融合化学史教学三问

摘要： 结合几则公开发表的教学设计，就融合化学史的教学是照顾历史事件还是知识体系，是遵循历史时序还是认知顺序，是进行事件重复还是改造重演等问题进行了讨论，以便探寻融合化学史教学的更优途径。

关键词： 融合化学史； 化学教学； 教学设计

文章编号： 1005-6629（2018）7-0036-04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

近年来化学教师对“科学给人以知识，科学史则给人以智慧”的认同度不断提高，融合化学史教学的话题受到了广泛关注。《中学化学教与学（复印报刊资料）》2018年第1期设置“融合化学史教学”专题，收录了2017年发表在化学教学类杂志上的有关“氯气”[1]“二氧化碳”[2]“酸、碱、盐在水溶液中的电离”[3]“元素周期表的诞生和发展”[4]等4则课例（下文引用时直接指明课例名称，不再标注出处）。这些课例对如何在教学设计中融合化学史、破解教学难点、发展学生的科学本质观，具有一定的指导意义和参考价值。然而，科学发现“既是必然的，又是偶然的”，“是偶然性和必然性的辩证统一”，特别是人类的早期发现经常是“通过偶然性揭示必然性”，这样就使得不同科学家的先后发现之间不一定存在递进与推演关系[5]。于是相关课例引发了笔者对化学教学如何更好地融合化学史的追问与思考。

1 是照顾历史事件还是知识体系

人教版高中教科书中的“氯气”，由1774年瑞典化学家舍勒（Scheele， 1742～1786）在用浓盐酸处理软锰矿时发现一种黄绿色的气体，到1810年英国化学家戴维（H. Davy， 1778～1829）确认是氯气的“科学史话”引入，并在“思考与交流”栏目设置有关“从发现到确认长达30多年的史实的启示”和“舍勒发现氯气的化学方程式”两个问题；然后介绍氯气的气味、状态等物理性质，氯气与金属、非金属反应的化学性质；在“氢气在氯气中燃烧”实验之后的“思考与交流”栏目中，给出有关“对燃烧条件与本质有什么新认识”的问题；在“自来水厂用氯气消毒”的事实之后，介绍氯气在水中的溶解性，氯气与水的反应，次氯酸的强氧化性、漂白性、弱酸性和不稳定性，以及氯气消毒自来水的缺点和替代品，并安排潮湿和干燥氯气漂白性的对比实验；再由氯气在水中溶解度小，次氯酸不稳定、难以保存等事实引出漂白液和漂白粉的话题，并介绍氯气与碱的反应；最后介绍氯气的用途以及安全使用的有关问题[6]。

“氯气”的教学设计是针对人教版教科书进行的，并在教科书介绍的舍勒发现黄绿色气体到戴维将其确认为氯气的30多年之内，挖掘和增加了其他有关氯气性质的史料，包括1874年贝托莱证实氯水有漂白作用；1789年台奈特将氯气通入石灰乳制得漂白粉；1809年盖·吕萨克和泰纳用氯气制得盐酸。教学设计以这些史料的发展轨迹为线索，先后组织了氯气的实验室制法和物理性质，氯气与水的反应和氯水的性质，氯气与Ca（OH）2等碱的反应，氯气与氢气的反应等知识的探究和学习。作者反思时认为，“乍看纵横交错，像一盘散沙似的教学流程，其实是有一條隐性的线索贯穿始终”，也就是“以氯气的发展历程为线索”，采用“历史线、探究线和知识线的三线结合”。其实科学发现过程“相对无序”的历史事实，决定了完全按科学史实的时序进行教学程序的设计，最终“一盘散沙”的可能性是难以避免的，甚至还可能出现知识点的缺漏等现象，像“氯气”的教学设计就没有涉及氯气与金属的反应，也没有将学生对氯气与氢气反应的认识提升到氯气具有氧化性的层面，当然最后更没有安排知识系统化整合的环节。

虽然课程改革倡导从传统的重学科知识体系完备性、重知识结构轻能力培养的教育模式，向提升学生能力水平、促进其全面发展的新模式的转变，但也不是不要学科知识体系或知识结构，而且掌握相应的学科知识是学生全面发展的基础。所以，对于课堂教学要不要在课程标准的框架下追求知识系统性的问题，答案是显然的。事实也表明，结构化程度高的知识才容易被提取和运用，从而实现问题解决并获得新的知识。不管是否融合化学史，教学都应该帮助学生实现知识的整合和系统化，对于融合化学史而可能导致“一盘散沙”的现象，更应该采取一定的补救措施。目前帮助学生知识结构化和系统化的常用方法是指导或带领学生用思维导图整合知识，如果融合化学史的“氯气”教学设计，最后用相应的思维导图建构知识体系，就可以使学生从整体上把握知识，弥补因为照顾历史事实而可能导致的知识松散甚至缺漏现象，达到历史事件和知识体系两相兼顾的良好效果。

2 是遵循历史时序还是认知顺序

人教版义务教育教科书中的“二氧化碳”，包括颜色、状态、气味、密度、溶解性等物理性质，能与水、Ca（OH）2等反应以及不支持燃烧的化学性质，用澄清石灰水的检验方法，相关用途以及对生活和环境的影响[7]。融合化学史和生活的“二氧化碳”教学设计，与“氯气”教学设计的思路基本相同，只是在“历史线、活动线、知识线”三线结合的基础上增加了“生活线”，具体是以化学家对二氧化碳的认识发展（历史线）创设教学情境，让学生通过实验探究（活动线）挖掘出化学史蕴含的知识（知识线），再用学到的知识解决生活中的问题（生活线）。其中的历史线完全是事件发生的先后顺序： 17世纪初海尔蒙特首次发现二氧化碳（密度比空气大）；1755年布莱克分离出二氧化碳（用澄清石灰水检验）；1766年卡文迪许研究二氧化碳溶解性（二氧化碳能溶于水），1774年贝克曼研究二氧化碳与水的反应（二氧化碳能与水反应）。由于二氧化碳的知识比较简单，教科书中的内容与相关历史事件基本匹配，所以，相应的教学设计也比“氯气”的教学设计显得清晰和结构化。当然，如果最后能用思维导图建构知识体系，那就更为完美了。

“二氧化碳”和“氯气”的教学设计都以历史线索贯穿始终，那么，融合化学史的教学设计是不是都可以或都必须遵循历史的时序呢？研读“酸、碱、盐在水溶液中的电离”的教学设计可以发现，问题的答案是否定的。人教版高中教科书中编排的“酸、碱、盐在水溶液中的电离”，首先是联系有关导电现象给出电解质的定义，“在水溶液或熔融状态下能够导电的化合物叫做电解质”；接着解释酸、碱、盐在水溶液中导电的原因，是“因为它们在溶液中发生了电离，产生了能够自由移动的离子”，并以NaCl为例说明形成水合离子的过程，还配了NaCl在水中的溶解和电离示意图；然后结合HCl、H2SO4和HNO3的电离方程式，从电离的角度概括出酸的本质；最后是“思考与交流”栏目，要求学生“从电离的角度概括出碱和盐的本质”[8]。但教科书的设计没有涉及“电解质在水溶液中电离的自发性”和“电离时能量的来源”等问题，这可能使学生产生“电解质在通电条件下才会电离”的错误认识。为了突破相应的难点，“酸、碱、盐在水溶液中的电离”的教学设计充分利用化学史，在相关教学环节中，将电离理论发展史的片段和创建电离学说时所构建的相关示意图提供给学生，让他们提出电解质溶液中离子来源的主张，或思考电解质电离时能量的来源，并通过相应的实验进行验证。其中所提供的电离理论发展史或电离学说示意图，都没有严格遵循历史时序，而是经过了必要的重构和加工。

再看电解原理的教学。学生在学习人教版高中教科书中的电解原理之前，曾两次接触过电解水的实验。一是在初中化学“水的组成”部分，用以说明“水不是一种元素，是由氢、氧两种元素组成的”[9]；二是在高中化学“气体摩尔体积”部分，用以说明产物中H2和O2的物质的量之比等于气体体积之比[10]。从化学发展史来看，电解是从水开始的，戴维发现元素的一系列实验则是从电解水到电解水溶液再到电解熔融物[11]。为此，有“电解原理”教学设计也从电解水开始，一方面因为“电解水”是学生的已有知识，符合“从学生已有知识经验出发”的教学原则；另一方面，电解的历史是从“电解水”开始的，又“遵循历史时序”。电解水看起来是学生的已有知识，其实学生只知道电解水的产物而不知道其中离子的放电原理，水中存在的H+和OH-与电解产物H2和O2之间，不像教科书设计的CuCl2溶液中Cu2+和Cl-与电解产物Cu和Cl2之间那样的对应，再有水是弱电解质，初中化学介绍电解水时注解要加Na2SO4或NaOH增强导电性。所以电解原理教学从水开始，其难度和复杂性远大于教科书设计的氯化铜溶液。因为分析CuCl2溶液的电解，开始是不涉及水的，考虑水时便自然引出离子的放电顺序。也就是说，从电解水开始电解原理的教学，不像教科书经典设计的那样符合学生的认知规律[12]。所以，在历史时序与认知顺序之间，认知顺序显得更为重要。

3 是进行事件重复还是改造重演

“元素周期表的诞生和发展”的教学设计是对教科书中元素周期表知识的拓展，以促进学生对相关科学本质的理解。全课安排了三个学生活动： （1）对与“元素周期表的诞生和发展”相关的6项重要历史事件（如表1所示）按照时间先后进行排序；（2）根据X（镓）、Y（锗）、Z（碘）三种元素的相对原子质量、原子体积、比重以及部分化学性质，确定它们在门捷列夫第一张元素周期表中的位置；（3）结合门捷列夫第一张元素周期表中碘与碲倒置的矛盾，进一步理解元素性质与原子结构的关系（见表1）。

对于设计中的三个学生活动，作者自认为是“具有思维容量”的。其实，只是对历史事件排序问题的难度稍大一点，一是因为隐去了具体时间，二是虽然设计的答案是⑤④②⑥①③，但仅从事件的逻辑关系来看该答案不是唯一的。由于早期不同科学家的先后发现之间不一定有逻辑关系，而且成果的公开时间和发表范围还存在一定的差异，这就决定了让学生对隐去时间的历史事件进行排序是没有太大意义的，苯结构的发现是最好的例证。一般认为苯的结构是凯库勒于1865年的梦中发现的，然而有资料证明洛希米特早在1861年就发表了苯的环状结构，这比凯库勒早4年。但是洛希米特的成果“因为它是私下印行的，而且当时也没有让真正理解它的化学家读到”，从而耽误了被广泛认同的时机[13]。另外，学生有了教科书中元素周期律和元素周期表的知识以后，再让他们根据性质确定某些元素在原始残缺周期表中的位置，是没有什么思维容量可言的。

早在炼丹术和炼金术时期，人们就已经注意到化学反应中存在量的关系，随着天平的使用与改进，海尔蒙特进行了著名的“柳树实验”，波义耳发现了金属煅烧所得灰烬总是重于原来金屬的现象。到1756年前后，罗蒙诺索夫才比较清楚地表达了化学反应中质量守恒的思想。拉瓦锡在1789年出版的《化学纲要》中用清晰的语言表达了质量守恒定律。1905年爱因斯坦提出相对论，人们又认识到质量守恒定律所存在的局限。初中化学教学给“质量守恒定律”只安排了一个课时，要在“质量守恒定律”的教学中融合化学史，显然是不可能完全重复从海尔蒙特开始的全部实验，那只能是根据教学需要和学生实际对科学家的探索历程进行加工改造和精心设计。先可以引导学生利用已有知识形成假说，然后用封闭体系中的实验验证假说，再用开放体系中的实验深化认识并形成结论。最后，可以给学生介绍从质量守恒定律到质能守恒定律的发展简史，引导学生认识自己的发现路径与科学家的不同以及科学知识需要不断地修正和完善，从而使学生对科学探究的主观性和科学知识的暂时性等科学本质有一个显性的认识[14]。

生物的个体发育和系统发展都遵循重演律。在教学过程中，为了让学生尽快学会和掌握间接知识，可以采取与重演律对应的“重演教学法”[15]。在科学文化知识按照“指数规律”膨胀和发展的情况下，“重演教学法”可以在相对短促而狭小的教学时空中，引导学生“摘要”式地重复前人的主要研究方法、实验手段和思维过程，以获得良好的教学效果。科学知识体系的每一个概念或规律，都需要科学家经历漫长的发现之旅，甚至需要几代人的共同努力，特别是科学知识的再生产过程与生产过程之间在目的、情境等方面存在着明显的差异，所以，科学知识的再生产过程对生产过程的重演，不可能也不需要完全重复科学家的探索历程。经过加工改造了的“摘要”式重演，虽然没有原始的科学知识生产过程那样的艰辛与猎奇，但能够让学生亲历适合自己的研究，并生产出属于自己的科学知识，同时对有关的科学本质形成正确的理解。基于科学本质教育的“元素周期表的诞生和发展”教学设计，只要像“质量守恒定律”教学那样，给学生提供有关史料事实，就能让他们从中体会到科学是一个开放的系统，科学知识具有相对的稳定性、不断发展和进步的科学本质。

参考文献：

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[3]张蕊， 张宁， 许燕红. 立足化学史， 突破“酸、碱、盐在水溶液中的电离”教学难点[J]. 化学教学， 2017， （4）： 39～44.

[4]白建娥. 利用化学史提升学生对科学本质认识的教学——以“元素周期表的诞生和发展”为例[J]. 中学化学教学参考， 2017， （9）： 7～10.

[5]黄发玉， 黄金南， 阳作华. 从统计学观点看科学发现的偶然性与必然性[J]. 哲学研究， 1982， （9）： 28～34.

[6][8][10]宋心琦主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1（第3版）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 82～86， 30～31， 13～14.

[9]王晶， 郑长龙主编. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 117～121， 80～81.

[11]袁翰青， 应礼文. 汉弗莱·戴维爵士[J]. 化学教育， 1988， （3）： 59～62.

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[13]苏敏. 比凯库勒更早发表苯结构的化学家——约翰·约瑟夫·洛希米特小传[J]. 化学教育， 1994， （5）： 46～48.

[14]魏壮伟. “质量守恒定律”的教学设计[J]. 化学教学， 2008， （3）： 37～39.

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