结合化学史实进行科学方法教学的实践分析，本文主要内容关键词为：史实论文,化学论文,科学论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出
化学课程以提高学生的科学素养为宗旨，努力使学生在知识与技能、过程和方法、情感态度与价值观三个方面得到统一和谐的发展，这要求教师在教学设计中注重知识的动态结构，开发知识形成过程中体现出的科学方法、思想的教学价值。一般认为“凡是知识点的建立、引申和扩展，知识点以及知识点的连接处一定存在科学方法的因素”（注：阎金铎等.物理科学方法教育，青岛：青岛海洋出版社，2000），这在理论上阐述了化学史在自然科学方法教学中所占有的地位，“利用化学史实帮助学生了解化学概念的形成和发展，认识实验在化学学科发展中的重要作用”（注：中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（实验稿）.北京：人民教育出版社，2004），是教师实践新课程的一条具体途径。
教师结合教材分析、挖掘知识中蕴含的科学方法和人文精神，既是“教师课程观”的体现，更是提高学生科学素养的必然路向。
二、有关氩气发现过程中科学方法分析
相对于化学史上氧化理论、原子学说等知识而言，氩气的发现在中学化学教材中并不被特别重视，但深入了解氩气的发现过程却有助于学生全面细致地把握科学发现的方法要素：1892年雷利在对氮气密度的测定实验中发现，从含氮化合物中制得的氮气与从空气中提取的氮气密度之间存在微小的差异，这导致了氩气的发现，随之而来的是为氩气在元素周期表中寻找合适的位置，这又成为拉姆塞随后几年发现氦、氖、氪、氙的直接动因，他们因此获得1904年诺贝尔奖，值得一提的是雷利由于对氩的发现获得当年物理学奖，而拉姆塞则是由于对氩气及其他稀有气体的发现而获得化学奖。细究其发现过程我们可以得到多种科学方法上的启示：
1.科学方法引出的科学发现
知识背景：从空气中提取氮气的首要任务是除去其中含有的氧气，雷利采用的第一种方法是将空气通过灼热的铜：
；另一种方法是将空气鼓入液态氨气并在灼热的试管中反应：
，其中生成的水用干燥剂吸收，生成的氮气加入到剩余空气中，由于空气中存在着当时并不为人所知的氩气，新加入的氮气改变了剩余空气中氮气与氩气的比例，进而使得两种方法制得的氮气密度发生了微小差异。这一差异在当时属于仪器允许的正常误差范围，但雷利发现这一微小的差别总是表现为由空气除去氧、二氧化碳、水以后获得的氮与由化合物获得的氮之间的差别，误差虽小却不对称，这是用传统理论无法解释的。是雷利对两类氮气质量的分析（同温同压同体积气体）（注：Carmen J.Giunta.Using History To Teach Scientific Method,J.Chem.Educ,1998）：前三组称为“空气中氮气”，是将空气分别通过灼热的铜、灼热的铁丝或碱性条件下的硫酸亚铁溶液以除去氧气得到的；后五组则从含氮化合物中得到——氮氧化合物、氮的亚硝酸盐、尿素或铵盐等在高温甚至常温下反应得到的氮气，称为“化学纯氮气”。
教学设计与科学方法：(1)雷利为什么用两种方法制取纯净的氮气，每种方法又采取多组不同实验的原理与目的是什么？(2)用两种方法制得的氮气为什么密度会有所不同，有什么特点，为什么不能将这一微小误差归结为仪器的系统误差？这里学生将会懂得科学家为了确认正在研究的物质是不是自己原先所认定的物质，常常采用多种方法测定该物质的某种性质。
2.重大科学发现往往会经历一个较为完整的探究过程
知识背景：雷利对上述反常实验结果提出几种最初假说并加以验证：(1)由空气制得的氮气中可能还含有微量的氧气。(2)由氨制得的氮气中可能混有氢气。(3)由空气制得的氮气中可能混有类似臭氧
分子。(4)由氨制得的氮气可能有若干分子已经离解成原子。第一个假说是不可能的——氧气与氮气密度相差极小，必须含有大量的氧才可能出现如此差异；实验证明由氨制得的氮中并没有氢气；它采用无声放电的方法处理氮气没有发现氮的密度发生变化从而否定了第三种假说；假说四也是错误的——理论上讲正常情况下不可能长期存在游离的氮原子。
教学设计与科学方法：(1)针对实验的结果你能提出自己的合理解释吗？如何通过实验加以证实？(2)对于雷利提出的假说你有什么看法？这里学生能够亲身体验到科学理论形成所经历的提出假说——证实或证伪——进一步提出假说并证实的探究过程。
3.现代科学发现往往是多人合作的结果
知识背景：(1)1892年英国《自然》杂志刊出了雷利的来信：“我对最近测出的氮气密度结果十分惊讶，热忱希望得到贵刊化学界读者的帮助或建议……”（注：白丝木.创造发明1000例（化学卷）.桂林：广西师范大学出版社，2001），作为一位知名物理学家雷利向自己专业之外的化学家寻求帮助并最终得到拉姆塞的协作，这种合作在今时的科学探索过程中已越来越为广泛。(2)在向现代学界咨询的同时雷利又查阅了已有的相关文献：卡文迪许曾用放电方法使空气中氮、氧反应形成氮氧化合物并用氢氧化钾溶液吸收，最终得到的气体体积不足原有空气的1%，但因种种原因没有对这些气体进行研究，现在看来其主要成分无疑是氩。
教学设计与科学方法：(1)当你在从事研究过程中遇到难以解决的问题时，你会采取哪些方式寻求援助？(2)就某一专题（如氢气、甲烷、酒精、汽油，哪一种燃料最理想？）进行一次小组为单位的探究，列出你们准备进行的步骤、手段与各自分工、所需要的资源。除了与他人合作的精神，学生在这里应尝试如何寻求帮助、如何充分利用现有资源。
4.科学发展与技术发展结合得越来越紧密
知识背景：在拉姆塞的建议下，雷利再次走进实验室进行更进一步的实验——这次是对卡文迪许实验的改进，后者当时能利用的仪器仅仅是一个倒扣的包含有两个水银电极的U型管，这就难以得到足够的样本进行研究。雷利使用了一个倒置的烧瓶，两根导线通过瓶塞插入瓶中，将除去空气中水蒸气、二氧化碳的氮气与氧气通入瓶中后接通电源产生电火花使两气体化合生成氮氧化合物，用泵向瓶中灌入氢氧化钠溶液吸收氮氧化合物再沿出口流出，根据气压计测量表明，还有气体存在于瓶中，这正是他要寻找的气体。
与雷利同时，拉姆塞用化学方法经多步反应——将空气依次通过炽热的铜、五氧化二磷、铜的氧化物、碱石灰、炽热的镁以除去其中氧、水、有机灰尘、二氧化碳和氮气——也得到了这一未知气体，两人对新发现气体进行密度测定，结果发现是氮气的一倍半，从而解决了两种途径制得的氮气密度差异，借助于当时的光谱分析证实了一种新的元素被发现。
教学设计与科学方法：在卡文迪许之后一个世纪，借助于他的实验设计，结合当时先进的科学仪器，雷利得到新的发现，以至于雷利本人也承认“我们获得了现代先进技术的帮助”，从某种程度上说科学的发现往往是一定技术取得突破的结果。
问题设计：(1)你能举出一些推动化学学科向前发展的技术成就吗？(2)“所谓科学真理就是一个个暂时性的假说”，你对这句话如何理解？
5.一个科学问题的解决往往引发一系列新的科学问题
知识背景1：一旦获得足量的氩气，两位科学家转而开始研究这一新气体的性质，这也反映出科学发展的特点——一个问题的解决往往导致一些其他问题的出现。进一步的研究同时反映出科学家工作的范式：雷利是从研究氮气密度开始发现问题的，他也更倾向于在不同温度、不同压力下对氩继续进行物理性质方面的实验。拉姆塞是应用化学反应提纯氩的，接下来的研究必然是尝试用活泼物质与氩进行反应——各种单质（钠、硫、碲等的蒸气）、酸、碱、氧化物以及催化剂等，从而得出了“惰性”结论。这里学生能够明显感受到物理方法和化学方法的两种不同思维方式。
知识背景2：雷利曾指出发现氩是一回事，要人们接受这一新的元素“非常困难，甚至在物理学界也引起不同意见”，在崇尚实证而且已有实验证据的科学界为什么对一种新元素的发现有如此争议？最重要的原因无疑是当时的元素周期表中无法找到氩的位置也没有与它性质相似的元素作为同族元素，同时氩的原子量介于钾钙之间却与这两种元素没有任何相似之处，正是这一质疑促使拉姆塞采用分离液态空气法进一步发现了其他稀有气体元素，完善了元素周期理论。
教学设计与科学方法：从这里我们可以知道科学方法的重要性：它常常为科学研究指明方向，一个新的科学发现必须和已有理论相适应或接受其评价，一些明显的矛盾常会导致新的理论或预示实验有待改进，科学正是在不断发现问题并加以解决的过程中得以繁荣进步。问题设计：(1)你如何将空气中的各种成分一一分离开来，需借助哪些手段？(2)给你一个未知成分的固态金属，你准备用哪些方法测定其性质或大致推测其成分？(3)1904年拉姆塞获得诺贝尔化学奖，如果你是诺贝尔化学奖评选委员会委员，说出你授奖予他的理由。
三、反思与评价
新课程倡导有利于学生主动参与的教学环境，重视知识中的科学方法、情感态度等的教育教学意义。利用化学学科发展中重要史实，在历史或技术细节的探究过程中使学生领悟、应用科学方法和思想无疑是行之有效的。“氩气的发现”一节中我们提供给学生的是客观历史文本以及相关方法问题，学生通过这种学习能够懂得在真实环境中解决问题的技巧，在大量的细节分析中来学习化学，培养学生收集和处理信息的能力、获取新知的能力以及合作交流能力。