基于化学史学科核心素养培养价值的教学设计

刘贝贝 严文法

摘要： 化学史是承载化学知识、科学方法、科学思维与科学精神的形成、发展及演变过程的真实情境素材，具有丰富的学科核心素养培育价值。在阐释化学史内涵价值的基础上，以“电解质的电离”为例，分析史料中蕴含的学科核心素养，设计具体教学过程，讨论并揭示了化学史在化学教学及学科核心素养发展中的价值。

关键词： 化学史; 核心素养; 教学设计; 电解质的电离

文章编号： 1005-6629（2021）09-0051-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称“2017年版课标”）从五个维度构建了学科核心素养的内容体系，提倡进行素养为本的教学[1]。化学史作为承载化学知识、科学方法、科学思维与科学精神的形成、发展及演变过程的史实，是兼具教学价值与素养价值的真实情境素材。2017年版课标的“情境素材建议”选取了丰富的化学史料，并在“教学与评价建议”中指出，化学教学可以利用化学实验史实引导学生了解化学概念、化学原理的形成和发展，结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，引导学生进一步学习化学的基本原理和方法等[2]。适时结合化学史进行化学教学，对加深学生科学本质及化学观念的理解、全面发展学生的化学学科核心素养有着重要的作用。本文以新人教版必修第一册“电解质的电离”一节为例，探析结合化学史的教学对学生化学学科核心素养的培养价值。

1  化学史的内涵与价值

化学史描述了人类在长期社会实践中探索关于自然的化学知识的历史[3]，体现了化学知识的动态生成过程，蕴含着化学研究者看待世界的价值观念与方法论，折射着前人的科学思维、科学精神与科学态度，这与凝炼着正确价值观念、必备品格和关键能力的化学学科核心素养十分契合。2017年版课标在“情境素材建议”部分遴选了丰富的史料素材，例如通过电离理论建立的化学史料帮助学生了解化学知识、原理形成和发展的来龙去脉;通过元素周期律（表）的发现史料使学生认识证据推理的思维过程与实践方法;通过人工合成尿素、提取青蒿素等近现代化学史实帮助学生认识化学研究的社会价值等[4]，正是化学史在化学教学中价值的体现。化学史素材能够帮助学生认识化学知识的动态发展历程，了解科学家利用科学探究方法进行科学探究的过程，体会化学学科在社会历史进程中的重要价值，促进对科学本质的理解[5]。因此，化学史素材具有独特的育人价值，是发展学生化学学科核心素养过程中不可忽视的重要成分。

2  结合电离史料的“电解质的电离”教学设计

2.1  教学设计理念

“电解质的电离”选自新人教版必修第一册第一章第二节“离子反应”，是本节内容的第一课时。作为“物质及其变化”一章的新授课内容，“电解质”及“电离”概念是后续学习元素化学、化学反应原理以及理解溶液中离子行为及其变化的重要基础。但同时，由于对基于历史原因形成的概念名称的望文生义以及教学中对“导电性”这一宏观特征的关注，使得学生头脑中产生了较多关于电解质及电離的迷思概念。

2017年版课标强调“关注化学理论的历史演进过程，结合理论模型发展中的重要事实和科学家的推理论证过程，引导学生认识化学理论的建立过程和思想方法”[6]。本节教学内容中，电离概念与电离学说的形成和发展的演进过程体现了从基于导电性质的感性认识向基于微观层面的理性认识进行修正的历程，与学生头脑中的迷思概念密切相关，将其作为真实情境素材能够促进学生的概念转变与理解;同时，电离学说建立过程中科学家们发现问题、提出假设、主张证据、修正假设的科学研究过程以及贯穿过程中的科学精神，也蕴含着培育学生化学学科核心素养的重要价值。但许多教师在教学中往往采用与教材编排顺序一致的教学设计，对教学内容蕴含的素养价值挖掘不够，导致学生印象不深，未能充分发挥本节内容独特的核心素养培养价值。本研究结合电离学说建立的史料进行教学设计，能够体现出化学史促进学生学科核心素养发展的独特价值。本节教学设计理念如图1所示。

2.2  教学与评价目标

2.2.1  教学目标

（1） 通过电离学说发展史料的学习，经历“电解质”、“电离”等概念发展过程，能说出其概念的内涵及外延。

（2） 通过溶液导电性的宏观认识及电离理论史料中科学实验证据的推理过程，能解释酸、碱、盐等电解质在水溶液或熔融状态下的微观电离过程，建立完整的电离理论认识模型。

（3） 通过对电离学说建立史料的评价与反思，认识科学理论建立的曲折动态发展过程，欣赏科学家在科学研究过程中敢于质疑、勇于创新等科学精神。

2.2.2  评价目标

（1） 通过对电解质微观内涵的解释说明，诊断并发展学生基于证据进行推理的水平。

（2） 通过对电解质与非电解质的辨识及酸、碱、盐本质的归纳，诊断并发展学生的概念理解水平及模型认知水平。

2.3  教学环节设计

2.3.1  回溯历史，了解“电解质”名称的由来

[化学史料]19世纪初，科学家们进行了一系列与“电解”相关的实验研究，英国学者法拉第对这些被电解物质溶液的导电性产生了兴趣[7]（如表1所示）。

[概念由来]结合这些实验证据，法拉第认为： 既然溶液能够导电，那么溶液中就一定存在一些带电、能够自由移动的电荷，这也是“离子”概念首次被明确定义[8]。他认为在电流作用下溶液中才会有离子产生，并将通电后能够被电流分解为离子的化合物称为“电解质”。科学界普遍赞同法拉第在电解过程中提出的假说，有关“电解质”的理论在当时被人们视为真理。

[认知冲突]但在1887年，阿伦尼乌斯在实验中发现了一些有悖于法拉第观点的实验现象，例如： 相同大小的电流作用下，浓度较低的电解质溶液导电性竟然强于浓度较高的同种电解质溶液。他将电解质溶液同导电性联系起来进行了大量实验，基于种种实验证据，向法拉第的“电解质”说法提出了颇具挑战性的观点： 溶解于水的电解质会自动在不同程度上解离为带正电和带负电的离子，即不需要外加的通电条件，电解质溶于水后会自动离解[9]。

[问题引导]如图2所示，你赞同哪一种观点呢？怎样证明你的观点？

[学生活动]各抒己见，交流讨论。

设计意图： 通过化学史实引出“电解质”及“电解”的概念由来，为帮助学生规避“电解质”概念理解时可能产生的字面歧义奠定基础，同时体会法拉第宏微结合看待事物的化学观念。而通过阿伦尼乌斯提出又一“电解质”概念的史实，引发学生认知冲突，鼓励学生调动已有知识尝试寻找证据作出解释，敢于基于证据对权威提出质疑并进行科学论证，在學习过程中发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、科学态度与社会责任的学科核心素养。同时，表1中电解实验涉及的水、强碱、盐类等物质又可在学生掌握电解质、电解与电离概念后进行回顾，实现课堂内容的首尾呼应。

2.3.2  学界争鸣，基于证据推理“电解质”内涵

[化学史料1]阿伦尼乌斯在博士论文中详细阐述了自己的观点及相关实验证据，但由于法拉第在科学界的权威性，以及当时人们还未掌握原子内部结构，离子、分子与原子之间差异的客观事实，阿伦尼乌斯的观点遭到了猛烈抨击，反驳方提出了种种批判观点[10]（如表2所示）。

[认知冲突]在化学学习过程中，我们已经初步认识了构成物质的微粒——分子、原子和离子，你能找出事实说服克利夫吗？

[学生活动]钾单质中存在的是钾原子，与钾离子有着不同的性质，黄绿色的氯气分子与氯离子也并不相同。

[问题引导]但是，如果氯化钾在水中能自动解离为K+和Cl-，又怎么回答克劳修斯的质疑呢？

[化学史料2]电离学说刚刚诞生，仍然存在着需要完善的地方，许多质疑暂时无法被解答，但即使遭到了学界诸多知名化学家的批驳，阿伦尼乌斯也没有放弃，他将研究结果寄给了同样研究溶液的化学家奥斯特瓦尔德，在阿伦尼乌斯以及奥斯特瓦尔德、范霍夫的不懈努力下，逐渐获得了一批支持者[11]（如表3所示）。

[问题引导]随着对原子结构认识的进一步深入，以及越来越多实验证据的出现，科学界接受了阿伦尼乌斯的电离学说。既然阿伦尼乌斯认为电解质溶解于水可以自动解离为离子，请同学们结合实验证据②试着分析一下，在氯化钠离解为氯离子和钠离子的过程中，可能是什么物质发挥了作用呢？盐水可以导电的微观实质是什么呢？

设计意图： 科学家围绕电离学说展开的论辩过程蕴含着思维碰撞的火花、科学求真的态度以及不畏权威的精神，通过正反方对阿伦尼乌斯提出的“电解质”概念的观点碰撞，发展学生辩证看待问题以及基于客观事实进行假设及推理的科学思维，引导学生跟随论辩过程经历“电解质”概念的转变历程，并结合克劳修斯的观点埋下疑问，引出建立电离理论模型的下一环节。

2.3.3  学术积淀，建立完整电离理论模型

[微观探析1]（Flash展示氯化钠溶液的微观电离过程）与同学们的猜想一致，水分子在这一过程中发挥了重要作用，形成的水合氯离子和水合钠离子为我们很好地解答了克劳修斯等人的质疑。

[化学史料]法拉第首次明确定义了“电解质”一词，虽然他“先通电才导致物质解离”的说法已被证明错误，但这一名称仍然被沿用下来。其后，更加翔实的实验证据及科学理论纷纷涌现，阿伦尼乌斯“电离学说”中一些尚未被解释的疑问和存在瑕疵的观点被科学家们逐步完善[12]（如表4所示），为我们科学地描绘了氯化钠溶液中的微观世界。结合布拉格和图班特等人的实验证据，你能否试着推理氯化钠受热熔化时可以导电的微观实质吗？在没有水分子作用的情况下，是什么条件能够导致自由移动的离子产生呢？

[学生活动]交流科学猜想。

[微观探析2]（Flash展示熔融氯化钠的微观电离过程）可以看到，氯化钠熔融时也形成了自由移动的离子，使得它呈现了“导电”的宏观现象。

[概念引入]像氯化钠、氯化钾这样在水溶液中能够自动解离、使得溶液能够导电的化合物被称为电解质。而在溶液之外，科学家们也陆续关注到了熔融状态下物质的导电性，像碳酸钙、硫酸钡等化合物在水溶液中溶解度极小，难以通过实验证据说明其溶于水的部分是否发生了解离，但该类化合物在熔融状态下可以导电，因此这类化合物也称为电解质。综上所述，将电解质定义为： 在水溶液或熔融状态下能够导电的化合物。电解质溶于水或受热熔化时形成自由移动的离子的过程叫做电离，可以用电离方程式表示它的解离过程。

[概念辨析]随着完整的电离模型的建立，以往人们对“电解质”的诸多误解得以厘清，“电解质”及“电离”中的“电”，并不是法拉第学说中认为的“通电能够离解”，而是因为这些化合物可以在水溶液或熔融状态下形成自由移动的离子，才产生了“导电”这一宏观现象。结合对“电解质”的理解，你认为铜是电解质吗？液态HCl是电解质吗？氨水是电解质吗？

设计意图： 19、 20世纪围绕“电解质”及“电离学说”展开的一系列科学探究体现了科学理论形成与发展、演进与更新的历史进程。在前一环节电解质概念发展史实的铺垫基础上，结合20世纪初科学家们的实验证据来支撑学生对电解质微观内涵的科学猜想过程，推动了学生对教材中“电解质”概念表述的深层理解，是发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知核心素养的重要环节。

2.3.4  综合理解，再探酸、碱、盐溶液

[问题引导]早在19世纪初，科学家们就发现了酸、碱、盐溶液具有导电性，经历了一个世纪后，人们才得以从微观角度解释其能够导电的本质。既然酸、碱、盐溶液的溶质NaCl、 HCl、 KOH等属于电解质，你能从电解质电离的微观角度归纳酸、碱、盐溶液的涵义吗？尝试写出它们的电离方程式。

[学生活动]表达观点，课堂书写。

[问题引导]你怎样评价法拉第和阿伦尼乌斯这两位科学家呢？

[学生活动]交流讨论，各抒己见。

[课后承接]电解质溶液中存在着可以自由移动的离子，如果将多种电解质溶液混合，不同离子接触是否会产生变化呢？

設计意图： 在掌握“电解质”及“电离”概念的基础上，引导学生从电离角度再认识酸、碱、盐溶液，在迁移应用中诊断学生的模型认知水平;结合学生对两位科学家评价的观点交流，发展学生辩证看待问题的认识观念，在串联知识线的同时发挥化学史的学科核心素养培育功能。

3  讨论

2017年版课标提倡“重视创设真实且富有价值的问题情境，促进学生化学学科核心素养的形成和发展”[13]。化学史作为一种真实的历史情境素材，涵盖了物质的发现、概念的提出、理论与模型的建立、重大社会成就等多方面内容，呈现了化学学科知识的动态生成过程，蕴含着科学家面对科学问题时的价值观念与科学探究方法，承载了丰富的学科核心素养内涵。结合化学史的化学教学将静态知识结论与动态知识产生过程紧密结合，引导学生追根溯源，既能知其然，又能知其所以然，促进理解学习，加深知识在学生头脑中的印象，同时能够体悟到化学知识在历史进程中的发现、扬弃、修正、完善、发展的演进过程，学会用辩证唯物主义和历史唯物主义的世界观和方法论看待问题并解决问题。此外，化学史中前辈科学家探索科学真理的艰辛道路蕴含着问题意识与科学探究方法，具有超出教材知识的附加价值。配合化学史进行情境教学，引导学生感悟科学家研究过程中的科学思维与探究方法，精心设计探究活动，在日常教学中有意识地引导学生围绕“异常”现象或陌生情境进行科学探究，体现了结合化学史培育学生“证据推理”与“科学探究”等学科核心素养的重要价值。化学史作为教学过程常见的情境素材，不应将其简单地嵌入导课环节或作为学生感悟科学家品质的刻意强调，教师应在化学教学过程中精心设计，适时结合化学史情境串联起知识的教学逻辑，渗透其中蕴含的科学思维与探究方法，自然而生动地引出科学家探索真理的艰辛历程与宝贵品质，使课程内容与化学史料浑然一体、相辅相成，促进学生化学学科核心素养的整体发展。

参考文献：

[1][2][4][6][13]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[3]汪朝阳， 肖信. 化学史人文教程（第2版）[M]. 北京： 科学出版社， 2015： 1～2， 222～223.

[5]严文法， 王小梅， 李彦花. 新课标视域下化学史的科学本质教育功能研究[J]. 化学教学， 2020， （1）： 3～7.

[7][8]张德生. 化学史简明教程[M]. 合肥： 中国科学技术大学出版社， 2009： 1～2， 174～176.

[9]蒋金玲. 电解质概念的发展史[J]. 化学教育（中英文）， 2018， 39（19）： 79～81.

[10][11][12]郭保章. 世界化学史[M]. 南宁： 广西教育出版社， 1992： 1～2， 383～392.