聚焦“证据推理”的中学化学史教学课例研究

莫宇锋 孙可平

摘要：“证据推理”是重要的化学学科核心素养之一。通过化学史课例教学，可以让学生感受和体验化学发展过程中化学家如何使用證据进行推理以获得概念或理论的整个过程，也促进学生更深入地理解化学学科的本质。本研究以“原子一分子论”发展史为探索课例，在理论分析的基础上构建出有效的课堂教学模式，且在实践中进行调整和修正。探索结果表明，利用“问题链”与学生自主活动相结合、化学史故事线索与科学证据推理过程相结合这样两条线索，能够构建有效发展学生证据意识，理解化学学科本质的课堂教学。

关键词：原子一分子论;化学史;证据推理

文章编号：1008-0546（ 2020）08-0051-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.08.015

所谓“证据推理”是基于科学证据的推理过程。它包含了获取、辨别证据，基于证据构建观点或主张，利用更多证据验证这些观点或主张，并进而得到结论等多个环节或过程。“证据推理”素养是化学核心素养的重要一环，2017年颁布的《普通高中化学课程标准》指出“证据推理素养是培养学生具有证据意识，能基于证据对物质的组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪;建立证据、观点和结论之间的逻辑关系”[1]。在化学教学中，“证据推理”强调能让学生体验如何基于证据进行科学论证的过程。

通常，化学教学中的证据推理设计常常是简单的、线性的活动，而缺乏辩护、反驳等复杂的推理环节。如何在教学中呈现完整真实的证据推理过程呢？国外学者德伯格（de Berg，K.C.）在其研究中曾指出[2]，体验化学家如何形成和验证化学知识对于理解化学本质或发展化学素养至关重要。换句话说，通过化学史的教学，可以让学生体会到证据推理的全貌，进而发展核心素养。因此，本文试图以“原子一分子论”为研究对象，探讨如何构建有效的化学史课堂教学，以帮助学生发展证据推理意识及其能力。

一、“原子一分子论”教学内容分析

“原子一分子论”是学生中学阶段第一次接触的化学理论，对学生来说很难适应现象化学到理论化学学习的转变。在学习原子和分子概念时，学生很容易产生疑惑：为什么有些物质由双原子分子组成，而有些则由单原子直接组成？然而，这些问题无法通过直观的实验或数据来解决，学生只能依靠单纯的记忆被动接受。“原子一分子论”发展史中，科学家基于证据提出不同的主张，通过不断地论证得到理论。学生可以通过获取科学家的证据和观点，重演历史故事，体验推理过程。该过程的学习不仅有助于学生解决微观领域的问题，还能促进学生认识科学证据与理论的关系，初步理解化学现象的本质。

中学化学教材中涉及“原子一分子论”的内容并不多，缺乏“原子一分子论”发展的连续性。初中教材重点介绍了原子和分子的概念，但只提示性地介绍原子论和分子论的背景。而高中教材虽然介绍原子论的论点及其局限性，并简单地讨论了原子结构的历史演变，却未涉及原子论到分子论的发展过程。有调查指出[3]，由于教科书及相关著作对“原子一分子论”的发展史表述不够明确，化学教师容易忽视或不重视该内容的教育。因此，本节课教学设计之前教师需要梳理“原子一分子论”的故事线索，筛选适合学生科学论证的史实，重建教学主题呈现的顺序。

“原子一分子论”的发展充分体现了科学理论“继承一创新”的辩证发展规律[4]，其中包含真实的证据推理过程。首先，道尔顿基于气象学研究和定量化学实验于1808年提出科学原子论，主张所有物质都由原子组成。同年，盖·吕萨克提出的气体反应定律本想支持道尔顿的原子论，却引发“半个原子”的矛盾[5]。1811年，阿伏伽德罗基于盖·吕萨克的实验并结合原子论提出分子学说。新学说试图解决矛盾，但遭到科学界的反驳，尤其与当时贝采里乌斯的电化二元论相悖。直到1860年，坎尼扎罗在第一次国际化学会议上客观论证了分子学说，最终确立科学的“原子一分子论”。是以，该发展史向我们展示了由科学证据到理论的曲折过程，涵盖完整的证据推理环节，如图l所示。

二、聚焦“证据推理”的教学模式设计

“原子一分子论”发展史的介绍，能提供学生一个参与证据推理过程的很好的机会，但发展史本身无法培养学生的推理能力。教师如何让学生在课堂中体验完整的证据推理过程呢？在发展史背景下，学生需要主动参与证据推理的过程，像科学家一样交流合作，共同解决问题、矛盾，从而获取新知。有研究者指出，教学中的“问题链”能指引学生的思维定向移动，充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用[6]。因此，教师可以通过设计“问题链”来引导学生进行证据推理（见图2），并通过问题反馈来评价学生的推理过程，从而推动学生思维发展。

从图2教学模式中可以看出，学生活动根据证据推理过程可分为自主学习、小组交流、反思内化三个环节。自主学习是学生能够在课堂中交流讨论的前提，学生通过自主学习获取证据、明确科学家的主张，学生小组基于证据围绕矛盾辩护、反驳主张，进一步结合证据讨论、接受新主张，最终反思科学发展的过程。在引导学生进行自主学习时，教师可利用微课和问题单在课前帮助学生了解科学家的主要证据和主张。在课堂教学中，教师引导、协助学生进行证据到主张的推理，为学生提供有效的合作学习环境。课后，根据学生的课堂问题反馈，再布置针对性的反思作业。

在设计“原子一分子论”教学时，进一步分析史料可知，原子论和电化二元论均主张相同原子不能互相结合，而分子论主张单质气态分子可由两个相同原子构成，相互矛盾的主张构成一个核心问题即“相同原子能否互相结合”。这也是学生学习“原子一分子论”时的主要疑惑，在学生和当时科学家均未认识“电子”时，学生却被告知氢气的化学式为“H2”是理所当然的。基于此，利用微课介绍“半个原子”的矛盾时，给出两个典型反应方程，即1体积二氧化碳（C02）与碳（C）反应生成2体积一氧化碳（CO）以及1体积氮气（N）与1体积氧气（O）化合生成2体积一氧化氮（NO），揭露出矛盾的焦点在于单质气体的组成，为学生提供支持阿伏伽德罗或反驳贝采里乌斯的证据。根据上述教学模式并针对“原子一分子论”发展史中的核心问题，构建课堂教学，如图3所示。

三、课堂教学实施

本次教学安排在上海市的一所重点高中，选择了一个高一教学班。教学班包含39名學生：20名男生和19名女生。这些学生在课前已观看微课并完成问题单，具备在课堂讨论问题的条件。基于学生实际情况和教学内容分析，本节课的教学目标为：

（1）通过观看化学史微课，能辨别、获取科学家的证据和主张，说明证据到主张的推理过程。

（2）通过小组讨论和解决问题，能对主张进行辩护或反驳，能解释“相同原子可以结合”的本质原因。

（3）通过对化学本质问题的讨论，认识化学知识的曲折发展，加深对化学学科的理解。

本节课围绕核心问题的讨论将课堂教学分为4个环节：“创设问题情境”“引导问题讨论”“解决核心问题”和“反思科学本质”，按图3教学模式展开，引导学生逐步体验证据推理过程。学生在课前按科学家角色分为5组，学生序号1-5分别代表道尔顿、盖·吕萨克、阿伏伽德罗、贝采里乌斯、坎尼扎罗。课堂教学实践如下所述：

【环节1】引入背景，创设问题情境

教师：简要回顾“原子一分子论”的发展过程及科学家的主张。

教师：（提问）依据盖·吕萨克的假说和道尔顿的原子论试写出“2体积一氧化碳与1体积氧气反应生成2体积-氧化碳”的反应方程式。

生1：2CO+O2→2CO2

教师：（反问）原子论主张氧气由2个氧原子组成吗？

生1：但盖·吕萨克所做的实验是这样的。

教师：（追问）他的实验是怎么说明氧气由2个氧原子组成呢？有同学补充吗？

生：沉默。

教师：我们先按照原子论的主张书写一下方程，实验能否说明可后续讨论。

生：2CO+O→2CO2

设计意图：简要回顾微课，让学生重温“原子一分子论”发展的背景。通过一个气体反应方程，明确道尔顿的主张、盖·吕萨克的实验和假说，为后续学生推理作铺垫。

【环节2】聚焦证据，引导问题讨论

教师：（提问）上述反应方程这样写到底对不对呢？

生：不对，反应前后的氧原子数不相同，违背了质量守恒定律。

教师：（追问）既然不对，依据质量守恒定律如何修正呢？刚已有同学给出了一个答案，还有其它可能吗？

生4：氧原子前面的系数可以是2。

教师：（投影）2CO+O2→2CO2;2CO+2O→2CO2。

教师：（引导反驳）如果系数是2就不符合盖·吕萨克的假说了，你有什么证据反驳他的假说吗？ 生4：微课里有提到，若假设成立，则l体积氮气和l体积氧气反应生成2体积一氧化氮会存在半个氮原子和半个氧原子（N+O→2NO），而原子不可分割。

教师：（追问）这里又回到道尔顿的原子论，主张相同原子不能够结合，这是否有证据支持呢？

生4：贝采里乌斯的电化二元论解释了相同原子带同种电性，而同性相斥，所以相同原子不能够结合。

教师：（引导辩护）不过，从2个方程中可以看到，虽然CO和CO2是不同的“原子”，但它们的体积和数目都是2，是支持假说的。那有没有更多的证据来支持盖·吕萨克的假说呢？

生2：1体积二氧化碳与碳化合生成2体积一氧化碳的反应中的体积和“原子”数目也是相等的。

设计意图：通过讨论原子论与气体反应实验的矛盾，引导学生基于各科学家的证据辩护、反驳主张，培养学生的证据意识，为下一步讨论核心问题做准备。

【环节3】明确矛盾，解决核心问题

教师：从列举的方程可以看到在没有单质气体参与反应时，假说是完全成立的。而一旦涉及氧气、氮气时就会出现矛盾，所以矛盾的关键点在于……

生：（指出矛盾）是否有单质气体参与、单质气体的组成。

教师：（引导解释）要能够解释盖·吕萨克的实验，阿伏伽德罗于是假设单质气体都是由两个相同的原子构成的，并把多原子称为“分子”。请同学们尝试用分子的概念修正盖·吕萨克的假说。

生3：同温同压下，相同体积的不同气体含有相同数目的分子数。

教师：（引导讨论）很好，后来我们把这叫做阿伏伽德罗定律。但阿伏伽德罗建立的分子论未被科学家接受，不过也没有其他理论可以解释气体实验事实，请同学们讨论下一步如何才能解决这个矛盾呢？

生4：进一步探究两个相同原子是否可以结合在一起，原子结合的机理。

生5：进一步检验电化二元论的正确性，它的假设可能是错误的。

教师：（补充扩展）随着科学家的不断发现，电化二元论由于不能解释越来越多的科学实验成果而被抛弃。在19世纪末，汤姆森发现电子，从而打破了原子不可分割的观点。科学家逐步揭开原子如何结合成分子的奥秘，也是我们之后化学键要学习的内容。

设计意图：在明确矛盾的基础上，利用分子论重新解释气体实验，促使学生反思证据和主张的合理性，再通过小组讨论找出矛盾的原因共同解决核心问题，培养学生的批判性思维。

【环节4】讨论总结，反思科学本质

教师：本节课我们通过讨论共同解决了“原子一分子论”发展史中的问题，然而历史上的讨论长达半个多世纪，请同学们说说为什么分子论长期不被接受呢？

生5：道尔顿和贝采里乌斯代表了当时的科学权威。

生1：分子论自身缺乏充分实验证据来证实。

教师：（反馈展望）非常好，而且并不是所有的单质气体都是双原子分子。不过，我们现在所说的分子论，也有可能无法解释未来新的实验证据，从而被新理论替代，需要同学们在前人基础上继续探索。

设计意图：学生讨论科学本质问题，促进学生反思科学的发展规律，理解化学学科的本质。

四、教学反思

本节课围绕“原子一分子论”发展史中的问题展开讨论，有意識地联系化学史故事线索，通过“问题链”引导学生基于证据进行推理，促进学生在解决问题的过程中体验化学发展，培养学生的科学思维。通过分析学生课堂表现和课后反馈，反思课堂教学的有效性，具体如下：

（1）在课堂教学环节1中，生1最初书写方程式没有运用原子论的主张，反映学生对分子的概念已根深蒂固。在环节2中，生4在问题引导下能充分利用历史证据反驳主张，生2能利用微课中的例子辩护主张，但在参与度上只有个别学生能给予反馈，说明只有少部分学生的思路得到引导。在环节3、4中，学生通过问题的讨论能说出科学理论的局限性和实验证据的重要性，说明学生能初步理解科学知识的发展和客观性。

（2）在课后反馈中，问到“你会从哪些方面分析科学家主张的合理性”，有87.2%的学生提及通过实验验证，有51.3%的学生还能提及已有理论、论证方式、逻辑等方面，有10.3%的学生用“科学性”概括，说明学生能初步理解科学论证过程但对主张与理论的区别比较模糊。问到“你如何认识‘原子一分子论的发展史”，有64.1%的学生描述了科学家在发展史中的作用，说明学生初步形成科学的发展观。问到“你觉得化学史课堂是否有必要”，有94.9%的学生选择有必要并表示能从中体验科学家建立理论的过程，可以更有效地学习知识也满足好奇心，说明学生认识到化学史并不是静态的史料而是知识动态发展的过程。

综上分析，本节课创设的化学史情境和“问题链”能较好地调动学生自主获取证据，激发学生像科学家一样辩护、反驳主张，初步发展学生的证据推理能力，这在一定程度上表明了课堂教学模式的有效性。但还有几个可以改进的地方：（1）为让学生先摆脱“分子”概念，教学开始时可以利用原子实物模型表示气体，或将尚未学习“分子”概念的初中学生作为研究对象。（2）为促进学生更多地参与讨论，在引导学生解决问题时可播放相应的微课片段，协调学生课前的自主学习。（3）从课后反馈来看，学生在理解化学本质方面参差不齐，教师进行小组分配时需注意个体差异性。

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（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[2] BergK C D.The Place of the History of Chemistry in theTeaching and Learning of Chemistry[M]∥InternationalHandbook of Research in History， Philosophy and ScienceTeaching.Springer Netherlands， 2014： 317-341

[3]袁振东，杜卫民，王晓瑾.原子一分子论发展史教育中值得注意的问题[J].化学教学，2014（2）：75-77

[4]张玉春.“原子一分子论”的创立及其对我们的启迪[J]化学教育，2009（12）：81-84

[5] 张德生，化学史简明教程[M].合肥：中国科学技术大学，2009：69-71

[6]王后雄.“问题链”的类型及教学功能——以化学教学为 例[J].教育科学研究，2010（5）：50-54