。