在教學中融入不同類型化學史的思考與實踐

唐雪萍

摘要：筆者將化學史分為物質發現史、認識發展史、科學掌故史和物質利用史四個類型，說明在教學中融入不同類型化學史的教學策略;在融入了化學史的“甲烷”課堂教學中，學生穿越歷史長河參與人類對甲烷認識發展的全過程，在探索、體驗中理解甲烷結構和性質的科學本質，發展化學核心素養。

關鍵詞：甲烷;化學史;核心素養

文章編號：1008-0546（2022）04x-0002-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04x.001

一、問題的提出

化學歷史淵源古老，從50萬年前北京猿人學會用火，人類就開始了最早的化學實踐，化學科學的發展經歷了漫長而曲折的道路，它伴隨著人類社會的進步，是社會發展的必然，它的發展，也促進了生產力的發展，推動歷史的前進。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》[1]提出化學學科核心素養包括五個方面的內容，分別是：宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任?；瘜W史在教學中的有效應用對學生的化學核心素養提升起到事半功倍的效果，化學史貫穿課堂教學是學生化學核心素養培養的重要途徑。

在現階段化學課堂教學中，不乏將化學史僅當成拓展性內容進行教學的現象。目前的教學研究，主要集中在“教、學、評”一致性教學模型構建研究[2]、深度學習理念下化學課堂重構研究[3，4]以及HPS教育教學實踐[5，6]等。對化學史進行分類進而探討不同類化學史所具備的教學功能的研究尚屬空白。筆者將化學史分為物質發現史、認識發展史、科學掌故史和物質利用史四個類型，并以“甲烷”為例分析用不同化學史進行課堂教學的策略，讓學生在用化學史創設的課堂情境中探索甲烷結構和性質的科學本質，從而發展化學核心素養。

二、化學史的分類與教學策略

化學史記錄化學學科發展的重大事件，闡述化學發展的歷程，展示化學家們在研究中所采用的科學方法，多角度呈現化學家們的科學精神。將化學史料整合并融入課堂教學中，可以為學生提供最真實、最具說服力的情境，有助于學生主動構建自身發展所需的化學基礎知識和基本技能，有利于學生體驗科學探究的過程，學習科學研究的基本方法，加深對科學本質的認識，發展創新精神和實踐能力;有利于學生形成嚴謹求實的科學態度，更深刻地認識科學、技術和社會之間的相互關系[7]。

筆者將化學史大致分為四類：物質發現史、認識發展史、科學掌故史、物質利用史等?，F分析不同類化學史所蘊含的教育教學價值，對甲烷教學過程中如何使用相關化學史提出建議。

1.物質發現史

英國細菌學家弗萊明在沒有蓋好器皿蓋的瓊脂上意外發現了青霉素，園丁送來的紫羅蘭促使酷愛鮮花的波義耳發現了酸堿指示劑，這些珍貴的史料讓我們感受到化學家并非高不可攀的圣人，但他們又幾乎無一例外地具有勤奮嚴謹、敢于質疑、勇于創新的科學品質。中國早在西周時期，《易經》中就有甲烷發現的記載，象曰：“澤中有火”，澤意指沼澤。秦代，蜀郡守李冰在四川開掘鹽井時也曾利用火井中的沼氣熬煮井鹽。1776年，意大利物理學家伏打在寫給友人的信中詳細敘述了發現甲烷的經過，信中這樣寫道：“我在湖邊淤泥中收集到一種無色、無味氣體，用木棒攪動淤泥，讓冒出的氣泡通入倒扣的、充滿水的瓶中。點燃這種氣體，火焰呈藍色，燃燒較慢，和氫氣的燃燒不同?！标P于甲烷發現的三段歷史用在甲烷課堂教學的開篇，做教學線索引導學生主動從史料記載中獲取甲烷的存在、物理性質、化學性質等有用信息。

2.甲烷的研究歷史

從1774年舍勒發現氯氣到1810年氯元素被戴維確認為是一種元素經歷了36年;德國化學家維勒推翻了自己老師貝采里烏斯的“生命力論”學說，實現了由無機物人工合成尿素的設想?？梢?，人類對物質的認識發展并沒有我們想的那么簡單，它們的發展過程往往曲折而艱難。

1790年，英國醫生奧斯汀通過燃燒產物確定甲烷是碳氫化合物。這段記載在引領學生參與甲烷成分的探究的同時也滲透著元素分析法的科學思想。1804年，英國化學家約翰·道爾頓研究認為1個甲烷分子由1個碳原子和2個氫原子構成。若這段史料在課程上呈現，會與學生的已有認知形成強烈沖突，引發學生主動質疑，從而加深對1857年凱庫勒提出的碳四價原則的理解。1874年，范特霍夫在圖書館閱讀論文時，偶然產生了一個想法——“甲烷的結構到底是怎樣的呢？”進而提出了碳的正四面體學說。用這段歷史故事可用于創設問題情境，引導學生假設自己是范特霍夫，去探究甲烷的真實結構，再現科學發展過程。近代隨著化學儀器的發展，X射線和電子衍射進一步證實了甲烷的正四面體結構，可讓學生感知科技的進步與發展?！禩etrahedron》期刊，中文譯為《四面體》，于1957年在英國創辦，是一本登載有關有機化學原創研究論文的期刊。結課時運用該素材對甲烷結構的認識有畫龍點睛之作用。

3.科學掌故史

1865年凱庫勒“南柯一夢”提出了苯的環狀結構，一直是化學史上極富趣味性的典故?？梢砸龑W生體會凱庫勒在有機化學結構方面由鏈到環的靈感和創造性思維，感悟化學結構之美。發明工業合成氨的“科學天才”，同時也是制造氯氣、光氣、芥子氣等化學毒氣用于第一次世界大戰的“戰爭魔鬼”哈伯，他的功與過是引導學生辯證看待化學家，幫助學生樹立正確的人生觀和價值觀的良好素材。

4.物質利用史

人類對物質的利用推動著化學科學的持續發展。如果不是在20世紀初哈伯發明了工業合成氨，人類的生息繁衍就會遇到大麻煩;1926年侯德榜徹底攻破了氨堿法制堿的技術難題，并將自己多年實踐經驗公布于世，為世界制堿業做出了巨大貢獻。

1930年美國杜邦公司的商業機密“氟利昂”，是引入甲烷取代反應的優秀歷史素材，可激發學生探究甲烷化學性質的欲望。甲烷作為優質清潔燃料也在多處史料中體現：從秦代蜀郡守李冰利用火井中的沼氣熬煮井鹽，到2000年我國距離最長、口徑最大的天然氣輸送工程“西氣東輸”，再到世紀大單2018年中俄簽署天然氣協議、2017年“藍鯨1號開采可燃冰”、壓裂車“阿波羅一號”開采頁巖氣等，大量視頻素材畫面氣勢恢宏，可在幫助學生理解甲烷的優異燃燒性能的同時，激發強烈的愛國情感和社會責任感。gzslib202204021523

三、教學實踐

1.新舊教材對比分析“甲烷”是最新的人教版《化學必修第二冊》[8]第七

章第一節的內容。相比于舊教材，新教材凸顯甲烷是認識有機化合物的重要載體，其正四面體結構極具代表性，由它可類推烷烴的結構和性質。以甲烷為載體可以建立從結構學習有機物性質的思維模式;相比于舊教材，新教材更加強調在碳原子成鍵規律的基礎上認識分子結構以及特征基團進而認識化學反應的思想;新教材的素材編排更注重發展學生的化學核心素養。例如：在本章開篇的彩頁展示深海開采可燃冰的照片，61頁“資料卡片”中提到“使用模型認識物質結構”，66頁“練習與應用”的第10題鼓勵學生評價甲烷發展史上出現的各種結構，旨在讓學生體驗人類對物質結構認識不斷深化的探索歷程。

2.教學目標

（1）回望人類對甲烷認識的發展歷史，參與科學家從宏觀現象逐層深入認識微觀世界的過程;通過搭建球棍模型掌握甲烷的正四面體空間結構，從能量角度分析其四面體結構的本質原因，發展證據推理與模型認知等核心素養。

（2）通過實驗印證甲烷相對穩定的化學性質，通過對甲烷是重要燃料、“西氣東輸”工程、中俄天然氣協議、“可燃冰”的探討，培養學生的社會責任素養。

（3）借助球棍模型演示甲烷的取代反應，運用“結構決定性質，性質反映結構”這一有機化學的核心思想對甲烷的取代反應進行斷鍵、成鍵分析，實現宏觀、微觀、符號三重表征的有機統一，發展證據推理與模型認知的核心素養。（4）了解頁巖氣開采現狀和發展前景，了解壓裂車“阿波羅一號”，激發創新意識，提升社會責任感。

3.教學流程

4.教學實錄（1）環節一：回望歷史，探究甲烷的結構

帶領學生回望人類對甲烷認識的發展歷史，參與科學家從宏觀現象逐層深入認識微觀世界的過程;置身歷史情境，站在1874年范特霍夫的視角探究甲烷的空間結構，通過搭建球棍模型理解甲烷正四面體結構的原因。發展證據推理與模型認知等核心素養。

探究甲烷的結構教學環節見表1。

老師：1874年，范特霍夫在大學圖書館里閱讀論文的時候，偶然產生了一個想法——“甲烷的結構到底是怎樣的呢？”如果你是范特霍夫，你認為甲烷的微觀結構是怎樣的？請嘗試用所提供的材料（黑白泡沫球、牙簽）組裝一個甲烷分子，并討論哪種結構是正確的？

學生活動：用所提供的材料組裝一個甲烷分子模型——有平面形的，有八爪魚形的，有正四面體形的。

老師：我們從什么角度去思考判斷哪一種結構是合理的？

學生：可以從化學鍵、結構是否穩定等角度探討。每根化學鍵代表一對共用電子對，電子對間有斥力，當四對電子均勻地空間分布在碳原子的周圍時候最穩定。

實物展示：氣球形象演示碳周圍四對電子的最穩定形式，展示球棍模型、比例模型等。

學生觀察總結：碳原子位于中心，四個氫原子位于四個頂角，5個原子構成正四面體。

老師：同學們探討得到的結論正是1874年范特霍夫提出的碳正四面體學說。近代隨著化學儀器的發展，X射線和電子衍射進一步證實了甲烷的正四面體結構——四個碳氫鍵的長度和強度相同，鍵角也相同。

我們一起對甲烷的結構進行了探討，雖然只有短短幾分鐘，在化學發展歷史上卻是幾百年的時光，可見人類對物質的發現和研究并非總是一帆風順，正是有這么多刻苦鉆研、耐得住寂寞的科學家才讓我們更加貼近科學本質，才讓我們的生活更加美好。

（2）環節二：立足當下，認識甲烷的化學性質進行甲烷分別通入酸性高錳酸鉀溶液、強酸和強堿溶液的實驗，認識甲烷相對穩定的化學性質，通過對2000年“西氣東輸”工程、2018年中俄天然氣協議、2017年“藍鯨1號開采可燃冰”的了解，并參閱燃燒熱數據，計算探討天然氣和汽油燃燒放出相同熱量所生成的二氧化碳的量，深切感知甲烷是重要的清潔能源。

引入1930年美國杜邦公司研發氟利昂的商業機密，激發學生探究甲烷化學性質的欲望，借助球棍模型模擬甲烷的取代反應，對甲烷的取代反應進行斷鍵、成鍵分析，實現對甲烷取代反應宏觀、微觀、符號三重表征的有機統一。

情境創設：甲烷還是一種重要的化工原料。CHFCl2二氯一氟甲烷是氟利昂的主要成分之一，它的安全性和制冷效果比起其他制冷劑更為卓越，為當年的杜邦公司創造了巨大的利潤。但是關于它的合成原理，杜邦公司卻進行了嚴格的保密，這成為了當時最大的商業機密之一。那么，你們有沒有興趣來破解1930年的這個機密呢？

學生活動：閱讀科學探究實驗并觀看甲烷與氯氣的反應實驗、記錄實驗現象（表2）。

老師：有機物分子里的某些原子或原子團被其它原子或原子團所代替的反應叫做取代反應。杜邦公司正是利用甲烷進行取代反應發明了二氯一氟甲烷，創造了巨大的利潤。聰明的你可以設計它的合成路線嗎？

（3）環節三：展望未來，暢想甲烷的廣闊應用

觀看視頻了解頁巖氣的廣闊應用前景及其開采

的困難，了解壓裂車“阿波羅一號”，激發創新意識，提升社會責任。

教師對甲烷的結構特點、物理化學性質、用途等進行總結后，向同學們介紹《Tetrahedron》期刊，中文譯為《四面體》，于1957年在英國創辦，是一本登載有機化學原創研究論文的期刊。

四、教學反思

著名化學家傅鷹先生曾經說過“化學給人以知識，化學史給人以智慧”。我們現有的化學課堂教學，偏重于教材知識的傳授和基本技能的訓練，對化學這門學科的來龍去脈卻沒有較為全面的介紹。在化學史的視域下開展教學符合人類認識發展的規律，學生仿佛穿越歷史長河跟隨先輩科學家經歷甲烷的發現和利用過程，從而實現對科學本質的理解，貼近學生認知，有利于學生科學態度、社會責任、創新意識等核心素養的發展。本節課對學生學習興趣的激發從形式落實到實質，學生興趣濃厚，課堂氣氛活躍、輕松。

建議廣大教師積極將化學史融入化學課堂教學中，以提高教學質量。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]鄭愛芳，陳新華，張賢金.基于“教、學、評一致性”的高中化學課堂教學評價模型構建與應用[J].化學教學，2021（2）：26-32.

[3]楊君麗.深度學習視野下“甲烷”教學設計[J].中學化學教學參考，2020（10）：42-43.

[4]楊曉東.深度學習視野下的化學教學設計[J].化學教與學，2018（1）：66-70.

[5]薛勇軍，王偉群，孫明軍.基于HPS教育的化學課堂教學[J].教學月刊，2019（5）：20-24.

[6]張四方.基于核心素養的HPS教學實踐[J].化學教育，2019，40（13）：33-36.

[7]白建娥，劉聰明.化學史點亮新課程[M].北京：清華大學出版社，2012.