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  科学史是描述、研究人类的文明发展历程的最佳素材，科学本质“生”于科学史，深入剖析科学史，有利于学生对科学本质的理解。对于科学本质的内涵，人们较为认同的是：“科学是一个不断探究的过程，科学的本质在于探究”“科学是观察和推理的必然结合”“科学知识具有暂时性和发展性”“科学观点受科学家的个人经验和社会背景影响”“科学理论要接受科学社群的考验和认可”^[1]等。如何利用科学史渗透科学本质教育这一问题值得研究，一方面，“现行教科书在化学史内容部分普遍缺少体现科学本质的相关任务的设计……故导致了教科书中的化学史对科学本质的教育价值没有充分、有效地发挥出来” ^[2]；另一方面，化学教科书也缺少对一些重要史实的介绍，如何将科学本质教育落实到课堂中，也“鲜见典型的案例”^[3]。以“酸、碱、盐在水溶液中的电离”一课为例，以科学家探索电离现象的史实为线索设计教学过程，探讨如何在化学教学中利用科学史渗透科学本质教育。

  1   教学内容分析

  本课题选自人教版《化学1》第二章第二节内容。此前，在九年级化学教学中介绍了常见的酸、碱、盐的组成及其性质。本节内容在此基础上，由宏观到微观，揭示酸、碱、盐在水溶液中的变化本质--电离，为后续认识离子反应、弱电解质的电离平衡和盐类的水解等打下基础。教科书中呈现的“NaCl在水中的溶解和电离示意图”，看上去直观、形象，便于学生“理解”电离的微观过程，但这一过程没有深入揭示人类对这一现象的认识历程。事实上，科学家当初在研究溶液的导电现象时，是在关于“电解质在通电前是否会解离”这一问题的长达1个世纪的争论中，才逐渐认识电离现象的本质。此过程起于人们关于“物质在溶解过程中是否存在微粒化过程”问题的探讨，一开始认为“电是使电解质离解成阴、阳离子的因素”，当看到“溶液的固有性质与电学性质之间的密切联系”后，提出“电解质在水溶液中发生电离”以及之后电解质概念的完善，充分体现了科学是一个探究过程，其间有细致的观察、严谨的推理、大胆的想象，也有未能揭示事物本质的错误认识，说明科学知识具有暂时性和发展性等，因此借助这段科学史，依循科学家的探索路径进行“再发现”，能让学生主动参与建构知识，了解“电离理论”的来龙去脉，同时可以渗透科学本质教育。

  2   教学过程

  本节课按照科学史实、观点演进以及所体现的科学本质3条线索展开教学，重现科学家探索电离现象、创建“电离理论”的科学发展历程(见表 1)。

  表 1  教学过程 Table 1.  Teaching process

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  科学史实		观点	体现的科学本质
  人类(古代)	盐溶于水：“销声匿迹”	盐仍然保持着原有的性质，只是大小改变了	科学是观察和推理的必然结合	科学认识活动是一个不断探究、去伪求真的过程
  英国化学家尼柯尔森和卡里斯尔(1800)	水的电解实验：电流畅通无阻	溶液中存在着传递电荷的微粒
  德国化学家格罗特斯(1805)和英国物理学家法拉第(1834)	电导致电解质离解成阴、阳离子	科学的创造性和推理性；科学的社会和文化嵌入性
  德国物理学家克劳修斯(1857)	实验证实，欧姆定律对溶液仍然适用	电解质在水溶液中只有极少的离解	科学知识的暂时性
  法国化学家拉乌尔(1882)	相同克分子浓度的盐溶液凝固点降低值比有机物溶液的高	电解质溶液中存在着某种程度的离解	科学的发展是一脉相承的
  (1882-1883)瑞典化学家阿伦尼乌斯(1887)	氨气本身不导电，但是氨的水溶液却是导体，而且溶液越稀，导电性越好；氢卤酸也有类似的情况	水是真正使电解质电离成阴、阳离子的因素	科学知识建构的社群性
  	用电导率实验测定的电解质的电离度数据和利用范霍夫的溶液渗透压数据所计算的电离度数据相近	电离理论	科学理论要有证据才能站得住脚

  表 1  教学过程
  Table 1.  Teaching process

  具体教学过程围绕以下几个环节展开：

  (1) 设疑引入：盐溶于水就“销声匿迹”了吗

  古时候，人们知道盐可以溶于水中，并且能够晒取海盐。盐溶于水后，直观上“销声匿迹”了，但是盐水却是咸的，日晒后能重新获取海盐。人类最初是怎样认识物质的溶解过程呢？

  学生站在历史的源头，思考人类最真实的本能认识，提出“盐以‘小盐粒’的形式分散在水中了，盐还是盐，只是大小改变了”。

  (2) 层层深入：“电解质在电流的作用下离解为离子”

  结合学生初中曾观察过的酸、碱、盐在水溶液中导电的实验和下列科学史实提出问题。

  【科学史实1】1799年意大利物理学家伏打(A.Volta，1745-1827)发明了电池以后，化学家们开始用直流电来分解化合物。在1800年，英国化学家尼柯尔森(W.Nicholson，1753-1815)和卡里斯尔(A.Carlisle，1768-1840)做了河水以及一些酸、碱、盐溶液的电解实验，发现在整个实验过程中，电流“畅通无阻”，正、负极源源不断地产生气体^[4]。

  固体盐是不导电的，最初的“盐溶在水中仍然保持着原有的性质”这一解释说不通了。很显然溶液中存在着传递电荷的“微粒”，学生进一步认识到酸、碱、盐溶于水后分解产生了带电的“微粒”。而这些带电的“微粒”是怎么产生的呢？酸、碱、盐“好端端”地如何在水中分解成了带电的“微粒”呢？

  学生认识到“物质在溶解过程中存在微粒化过程”，并很容易地就判断是“电”产生了决定性的作用。学生意识到生活中习以为常、熟视无睹的现象蕴含着丰富的科学知识，而科学的产生正是以对自然现象或者实验事实等客观对象的观察为基础，即体现了“科学是观察和推理的必然结合”。

  【科学史实2】在1805年，德国化学家格罗特斯(C.J.D.Grotthuss，1785-1822)就水的电解实验原理提出解释：电具有分解能力，溶质在电流的作用下可被分解为带正电和带负电的“原子”。这种解释很快就得到了广泛的认可。1834年，英国物理学家法拉第(M.Faraday，1791-1867)在论文“关于电的实验研究”中进一步明确格罗特斯的解释，并提出电解质(在这里，电解质的概念和“电”紧密地联系在一起)、离子等概念^[4]。

  结合科学家的解释，学生思考并体会“科学的创造性和推理性”。让学生认识到，对于某一客观事实，每个人头脑中都有不一样的看法和自我意义建构。同时，应当对特定社会文化大环境下的社会文化价值取向给予关注，理解“科学的社会和文化嵌入性”。

  从最开始的“溶解现象”到后来的“电解实验”，由最初朴素地认为“盐溶于水中仍然保持其原有的性质”到后来的“物质在溶解过程中存在微粒化过程”(此时学生认为“电”是使电解质分解的条件)。学生基于客观存在的自然现象、实验事实，发生“从宏观到微观”的思维方式的转变，借助微观模型解释已产生的认知矛盾，逐渐尝试从微观角度研究物质的组成、结构，进而呈现一个清晰的、理性的、系统的物质世界。

  (3) 激发冲突：“电”并未被用来分解电解质吗

  “电”的因素导致电解质离解成阴、阳离子，从而酸、碱、盐溶液具有导电性。这个被普遍认同的观点可靠吗？

  【科学史实3】在1857年，德国物理学家克劳修斯(R.J.E.Clausius，1822-1888)对格罗特斯的观点提出质疑：如果在电解时会有一部分电流被用来分解电解质，那么欧姆定律对溶液不再适用。但是实验却没有证实这一点^[5]。

  这一客观事实的提出，对学生的认识产生了极大的冲击，不仅仅只是“惊讶、震撼”，更多的是一种“警醒、好奇”。既然欧姆定律在溶液中仍然适用，那显然说明“电”并未被用来分解电解质。到底是什么因素使得电解质在溶解过程中“微粒化”了呢？带着这一疑问，学生乐此不疲地在探索科学真谛的道路上勇往直前。

  学生认识到“科学知识的暂时性”，科学认识活动是一个不断探究、去伪求真的过程。

  (4) 认知转换：在没有通电的情况下，电解质在水中能自行离解吗

  【科学史实4】在1882年，法国化学家拉乌尔(F.M.Raoult，1830-1901)做了有关溶液凝固点的实验，在100 g水中溶解W g的分子量为M的有机化合物，测得溶液的凝固点降低值ΔT=KW/M。他发现，对于绝大多数的有机化合物来说，K=18.5；但对于强酸与强碱化合生成的盐，其水溶液的K值大约是有机化合物水溶液的2倍^[5]。

  明明是相同克分子浓度(“克分子浓度”这一概念现已不用，此处相当于物质的量浓度)的盐溶液和有机物溶液，前者的凝固点降低值比后者的却高，哪儿出了问题？学生开始关注浓度这一物理量，盐和有机物当真在水溶液中浓度是一样的吗？很显然，数据证明不是，盐在水溶液中必然存在着某种程度的离解导致其浓度增大了。学生“看到了”在没有通电的情况下，电解质在水中自行离解成微粒的实验事实依据，受到了极大的鼓舞；也由此学生开始渐渐将关注点放在“水”这一因素上面，并朝着这一方向大步前行。

  学生领会到科学的发展是一脉相承的，前人的科学经验对于后人的科学研究有着重要的意义。

  (5) 概念建构：电解质在水溶液中能发生电离吗

  【科学史实5】在1882-1883年期间，瑞典化学家阿伦尼乌斯(也译作“阿累尼乌斯”)(S.A.Arrhenius，1859-1927)一直从事溶液导电性的研究。他发现氨气本身不导电，但是氨的水溶液却是导体，而且溶液越稀，导电性越好；氢卤酸也有类似的情况^[5]。

  这时，“水”作为将电解质离解成阴、阳离子的因素正式进入到学生的视线当中；显然水的多少也就是溶液的浓度影响着电解质电离的程度。至此阿伦尼乌斯形成了“电离理论”的基本观点。这一学说与当时化学界所认同的法拉第的观点(“通电后产生离子”)截然不同，所以遭致一些科学家的反对。他的导师--化学家克莱夫(P.T.Cleve，1840-1905)，训斥其纯粹是空想；门捷列夫(D.I.Mendeleev，1834-1907)也反对说“电离学说和燃素学说一样，肯定会破产的”。阿伦尼乌斯必须要找到新证据来证明“电离理论”的正确性。

  学生体会科学知识在产生之后需要经过科学共同体的评论、认可，理解“科学知识建构的社群性”这一科学本质。

  【科学史实6】在1887年，阿伦尼乌斯发现，用电导率实验测定的电解质的电离度数据和利用范霍夫(J.H.Van’t Hoff，1852-1911)的溶液渗透压数据所计算的电离度数据相近，从而验证了“电离理论”的正确性(见表 2。其中Λ代表溶液的当量电导，Λ_∞代表无限稀释的溶液的当量电导)。

  表 2  不同方法测定的电离度数据^[6] Table 2.  Ionization data tested by different methods

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  电解质	浓度(M)	α(渗透压)/%	α(Λ/Λ∞)/%
  KCl	0.14	81	86
  LiCl	0.13	92	84
  MgSO4	0.38	25	35
  Ca (NO3)2	0.18	74	73

  表 2  不同方法测定的电离度数据^[6]
  Table 2.  Ionization data tested by different methods

  在认识到“物质的溶解过程存在着微粒化过程”以后，从一开始认为“电”是产生这一原因的主导因素到后来发现是“水”的缘由，学生将溶液的固有性质如凝固点、渗透压等和其电学性质紧密地联系在一起，从而认识到电解质溶液导电的本质--电解质在水溶液中发生了电离。

  科学是在各种观念、认识的论争、竞争中踯躅前行的，是一个不断质疑、大胆想象、建构微观模型、逻辑推理、实验探索的循环发展的认识过程。

  (6) 课堂反思：电解质在熔融状态下也发生电离吗

  【科学史实7】在1807年，英国化学家戴维(H.Davy，1778-1829)尝试用电解法从苛性钾(KOH)中分离出钾。但是存在这样一个化学事实，金属钾遇水就会强烈地反应，同时生成氢氧化钾和氢气。他改用电解熔融态苛性钾的方法制得活泼金属钾^[7]。

  为什么苛性钾在熔融状态下能导电？学生回顾人类探索“电离理论”的历程，追溯先行者的思维脉络，实现“再发现”。由此，电解质和非电解质概念得以形成。

  3   设计反思

  科学是一个不断探索的过程，相对于诸多科学结论来说，科学研究过程更加令人着迷和敬重。世界是不断发展的、变化的、联系的，任何所谓的“科学真理”只是在一定时期、一定社会文化背景下比较满意地解释相关的经验和事实。学生的思维是连续的、发展的、动态的，有起点、现状以及他所能构想的未来，创新由此激发。基于“儿童对科学的认识过程会重述科学知识发展过程的某些特征”^[8]，不再将“电离理论”作为一个科学结论，而是将其放在历史轴上，尽可能还原人类认识电离过程的道路，由开始模糊地、粗浅地、错误地、不完整地认识到后来清晰地、深入地、科学地、完整地认知转化，引发学生共鸣。

  本教学设计是以科学家探索电离现象的史实为主线，通过科学史实让学生了解科学家探索发现科学知识的过程，从中体会科学认识过程和方法，了解科学的本质。科学是一个不断探究的过程，科学的本质在于探究，科学是观察和推理的必然结合，科学具有经验性、创造性、推理性，也有主观性、暂时性；科学研究受社会文化的价值取向的影响，科学知识要接受科学社群的考验……这些都是科学的本质。目前教科书中给出的几乎都是没有任何争议的最终结论，但科学不只是这些静态的结论，它更是一个不断探索的过程。如果教学中只注重知识结论或者知识结论的讲解，不关注知识的产生和发展，就可能导致学生片面地将科学知识看作绝对真理，将知识教条化、绝对化，不利于学生对科学知识的理解，更不利于培养学生的批判意识和创新能力。科学史中蕴含着丰富的科学本质要素，通过科学史可以让学生更好地认识科学本质。认识科学的本质，意味着我们在教学中不仅仅关注知识结论、知识的理解和应用，更要关注知识的发现、建构过程、知识的“成长”过程。认识科学的本质，意味着不是让学生记住科学的本质是什么，而是要发展学生对科学知识的基本信念，培养学生在知识创新方面的信心、兴趣、能力以及所肩负的责任感和使命感。这正是在化学教学中渗透科学本质教育的目的之所在。

• 1. [1]

     毕华林, 刘冰.化学教育, 2007, 28(5): 11-15 http://www.hxjy.org/CN/abstract/abstract2589.shtml

  2. [2]

     杨玉琴, 王祖浩.化学教育, 2010, 31(12): 11-15 http://www.hxjy.org/CN/abstract/abstract1560.shtml

  3. [3]

     刘冰, 李萌萌, 王潇敏.化学教育, 2014, 35(1): 11-14 http://www.hxjy.org/CN/abstract/abstract42.shtml

  4. [4]

     《化学发展简史》编写组.化学发展简史.北京:科学出版社, 1980: 215-216

  5. [5]

     徐飞.阿伦尼乌斯.北京:中国国际广播出版社, 1998: 37-39, 10

  6. [6]

     傅鹰.大学普通化学(上).北京:人民教育出版社, 1979: 125

  7. [7]

     王京.化学教育, 2007, 28(10): 60-61 http://www.hxjy.org/CN/abstract/abstract2766.shtml

  8. [8]

     魏冰.化学教育, 2000, 21(2): 38-40, 32 http://www.hxjy.org/CN/abstract/abstract4382.shtml

• 表 1  教学过程

  Table 1.  Teaching process

  科学史实		观点	体现的科学本质
  人类(古代)	盐溶于水：“销声匿迹”	盐仍然保持着原有的性质，只是大小改变了	科学是观察和推理的必然结合	科学认识活动是一个不断探究、去伪求真的过程
  英国化学家尼柯尔森和卡里斯尔(1800)	水的电解实验：电流畅通无阻	溶液中存在着传递电荷的微粒
  德国化学家格罗特斯(1805)和英国物理学家法拉第(1834)	电导致电解质离解成阴、阳离子	科学的创造性和推理性；科学的社会和文化嵌入性
  德国物理学家克劳修斯(1857)	实验证实，欧姆定律对溶液仍然适用	电解质在水溶液中只有极少的离解	科学知识的暂时性
  法国化学家拉乌尔(1882)	相同克分子浓度的盐溶液凝固点降低值比有机物溶液的高	电解质溶液中存在着某种程度的离解	科学的发展是一脉相承的
  (1882-1883)瑞典化学家阿伦尼乌斯(1887)	氨气本身不导电，但是氨的水溶液却是导体，而且溶液越稀，导电性越好；氢卤酸也有类似的情况	水是真正使电解质电离成阴、阳离子的因素	科学知识建构的社群性
  	用电导率实验测定的电解质的电离度数据和利用范霍夫的溶液渗透压数据所计算的电离度数据相近	电离理论	科学理论要有证据才能站得住脚

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  表 2  不同方法测定的电离度数据^[6]

  Table 2.  Ionization data tested by different methods

  电解质	浓度(M)	α(渗透压)/%	α(Λ/Λ∞)/%
  KCl	0.14	81	86
  LiCl	0.13	92	84
  MgSO4	0.38	25	35
  Ca (NO3)2	0.18	74	73

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