人教版初中化學(xué)教科書科學(xué)性研究范文
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[摘要]
結(jié)合人教版《義務(wù)教育教科書化學(xué)》的教學(xué)實(shí)踐和教材培訓(xùn)，對教材中圖文的科學(xué)性和教學(xué)中的常見相關(guān)問題進(jìn)行了探討。
[關(guān)鍵詞]
目前在全國廣泛使用的初中人教版《義務(wù)教育教科書化學(xué)》[1]（以下簡稱“新教材”）是在原《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)》的基礎(chǔ)上，根據(jù)《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）進(jìn)行修訂，于2012年出版的。新教材中的插圖以直觀的形式向讀者呈現(xiàn)了教材所敘述事物的形態(tài)及變化規(guī)律，與說明文字互相補(bǔ)充，使教材內(nèi)容更加完善，有助于學(xué)生理解，在教學(xué)中發(fā)揮了獨(dú)特的教育功能。在近年來的教學(xué)實(shí)踐和教材培訓(xùn)工作中，廣大師生對新教材中插圖及相關(guān)文字的科學(xué)性和教學(xué)處理提出了不少寶貴的意見和建議，涉及的某些問題具有一定普遍性。本文擬對人教版九年級上、下冊化學(xué)教材中師生普遍關(guān)心的圖文科學(xué)性及教學(xué)中的常見相關(guān)問題進(jìn)行初步探討，僅做拋磚引玉，供教學(xué)和教材培訓(xùn)參考。
一、對人體吸入的空氣和呼出的氣體的探究
在進(jìn)行這個(gè)探究活動(dòng)時(shí)，常有師生認(rèn)為教材圖1-19所示用哈氣的方法來驗(yàn)證呼出的氣體中含有較多水蒸氣有科學(xué)性問題。有的來信認(rèn)為“哈氣后玻璃片上有小水珠，更大程度上只因?yàn)闇夭畲螅皇呛舫龅臍怏w中含水多”，“從嘴里出來的氣體由于溫度比外界高，所以遇到較冷的玻璃后水蒸氣發(fā)生液化，產(chǎn)生水霧，而空氣與玻璃溫度相同，其中的水蒸氣不會(huì)液化，因此沒有水霧”，等等。對產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在理解上存在一些偏差。該現(xiàn)象可以用“露點(diǎn)”，即“飽和溫度”的概念進(jìn)行解釋。在恒壓下多組分氣體混合物冷卻到開始冷凝時(shí)，出現(xiàn)第一個(gè)微小液滴時(shí)的溫度，稱為該氣體混合物在該壓力下的露點(diǎn)，即飽和溫度。[2]由于空氣中水的飽和蒸氣壓隨溫度升高而增加，因此對于空氣，在氣壓一定時(shí)，露點(diǎn)溫度的高低只與空氣中的水蒸氣含量有關(guān)，水蒸氣含量越多，露點(diǎn)越高。[3]反之亦然，因此可以用冷卻具有明亮拋光表面的容器，并測量此拋光表面因凝結(jié)水蒸氣而呈霧狀時(shí)的溫度（即露點(diǎn)）來測定空氣的濕度。[4]教材圖1-19中的學(xué)生對著干燥的玻璃片哈氣，玻璃片上出現(xiàn)水霧，表明人呼出氣體的露點(diǎn)高于室溫，而另一片放置在空氣中的玻璃片上未出現(xiàn)水霧，表明空氣的露點(diǎn)低于室溫，更低于人呼出的氣體的露點(diǎn)。因此人呼出的氣體中水的含量高于人吸入的空氣中水的含量。上述解釋涉及了過多的概念，初中學(xué)生顯然難以理解。而以上來信中的一些觀點(diǎn)可歸結(jié)為“人呼出的氣體溫度比體外空氣的高，所以即使二者的水蒸氣含量相同，人呼出的氣體遇冷也更容易產(chǎn)生冷凝水”。對此我們可以設(shè)計(jì)以下過程來說明問題：將一定量的常溫氣體加熱至人體體溫，這個(gè)過程沒有水的參與，則氣體中水的含量不會(huì)發(fā)生改變；再將該氣體冷卻至室溫，這是上述加熱過程的逆過程，顯然也不會(huì)有冷凝水產(chǎn)生。因此，如果氣體在冷卻后產(chǎn)生了冷凝水，那么該高溫氣體中水的含量，一定要大于常溫時(shí)相同質(zhì)量的氣體中水的含量。
二、測定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)2-1“測定空氣里氧氣的含量”是仿照拉瓦錫研究空氣成分實(shí)驗(yàn)的原理進(jìn)行的一個(gè)半定量原理性實(shí)驗(yàn)。圖2-3展示了該實(shí)驗(yàn)所使用的儀器裝置。由于實(shí)際操作中可能難以得到進(jìn)入瓶中水的體積占總體積1/5的精確結(jié)果，因此在一些課堂上常會(huì)看到圍繞這個(gè)1/5展開的誤差分析。例如，水的體積小于1/5，可能是：（1）紅磷的量不足或沒有充分燃燒；（2）沒有冷卻到室溫就打開止水夾；（3）裝置氣密性不好。大于1/5，則可能是：（1）止水夾沒有夾緊或者沒有用夾子；（2）塞瓶塞的動(dòng)作過慢。這些分析具有相當(dāng)?shù)乃季S深度，對于競賽備考也許是適用的。但在新課的教學(xué)中，學(xué)生初學(xué)化學(xué)，知識(shí)儲(chǔ)備有限，類似的誤差分析容易沖淡教學(xué)主題，影響大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興致。因此除非學(xué)生接受程度合適，否則初次講授時(shí)建議不涉及誤差分析，可留待復(fù)結(jié)時(shí)適當(dāng)提高。同時(shí)，目前對該實(shí)驗(yàn)的很多改進(jìn)，主要著眼于提高測量精度，保證進(jìn)入瓶內(nèi)水的體積是1/5。作為初中階段的演示實(shí)驗(yàn)，應(yīng)在明確教學(xué)目的的基礎(chǔ)上突出原理，淡化細(xì)節(jié)，最好使用標(biāo)準(zhǔn)化通用儀器，使裝置簡單明了，避免儀器過于復(fù)雜，分散學(xué)生注意力，偏離教學(xué)主題。
三、硫在氧氣中的燃燒
教材中的圖2-11顯示了硫在氧氣中燃燒使用的儀器和部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。一些實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為消除產(chǎn)物SO2的污染，將裝置設(shè)計(jì)得較為復(fù)雜。我們在操作中，在集氣瓶中預(yù)先盛入少量氫氧化鈉溶液，適當(dāng)減少硫粉用量，并及時(shí)熄滅火焰，就能夠避免產(chǎn)生明顯的空氣污染。過于復(fù)雜的裝置改進(jìn)違背了演示實(shí)驗(yàn)的簡明性原則，會(huì)增加學(xué)生的理解負(fù)擔(dān)，影響教學(xué)效率。同時(shí)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)安全和環(huán)保也不應(yīng)絕對化，宜轉(zhuǎn)變思路，通過多種方式靈活進(jìn)行。[5]例如，結(jié)合教師的上述操作設(shè)計(jì)簡單習(xí)題，讓學(xué)生討論這樣做的目的，既拓展了化學(xué)知識(shí)，又向其滲透了綠色化學(xué)思想；同時(shí)，讓學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)聞到極少量SO2的味道，對健康并不會(huì)產(chǎn)生影響，反而有利于提高其環(huán)保和自我保護(hù)意識(shí)。
四、原子結(jié)構(gòu)模型與核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
有讀者來信反映，圖3-9“原子的體積很小”中地球、乒乓球和原子的大小比例嚴(yán)重失真，需要按比例畫準(zhǔn)確，否則會(huì)給學(xué)生甚至教師帶來誤導(dǎo)。地球直徑約為1.3×107m，乒乓球直徑為4.0×10-2m，原子直徑在10-10m數(shù)量級，故地球直徑約為乒乓球直徑的108倍，乒乓球直徑也約為原子直徑的108倍。這便是教材中“如果將一個(gè)原子跟一個(gè)乒乓球相比，就相當(dāng)于將一個(gè)乒乓球跟地球相比”這個(gè)說法的由來。圖3-9考慮到印刷上清晰度的要求，其中的地球、乒乓球和原子都是卡通圖片，僅起示意作用，顯然沒有嚴(yán)格按照實(shí)際的尺寸比例繪制。新課標(biāo)在“微粒構(gòu)成物質(zhì)”的情景素材中，將實(shí)驗(yàn)版課標(biāo)“原子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)”改為“原子結(jié)構(gòu)模型”，降低了課標(biāo)要求。因?yàn)樵咏Y(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程涉及原子的湯姆生模型、盧瑟福模型、玻爾模型等內(nèi)容。要理解α粒子散射實(shí)驗(yàn)，涉及動(dòng)量守恒定律、庫侖定律等內(nèi)容，對學(xué)生的物理基礎(chǔ)要求甚高。初中學(xué)生在剛接觸原子、電子、原子核等概念時(shí)很難理解這些內(nèi)容。向初中學(xué)生描述原子結(jié)構(gòu)模型和核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對教師和教材都是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。原實(shí)驗(yàn)教科書中的描述是“核外電子的運(yùn)動(dòng)有自己的特點(diǎn)，它不像行星繞太陽旋轉(zhuǎn)有固定的軌道，但卻有經(jīng)常出現(xiàn)的區(qū)域”，相對比較準(zhǔn)確，接近量子力學(xué)對核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，然而學(xué)生根據(jù)常識(shí)很難去想象。為了描述核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，揭示其與元素性質(zhì)的關(guān)系，教材引入離核遠(yuǎn)近、能量高低來說明核外電子的分層排布。教材圖3-10的核外電子分層排布示意圖，相當(dāng)于給出了一個(gè)并不十分精確、但比較形象化、直觀的原子結(jié)構(gòu)模型，便于學(xué)生理解。在本課題的“原子核外電子的排布”標(biāo)題下，教材不可能繼續(xù)深入，更不是要與高中內(nèi)容接軌，教學(xué)中只要求能夠讓學(xué)生初步了解電子分層排布的原因，并認(rèn)識(shí)到最外層電子的數(shù)目與金屬、非金屬和稀有氣體元素化學(xué)性質(zhì)之間的大致關(guān)系。原實(shí)驗(yàn)教科書僅給出6種元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖，不易說明規(guī)律，新教材在圖3-12給出了1-18號元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖，有利于學(xué)生自行尋找核外電子的排布規(guī)律，引導(dǎo)其分析和認(rèn)識(shí)典型元素核外電子（最外層電子數(shù)目）的變化特點(diǎn)。并配合教材的相關(guān)敘述，理解最外層電子的數(shù)目與元素化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系。這樣能使學(xué)生意識(shí)到認(rèn)識(shí)原子的結(jié)構(gòu)是認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律的基礎(chǔ)，從而體會(huì)到結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)思想。
五、電解水實(shí)驗(yàn)
教材圖4-25的“電解水實(shí)驗(yàn)”使用了霍夫曼水電解器。在教材培訓(xùn)工作中，有學(xué)校反映使用電解器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)效果不很理想：電解過程中溶液會(huì)顯淡黃色，得到的氧氣量相對較少。原因可能在于目前的一些水電解器為降低成本，沒有使用Pt電極，而采用不銹鋼或錳鋼等代替。由于電極中存在Fe、Cr、Mn等活潑元素，電解時(shí)易被氧化，導(dǎo)致溶液變色。同時(shí)也消耗了電量和新生成的部分氧氣，使收集到的氧氣量減少，致使實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難達(dá)到氫氣和氧氣2:1的體積比。
六、質(zhì)量守恒定律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
圖5-2顯示的“紅磷燃燒前后質(zhì)量的測定”在原實(shí)驗(yàn)教科書中使用白磷，實(shí)驗(yàn)效果明顯。但白磷作為危險(xiǎn)品，受公安部門嚴(yán)格管控，目前很多學(xué)校難以獲得。同時(shí)也出于安全和環(huán)保方面考慮，新教材改用了紅磷。有教師反映實(shí)驗(yàn)時(shí)紅磷難以引燃。由于紅熱的玻璃管的溫度遠(yuǎn)高于紅磷的著火點(diǎn)200℃，不能引發(fā)燃燒的主要原因是所用紅磷不夠干燥。實(shí)驗(yàn)室久置的紅磷試劑瓶中，常有一層“水”在紅磷固體上方。這實(shí)際是紅磷在存放時(shí)產(chǎn)生的氧化物吸水后形成的磷酸、亞磷酸等的混合溶液。濕潤的紅磷在使用前應(yīng)先用水洗凈，然后過濾或抽濾，經(jīng)干燥后才能使用。圖5-3“鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)前后質(zhì)量的測定”將實(shí)驗(yàn)容器由燒杯改為帶橡膠塞的錐形瓶，主要是出于操作嚴(yán)謹(jǐn)性而進(jìn)行的改進(jìn)。這樣也將該探究活動(dòng)中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置都設(shè)計(jì)成封閉體系，構(gòu)建出典型、簡化的模型，排除了其他因素的干擾。而接下來圖5-5、圖5-6顯示的鹽酸與碳酸鈉反應(yīng)及鎂條燃燒兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，都是在開放體系中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，也是非典型、非模型化的體系，更接近實(shí)際情況下發(fā)生的大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)。第一個(gè)由于氣體逸出造成體系的質(zhì)量減小，第二個(gè)則可能由于鎂條氧化而增重或產(chǎn)物在空氣中飛散而減重，稱量結(jié)果并不確定。因此教材在這里新增了兩個(gè)“想一想”欄目，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前預(yù)先思考，帶著問題來觀察實(shí)驗(yàn)，最后再結(jié)合“討論”欄目對實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出解釋。通過對具體問題的分析，深化學(xué)生對質(zhì)量守恒定律的認(rèn)識(shí)。
七、C60、碳納米管和單層石墨片（石墨烯）的結(jié)構(gòu)
圖6-4、圖6-5和圖6-6分別顯示了C60、碳納米管和單層石墨片（石墨烯）的結(jié)構(gòu)。教材中的文字和插圖有可能讓學(xué)生誤認(rèn)為三者的實(shí)際外觀就呈足球狀、管狀和片狀。在教學(xué)時(shí)要注意引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分物質(zhì)的宏觀聚集狀態(tài)與微觀結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別，指出足球狀、管狀和片狀只是物質(zhì)分子的微觀結(jié)構(gòu)，用肉眼無法直接觀察到。并可結(jié)合圖片或?qū)嵨镎故荆寣W(xué)生了解到這3種物質(zhì)在宏觀上都是黑色粉末狀的固體。
八、酸與金屬氧化物反應(yīng)
新教材下冊的探究活動(dòng)“酸的化學(xué)性質(zhì)”在進(jìn)行酸與金屬氧化物的反應(yīng)時(shí)，使用了生銹的鐵釘。取材于身邊的常見物質(zhì)，能夠聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際，同時(shí)也是為了保證有較好的實(shí)驗(yàn)效果。因?yàn)槠胀ㄔ噭〧e2O3實(shí)際上不易溶于冷的稀鹽酸，與濃鹽酸加熱較長時(shí)間才有明顯反應(yīng)。而鐵銹是含F(xiàn)e2O3的復(fù)雜混合物，質(zhì)地疏松，較易與稀酸反應(yīng)。[6]類似的情況還有Al2O3，自然界中的剛玉為α-Al2O3，不溶于酸或堿，而Al(OH)3脫水得到的γ-Al2O3能溶于酸和堿，是典型的兩性氧化物。該探究活動(dòng)除了用生銹的鐵釘外，也可使用氧化銅，它較易與稀鹽酸反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)效果比較明顯。但要注意氧化銅的用量要少，而且鹽酸要稀一些，否則得到的溶液呈綠色，對初中學(xué)生而言不易從形成混合物的角度來進(jìn)行解釋。
九、粗鹽中的難溶性雜質(zhì)的去除
新教材下冊的“實(shí)驗(yàn)活動(dòng)8：粗鹽中難溶性雜質(zhì)的去除”是根據(jù)新課標(biāo)要求新增的實(shí)驗(yàn)，對溶解、過濾、蒸發(fā)結(jié)晶等基本實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行訓(xùn)練，同時(shí)又對溶液的知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)。該實(shí)驗(yàn)本身是一個(gè)定性的操作性實(shí)驗(yàn)，但教材在實(shí)驗(yàn)操作中安排了3次稱量——稱粗鹽，稱剩下的粗鹽，稱提純后的精鹽。其目的是復(fù)習(xí)溶液的相關(guān)知識(shí)，并同時(shí)利用計(jì)算得出的精鹽產(chǎn)率讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，通過分析損失來源，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中樹立定量和經(jīng)濟(jì)的觀念。在近幾年的教材培訓(xùn)工作中，有不少教師對教材中的藥品用量和實(shí)驗(yàn)操作的科學(xué)性提出了一些疑問，例如：（1）為什么使用10ml水和5g粗鹽？在這里粗鹽用量如果太多，不僅浪費(fèi)藥品，更延長了溶解、過濾、蒸發(fā)等操作的時(shí)間，該實(shí)驗(yàn)步驟較多，藥品用量過大會(huì)影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度；如粗鹽用量太少，如1g，溶解后剩余的粗鹽和最后得到的精鹽量很少，測量誤差也較大。同時(shí)教材為了簡化計(jì)算，在數(shù)字上盡量取整。（2）在第一步溶解的操作中為什么要“一直加到粗鹽不再溶解為止”？這樣是為了形成飽和溶液，以便接下來粗略估算食鹽的溶解度；同時(shí)由于粗鹽中的雜質(zhì)量并不是很多，提高鹽水濃度可增加濾出雜質(zhì)的量，便于觀察，使學(xué)生對難溶性雜質(zhì)的去除產(chǎn)生直觀認(rèn)識(shí)。（3）為什么不能先加粗鹽，再逐漸加水？這是因?yàn)槿芤褐杏泄腆w物質(zhì)存在時(shí)，難以辨別食鹽能否繼續(xù)溶解，導(dǎo)致無法判斷溶液是否飽和。（4）為什么該實(shí)驗(yàn)名稱不叫精鹽的制備？教材中實(shí)驗(yàn)的最后一步操作是“利用蒸發(fā)皿的余熱使濾液蒸干”，因此粗鹽中的可溶性雜質(zhì)并不能借此除去，所謂“精鹽”只是一個(gè)習(xí)慣性稱呼，將該實(shí)驗(yàn)稱作“粗鹽中難溶性雜質(zhì)的去除”也較為準(zhǔn)確。
十、油脂類食品
隨著人們生活水平的提高和一些不健康飲食習(xí)慣的流行，目前社會(huì)上普遍“談?dòng)蜕儭薄V大學(xué)生也深受這些觀念的影響，認(rèn)為平時(shí)飲食中正常攝入脂肪也會(huì)引起肥胖及高血壓、脂肪肝等疾病。這與媒體中對脂肪作用的宣傳誤導(dǎo)有很大關(guān)系，很多情況下總是過分強(qiáng)調(diào)了脂肪的危害性。其實(shí)人體中的脂肪具有重要的生理功能，它是人體的備用能源，有緩沖機(jī)械沖擊、保護(hù)內(nèi)臟器官和保持體溫等重要作用。因此攝入脂肪過少不利于身體健康，青少年也有必要在飲食中攝入足夠量的脂肪。教材的圖12-7給出了植物油、奶油、肥肉、花生等食品的照片，并命名為“油脂類食品”，表明油脂不只是烹飪中的加熱介質(zhì)，或是為了增加食品風(fēng)味的添加劑，其本身就是重要的營養(yǎng)物質(zhì)，可與圖12-6中的“糖類食品”相并列。我們在教學(xué)中應(yīng)結(jié)合相關(guān)圖文幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)油脂的作用，使其養(yǎng)成綜合、全面地認(rèn)識(shí)化學(xué)物質(zhì)的科學(xué)態(tài)度。
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作者：郭震 單位：人民教育出版社化學(xué)室 課程教材研究所
