唐雪萍

摘要：筆者將化學(xué)史分為物質(zhì)發(fā)現(xiàn)史、認(rèn)識(shí)發(fā)展史、科學(xué)掌故史和物質(zhì)利用史四個(gè)類(lèi)型，說(shuō)明在教學(xué)中融入不同類(lèi)型化學(xué)史的教學(xué)策略;在融入了化學(xué)史的“甲烷”課堂教學(xué)中，學(xué)生穿越歷史長(zhǎng)河參與人類(lèi)對(duì)甲烷認(rèn)識(shí)發(fā)展的全過(guò)程，在探索、體驗(yàn)中理解甲烷結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學(xué)本質(zhì)，發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：甲烷;化學(xué)史;核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）04x-0002-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

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

一、問(wèn)題的提出

化學(xué)歷史淵源古老，從50萬(wàn)年前北京猿人學(xué)會(huì)用火，人類(lèi)就開(kāi)始了最早的化學(xué)實(shí)踐，化學(xué)科學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)而曲折的道路，它伴隨著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步，是社會(huì)發(fā)展的必然，它的發(fā)展，也促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，推動(dòng)歷史的前進(jìn)。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》[1]提出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括五個(gè)方面的內(nèi)容，分別是：宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任?；瘜W(xué)史在教學(xué)中的有效應(yīng)用對(duì)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)提升起到事半功倍的效果，化學(xué)史貫穿課堂教學(xué)是學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要途徑。

在現(xiàn)階段化學(xué)課堂教學(xué)中，不乏將化學(xué)史僅當(dāng)成拓展性內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)的現(xiàn)象。目前的教學(xué)研究，主要集中在“教、學(xué)、評(píng)”一致性教學(xué)模型構(gòu)建研究[2]、深度學(xué)習(xí)理念下化學(xué)課堂重構(gòu)研究[3，4]以及HPS教育教學(xué)實(shí)踐[5，6]等。對(duì)化學(xué)史進(jìn)行分類(lèi)進(jìn)而探討不同類(lèi)化學(xué)史所具備的教學(xué)功能的研究尚屬空白。筆者將化學(xué)史分為物質(zhì)發(fā)現(xiàn)史、認(rèn)識(shí)發(fā)展史、科學(xué)掌故史和物質(zhì)利用史四個(gè)類(lèi)型，并以“甲烷”為例分析用不同化學(xué)史進(jìn)行課堂教學(xué)的策略，讓學(xué)生在用化學(xué)史創(chuàng)設(shè)的課堂情境中探索甲烷結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的科學(xué)本質(zhì)，從而發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)。

二、化學(xué)史的分類(lèi)與教學(xué)策略

化學(xué)史記錄化學(xué)學(xué)科發(fā)展的重大事件，闡述化學(xué)發(fā)展的歷程，展示化學(xué)家們?cè)谘芯恐兴捎玫目茖W(xué)方法，多角度呈現(xiàn)化學(xué)家們的科學(xué)精神。將化學(xué)史料整合并融入課堂教學(xué)中，可以為學(xué)生提供最真實(shí)、最具說(shuō)服力的情境，有助于學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建自身發(fā)展所需的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，有利于學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的基本方法，加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，發(fā)展創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力;有利于學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，更深刻地認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)之間的相互關(guān)系[7]。

筆者將化學(xué)史大致分為四類(lèi)：物質(zhì)發(fā)現(xiàn)史、認(rèn)識(shí)發(fā)展史、科學(xué)掌故史、物質(zhì)利用史等。現(xiàn)分析不同類(lèi)化學(xué)史所蘊(yùn)含的教育教學(xué)價(jià)值，對(duì)甲烷教學(xué)過(guò)程中如何使用相關(guān)化學(xué)史提出建議。

1.物質(zhì)發(fā)現(xiàn)史

英國(guó)細(xì)菌學(xué)家弗萊明在沒(méi)有蓋好器皿蓋的瓊脂上意外發(fā)現(xiàn)了青霉素，園丁送來(lái)的紫羅蘭促使酷愛(ài)鮮花的波義耳發(fā)現(xiàn)了酸堿指示劑，這些珍貴的史料讓我們感受到化學(xué)家并非高不可攀的圣人，但他們又幾乎無(wú)一例外地具有勤奮嚴(yán)謹(jǐn)、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學(xué)品質(zhì)。中國(guó)早在西周時(shí)期，《易經(jīng)》中就有甲烷發(fā)現(xiàn)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(kāi)掘鹽井時(shí)也曾利用火井中的沼氣熬煮井鹽。1776年，意大利物理學(xué)家伏打在寫(xiě)給友人的信中詳細(xì)敘述了發(fā)現(xiàn)甲烷的經(jīng)過(guò)，信中這樣寫(xiě)道：“我在湖邊淤泥中收集到一種無(wú)色、無(wú)味氣體，用木棒攪動(dòng)淤泥，讓冒出的氣泡通入倒扣的、充滿水的瓶中。點(diǎn)燃這種氣體，火焰呈藍(lán)色，燃燒較慢，和氫氣的燃燒不同?！标P(guān)于甲烷發(fā)現(xiàn)的三段歷史用在甲烷課堂教學(xué)的開(kāi)篇，做教學(xué)線索引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)從史料記載中獲取甲烷的存在、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等有用信息。

2.甲烷的研究歷史

從1774年舍勒發(fā)現(xiàn)氯氣到1810年氯元素被戴維確認(rèn)為是一種元素經(jīng)歷了36年;德國(guó)化學(xué)家維勒推翻了自己老師貝采里烏斯的“生命力論”學(xué)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)了由無(wú)機(jī)物人工合成尿素的設(shè)想?？梢?jiàn)，人類(lèi)對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)發(fā)展并沒(méi)有我們想的那么簡(jiǎn)單，它們的發(fā)展過(guò)程往往曲折而艱難。

1790年，英國(guó)醫(yī)生奧斯汀通過(guò)燃燒產(chǎn)物確定甲烷是碳?xì)浠衔?。這段記載在引領(lǐng)學(xué)生參與甲烷成分的探究的同時(shí)也滲透著元素分析法的科學(xué)思想。1804年，英國(guó)化學(xué)家約翰·道爾頓研究認(rèn)為1個(gè)甲烷分子由1個(gè)碳原子和2個(gè)氫原子構(gòu)成。若這段史料在課程上呈現(xiàn)，會(huì)與學(xué)生的已有認(rèn)知形成強(qiáng)烈沖突，引發(fā)學(xué)生主動(dòng)質(zhì)疑，從而加深對(duì)1857年凱庫(kù)勒提出的碳四價(jià)原則的理解。1874年，范特霍夫在圖書(shū)館閱讀論文時(shí)，偶然產(chǎn)生了一個(gè)想法——“甲烷的結(jié)構(gòu)到底是怎樣的呢？”進(jìn)而提出了碳的正四面體學(xué)說(shuō)。用這段歷史故事可用于創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生假設(shè)自己是范特霍夫，去探究甲烷的真實(shí)結(jié)構(gòu)，再現(xiàn)科學(xué)發(fā)展過(guò)程。近代隨著化學(xué)儀器的發(fā)展，X射線和電子衍射進(jìn)一步證實(shí)了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)，可讓學(xué)生感知科技的進(jìn)步與發(fā)展?！禩etrahedron》期刊，中文譯為《四面體》，于1957年在英國(guó)創(chuàng)辦，是一本登載有關(guān)有機(jī)化學(xué)原創(chuàng)研究論文的期刊。結(jié)課時(shí)運(yùn)用該素材對(duì)甲烷結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)有畫(huà)龍點(diǎn)睛之作用。

3.科學(xué)掌故史

1865年凱庫(kù)勒“南柯一夢(mèng)”提出了苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，一直是化學(xué)史上極富趣味性的典故?？梢砸龑?dǎo)學(xué)生體會(huì)凱庫(kù)勒在有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)方面由鏈到環(huán)的靈感和創(chuàng)造性思維，感悟化學(xué)結(jié)構(gòu)之美。發(fā)明工業(yè)合成氨的“科學(xué)天才”，同時(shí)也是制造氯氣、光氣、芥子氣等化學(xué)毒氣用于第一次世界大戰(zhàn)的“戰(zhàn)爭(zhēng)魔鬼”哈伯，他的功與過(guò)是引導(dǎo)學(xué)生辯證看待化學(xué)家，幫助學(xué)生樹(shù)立正確的人生觀和價(jià)值觀的良好素材。

4.物質(zhì)利用史

人類(lèi)對(duì)物質(zhì)的利用推動(dòng)著化學(xué)科學(xué)的持續(xù)發(fā)展。如果不是在20世紀(jì)初哈伯發(fā)明了工業(yè)合成氨，人類(lèi)的生息繁衍就會(huì)遇到大麻煩;1926年侯德榜徹底攻破了氨堿法制堿的技術(shù)難題，并將自己多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)公布于世，為世界制堿業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。

1930年美國(guó)杜邦公司的商業(yè)機(jī)密“氟利昂”，是引入甲烷取代反應(yīng)的優(yōu)秀歷史素材，可激發(fā)學(xué)生探究甲烷化學(xué)性質(zhì)的欲望。甲烷作為優(yōu)質(zhì)清潔燃料也在多處史料中體現(xiàn)：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(guó)距離最長(zhǎng)、口徑最大的天然氣輸送工程“西氣東輸”，再到世紀(jì)大單2018年中俄簽署天然氣協(xié)議、2017年“藍(lán)鯨1號(hào)開(kāi)采可燃冰”、壓裂車(chē)“阿波羅一號(hào)”開(kāi)采頁(yè)巖氣等，大量視頻素材畫(huà)面氣勢(shì)恢宏，可在幫助學(xué)生理解甲烷的優(yōu)異燃燒性能的同時(shí)，激發(fā)強(qiáng)烈的愛(ài)國(guó)情感和社會(huì)責(zé)任感。gzslib202204021523

三、教學(xué)實(shí)踐

1.新舊教材對(duì)比分析“甲烷”是最新的人教版《化學(xué)必修第二冊(cè)》[8]第七

章第一節(jié)的內(nèi)容。相比于舊教材，新教材凸顯甲烷是認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物的重要載體，其正四面體結(jié)構(gòu)極具代表性，由它可類(lèi)推烷烴的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。以甲烷為載體可以建立從結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)有機(jī)物性質(zhì)的思維模式;相比于舊教材，新教材更加強(qiáng)調(diào)在碳原子成鍵規(guī)律的基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)分子結(jié)構(gòu)以及特征基團(tuán)進(jìn)而認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的思想;新教材的素材編排更注重發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。例如：在本章開(kāi)篇的彩頁(yè)展示深海開(kāi)采可燃冰的照片，61頁(yè)“資料卡片”中提到“使用模型認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)”，66頁(yè)“練習(xí)與應(yīng)用”的第10題鼓勵(lì)學(xué)生評(píng)價(jià)甲烷發(fā)展史上出現(xiàn)的各種結(jié)構(gòu)，旨在讓學(xué)生體驗(yàn)人類(lèi)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不斷深化的探索歷程。

2.教學(xué)目標(biāo)

（1）回望人類(lèi)對(duì)甲烷認(rèn)識(shí)的發(fā)展歷史，參與科學(xué)家從宏觀現(xiàn)象逐層深入認(rèn)識(shí)微觀世界的過(guò)程;通過(guò)搭建球棍模型掌握甲烷的正四面體空間結(jié)構(gòu)，從能量角度分析其四面體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)原因，發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)印證甲烷相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)對(duì)甲烷是重要燃料、“西氣東輸”工程、中俄天然氣協(xié)議、“可燃冰”的探討，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。

（3）借助球棍模型演示甲烷的取代反應(yīng)，運(yùn)用“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”這一有機(jī)化學(xué)的核心思想對(duì)甲烷的取代反應(yīng)進(jìn)行斷鍵、成鍵分析，實(shí)現(xiàn)宏觀、微觀、符號(hào)三重表征的有機(jī)統(tǒng)一，發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。（4）了解頁(yè)巖氣開(kāi)采現(xiàn)狀和發(fā)展前景，了解壓裂車(chē)“阿波羅一號(hào)”，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，提升社會(huì)責(zé)任感。

3.教學(xué)流程

4.教學(xué)實(shí)錄（1）環(huán)節(jié)一：回望歷史，探究甲烷的結(jié)構(gòu)

帶領(lǐng)學(xué)生回望人類(lèi)對(duì)甲烷認(rèn)識(shí)的發(fā)展歷史，參與科學(xué)家從宏觀現(xiàn)象逐層深入認(rèn)識(shí)微觀世界的過(guò)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(jié)構(gòu)，通過(guò)搭建球棍模型理解甲烷正四面體結(jié)構(gòu)的原因。發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)。

探究甲烷的結(jié)構(gòu)教學(xué)環(huán)節(jié)見(jiàn)表1。

老師：1874年，范特霍夫在大學(xué)圖書(shū)館里閱讀論文的時(shí)候，偶然產(chǎn)生了一個(gè)想法——“甲烷的結(jié)構(gòu)到底是怎樣的呢？”如果你是范特霍夫，你認(rèn)為甲烷的微觀結(jié)構(gòu)是怎樣的？請(qǐng)嘗試用所提供的材料（黑白泡沫球、牙簽）組裝一個(gè)甲烷分子，并討論哪種結(jié)構(gòu)是正確的？

學(xué)生活動(dòng)：用所提供的材料組裝一個(gè)甲烷分子模型——有平面形的，有八爪魚(yú)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(jié)構(gòu)是合理的？

學(xué)生：可以從化學(xué)鍵、結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定等角度探討。每根化學(xué)鍵代表一對(duì)共用電子對(duì)，電子對(duì)間有斥力，當(dāng)四對(duì)電子均勻地空間分布在碳原子的周?chē)鷷r(shí)候最穩(wěn)定。

實(shí)物展示：氣球形象演示碳周?chē)膶?duì)電子的最穩(wěn)定形式，展示球棍模型、比例模型等。

學(xué)生觀察總結(jié)：碳原子位于中心，四個(gè)氫原子位于四個(gè)頂角，5個(gè)原子構(gòu)成正四面體。

老師：同學(xué)們探討得到的結(jié)論正是1874年范特霍夫提出的碳正四面體學(xué)說(shuō)。近代隨著化學(xué)儀器的發(fā)展，X射線和電子衍射進(jìn)一步證實(shí)了甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)——四個(gè)碳?xì)滏I的長(zhǎng)度和強(qiáng)度相同，鍵角也相同。

我們一起對(duì)甲烷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討，雖然只有短短幾分鐘，在化學(xué)發(fā)展歷史上卻是幾百年的時(shí)光，可見(jiàn)人類(lèi)對(duì)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和研究并非總是一帆風(fēng)順，正是有這么多刻苦鉆研、耐得住寂寞的科學(xué)家才讓我們更加貼近科學(xué)本質(zhì)，才讓我們的生活更加美好。

（2）環(huán)節(jié)二：立足當(dāng)下，認(rèn)識(shí)甲烷的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行甲烷分別通入酸性高錳酸鉀溶液、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿溶液的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)甲烷相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)對(duì)2000年“西氣東輸”工程、2018年中俄天然氣協(xié)議、2017年“藍(lán)鯨1號(hào)開(kāi)采可燃冰”的了解，并參閱燃燒熱數(shù)據(jù)，計(jì)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(guó)杜邦公司研發(fā)氟利昂的商業(yè)機(jī)密，激發(fā)學(xué)生探究甲烷化學(xué)性質(zhì)的欲望，借助球棍模型模擬甲烷的取代反應(yīng)，對(duì)甲烷的取代反應(yīng)進(jìn)行斷鍵、成鍵分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷取代反應(yīng)宏觀、微觀、符號(hào)三重表征的有機(jī)統(tǒng)一。

情境創(chuàng)設(shè)：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(dāng)年的杜邦公司創(chuàng)造了巨大的利潤(rùn)。但是關(guān)于它的合成原理，杜邦公司卻進(jìn)行了嚴(yán)格的保密，這成為了當(dāng)時(shí)最大的商業(yè)機(jī)密之一。那么，你們有沒(méi)有興趣來(lái)破解1930年的這個(gè)機(jī)密呢？

學(xué)生活動(dòng)：閱讀科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)并觀看甲烷與氯氣的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（表2）。

老師：有機(jī)物分子里的某些原子或原子團(tuán)被其它原子或原子團(tuán)所代替的反應(yīng)叫做取代反應(yīng)。杜邦公司正是利用甲烷進(jìn)行取代反應(yīng)發(fā)明了二氯一氟甲烷，創(chuàng)造了巨大的利潤(rùn)。聰明的你可以設(shè)計(jì)它的合成路線嗎？

（3）環(huán)節(jié)三：展望未來(lái)，暢想甲烷的廣闊應(yīng)用

觀看視頻了解頁(yè)巖氣的廣闊應(yīng)用前景及其開(kāi)采

的困難，了解壓裂車(chē)“阿波羅一號(hào)”，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，提升社會(huì)責(zé)任。

教師對(duì)甲烷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、物理化學(xué)性質(zhì)、用途等進(jìn)行總結(jié)后，向同學(xué)們介紹《Tetrahedron》期刊，中文譯為《四面體》，于1957年在英國(guó)創(chuàng)辦，是一本登載有機(jī)化學(xué)原創(chuàng)研究論文的期刊。

四、教學(xué)反思

著名化學(xué)家傅鷹先生曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“化學(xué)給人以知識(shí)，化學(xué)史給人以智慧”。我們現(xiàn)有的化學(xué)課堂教學(xué)，偏重于教材知識(shí)的傳授和基本技能的訓(xùn)練，對(duì)化學(xué)這門(mén)學(xué)科的來(lái)龍去脈卻沒(méi)有較為全面的介紹。在化學(xué)史的視域下開(kāi)展教學(xué)符合人類(lèi)認(rèn)識(shí)發(fā)展的規(guī)律，學(xué)生仿佛穿越歷史長(zhǎng)河跟隨先輩科學(xué)家經(jīng)歷甲烷的發(fā)現(xiàn)和利用過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，貼近學(xué)生認(rèn)知，有利于學(xué)生科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任、創(chuàng)新意識(shí)等核心素養(yǎng)的發(fā)展。本節(jié)課對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)從形式落實(shí)到實(shí)質(zhì)，學(xué)生興趣濃厚，課堂氣氛活躍、輕松。

建議廣大教師積極將化學(xué)史融入化學(xué)課堂教學(xué)中，以提高教學(xué)質(zhì)量。

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