中学化学教学参考 2015年第3期

摘要：每一门自然科学，都有自己的核心概念。这些概念的得来，通常十分不易，并且在漫长的年代里不断被补充修正，这些都是极具教育价值的内容，值得我们在教学中珍惜。而这些科学概念的形成和发展，都是从证据出发，沿着逻辑上升，反复经历了证实或证伪后得来的。带领学生经历这一过程，即是挖掘概念背后的教育价值。本文以“原子”概念的教学为例，阐述这一过程。

关键词：科学概念  原子 教育价值  证据 逻辑

“在历史进程中，人类发展了有关物质、生物、心理和社会许多相互关联并且被验证的思想。这些思想代代相传、使人们对人类自身和环境的认识日益全面和可靠。发展这些概念要使用一些特殊的方法，如观察、思考、实践和求证。这些方法体现了科学性质的基本方面，也反映出科学与其他认知模式的不同。”这是美国科学促进协会所著《面向全体美国人的科学》一书中对科学性质的阐述。科学，是全人类最伟大的事业之一，它的任务是探索自然界的机制及其令人称奇的未知领域。因此，科学远不止是科学知识和科学结论，它是一种思维方法，一种生动的、不断变化的对世界的看法。它是发现世界背后机制的一种方式——一种非常特别的方式，用的是科学家设计的一系列有助于发现自己错误的规则。它还是一种融入了人类价值观的社会活动，不仅仅需要好奇心、创造力和审美观，还需要怀疑的态度和理性的思考。因此，科学教育中三个维度的教学目标总是相伴而生的，而且科学知识的教学更应帮助学生形成理性的思维方式和崇尚探索的价值观。

纵观整个科学史，一系列科学概念正是大量科学工作者长期探索的结晶。也就是说，每一个科学概念的背后都是有着极其丰富的科学本质的内涵的。教学中如果不顾这些概念背后的“故事”，将科学概念“空降”到学生面前，一是削弱了科学概念本身的教育价值，二是背离了科学理性，成为学生厌恶科学的根源。

每一门自然科学，都有自己的核心概念，这些是建构学科大厦的基石。这些科学概念的得来，通常十分不易，并且在漫长的年代里不断被补充修正，这些都是极具教育价值的内容，值得我们在教学中珍惜。而这些概念的形成和发展，都是从证据出发，沿着逻辑上升，反复经历了证实或证伪后得来的。带领学生经历这一过程，即是挖掘概念背后的教育价值。

下面以“原子”为例，阐述具体的教学过程。

一、道尔顿的“原子”与德谟克里特的“原子”不同在哪里？

化学是在分子、原子的水平上研究物质世界的，原子的概念、原子结构模型是化学学科的核心概念之一。从公元前400多年，古希腊哲学家德谟克里特等人提出的哲学名词“原子”到1803年英国化学家道尔顿建立的原子学说，跨越了2000多年的历史，可他们的主要观点是相似的：构成物质的最小单位叫原子，原子是不可分的坚固实体，原子有形状、大小、重量上的差别，原子是在不停运动的。那么，它们重要的差别在哪里呢？古希腊的原子论是建立在直观经验的基础上的哲理思辨和天才猜测的结果，而道尔顿提出的科学原子论是建立在可靠实证的基础之上的。这是特别值得学生关注的，思辨与实证的差别。因此，从生活现象出发的一些思考，例如，“走过花圃会闻到花香；湿的衣服经过晾晒就会变干”，“品红在静置的水中会扩散”（人教版九年级化学），由此提出“物质都是由看不见的微小粒子构成”只是一种设想，如果没有科学实验的证实，“原子”还不能成为一个科学概念。当然，科学的原子论也是从这些设想开始出发的。

二、是看见了原子才承认它的存在的吗？

科学实验常给学生留下“实”的感觉，即眼见为实。“我们通过先进的科学仪器不仅能够观察到一些分子和原子，还能移动原子”（人教版九年级化学），这样的描述更给学生留下一种印象：我们因为看见了原子，才承认原子的存在。这个问题在高中的化学教学中值得与学生探讨。我们真的“看”得见原子？物理学知识告诉我们，仅当光被微观粒子散射时，粒子才能被看到。而被散射的条件是光的波长小于粒子的大小。可见光的波长约为10^-6m，而原子大小为10^-10m，因此根本无法用可见光去“观察”到原子。那换用波长小得多的电子波去观察原子呢？那就是电子扫描隧道显微镜（STM）的工作原理，得到的是计算机生成的原子图像。STM诞生于1981年，5年后，它的发明者宾尼希与罗雷尔获诺贝尔物理学奖。从原理与时间上看，道尔顿时代的原子都不可能是被真的“看见”的，那么，科学的实证是什么呢？

三、证据之一——质量守恒定律

任何一项演绎推理，都有一般性的前提，那我们在找寻原子存在的证据并对之进行推演之前，也先要明确前提条件。一是对“物质”的认识。任何有物理性质并占据一定空间和质量的实体都是物质，不论它是气态、液态或固态。二是对“纯净物”的认识。纯净物是这样一种物质，不管我们从哪儿得到它或是获得它的量有多少，它都有完全一致的性质。三是对“单质（element）”的认识。单质就是不可再分为更简单物质的纯净物，它与“元素”英文中合用一个单词，意义上也不需作区分。我们假定我们有足够手段区别混合物与纯净物，并能将化合物分解为单质，还能将这些单质化合成为化合物。

由于物质是有质量的，对大量化学反应的研究中，物质的质量显然比较容易引起研究者的关注。1756年，俄国科学家罗蒙诺索夫从大量实验中概括出质量守恒定律：参加化学反应的各物质的质量总和，等于反应后生成的各物质的质量总和。这一定律告诉我们，在物理或化学变化中，质量不会凭空产生或消失。它使得我们有可能在化学反应中测量物质的质量，它们不再是变化和不可预测的。它能告诉我们物质都是由看不见的微小粒子构成吗？显然不行，但它能给我们一种联想：物质在化学反应时以某种方式拆分，再以某种方式重组，得到了具有新的性质的新的物质。

四、证据之二——定组成定律

质量守恒定律引导人们继续精准地测量反应中物质的质量关系。我们可以将化合物分解成单质，然后得到那些单质的质量。根据质量守恒定律，构成化合物的单质的总质量必须与起始化合物质量相等。例如，有种叫做碱式碳酸铜的化合物由铜、氧、碳和氢四种元素组成。假如我们有100.00g碱式碳酸铜样品，彻底分解后总是得到57.48g铜、36.18g氧气、5.43g碳和0.91g氢气。这四者的总质量为57.48 g+36.18 g+5.43g+0.91 g = 100.00g，与原来碱式碳酸铜的质量相同。不管我们分析的是哪种碱式碳酸铜样品，“自然界中的矿物孔雀石也好，铜像或铜屋顶上长出来的铜绿也好，实验室人工合成的碱式碳酸铜晶体也好”^[1]，总是得到相同的结果。更重要的是，不管样品的总量取多少，每一份碱式碳酸铜样品中，元素的质量分数总是铜57.48%、氧36.18g%、碳5.43%和氢0.91%。别的化合物也有类似的结果。这一结论后来被称为定组成定律：当两种或更多种元素化合形成化合物时，它们在化合物中总有确定的质量和确定的比例。

在教学中我们可以举一些由常见元素组成的简单化合物作为例子来说明问题^[2]。本文中表格中的举例部分来自于道尔道的名著《化学哲学新体系》，但为便于教学，笔者作了变动，重点在于突出分析数据时的逻辑性。我们先用由氢、氮、氧组成的一套简单化合物来说明问题。表1中给出了由定组成定律给出的确定比例：

表 1  氢、氮、氧的简单化合物中元素的质量关系

这些确定的质量是否意味着化合物是由具有一定质量的微小粒子组成的呢？下面来进行假想与验证。假想存在氢的微粒、氮和微粒与氧的微粒。若有份水的样品，正好含有1.00g氢，还有1份氨的样品也正好含有1.00g氢。根据定组成定律可分别得到氧与氮的质量，见表2中1、2两行所示。

表2  氢、氮、氧的简单化合物中元素的质量关系

假设与推演总是从最简单的情况开始的。假设水由1个氢原子和1个氧原子构成，因此1个氧原子的质量是1个氢原子质量的7.93倍。假设氨也可以由1个氮原子和1个氢原子构成，1个氮原子的质量是1个氢原子质量的4.65倍。那么1个氧原子与1个氮原子的质量比为7.93/4.65=1.70，我们看表2的第3行：氮氧化物由1个氮原子和1个氧原子构成的话，氧原子是氮原子质量的1.14倍。这一数据与刚才结论不一致了，因此我们之前的假设不正确。

一种可能性是我们在假设存在氢的微粒、氮和微粒与氧的微粒上就错了。但如果不理解为有一定质量的粒子在组合形成化合物，就很难理解化合物中各元素有确定的质量关系。

第二种可能性是我们在假设每种化合物中的各元素的微粒数比为1：1时错了。尽管这是个简单的假设，但是并没有理由认为它们不是1：2，2：3或其它简单关系。问题在于我们没有找到一种处理问题的方法。既使我们假设定比定律能告诉我们那些单质由原子构成，我们也没有方法确定这些原子的任何东西。没有不同化合物中原子的比例关系，我们就不能确定原子的质量。而不知道原子的质量，我们又失去了认为这些单质由原子构成的基础。显然没有更多的证据我们还不能认为物质由原子构成。

五、证据之三——倍比定律

人们已经发现，相同的两种元素常常可以形成的不同的化合物，这就意味着，如果有原子存在，它们可以以不同方式化合。

例如，表3中列出几种仅由氮、氧两元素组成的化合物，由于我们对这些化合物不了解，我们且称它们为氧化物A，氧化物B和氧化物C。表3中列出三种化合物中两元素的质量比。

表3  氮氧简单化合物中元素的质量关系

初看这些质量和质量比似乎没有什么特别的规律和关系。但是，让我们以观察表2的方式再来看看这些数据，看看与1.00g氮化合需要多少质量的氧。见表4。

表4  氮氧简单化合物中元素的质量关系

仔细观察这些数据。教学中有学生观察后惊呼“太有意思了！我发现规律了！”在氧的质量那一栏，列出的三个值存在一种简单的关系，每个值都是0.57的倍数。2.28 : 1.14 : 0.57= 4 : 2 : 1。

这告诉我们什么呢？这意味着如果我们有一定质量的氮，与其化合的氧的质量并不是任意的数值。反过来也是如此，与一定质量的氧化合的氮的质量也是一些特定的值，这些特定的值之间呈简单整数比。

经过对大量化合物考察后，都能得到一致的结论。这个结论后来被表述成倍比定律：当两种元素化合形成不止一种化合物时，若其中一种元素质量一定，与其化合的另一种元素在不同化合物中的质量呈简单整数比。

倍比定律意味着什么呢？表4的数据告诉我们，当我们有一定质量的氮的时候，与它化合的氧只能是“一定质量单元”的整数倍。“整数倍”是特别有意思的事。整数系列的存在有一个基本的目的，那就是数物体的数目。在这里，那个“物体”则是拥有着“一定质量单元”的微粒。我们能给出的最简单、最好的解释就是，氧是由这些“一定质量单元”的微粒构成的，我们可以称它为氧原子，每一个氧原子具有相同的质量。

由于倍比定律的普遍性，跟随而来的结论也具有普遍性：所有的元素都是由具有一定质量的、我们称之为原子的微粒构成的。

这些结论也导出了另外的重要结论。由于两种元素化合形成不止一种化合物时，若其中一种元素质量一定，另一种元素的质量间总是简单的整数比，也就是说，是一些很小的整数。因此，两种不同元素的原子间化合时，也是简单整数比。这就意味着，叫做原子的小微粒以一种简单的方式形成了化合物的小微粒。我们称这些微粒为“分子”，化合物中含有由原子间通过简单整数比组合而成的相同的分子。

至此，我们通过观察实验数据及一系列逻辑推理揭示出原子、分子概念的主要内容了：

1．  每种元素都是由微小的、相同的粒子组成，称为原子。

2．  单一元素的所有原子都有相同的特征质量。

3．  这些原子的质量在化学反应中不会发生变化。

4．  每种化合物都由相同的分子构成，即由原子间通过简单整数比形成的相同的微粒。

六、结束语

在人类的认知历程中，由肉眼所见的宏观世界发展出看不见摸不着的原子分子概念，是一项令人叹为观止的伟大工程。今天，我们看上去“原子”只是安静地呈现在教科书上的一段文字，但它的背后一定是有“故事”的，证据与逻辑是这个故事的关键词。我们的教学，需要带领学生经历这个浓缩的“故事”，这是科学教育的精华所在。任何一个科学概念、原理，如果不认识它的过去，你如何理解它的现在到底代表什么意义？不理解它的现在，又何从判断它的未来？不认识过去，不理解现在，不能判断未来，那科学教育的意义在哪里呢？体验科学概念背后的科学思维，让我们对孤立的、静态的书本结论的价值判断发生了变化：知道了它的起点在哪里，将使我们更懂得欣赏它的美。对这种美的欣赏和探求，将会使学生受益终身。

参考文献

[1]John W.Hill.General chemistry 4^th ed.[M].New Jersey:Pearson Education,Inc,2005

[2][英]道尔顿.化学哲学新体系[M].北京：北京大学出版社，2006

[3]美国科学促进协会.面向全体美国人的科学[M].北京：科学普及出版社，2001.

[4]张家治.化学史教程[M].山西：山西教育出版社，1992.