摘 要：以定量分析法为教学主线，进行“空气成分的探究”教学设计，通过渗透拉瓦锡、卢瑟福等科学家对科学方法的选择和应用，介绍了科学方法的发展和演变，丰富了学生对科学本质的理解，实现化学史在应用策略和教育价值维度上的统一。
关键词:定量分析法;空气成分;化学史;
Teaching Design of "Exploration of Air Composition" Based on Quantitative Analysis of
Chemical History
LI Shu XU Xiao-ting LU Yu-feng XU Jun-cui
School of Chemistry and Chemical Engineering.Hefei Normal University Middle School Afliated to
Hefei University of Technology
Abstract：
Taking the quantitative analysis method as the teaching main line,this paper carries out the teaching design of the class of "exploration of air composition",infiltrates the selection and application of scientific methods by scientists such as Lavoisier and Rutherford,and introduces the development and evolution of scientific methods,so as to enrich students′understanding of the nature of science and realize the unity of application strategy and educational value dimension of chemical history.
Keyword：
quantitative analysis method; air composition; history of chemistry;
化学史是人类在长期社会实践活动中对化学知识系统、历史的描述[1]。化学史的教学是利用化学发展过程中的重要史实、有关概念定理和科学技术的变迁，对学生进行知识内容、思想方法、社会认识以及道德情感等多方面的培养过程[2]。孟献华对化学史课堂教学设计场景进行分析，归纳出四个教学维度：记忆具体事实、激发学习兴趣、转变学生概念和理解科学方法[3]。本文以定量分析的科学方法为主线，利用化学史设计了“空气成分的探究”教学案例。
1 设计思路
1.1 将定量分析方法贯穿于课堂教学设计
基于化学史的教学，应体现学科发展中所存在的固有规律、学科教学的认知价值及化学发展本质等[4]。一般认为，知识点的建立、引申和扩展，知识点及其连接处一定存在科学方法的因素[5]。因此，将科学方法应用于化学课堂教学设计有较强的可行性和必要性。在此，选取科学方法中的定量分析法作为“空气成分的探究”一节课的主线，借助科学家对空气成分测定的化学科学史实，引导学生认识科学家对科学方法的选择、应用，以及分析方法的发展和演变，体验科学探究的过程，深化对科学本质的认识，体悟科学思想和科学态度，实现化学史应用策略和教育价值的统一。
1.2 基于定量分析法的“空气成分的探究”教学设计思路（图1)
2 教学分析
2.1 教材内容分析
本单元“空气”是继上一单元介绍了化学基本入门知识后，从学生最熟知的事物“空气”入手，进行具体物质的学习。本单元3个课时分别围绕其组成、性质和制备进行研究。本节“空气成分的探究”作为本单元第一课时，其教学价值在于：第一，研究物质组成成分及含量，培养对混合物组成的理解，渗透定量分析研究方法的学科价值；第二，通过探究性实验，发展分析推理、归纳反思的认知价值，并为后两节课“氧气”“制备氧气”奠定认识基础；第三，通过化学史实和空气在生产生活中的应用体现社会价值。
2.2 学情分析
本节课中，学生处于初三上学期刚进入化学学科的入门阶段，在上一单元掌握了化学基本的实验操作方法和定性的物质检验方法，未接触过化学定量分析方法，对分析方法的概念很模糊；初步学习过通过实验进行科学探究；初步对空气包含氮气、氧气、二氧化碳等成分有所了解，但不了解各成分具体含量；对物质组成和性质的理解较为模糊。
3 教学目标
(1）通过对空气组成成分的探究，发展宏观辨识能力，理解纯净物和混合物的概念。
(2）通过认识拉瓦锡测空气中氧气含量的方法，理解化学中的定量分析方法，发展模型认知能力。
(3）通过空气中氧气含量的测定实验，发展证据推理能力，提升科学探究、合作、反思能力和创新意识。
(4）通过了解科学家的科研历程及化学史的发展演变，体悟科学家的研究思想、方法和科学态度，提升社会责任意识。
4 教学过程
[教学环节1]：证明空气的存在
教师提问：同学们，我们周围处处环绕着空气，但它看不见摸不着，大家有什么方法能证明空气的存在吗？
教师讲述：(1)十七世纪，意大利科学家伽利略做了这样一个实验：把一个大玻璃瓶打足气，称量其重量，再打开玻璃瓶上的活塞重新称重，发现玻璃瓶变轻；(2)1643年，意大利科学家托里拆利做了著名的压强实验：取一端封闭的玻璃管灌满汞，开口向下插入汞槽，发现玻璃管上方液面会下降，留出一段空间（真空），且无论玻璃管怎样倾斜，甚至换用其他长度和直径的玻璃管，管内水银柱垂直高度始终都为760 mm。这是因为汞受到大气的压力，支持住了760 mm的汞柱。
教师提问：大家思考一下这两个实验，分别得到了怎样的结论？在表达方式上有何区别？请大家先尝试思考，再通过组内交流，得出更为合理的结论。
学生1：向气球里面打气，使它鼓起来的就是空气。
学生2：向小口的保温杯里，或用很粗的水流倒水倒不进去，杯子里充斥的就是空气。
学生3：一个是打足空气的瓶子比不打空气的要重，一个是大气压形成了760 mm的汞柱。
学生4：一个用轻重来表示，一个用数字来表示。
教师归纳：没错，关于两位科学家的结论，一位得到了“变轻”，一位得到了“760 mm汞柱”，那我们用更专业的说法，一个是定性分析，一个是定量分析。定量分析起源于分析化学的一个分支，定性分析化学是研究物质的鉴定，定量分析化学是研究试样中某一物质含量的测定。定量分析方法的提出，使得分析方法从过去凭借直觉、经验作出判断的定性分析，演变为通过实验、公式和数字符号等精确的量化表征来作出判断的定量分析，两种分析方法往往相辅相成，相互补充。
设计意图：从已有知识出发，通过学生对空气存在证明的思考和化学史实的叙述，体会科学家对空气所用的实验探究方法。通过两个实验的比较，初步认识定量分析与定性分析，理解二者的区别和联系。
[教学环节2]：氧气和氮气的发现
教师讲述：(1) 1772年，英国科学家卢瑟福在老师布拉克的研究基础上发现了氮气：他在密闭容器中放入一只老鼠，同时放置白磷以除去氧气，发现老鼠很快窒息死亡；(2) 1777年，法国科学家拉瓦锡结合舍勒和普利斯特里二人的研究，做了研究空气成分的著名实验，提出：空气由氧气和氮气两种气体混合而成，氧气约占空气体积的1/5。
教师提问：请大家阅读教材，独立思考后，以小组为单位讨论以下两个问题：(1)拉瓦锡是根据什么原理来设计实验装置的？(2)他通过什么方法测得所消耗的氧气体积？
学生1：将汞加热与氧气反应，消耗密闭装置中的氧气，使装置内气压减小，与外界大气形成气压差。
学生2：通过汞槽内液面的上升。
设计意图：通过化学史进一步理解定性分析和定量分析的本质区别；通过分析拉瓦锡的实验原理，理解其实验设计思路，发展证据推理等素养。
[教学环节3]：测定氧气含量的实验设计
教师引导：同学们，卢瑟福用定性的方法发现了氮气，而拉瓦锡用定量的方法，不但证明了氧气的存在，还测出了氧气在空气中的含量。拉瓦锡实验选用的汞虽然分解温度低，易加热，但汞是有毒物质。大家能否根据老师提供的资料、实验仪器和药品（木炭、硫粉、铁丝、红磷、蜡烛等），参照拉瓦锡的实验原理，自己设计实验来测定空气中氧气的含量？
教师：请各组代表分别说一说你选用药品的理由、装置设计的原理以及优缺点。
学生：选用的药品需满足：(1)不生成气体，能将装置内氧气消耗完且只跟氧气反应；(2)装置的设计需满足：保证装置气密性好，形成压强差，便于测量所消耗的体积。
教师：请大家分组进行实验，记录观察到的现象，实验结果有误差的小组分析误差原因，并讨论如何改进。
小组1：测定结果大于1/5，可能是气密性不好或红磷加入速度慢，气体受热逸出。
小组2：测定结果小于1/5，可能是装置未冷却至室温便打开止水夹。
教师总结：因此，以选用红磷燃烧实验的小组为例，为保证所得到的测定结果误差尽可能得小，实验必须满足：(1)红磷应足量；(2)检查好装置气密性；(3)红磷点燃后应迅速将燃烧匙插入集气瓶中，并迅速塞紧橡皮塞；(4)待集气瓶冷却到室温后，再打开止水夹；(5)集气瓶中加少量水，并事先将水面以上的容积划分为五等份并做上标记，烧杯中的水应多于集气瓶容积的1/5。
设计意图：通过模拟实验设计，深化对实验原理的理解，把握定量实验的基本要素，发展实验设计、观察、操作、合作和反思能力。
[教学环节4]：稀有气体的发现
教师讲述：在拉瓦锡之后，直到十九世纪末，人们仍然认为空气中仅含氮气和氧气。1868年，法国科学家詹森从日冕光谱中发现了氦元素；1892年，英国科学家瑞利发现，去除空气中其他气体所得到的氮气，与通过化学反应生成的氮气，两者密度之间总是存在着千分之一的差异，因而发现了惰性气体氩；1898年，英国科学家拉姆塞对空气分馏物进行光谱分析，发现了氖、氪和氙；1908年，拉姆塞发现了最后一种惰性气体元素氡，至此，元素周期表中零族元素全部被确定下来，瑞利和拉姆塞也因此获得了1904年的诺贝尔奖。
教师讲述：分析化学一直是化学领域的重要分支，是鉴定物质的化学组成、测定物质有关组分的含量、确定物质结构和存在形态等的一门科学。化学定量分析一直在分析化学领域占据着重要地位。当然，定量分析法如今同样应用于各种学科领域，如物理、机械、经济、管理、政治以及文学等等。如今，随着科学家们不断地科研探索，人们已经能用各种实验方法精确地测定空气各组分的含量（介绍教材中空气组分成分含量，并讲解混合物、纯净物的概念）。
设计意图：通过稀有气体元素的发现历程，丰富学生对科学家科学方法和科学精神的感受；通过介绍定量分析法的地位及应用领域，促进对定量分析法的整体理解和感悟。
5 结束语
“空气成分的探究”一课中，通过模拟拉瓦锡的实验原理测定空气中氧气含量的实验，是学生在初中化学初次接触的定量分析实验。本教学设计将定量分析法置为课堂主线，选取定性和定量实验的相关化学史料，进行定性和定量实验对比，通过从定性到定量的初步探析，帮助学生认识定量分析法，初步架构起对化学科学方法的认知。在此基础上，根据拉瓦锡的定量实验原理进行模拟实验设计，发展学生实验设计、操作、合作和反思能力，并通过稀有气体元素的发现历程，帮助学生从分析化学的上位角度理解定量分析法，体会科学家的科学思想和科学态度。
[1] 孟献华，倪娟.科学史教育中的学科立场与实践取向[J].化学教学，2016(4):19-23.
[2] 孟献华，倪娟.基于化学史课堂教学设计的四个维度[J].中小学教学研究，2015(12):6-8.
[3] 孟献华.基于化学史教学的理论与实践研究[D].南京：南京师范大学，2011.
[4] 孟献华.结合化学史实施探究教学的课程设计与实践[J].化学教学，2006(8):25-28.
[5]周金铎物理科学方法教育[M,鸡:青岛海洋出版社，2000.