淺談化學史中的科學發展觀

顏標峰

摘要：以人的需求為基礎進行化學創造或發明的“按需設計”是化學推動人類文明進步的重要方式。通過創設“按需設計”的教學情境，滲透化學史中的科學發展觀，可以引導學生感受到以人為本的人文情懷和不斷探索的科學精神。

關鍵詞：化學史；科學發展觀；按需設計；教學情境

文章編號：1008-0546（2017）01-0022-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.01.006

化學是一門中心的、實用的、展現創造魅力的學科，化學對人類文明的貢獻功不可沒。用諾貝爾獎獲得者、著名有機化學家伍德沃特的話來說，化學家們“在老的自然界旁邊又建立起一個新的自然界”，化學的發展史幾乎就是一部發明創造史。

化學史中大量的發現或發明，都遵循著按照人類需求而發展的“按需設計”的規律。當世界面臨著糧食危機時，哈伯在1909年發明用鋨作催化劑的高壓合成氨工藝，滿足了人類的糧食需求；當人類在與各種傳染病激烈抗爭時，抗生素應運而生，提高了人類至少25年的平均壽命?！鞍葱柙O計”是化學推動人類文明進步的重要方式。

“按需設計”體現出化學發展的人文理念——科學發展觀?？茖W發展觀是“堅持以人為本，全面、協調、可持續的發展觀”，“按需”即“以人為本”，筆者將本文的“科學發展觀”界定為“以人為本”的發展觀。

在經濟飛速發展的當代，環境、能源、食品安全等問題困擾著人們，于是人們將這些問題聚焦在化學上，甚至聞“化”色變。然而“化學不是問題，化學解決問題”，在中學課堂中如何讓學生明白這一道理是當務之急。筆者認為在課堂中除了傳授系統的化學學科知識之外，還應開發化學人文資源，滲透化學史中的科學發展觀，開展學科內涵教育。

“按需設計”的教學情境是化學史中科學發展觀的有效載體。筆者有意識地挖掘了部分教學素材中科學發展觀的學科內涵并創設了“按需設計”的教學情境，現與大家做如下分享：

案例 1：氯氣與漂白劑

[講述]1774年，舍勒發現了氯氣，并且發現氯氣能夠漂白有色鮮花和綠葉，由此舍勒推斷出氯氣具有漂白性。

[對比實驗]氯氣與干燥的紅色小花、氯氣與濕潤的紅色小花。

設計意圖：以化學史為切口，通過探究實驗，引導學生關注氯水的漂白性。

[過渡]氯水中起漂白作用的有效成分是次氯酸。

[學生活動]書寫氯氣與水反應的化學方程式。

[講述]次氯酸不僅具有漂白性，還具有強氧化性，能殺菌消毒，1897年英國首次使用氯氣給自來水消毒。

[講述]1785年，法國化學家貝托雷提出將氯水的漂白作用應用于紡織工業，實際應用中，發現放置一段時間的氯水漂白作用明顯減弱。

[演示實驗]次氯酸的分解。

[學生活動]從氧化還原反應的角度，推導次氯酸分解的產物。

[提問]次氯酸見光易分解，表明次氯酸具有不穩定性，所以久置后氯水的漂白作用減弱，那么如何保證次氯酸的漂白性呢？

設計意圖：鑒于次氯酸見光易分解的事實，提出如何改進漂白劑的問題，激發學生的認知興趣，引起學生“按需設計”的意識。

[講述]化學家貝托雷偶然情況下把氯氣通入草木灰的水溶液中，發現穩定性提高很多。

[視頻實驗]氯氣通入草木灰水溶液后，對其產物進行光照。

[講述]草木灰是一種堿性的物質，次氯酸是一種酸，二者反應生成了鹽，此實驗證明次氯酸鹽比次氯酸更加穩定。次氯酸鈉制備成本較高，限制了以次氯酸鈉為有效成分的漂白劑的推廣。1789年，英國化學家臺耐特把氯氣通入石灰乳中，制得現在仍廣泛使用的、價格低廉的漂白粉。

設計意圖：在“提出需求—按需設計—提出新需求—按需優化”的漂白劑設計過程中，調動學生的探究熱情，引導學生感受到“按需設計”在漂白劑發展歷史中發揮的重大作用。

案例 2：氨氣與氮肥

[設疑]植物生長需要氮肥，空氣中有大量的氮氣，但植物并不能直接吸收，如何將空氣中的氮單質轉化為氮肥？

[講述]1909年哈伯發明合成氨工藝，將氮氣轉化為氨氣，實現人工固氮。氨氣是氣體，不適宜直接作為氮肥，可制成氨水再使用，如何證明氨氣溶于水？

[演示實驗]塑料瓶變癟實驗、噴泉實驗。

[學生活動]氨氣與水反應方程式的書寫，氨水性質分析。

[提問]在六七十年代的時候，氨水作為氮肥，曾經廣泛地使用于農業生產，不過近些年，卻不再被大力推廣了。為何氨水不能成為氮肥的主角？

設計意圖：氮氣—氨氣—氨水，從人工固氮講到早期使用的氮肥，為氮肥的“按需設計”做鋪墊。

[講述]氨水易揮發且加熱易分解，不穩定是氨水作為氮肥最大的弊端，于是科學家們將液態的氨水與酸反應轉化為固態的銨態氮肥。

[學生活動]氨水與硫酸、硝酸、鹽酸反應的化學方程式的書寫。

[講述]早期的銨態氮肥主要是硫酸銨，硫酸銨一度在意大利、英國、日本和印度等國的氮肥生產中所占比例特別高。氨氣經過催化氧化可以得到硝酸，硝酸與氨水反應生成硝酸銨，使氮肥工廠避免了運輸硫酸的困擾。我國著名實業家侯德榜發明侯氏制堿法后，氯化銨作為侯氏制堿法的副產物，成為我國主要的氮肥來源。

[講述]農民伯伯在高溫天氣下施氮肥時，經常會戴著口罩。碳酸銨、氯化銨等固態氮肥在加熱條件下會分解。

[學生活動]碳酸銨和氯化銨加熱分解反應的化學方程式的書寫。

[講述]無機氮肥不僅加熱易分解，高溫天損失肥效；而且無法更新土壤有機質，使用頻繁后，土壤會出現不同程度的板結。于是有機氮肥——尿素在此背景下得以合成，成為當前使用程度最大的氮肥。

[講述]全世界每年化學工業的固氮量，只能達到生物固氮量的1/4左右。因此，在不斷設計的人工固氮方法中，生物固氮的模擬過程最受人矚目。當前化學家們圍繞固氮酶催化固氮活性中心這一問題展開模擬工作。人們正期待突破性的氮肥品種出現，這將會是繼哈伯合成氨工藝后，又一載入史冊的轉折性的科技成果。

設計意圖：通過感受氮肥“按需設計”、不斷發展的科學過程，體悟化學家們積極探索的科學品質、甘于奉獻的社會情懷和日臻至美的理想信念。

案例 3：原電池與化學電源

[講述]公元1800年，伏打把含食鹽水的濕抹布，夾在銀和鋅的圓形板中間，堆積成圓柱狀，制造出最早的電池——伏打電池。不久后，伏打發現，用任何兩種金屬代替鋅和銀都可以產生電流。這種將不同的金屬片插入電解質水溶液形成的電池，通稱伏打電池。

[提問]伏打電池在使用時，電流電壓不穩定。伏打電池的模型是單液原電池，請你分析造成問題的原因，并試著提出問題的解決辦法。

[學生活動]得出結論：鋅與硫酸銅溶液直接接觸，將鋅與硫酸銅溶液進行隔離。

[講述]1836年丹尼爾將銅片和鋅片分別浸在硫酸銅溶液和硫酸鋅溶液中，用多孔陶瓷將兩種溶液隔離，發明了丹尼爾電池。

設計意圖：伏打電池和丹尼爾電池在化學電源發展史上有不可估量的地位，與中學化學里講解的單液原電池和雙液原電池有直接關系。學生能夠獨立參與到電池改進中，切身體會“按需設計”的快感。

[講述]丹尼爾電池不便于攜帶和使用，于是科學家們又開始投入電池的設計工作中。1887年，英國科學家赫勒森發明了世界上最早的干電池。干電池的電解液為糊狀，不會溢漏，方便攜帶，獲得了廣泛應用。

[講述]當前家電越來越小型，電子產品越來越多功能，人們迫切需要小型化、多功能化的電池，于是人們制造出了紐扣電池。

[過渡]由供電不穩到供電穩定，由不便攜帶到方便輕盈，由功能單一到功能多樣，化學電源的設計越來越完善。但電池使用過后，如若廢棄，對環境的污染較為嚴重。如何保證化學電源的生態環保，成為化學家們的研究課題。

[講述]可充電的二次電池應運而生，鉛蓄電池、鎳鎘電池等二次電池在生活中屢屢可見；綠色高效的燃料電池大放異彩，氫氧燃料電池、甲烷燃料電池等清潔電源越來越受到關注。

設計意圖：化學電源在化學發展史上是濃墨重彩的一筆，是化學家們貢獻給世界的一份厚禮。但化學電源的發展并非一帆風順，科學家們不斷地遇到挑戰，不斷地取得突破。通過化學電源“按需設計”的學習體驗，讓學生感受到在實際應用過程中，問題會不停顯現，面對問題最佳的態度，應該是積極思考與認真解決。

蘇霍姆林斯基曾說：“在人的內心深處，都有一種根深蒂固的需要，那就是希望自己是一個發現者和探索者?！蓖ㄟ^融入“按需設計”的教學情境，學生得以在化學的歷史海洋中去發現，去探索。發現滲透在化學史中以人為本的人文情懷，發現蘊含在化學史中不斷探索的科學精神。發現之余，做一個探索者，不斷踐行以人為本的科學發展觀，為今后化學的進步貢獻力量。

參考文獻

[1] 王祖浩等.化學案例教學論[M].合肥：安徽教育出版社，2012

[2] 王燦.化學史中的科學發展觀——以“化學電源”教學設計為例[J].化學教學， 2014 （8）： 31-34