構(gòu)建“科”“技”融合的化學(xué)課堂

【摘 要】技術(shù)和科學(xué)，不僅是一種應(yīng)用體系、知識(shí)體系，更是一種思維方式?？茖W(xué)課堂不但應(yīng)該讓學(xué)生了解技術(shù)成果、科學(xué)知識(shí)，更應(yīng)該讓在學(xué)生感受傳統(tǒng)技藝、科學(xué)成果的魅力的同時(shí)，理解其所特有的思維形式。技術(shù)思維、科學(xué)思維是形成化學(xué)基本觀念的重要途徑，也是科學(xué)探究的重要組成部分。

【關(guān)鍵詞】技術(shù)思維;科學(xué)思維;碳及其化合物;初中化學(xué);復(fù)習(xí)課

【中圖分類號(hào)】G633.8? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? 【文章編號(hào)】1005-6009（2022）19-0054-04

【作者簡(jiǎn)介】郭建虹，江蘇省蘇州市教科院附屬實(shí)驗(yàn)學(xué)校（江蘇蘇州，215008）教師，高級(jí)教師。

當(dāng)下，課堂教學(xué)和社會(huì)認(rèn)知均存在“科”“技”不分的現(xiàn)象。從內(nèi)容上看，科學(xué)思維是以探索和發(fā)現(xiàn)事物本質(zhì)與規(guī)律、構(gòu)建科學(xué)的知識(shí)體系為核心的認(rèn)知性思維;技術(shù)思維是以發(fā)明與創(chuàng)新方法、手段、工具、技藝為核心的實(shí)踐性思維。從性質(zhì)上看，科學(xué)思維是真理導(dǎo)向的發(fā)現(xiàn)性思維、反映性思維，以求真為目的;技術(shù)思維是實(shí)用導(dǎo)向的工具性思維，以求實(shí)（具有實(shí)效性）為目的，追求的是由目標(biāo)到方案，再到問(wèn)題解決的過(guò)程。從成果上看科學(xué)思維的成果主要是科學(xué)理論、定律、規(guī)律等，是全人類的共同精神財(cái)富，呈現(xiàn)為可物化的知識(shí)產(chǎn)品;技術(shù)思維的成果主要是發(fā)明、專利、技術(shù)訣竅，也可能是技術(shù)文獻(xiàn)與論文。[1]

初中階段科學(xué)課程的學(xué)習(xí)，一般為物理、化學(xué)、生物三門學(xué)科，包含學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)、培養(yǎng)科學(xué)思維兩個(gè)方面。技術(shù)和科學(xué)，不僅是一種應(yīng)用體系、知識(shí)體系，更是一種思維方式?？茖W(xué)課堂不但應(yīng)該讓學(xué)生了解技術(shù)成果、科學(xué)知識(shí)，更應(yīng)該從“知識(shí)控制”走向 “支持探究”，讓學(xué)生在感受傳統(tǒng)技藝、科學(xué)成果的魅力的同時(shí)，理解其所特有的思維形式。

“碳及其化合物單元復(fù)習(xí)課”是筆者參加2019年江蘇省優(yōu)質(zhì)課評(píng)比活動(dòng)的課堂實(shí)錄。筆者試圖讓學(xué)生通過(guò)本課的學(xué)習(xí)，在中國(guó)古代技藝與西方科學(xué)的碰撞中，體會(huì)古人調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的高超技藝及其重要意義，領(lǐng)略數(shù)據(jù)分析、理論構(gòu)想、演繹推理等科學(xué)思維方法，認(rèn)識(shí)到技術(shù)和科學(xué)是推動(dòng)人類文明發(fā)展的兩大力量。

一、教學(xué)目標(biāo)

首先，通過(guò)溫習(xí)整理活動(dòng)，從“化合價(jià)—類別”的角度有序梳理常見的含碳物質(zhì)及其性質(zhì)。

其次，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，從“宏觀—微觀—符號(hào)”的角度有序構(gòu)建含碳物質(zhì)的表征體系。

再次，通過(guò)觀察、推理活動(dòng)，認(rèn)識(shí)到在一定條件下，物質(zhì)因反應(yīng)而轉(zhuǎn)化，樹立元素不變的觀念。

最后，通過(guò)閱讀、認(rèn)識(shí)化學(xué)史，感知化學(xué)學(xué)習(xí)需要實(shí)驗(yàn)、假說(shuō)、演繹推理、比較和分類等方法。

二、教學(xué)實(shí)錄

1.課前準(zhǔn)備。

準(zhǔn)備兩個(gè)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(diào)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(shí)驗(yàn)在課前3～4天準(zhǔn)備）

2.教學(xué)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(xué)們能否從碳元素的化合價(jià)、物質(zhì)類別的角度整理已學(xué)碳及其化合物？

（學(xué)生交流整理的內(nèi)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(fā)現(xiàn)、發(fā)明都和碳及其化合物有關(guān)。讓我們一起從化學(xué)視角領(lǐng)略古人利用含碳物質(zhì)的智慧。

【設(shè)計(jì)意圖】課前引入，介紹元素種類和物質(zhì)種類數(shù)量的差異，使學(xué)生建立起對(duì)物質(zhì)多樣性的初步認(rèn)識(shí)。引導(dǎo)學(xué)生用比較、分類的方法認(rèn)識(shí)物質(zhì)。

3.教學(xué)板塊2：“碳”為觀止的東方技藝

環(huán)節(jié)1：集煙制墨中的發(fā)現(xiàn)。

師：數(shù)千年前，古人就形成燒松取煙、集煙制墨的工藝。你能從化學(xué)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(zhì)。松樹含有碳元素，不完全燃燒產(chǎn)生煙。

師：《蘭亭集序》歷經(jīng)千載而不褪色，你知道為什么嗎？

生2：墨中含碳單質(zhì)，常溫下單質(zhì)碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

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

環(huán)節(jié)2：發(fā)酵過(guò)程中的發(fā)現(xiàn)。

師：西方多用葡萄釀酒，古代中國(guó)多用糯米釀酒。其原理相似，區(qū)別在于：葡萄表皮自帶催化劑，大米卻沒有。請(qǐng)同學(xué)們觀察礦泉水瓶中的葡萄發(fā)酵和糯米發(fā)酵現(xiàn)象（展示課前準(zhǔn)備的兩個(gè)塑料瓶）。

生：葡萄、糯米上浮，瓶身堅(jiān)實(shí)，打開時(shí)有嘶嘶冒氣聲，瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)大量氣泡，聞到酒的氣味。

師：發(fā)酵不但產(chǎn)生酒，還產(chǎn)生一種氣體。如何驗(yàn)證這種氣體是什么？

生：可以用燃燒的木條、澄清石灰水、濕潤(rùn)的紫色石蕊試紙檢驗(yàn)氣體。發(fā)現(xiàn)燃燒的木條熄滅、澄清石灰水變渾濁、試紙變紅，說(shuō)明該氣體是二氧化碳。

師：對(duì)于物質(zhì)的研究，通常會(huì)先運(yùn)用感官觀察顏色、狀態(tài)、氣味等，再運(yùn)用加熱、灼燒、燃燒等實(shí)驗(yàn)方法，還可以借助其他常見試劑進(jìn)行判別。

環(huán)節(jié)3：煉銅過(guò)程中的發(fā)現(xiàn)。

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(zhì)有哪些區(qū)別？

生：顏色不同、化學(xué)式（組成）不同。

師：這說(shuō)明這一轉(zhuǎn)化是化學(xué)變化。我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)這一煉銅場(chǎng)景，請(qǐng)同學(xué)們模擬實(shí)驗(yàn)，并思考孔雀石是如何發(fā)生這一變化的。

（學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)M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(nèi)，蓋實(shí)、用鑷子壓緊;冷卻后取出固體并觀察）

生：加熱時(shí)，孔雀石由綠色變?yōu)楹谏?，?huì)炸裂迸濺;伸入濾紙中，濾紙被燒出一個(gè)洞，冒煙、變黑;打開濾紙，黑色固體部分變?yōu)榧t色固體。這說(shuō)明堿式碳酸銅加熱會(huì)生成氧化銅，濾紙變黑后又變紅說(shuō)明碳奪取了氧化銅中的氧。

師：碳不但在燃燒時(shí)能與氧氣結(jié)合，加熱時(shí)也能與氧化銅中氧元素結(jié)合。

（演示實(shí)驗(yàn)：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(fā)現(xiàn)，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(yīng)該是有一種不易被觀察的物質(zhì)——?dú)怏w。而且，它應(yīng)該和碳性質(zhì)相似，都能奪取氧。

師：1800年，科學(xué)家們也是這樣發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)與近代早期西方一些化學(xué)家的研究非常相似。

【設(shè)計(jì)意圖】集煙制墨實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生分析碳單質(zhì)的成因及性質(zhì);制曲釀酒實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生梳理檢驗(yàn)物質(zhì)的程序和思路;火法煉銅實(shí)驗(yàn)關(guān)注學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范，引導(dǎo)學(xué)生尋找證據(jù)，進(jìn)行推理。此教學(xué)板塊加深學(xué)生對(duì)碳及其化合物之間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的理解，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到調(diào)整化學(xué)反應(yīng)條件可以控制反應(yīng)的發(fā)生和結(jié)果，充分感受從證據(jù)到結(jié)論的思維過(guò)程，提升科學(xué)思維水平。

4.教學(xué)板塊3：“碳”為觀“智”的西方科學(xué)。

環(huán)節(jié)1：拉瓦錫燃燒金剛石實(shí)驗(yàn)。

師：拉瓦錫利用兩個(gè)大凸透鏡將陽(yáng)光聚焦在金剛石上使之燃燒，得到無(wú)色氣體。他用如此復(fù)雜的裝置、昂貴的實(shí)驗(yàn)材料，想證明什么？

生1：鉆石由碳元素組成，是碳單質(zhì)。

生2：?jiǎn)钨|(zhì)碳在常溫時(shí)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但在高溫時(shí)具有可燃性。

環(huán)節(jié)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(zhì)量分布。西方科學(xué)家在木炭燃燒的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量。因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)紛繁復(fù)雜，假定碳的質(zhì)量均為“1”，你有什么發(fā)現(xiàn)？

生：當(dāng)碳的質(zhì)量相等時(shí)，碳酸氣中氧的質(zhì)量是氧化碳中氧的質(zhì)量的兩倍。

師：很棒！這就是化學(xué)史中道爾頓提出的“倍比定律”，即在兩種相同元素構(gòu)成兩種不同的化合物時(shí)，一種元素質(zhì)量相等，與其化合的另外一種元素在兩種化合物中的質(zhì)量比總是保持簡(jiǎn)單的整數(shù)比。據(jù)此你對(duì)物質(zhì)有什么樣的大膽假設(shè)？

生：質(zhì)量呈整數(shù)比，說(shuō)明物質(zhì)中存在可數(shù)的個(gè)體。

師：道爾頓從數(shù)量關(guān)系，大膽提出科學(xué)原子論——物質(zhì)世界的最小單位是原子?；瘜W(xué)不但觀察物質(zhì)及其變化的宏觀世界，還從微觀角度探究其本質(zhì)，更有將這兩者融合的符號(hào)世界。東方精湛的技藝、西方奧妙的科學(xué)，都與碳及其化合物的轉(zhuǎn)化有密切關(guān)系。

【設(shè)計(jì)意圖】金剛石燃燒實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)的目的;探析兩種含碳化合物引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)，提出猜想，推測(cè)物質(zhì)由微粒構(gòu)成。本教學(xué)板塊中，教師引導(dǎo)學(xué)生再現(xiàn)科學(xué)史上的這一過(guò)程，領(lǐng)略定量實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析、理論構(gòu)想、微觀建模、演繹推理等科學(xué)思維方法的精妙運(yùn)用。

5.教學(xué)板塊4：“碳”為觀“志”。

師：通過(guò)以上學(xué)習(xí)，我們?yōu)橹袊?guó)古人制墨、釀酒、煉銅的高超技藝所折服;又驚嘆西方科學(xué)家探究奧秘的想象力。但科學(xué)史上也存在李約瑟之問(wèn)：“中國(guó)古代對(duì)人類科技發(fā)展做出了很多重要貢獻(xiàn)，但為什么科學(xué)和工業(yè)革命沒有在近代的中國(guó)發(fā)生？”

生：中國(guó)古代更重視實(shí)用，制造有用的物質(zhì)。近代西方科學(xué)家探究這些變化背后的奧秘。

師：這個(gè)問(wèn)題很宏大，原因是多維的。而只有技術(shù)與科學(xué)的相互融合和促進(jìn)，才能推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。

【設(shè)計(jì)意圖】在本節(jié)課教學(xué)的最后環(huán)節(jié)，教師通過(guò)李約瑟之問(wèn)總結(jié)本節(jié)課的中心思想，引導(dǎo)學(xué)生從辯證的角度思考中國(guó)科學(xué)與西方科學(xué)之間的不同，從而認(rèn)識(shí)到科學(xué)和技術(shù)是推動(dòng)人類文明發(fā)展的兩大力量，不可分割。

三、教學(xué)效果及反思

1.以古代含碳物質(zhì)的應(yīng)用為載體，在傳統(tǒng)技藝史中認(rèn)識(shí)化學(xué)的意義和價(jià)值。

化學(xué)變化是有一定條件的。本節(jié)課讓學(xué)生在中國(guó)古代高超制墨、釀酒、煉銅的技藝中領(lǐng)略古人調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的智慧，構(gòu)建碳及其化合物的關(guān)系圖，認(rèn)識(shí)化學(xué)方程式背后的意義。學(xué)生能認(rèn)識(shí)到，從實(shí)驗(yàn)室研究到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，無(wú)不滲透著科學(xué)家與工程師的心血，化學(xué)在人們的生產(chǎn)生活中有著十分重要的價(jià)值。

2.以氣體化學(xué)史為載體，體會(huì)科學(xué)思維的一般過(guò)程和方法。

本節(jié)課從定性認(rèn)識(shí)二氧化碳到定量認(rèn)識(shí)碳的氧化物，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)原子論;從認(rèn)為“重可燃空氣”是燃素，到認(rèn)識(shí)其是碳的氧化物，對(duì)學(xué)生具有啟發(fā)意義。學(xué)生在這一過(guò)程中可建立起研究物質(zhì)的觀念和方法，感知化學(xué)學(xué)習(xí)需要實(shí)驗(yàn)、假說(shuō)、演繹、推理、比較和分類等方法。

3.以相關(guān)理論建立過(guò)程為載體，完善“宏觀—微觀—符號(hào)”的化學(xué)體系。

學(xué)生通過(guò)本課中碳的氧化物的定量測(cè)定、數(shù)據(jù)分析、理論構(gòu)想，可以認(rèn)識(shí)到微觀探析對(duì)化學(xué)發(fā)展的促進(jìn)作用;通過(guò)分析兩種含碳化合物，學(xué)生從宏觀現(xiàn)象“整數(shù)”構(gòu)想微觀粒子，從微觀粒子解釋宏觀現(xiàn)象，用符號(hào)建立宏微聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)思維“見著知微，見微知著，符聯(lián)宏微”的跨越。

4.以開放式問(wèn)題為載體，促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)。

開放式的問(wèn)題設(shè)計(jì)能調(diào)動(dòng)學(xué)生分析、搜索、生成、形成解決問(wèn)題的方案，提升思維能力。學(xué)生在解決開放式問(wèn)題中遇到的困難，正是科學(xué)家長(zhǎng)時(shí)間研究累積與理論突破的點(diǎn)。如此引導(dǎo)學(xué)生重復(fù)化學(xué)發(fā)展的道路，有利于其掌握化學(xué)的基本知識(shí)、理解科學(xué)本質(zhì)、提升學(xué)科素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]J.R.柏廷頓.化學(xué)簡(jiǎn)史[M].胡作玄，譯.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2010：127-141.

[2]王偉群，陸真.簡(jiǎn)明化學(xué)史[M].上海：上海教育出版社，2010：83-89.