利用化学史教学培养学生的科学素养

陈伟新

化学史是研究化学发生、发展的历史，是重要的教育资源，蕴含着科学探究方法、思维方式、理性精神等科学教育的重要元素，不仅有助于培养学生的科学态度与精神，理解科学的研究过程与方法，而且有助于学生领悟科学本质。“相对原子质量”一课，通过化学史重构教学，使学生感受到科学是一个开放的、不断发展的系统[1]。

基于以上理念，笔者根据浙教版八年级下册“元素符号表示的量”教学内容，充分挖掘“相对原子质量标准”演变的化学史，通过从道尔顿“H为1”的标准到以“以12C原子質量的十二分之一”为标准来搭建教学框架，帮助学生解构前概念，在重演化学史轨迹中，建构“相对原子质量”新概念。回顾“相对标准”变换的一连串科学史实中，追问学生“科学家为什么要选它为标准？如果你是当时开展研究的科学家，你会怎么思考？真的是最好的标准了吗？”等问题，通过对质、重组、迁移的方法，让学生理解“相对原子质量”标准的由来，领悟科学本质。

一、体验情境，引发质疑

出示图片：国际千克原器。设计以下问题引发学生思考。

问题1：为什么要制造国际千克原器？

问题2：你还知道哪些量的标准？

问题3：原子的质量主要集中在哪里？原子质量的数量级为多少？

通过学生熟悉的质量标准引入，从引进相对量意义着手，让学生列举常见量的标准，体验“标准”是相对的。接着，列出三种原子的氢原子1.6741027千克、碳原子1.9931026千克、氧原子2.6571026千克。让学生计算一个水分子和一个二氧化碳分子的质量，感知原子有质量但数值很小，体验“千克”这样的质量标准用到微观的原子、分子质量计算，势必引发质疑去寻找新“标准”。

二、再现史实，建构概念

通过上述甲烷分子、水分子质量计算，让学生谈谈过程体验，并提供以下问题引发学生思考。

问题1：如果你是当时研究的科学家，你会怎么思考？有办法让计量简化吗？

问题2：你会寻找什么作为标准（尺子），去比一比原子的质量呢？如何让大家认同你的观点？

学生参与讨论，以小组为单位交流思想，充分表达观点，并阐述相关理由。

结合学生的交流情况，进行观点归纳。从中选择一个原子的质量作为标准的“砝码”；选择氢原子作为标准，因为氢原子质量最小。在此基础上，教师顺势而推，我们来学习当时科学家是怎么思考的。

化学史实1：道尔顿“原子质量”标准的探索

英国著名的化学家约翰·道尔顿（John Dalton）创立原子论的一个主要目标，即确定单质和化合物中原子的相对重量，但是，由于他没有考虑到元素化合时定比的多样性，所以没有能测得准确的原子量[2]。例如，他认为，水是由1个氧原子和1个氢原子组成的。

展示史实后，追问学生以下两个问题。

问题1：道尔顿认为，水是由1个氧原子和1个氢原子组成的。请想一想水的组成是这样吗？

问题2：你认为道尔顿会选择那种元素为标准？为什么？

化学史实2：道尔顿“原子质量”标准的探索

根据当时拉瓦锡对水的重量分析的结果。基于氢是最轻的原子的假设，道尔顿首先提出（以氢的原子量为1作为标准），根据水是由8份氧气和1份氢气化合而成，得出氧的原子量是8[3]。

1803年10月，道尔顿第一次公布了6种元素的原子相对质量。此后不断增加元素种类，最终增至37种，并对部分数值做了修正。

针对史实提出以下问题，促进学生思考。

问题1：道尔顿为什么把氢设定为1，有科学依据吗？

问题2：把氢设定为1时，氧为什么是8呢？

化学史实3：道尔顿“原子质量”标准的探索

化学史实4：在历史上，不同的化学家曾经采用过不同的相对质量“参照系”，瑞典化学家琼斯·雅可比·柏采留斯曾经用氧的原子量为100作“参照系”。

针对史实提出以下问题，柏采留斯为什么要选择“氧”为标准呢？请你根据以前所学的知识想一想。学生可能会回答说：因为氧原子比较普遍。此时，老师适当引导，科学史实确实如此，当时科学家们发现，在自然界中含氧的化合物很多，含氢元素的化合物很少。

化学史实5：1860年，比利时化学家斯达（J.S.Stas）提出“O=16”为基准，很快得到公认并在化学领域沿用了整整一个世纪[4]。

展示史实后追问学生，斯达为什么又提出以“O=16”作为“参照标准”呢？以此扩展学生的思维。

化学史实6：伴随着化学科学的不断发展和相对原子量数值精度的不断提高，特别是1929年美国化学家吉奥克（W.F.Giauque）等人发现了17O和18O两种同位素后，使化学和物理两大领域的相对原子质量基准出现了差别[5]。

根据比较精确的质谱测定，自然界中氧三种同位素的丰度，16O占99.759%，17O占0.037%，18O占0.204%。化学的相对原子质量基准选用的是天然氧，而物理的相对原子质量基准选用的是16O=16[6]。

展示史实后，引导学生思考以下问题。

问题1：什么是同位素？

问题2：根据材料的介绍，“丰度”表示什么？请描述出你的理解。

问题3：若以物理学界16O这种同位素原子等于16作为标准时，那么天然氧的平均相对原子质量应怎样计算呢？

化学史实7：科学家们提出了许多建议。曾先后以“4He=4”和以“19F=19”为基准，但都因各自的不足而被否定了[7]。

化学史实8：1957年，美国质谱学家尼尔和化学家厄兰得提出以12C=12为基准的方案。由于12C基准有利于采用质谱法确定核素的相对原子质量，这一方案得到德国质谱学家马陶赫（J.Mattauch）的支持。1959年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）接受马陶赫的意见，建议使用12C =12为相对原子质量基准。1960年，国际纯粹与应用物理联合会（IUPAC）接受了这项倡议，于是一个为世界公认的新相对原子质量基准诞生了[8]。

问题1：12C表示的意义？

问题2：想一想，采用12C作为相对原子质量的标准，12C原子应该符合哪些条件呢？

通过上述两个问题，用当时科学家的观点，挑战学生的思维，促进学生交流、质疑和推理，让学生调用所学知识，用自己的观点来阐释问题，通过“证据—推理”形成自己的见解。有的学生提出的观点能击中问题关键，如碳原子在自然界中比较普遍且稳定，便于质谱测定。同时，也促使学生综合运用前面所学的寻找“相对原子质量”标准相关知识，辩证地分析问题，做出有价值的选择和决定，领悟科学与技术、社会发展的关系。在学生充分表达之后，再展示采用12C作为相对原子质量标准的史实，让学生体验到成功的乐趣，激发学习热情。

引导学生进行探讨，在课本上描述时，为什么要以“12C原子质量的十二分之一”而不是以“12C原子质量”作为

标准？

经查证，12C原子的质量为1.9931026千克。要求学生计算出12C原子质量的十二分之一值，并将计算结果与质子中子质量进行对比。

三、体悟本质，学以致用

学生在查元素周期表、相对原子质量表实践过程中，体会相对原子质量简洁、规范、准确、国际统一的特点。理解元素符号与相对原子质量的对应关系，使学生初步认识到符号中包含着量的意义。

【练习】查找各元素的相对原子质量。

（1）从元素周期表（附录4）中查出下列元素的相对原子质量：

Ca ； Al ； Cl ； S 。

（2）从相对原子质量表（附录3）查出下列元素的相对原子质量：

Ba ； Na ； S ； Br 。

在学生查表之后，引导学生对比附录4与附录3。追问学生，为什么附录3（相对原子质量表）与附录4（元素周期表）有些虽是同种元素但相对原子质量却有区别？如硫（附录3）为32.066，（附录4）为32.06。让学生说说变化的可能原因是什么。

通过追问，让学生调用前面所学“相对原子质量”得出过程的知识来解决问题，发展学生思辨能力。在学生阐述观点过程中，了解学生的逻辑推理方式[9]。

科学总是不断发展的。科学知识的生产总是在一定的社会环境中进行，在这一环境中，科学生产的目的是与具有不同目的的其他实践相互关联的[10]。促进学生对科学本质理解的教学，可以通过适当历史事例展示人类探索，并建构化学知识的前因后果。这节课的教学问题设计，从引进相对量的意义入手，将“相对原子质量”标准的产生过程融入化学史教学，而不是“冷不丁”地冒出个“以12C原子质量的十二分之一”作为标准。融“史”于课，由“史”引思，以“史”促探，更重要的是揭示探寻“相对原子质量”标准的思维过程，通过对标准探索和变更发展的历程，突出分析、评价、推断、演绎、归纳等批判性思维的训练。学生沿着科学家探索“相对原子质量”标准的思路，折射出科学本质，这也是发展学生核心素养的重要途径之一。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育初中科学课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012：3.

[2][3]吴国盛.科学的历程（第二版）[M].北京：北京大学出版社，2002：344-345.

[4][5][6][7][8]朱清时.义务教育教科书科学教学参考书.八年级下册 [M].杭州：浙江教育出版社，2014：68.

[9]安德烈·焦尔当.学习的本质[M].上海：华东师范大学出版社，2015：60.

[10]查尔默斯.科学究竟是什么[M].北京：商务印书馆，2007：289.

本文系浙江省学前及义务教育段名师工作站2018年度王耀村名師网络工作室专项课题“基于科学名师网络工作室的研修活动规划与实施成效研究”的阶段性成果。

（作者单位：浙江省丽水市丽水外国语实验学校）

责任编辑：李莎

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