顏標峰

摘要：以人的需求為基礎(chǔ)進行化學(xué)創(chuàng)造或發(fā)明的“按需設(shè)計”是化學(xué)推動人類文明進步的重要方式。通過創(chuàng)設(shè)“按需設(shè)計”的教學(xué)情境，滲透化學(xué)史中的科學(xué)發(fā)展觀，可以引導(dǎo)學(xué)生感受到以人為本的人文情懷和不斷探索的科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞：化學(xué)史；科學(xué)發(fā)展觀；按需設(shè)計；教學(xué)情境

文章編號：1008-0546（2017）01-0022-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.01.006

化學(xué)是一門中心的、實用的、展現(xiàn)創(chuàng)造魅力的學(xué)科，化學(xué)對人類文明的貢獻功不可沒。用諾貝爾獎獲得者、著名有機化學(xué)家伍德沃特的話來說，化學(xué)家們“在老的自然界旁邊又建立起一個新的自然界”，化學(xué)的發(fā)展史幾乎就是一部發(fā)明創(chuàng)造史。

化學(xué)史中大量的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明，都遵循著按照人類需求而發(fā)展的“按需設(shè)計”的規(guī)律。當(dāng)世界面臨著糧食危機時，哈伯在1909年發(fā)明用鋨作催化劑的高壓合成氨工藝，滿足了人類的糧食需求；當(dāng)人類在與各種傳染病激烈抗爭時，抗生素應(yīng)運而生，提高了人類至少25年的平均壽命。“按需設(shè)計”是化學(xué)推動人類文明進步的重要方式。

“按需設(shè)計”體現(xiàn)出化學(xué)發(fā)展的人文理念——科學(xué)發(fā)展觀?？茖W(xué)發(fā)展觀是“堅持以人為本，全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的發(fā)展觀”，“按需”即“以人為本”，筆者將本文的“科學(xué)發(fā)展觀”界定為“以人為本”的發(fā)展觀。

在經(jīng)濟飛速發(fā)展的當(dāng)代，環(huán)境、能源、食品安全等問題困擾著人們，于是人們將這些問題聚焦在化學(xué)上，甚至聞“化”色變。然而“化學(xué)不是問題，化學(xué)解決問題”，在中學(xué)課堂中如何讓學(xué)生明白這一道理是當(dāng)務(wù)之急。筆者認為在課堂中除了傳授系統(tǒng)的化學(xué)學(xué)科知識之外，還應(yīng)開發(fā)化學(xué)人文資源，滲透化學(xué)史中的科學(xué)發(fā)展觀，開展學(xué)科內(nèi)涵教育。

“按需設(shè)計”的教學(xué)情境是化學(xué)史中科學(xué)發(fā)展觀的有效載體。筆者有意識地挖掘了部分教學(xué)素材中科學(xué)發(fā)展觀的學(xué)科內(nèi)涵并創(chuàng)設(shè)了“按需設(shè)計”的教學(xué)情境，現(xiàn)與大家做如下分享：

案例 1：氯氣與漂白劑

[講述]1774年，舍勒發(fā)現(xiàn)了氯氣，并且發(fā)現(xiàn)氯氣能夠漂白有色鮮花和綠葉，由此舍勒推斷出氯氣具有漂白性。

[對比實驗]氯氣與干燥的紅色小花、氯氣與濕潤的紅色小花。

設(shè)計意圖：以化學(xué)史為切口，通過探究實驗，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注氯水的漂白性。

[過渡]氯水中起漂白作用的有效成分是次氯酸。

[學(xué)生活動]書寫氯氣與水反應(yīng)的化學(xué)方程式。

[講述]次氯酸不僅具有漂白性，還具有強氧化性，能殺菌消毒，1897年英國首次使用氯氣給自來水消毒。

[講述]1785年，法國化學(xué)家貝托雷提出將氯水的漂白作用應(yīng)用于紡織工業(yè)，實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)放置一段時間的氯水漂白作用明顯減弱。

[演示實驗]次氯酸的分解。

[學(xué)生活動]從氧化還原反應(yīng)的角度，推導(dǎo)次氯酸分解的產(chǎn)物。

[提問]次氯酸見光易分解，表明次氯酸具有不穩(wěn)定性，所以久置后氯水的漂白作用減弱，那么如何保證次氯酸的漂白性呢？

設(shè)計意圖：鑒于次氯酸見光易分解的事實，提出如何改進漂白劑的問題，激發(fā)學(xué)生的認知興趣，引起學(xué)生“按需設(shè)計”的意識。

[講述]化學(xué)家貝托雷偶然情況下把氯氣通入草木灰的水溶液中，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性提高很多。

[視頻實驗]氯氣通入草木灰水溶液后，對其產(chǎn)物進行光照。

[講述]草木灰是一種堿性的物質(zhì)，次氯酸是一種酸，二者反應(yīng)生成了鹽，此實驗證明次氯酸鹽比次氯酸更加穩(wěn)定。次氯酸鈉制備成本較高，限制了以次氯酸鈉為有效成分的漂白劑的推廣。1789年，英國化學(xué)家臺耐特把氯氣通入石灰乳中，制得現(xiàn)在仍廣泛使用的、價格低廉的漂白粉。

設(shè)計意圖：在“提出需求—按需設(shè)計—提出新需求—按需優(yōu)化”的漂白劑設(shè)計過程中，調(diào)動學(xué)生的探究熱情，引導(dǎo)學(xué)生感受到“按需設(shè)計”在漂白劑發(fā)展歷史中發(fā)揮的重大作用。

案例 2：氨氣與氮肥

[設(shè)疑]植物生長需要氮肥，空氣中有大量的氮氣，但植物并不能直接吸收，如何將空氣中的氮單質(zhì)轉(zhuǎn)化為氮肥？

[講述]1909年哈伯發(fā)明合成氨工藝，將氮氣轉(zhuǎn)化為氨氣，實現(xiàn)人工固氮。氨氣是氣體，不適宜直接作為氮肥，可制成氨水再使用，如何證明氨氣溶于水？

[演示實驗]塑料瓶變癟實驗、噴泉實驗。

[學(xué)生活動]氨氣與水反應(yīng)方程式的書寫，氨水性質(zhì)分析。

[提問]在六七十年代的時候，氨水作為氮肥，曾經(jīng)廣泛地使用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不過近些年，卻不再被大力推廣了。為何氨水不能成為氮肥的主角？

設(shè)計意圖：氮氣—氨氣—氨水，從人工固氮講到早期使用的氮肥，為氮肥的“按需設(shè)計”做鋪墊。

[講述]氨水易揮發(fā)且加熱易分解，不穩(wěn)定是氨水作為氮肥最大的弊端，于是科學(xué)家們將液態(tài)的氨水與酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的銨態(tài)氮肥。

[學(xué)生活動]氨水與硫酸、硝酸、鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式的書寫。

[講述]早期的銨態(tài)氮肥主要是硫酸銨，硫酸銨一度在意大利、英國、日本和印度等國的氮肥生產(chǎn)中所占比例特別高。氨氣經(jīng)過催化氧化可以得到硝酸，硝酸與氨水反應(yīng)生成硝酸銨，使氮肥工廠避免了運輸硫酸的困擾。我國著名實業(yè)家侯德榜發(fā)明侯氏制堿法后，氯化銨作為侯氏制堿法的副產(chǎn)物，成為我國主要的氮肥來源。

[講述]農(nóng)民伯伯在高溫天氣下施氮肥時，經(jīng)常會戴著口罩。碳酸銨、氯化銨等固態(tài)氮肥在加熱條件下會分解。

[學(xué)生活動]碳酸銨和氯化銨加熱分解反應(yīng)的化學(xué)方程式的書寫。

[講述]無機氮肥不僅加熱易分解，高溫天損失肥效；而且無法更新土壤有機質(zhì)，使用頻繁后，土壤會出現(xiàn)不同程度的板結(jié)。于是有機氮肥——尿素在此背景下得以合成，成為當(dāng)前使用程度最大的氮肥。

[講述]全世界每年化學(xué)工業(yè)的固氮量，只能達到生物固氮量的1/4左右。因此，在不斷設(shè)計的人工固氮方法中，生物固氮的模擬過程最受人矚目。當(dāng)前化學(xué)家們圍繞固氮酶催化固氮活性中心這一問題展開模擬工作。人們正期待突破性的氮肥品種出現(xiàn)，這將會是繼哈伯合成氨工藝后，又一載入史冊的轉(zhuǎn)折性的科技成果。

設(shè)計意圖：通過感受氮肥“按需設(shè)計”、不斷發(fā)展的科學(xué)過程，體悟化學(xué)家們積極探索的科學(xué)品質(zhì)、甘于奉獻的社會情懷和日臻至美的理想信念。

案例 3：原電池與化學(xué)電源

[講述]公元1800年，伏打把含食鹽水的濕抹布，夾在銀和鋅的圓形板中間，堆積成圓柱狀，制造出最早的電池——伏打電池。不久后，伏打發(fā)現(xiàn)，用任何兩種金屬代替鋅和銀都可以產(chǎn)生電流。這種將不同的金屬片插入電解質(zhì)水溶液形成的電池，通稱伏打電池。

[提問]伏打電池在使用時，電流電壓不穩(wěn)定。伏打電池的模型是單液原電池，請你分析造成問題的原因，并試著提出問題的解決辦法。

[學(xué)生活動]得出結(jié)論：鋅與硫酸銅溶液直接接觸，將鋅與硫酸銅溶液進行隔離。

[講述]1836年丹尼爾將銅片和鋅片分別浸在硫酸銅溶液和硫酸鋅溶液中，用多孔陶瓷將兩種溶液隔離，發(fā)明了丹尼爾電池。

設(shè)計意圖：伏打電池和丹尼爾電池在化學(xué)電源發(fā)展史上有不可估量的地位，與中學(xué)化學(xué)里講解的單液原電池和雙液原電池有直接關(guān)系。學(xué)生能夠獨立參與到電池改進中，切身體會“按需設(shè)計”的快感。

[講述]丹尼爾電池不便于攜帶和使用，于是科學(xué)家們又開始投入電池的設(shè)計工作中。1887年，英國科學(xué)家赫勒森發(fā)明了世界上最早的干電池。干電池的電解液為糊狀，不會溢漏，方便攜帶，獲得了廣泛應(yīng)用。

[講述]當(dāng)前家電越來越小型，電子產(chǎn)品越來越多功能，人們迫切需要小型化、多功能化的電池，于是人們制造出了紐扣電池。

[過渡]由供電不穩(wěn)到供電穩(wěn)定，由不便攜帶到方便輕盈，由功能單一到功能多樣，化學(xué)電源的設(shè)計越來越完善。但電池使用過后，如若廢棄，對環(huán)境的污染較為嚴重。如何保證化學(xué)電源的生態(tài)環(huán)保，成為化學(xué)家們的研究課題。

[講述]可充電的二次電池應(yīng)運而生，鉛蓄電池、鎳鎘電池等二次電池在生活中屢屢可見；綠色高效的燃料電池大放異彩，氫氧燃料電池、甲烷燃料電池等清潔電源越來越受到關(guān)注。

設(shè)計意圖：化學(xué)電源在化學(xué)發(fā)展史上是濃墨重彩的一筆，是化學(xué)家們貢獻給世界的一份厚禮。但化學(xué)電源的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，科學(xué)家們不斷地遇到挑戰(zhàn)，不斷地取得突破。通過化學(xué)電源“按需設(shè)計”的學(xué)習(xí)體驗，讓學(xué)生感受到在實際應(yīng)用過程中，問題會不停顯現(xiàn)，面對問題最佳的態(tài)度，應(yīng)該是積極思考與認真解決。

蘇霍姆林斯基曾說：“在人的內(nèi)心深處，都有一種根深蒂固的需要，那就是希望自己是一個發(fā)現(xiàn)者和探索者。”通過融入“按需設(shè)計”的教學(xué)情境，學(xué)生得以在化學(xué)的歷史海洋中去發(fā)現(xiàn)，去探索。發(fā)現(xiàn)滲透在化學(xué)史中以人為本的人文情懷，發(fā)現(xiàn)蘊含在化學(xué)史中不斷探索的科學(xué)精神。發(fā)現(xiàn)之余，做一個探索者，不斷踐行以人為本的科學(xué)發(fā)展觀，為今后化學(xué)的進步貢獻力量。

參考文獻

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[2] 王燦.化學(xué)史中的科學(xué)發(fā)展觀——以“化學(xué)電源”教學(xué)設(shè)計為例[J].化學(xué)教學(xué)， 2014 （8）： 31-34