關(guān)于質(zhì)量守恒定律的化學(xué)史教學(xué)的思考

關(guān)于質(zhì)量守恒定律的化學(xué)史教學(xué)的思考

質(zhì)量穩(wěn)定法是化學(xué)發(fā)展史上的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)。這是作者在定量研究和分析影響到各化合物的質(zhì)量時(shí)總結(jié)的一項(xiàng)重要規(guī)則，為19世紀(jì)的化學(xué)理論和實(shí)踐發(fā)展開辟了道路。在義務(wù)教育階段,質(zhì)量守恒定律是化學(xué)學(xué)科中的重要基本理論,是學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)必備的理論基礎(chǔ)。因此,不同版本的教科書中都加入了一些關(guān)于質(zhì)量守恒定律的化學(xué)史素材,許多教師在這一主題的教學(xué)中經(jīng)常會(huì)適時(shí)進(jìn)行相關(guān)的化學(xué)史教學(xué)。科學(xué)地開展化學(xué)史教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,幫助他們了解化學(xué)發(fā)展的歷史,正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)。然而,筆者通過對(duì)多節(jié)在質(zhì)量守恒定律這一主題教學(xué)中開展化學(xué)史教學(xué)的課堂進(jìn)行觀察與分析發(fā)現(xiàn),許多教師在教學(xué)過程中存在著對(duì)教科書中的科學(xué)史素材理解簡單化,缺乏對(duì)相關(guān)的化學(xué)史教學(xué)資源進(jìn)行深入理解與開發(fā),甚至憑借個(gè)人主觀臆斷與猜想來解釋和說明化學(xué)史實(shí)的問題。這樣的教學(xué)非但不能很好地發(fā)揮化學(xué)史應(yīng)有的價(jià)值和功能,相反,有時(shí)倒會(huì)使學(xué)生片面地理解化學(xué)發(fā)展的歷史,形成錯(cuò)誤的科學(xué)史觀和科學(xué)本質(zhì)觀。產(chǎn)生這些問題的主要原因是教師在教學(xué)過程中缺乏科學(xué)的歷史觀和科學(xué)哲學(xué)觀的指導(dǎo),對(duì)相關(guān)的科學(xué)史素材理解和運(yùn)用不當(dāng)。通過對(duì)不同版本教科書和經(jīng)典化學(xué)史著作的研究,筆者對(duì)質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)者,質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)時(shí)間,質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程,開展質(zhì)量守恒定律化學(xué)史教學(xué)的視角等幾個(gè)問題進(jìn)行了研究與思考,提出自己的一些觀點(diǎn),期望與廣大教師共同探討。1拉瓦錫是質(zhì)量守恒思想在化學(xué)科學(xué)發(fā)展中的重要地位我們發(fā)現(xiàn),我國提及到質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)過程的化學(xué)教科書都只把拉瓦錫(A.L.Lavoisier)作為唯一的發(fā)現(xiàn)者,對(duì)于在拉瓦錫之前就曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)和闡述過質(zhì)量守恒思想的俄國化學(xué)家羅蒙諾索夫(L.W.Lomonossow)卻只字未提。很多教師在教學(xué)過程中亦是如此,在介紹質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)過程時(shí),完全按照記敘文中的時(shí)間、地點(diǎn)、人物、事件這4個(gè)要素來逐條簡要交代,對(duì)質(zhì)量守恒思想產(chǎn)生、發(fā)展的過程,以及前人所作的貢獻(xiàn)都未加以說明。這樣做造成的結(jié)果是,學(xué)生只把“四要素”作為要點(diǎn)來記憶,無法真正了解質(zhì)量守恒思想產(chǎn)生、發(fā)展的歷史脈絡(luò),難以體會(huì)質(zhì)量守恒定律對(duì)化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重要作用,更不能認(rèn)識(shí)到科學(xué)發(fā)展的積累性、暫時(shí)性、創(chuàng)造性等本質(zhì)特征。我們曾經(jīng)對(duì)153位剛進(jìn)入大學(xué)一年級(jí)化學(xué)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行過調(diào)查,有超過90%的學(xué)生只知道拉瓦錫是質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)者,對(duì)其他方面內(nèi)容基本不了解。在化學(xué)史上,有些重大發(fā)現(xiàn)是由多名化學(xué)家經(jīng)歷一個(gè)不斷完善的過程來完成的,有時(shí)還存在著同一時(shí)期的不同化學(xué)家對(duì)同一問題進(jìn)行研究,并最終都取得類似重要結(jié)論的情況。在質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程中,上述兩種情形同時(shí)存在。通過對(duì)多本權(quán)威化學(xué)史著作的研究發(fā)現(xiàn),科學(xué)史研究者普遍認(rèn)同羅蒙諾索夫也曾經(jīng)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量守恒定律。“在1756年前后,俄國化學(xué)家羅蒙諾索夫在反復(fù)進(jìn)行金屬煅燒實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)金屬煅燒后的增重是由于金屬與玻璃管中空氣結(jié)合的結(jié)果。他雖然沒能徹底地否定燃素,但他卻是第一個(gè)較為清楚地表達(dá)了化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒的思想。由于多種原因,羅蒙諾索夫的發(fā)現(xiàn)和他闡述的質(zhì)量守恒思想對(duì)當(dāng)時(shí)科學(xué)思想的進(jìn)步并沒有產(chǎn)生明顯的影響?！崩咤a在早期的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中就開始運(yùn)用天平來定量研究化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量變化,通過大量的實(shí)驗(yàn),他發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)過程中質(zhì)量守恒這一規(guī)律性,并在1789年出版的著作《化學(xué)綱要》中用清晰的語言把質(zhì)量守恒定律表達(dá)出來。如果說舍勒(C.W.Sheele)和普里斯特利(J.Priestley)都被認(rèn)為是氧氣的發(fā)現(xiàn)者,門捷列夫(Mendelejeff)和邁爾(J.L.Meyer)可以共同分享發(fā)現(xiàn)元素周期律的榮譽(yù),并分別獲得戴維金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?我們認(rèn)為,羅蒙諾索夫也應(yīng)該作為質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)者之一而被引入化學(xué)教科書和化學(xué)教學(xué)中來。這樣,學(xué)生才可以對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)有更全面、客觀的認(rèn)識(shí)。2質(zhì)量守恒定律目前,很多化學(xué)教師在介紹質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)過程時(shí)存在著2個(gè)不同的發(fā)現(xiàn)時(shí)間:1774年或1777年。經(jīng)過對(duì)教科書的分析和對(duì)教師進(jìn)行訪談發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)時(shí)間不同的原因之一是不同版本教科書中對(duì)拉瓦錫進(jìn)行氧化汞分解與合成實(shí)驗(yàn)記錄的時(shí)間不一致;另一個(gè)主要原因是由于許多教師把拉瓦錫從這個(gè)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果直接等同于或升華為質(zhì)量守恒定律。我們查閱了多部化學(xué)史著作,沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)于質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)時(shí)間的明確記載。僅憑拉瓦錫獲得的一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果就認(rèn)定他發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律的時(shí)間是不科學(xué)的。因?yàn)?“一個(gè)現(xiàn)象的實(shí)例不是一條規(guī)律,一批實(shí)例的總和也不是規(guī)律,只有這些現(xiàn)象的實(shí)例顯示出一種不變關(guān)系的時(shí)候,才能說自然界展現(xiàn)出一種規(guī)律性;也只有思維對(duì)這條規(guī)律加以正確的反映、把握,并形成一種普遍的命題或陳述時(shí),一條科學(xué)定律才算形成?！庇纱丝梢?一種規(guī)律性是否經(jīng)過思維的科學(xué)加工,并以普遍命題表述出來可以作為科學(xué)定律被確定的標(biāo)準(zhǔn)之一。羅蒙諾索夫和拉瓦錫通過大量的實(shí)驗(yàn)研究分別發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)過程中質(zhì)量守恒這一規(guī)律性,并分別在1756年和1789年以普遍命題的形式把質(zhì)量守恒定律清晰表述出來。所以,我們可以認(rèn)為質(zhì)量守恒定律被2人獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的時(shí)間是1756年和1789年。不同的是,羅蒙諾索夫的發(fā)現(xiàn)在大約一百年后才引起了學(xué)術(shù)界的贊揚(yáng)和驚奇,拉瓦錫的研究成果很快就被許多化學(xué)家所了解。直到愛因斯坦提出質(zhì)能方程,質(zhì)量守恒定律由經(jīng)驗(yàn)定律發(fā)展成為理論定律。3化學(xué)史觀的內(nèi)容追求扁平化,造成了科學(xué)發(fā)現(xiàn)雖然羅蒙諾索夫和拉瓦錫分別發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律都只用了十幾年的時(shí)間,但從質(zhì)量守恒思想的產(chǎn)生,到質(zhì)量守恒定律從理論上被證明卻經(jīng)歷了一百多年。這一歷程充分體現(xiàn)了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程性和復(fù)雜性。由于受教學(xué)時(shí)間等多種條件的限制,在化學(xué)教學(xué)中插入部分化學(xué)史內(nèi)容的做法通常無法把科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程詳細(xì)地全面展開,要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)剡x擇與精煉。但這決不意味著可以隨意改編歷史事實(shí),更不能把科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程簡單化、模式化。把拉瓦錫分解與合成氧化汞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果等同于質(zhì)量守恒定律,把拉瓦錫進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間認(rèn)定為質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)時(shí)間的做法就是這一傾向最典型的體現(xiàn)。這樣的化學(xué)史教學(xué)往往會(huì)造成學(xué)生對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的認(rèn)識(shí)簡單化、片面化,非常不利于學(xué)生正確科學(xué)本質(zhì)觀的形成。筆者在一次課堂教學(xué)觀摩中就發(fā)現(xiàn)了多名同學(xué)有類似的認(rèn)識(shí)。當(dāng)時(shí)教師介紹說:“1673年,波義耳(R.Boyle)在敞口的容器中加熱金屬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后質(zhì)量增加了。1777年,拉瓦錫在密閉容器中加熱分解氧化汞,卻發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后質(zhì)量沒有改變,于是,他就發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量守恒定律?！睂W(xué)生們在意識(shí)到實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響同時(shí),也有一些同學(xué)很自然地提出:“波義耳真笨,這么簡單的問題都發(fā)現(xiàn)不了”、“原來科學(xué)研究這么簡單,我要是生活在那個(gè)時(shí)代也能成為化學(xué)家”。還有的教師在介紹完這段歷史后提出“為什么波義耳與質(zhì)量守恒定律擦肩而過啊?”。這完全是憑教師的主觀臆斷而對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程的一種簡單化。要想避免學(xué)生對(duì)質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)過程認(rèn)識(shí)的簡單化,教師要追溯質(zhì)量守恒思想產(chǎn)生、發(fā)展的歷史脈絡(luò),選擇一些能夠代表不同發(fā)展階段的典型人物和事件,以客觀、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z言把人物和事件按照歷史發(fā)展與邏輯統(tǒng)一的原則組織在一起。經(jīng)過研究與分析,我們認(rèn)為質(zhì)量守恒思想從產(chǎn)生到發(fā)展成為理論定律,大致經(jīng)歷以下幾個(gè)階段。(1)物質(zhì)要被創(chuàng)造,又不能消滅從使用天平進(jìn)行定量研究開始,就有很多與化學(xué)相關(guān)的研究是建立在“物質(zhì)在化學(xué)變化過程中,既不能被創(chuàng)造,又不能被消滅”這一樸素的唯物論思想基礎(chǔ)之上。17世紀(jì)的醫(yī)藥化學(xué)家海爾蒙特(J.B.V.Helmont)做過的著名柳樹實(shí)驗(yàn)就是以這一思想為指導(dǎo)的。(2)自覺運(yùn)用馬克思主義科學(xué)從17世紀(jì)下半葉起,隨著定量實(shí)驗(yàn)的廣泛應(yīng)用,質(zhì)量守恒思想已經(jīng)被許多化學(xué)家自覺運(yùn)用到他們的科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。例如,英國化學(xué)家布萊克(J.Black)在發(fā)現(xiàn)固定空氣(二氧化碳)的過程中,化學(xué)大師舍勒、卡文迪許(H.Cavendish)、普里斯特利在對(duì)氣體的定量研究中,都應(yīng)用和體現(xiàn)了質(zhì)量守恒原理。(3)質(zhì)量守恒定律的結(jié)構(gòu)原理羅蒙諾索夫和拉瓦錫2位化學(xué)家通過大量的實(shí)驗(yàn)研究,總結(jié)出化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒的規(guī)律性,并以普遍命題的形式把質(zhì)量守恒定律清晰表述出來。隨著測量儀器精度的提高,質(zhì)量守恒定律的正確性不斷被科學(xué)家所驗(yàn)證和承認(rèn)。(4)eminte質(zhì)能方程的提出20世紀(jì)初,愛因斯坦(AlbertEinstein)質(zhì)能方程的提出從理論上再次證明了質(zhì)量守恒定律的正確性,質(zhì)量守恒定律在認(rèn)識(shí)形式上由經(jīng)驗(yàn)定律發(fā)展成理論定律。4從定量研究的視角進(jìn)行化學(xué)史教學(xué)很多教師在進(jìn)行質(zhì)量守恒定律的教學(xué)時(shí),都只是把它作為一個(gè)重要的理論內(nèi)容傳授給學(xué)生,強(qiáng)調(diào)它在化學(xué)方程式書寫和化學(xué)計(jì)算中的作用,忽略了它所具有的方法論價(jià)值和對(duì)學(xué)生定量的化學(xué)觀形成的積極影響。在進(jìn)行相關(guān)的化學(xué)史教學(xué)時(shí),教師大多只介紹定律的發(fā)現(xiàn)者、發(fā)現(xiàn)時(shí)間、發(fā)現(xiàn)的簡單過程和拉瓦錫的貢獻(xiàn)。對(duì)于質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)的背景及其在化學(xué)發(fā)展史上的重要地位涉及較少。這樣的化學(xué)史教學(xué)很難讓學(xué)生理解質(zhì)量守恒定律對(duì)化學(xué)科學(xué)發(fā)展和化學(xué)學(xué)習(xí)的意義,更無法體會(huì)拉瓦錫在定量研究方面的卓越貢獻(xiàn)。嚴(yán)格來說,一門科學(xué)只有當(dāng)它達(dá)到了定量研究階段,才真正稱得上是科學(xué)。在化學(xué)發(fā)展史上,質(zhì)量守恒定律的重要地位在于它是第一個(gè)科學(xué)的計(jì)量定律,為從質(zhì)量角度研究化學(xué)變化提供了依據(jù),為當(dāng)量定律、定比定律等化學(xué)計(jì)量定律的提出奠定了基礎(chǔ),并成為道爾頓原子論的理論支柱。拉瓦錫的偉大之處在于他通過嚴(yán)格的定量實(shí)驗(yàn),對(duì)化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量變化情況進(jìn)行了研究,并運(yùn)用理論思維把這種規(guī)律性提升為普遍適用的科學(xué)定律。此后,定量方法成為化學(xué)研究的主要方法,為化學(xué)進(jìn)一步確立為現(xiàn)代科學(xué)樹立了一個(gè)重要的里程碑。質(zhì)和量都是事物本身所固有的規(guī)定性,都有多個(gè)方面。區(qū)別事物的質(zhì)是認(rèn)識(shí)事物的開始,而由質(zhì)進(jìn)到量,則是對(duì)事物認(rèn)識(shí)的深化。學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)也要經(jīng)歷一個(gè)由定性認(rèn)識(shí)到定量認(rèn)識(shí)的深化過程。質(zhì)量守恒定量的學(xué)習(xí)恰好是義務(wù)教育階段學(xué)生開始定量認(rèn)識(shí)和研究化學(xué)變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn),因此,從定量研究的視角來進(jìn)行相關(guān)的化學(xué)史教學(xué),在學(xué)生理解質(zhì)量守恒