巧用化学史料培育科学方法

摘要：化学史料会揭示出化学家们如何善于抓住机遇，怎样运用想象力，如何进行缜密的实验设计，如何进行科学的逻辑思维和推理，会给我们提供众多极生动、极形象的学习典范。这是我们在化学教育中强调化学史学习的重要理由。科学思想方法是科学发现的灵魂。化学研究中的思想方法主要有以下几种：观察、想像、调查研究、模拟、分解与组合、实验、推理等。

科学发现有三个重要因素：科学知识、科学思想方法和科学精神。其中科学思想方法是科学发现的灵魂。

纵观宛如繁星的化学发现、发明事实可以看出，化学家们所应用的思想方法，既包含一般科学共同适用的研究方法，也包括具有化学学科特色的研究方法，它们都是宝贵的精神财富。如果我们在教学中运用好化学史料，可以培养和锻炼学生的科学思想方法。

化学家们所采取的思想方法主要有以下几种：观察、想像、调查研究、模拟、分解与组合、实验、推理等。

一、观察——化学发现的基础

所谓观察是人们通过看、听、尝、闻、摸等动作，对大千世界多彩多姿的事物和千变万化的现象进行认识的过程。许多化学研究是在观察中进行的。

在课堂教学中，我们主要是通过演示实验和学生实验来培养学生观察能力的。化学史料的应用可让学生进一步深刻体会观察的重要意义。例如：酸碱指示剂的发现，是波义耳在发明一种鉴定土壤酸碱性的新方法时不小心将盐酸喷溅在紫罗兰花，他感到很惋惜，便顺手用水冲洗。过了一会，他惊奇地发现紫罗兰的蓝紫色变成了鲜艳的红色。波义耳兴奋极了，真是“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫”。他立即动起手来，用几种酸和几种碱对紫罗兰花瓣进行试验，观察花瓣颜色的变化。最后终于研制出了酸碱指示剂。

再如：味精的发现源于池田菊苗教授喝汤中的灵敏味觉和敏锐的洞察力。1908年的一天晚上，日本东京大学化学家池田菊苗教授忙碌了一天，回到家中，池田夫人为了消除丈夫的劳累急忙端上了饭菜。

池田坐下来，喝了一口汤说：“这汤是用什么做的？”

“怎么啦？”池田夫人惊奇地问。

“这汤的味道不一般，其味特殊鲜美！”

“可能是你太饿的缘故吧，所以吃起饭菜来感到特别香！”

“不！这汤的味道就是不一样，请你赶快告诉我，它究竟是用什么佐料做成的？”

“没加什么特别佐料，只是用海带丝和黄瓜片做成的。”

池田感觉到汤里一定有学问，扔下饭碗，带着做汤的海带丝去了实验室，决心用实验搞清鲜汤之谜。功夫不负有心人,经过半年的辛苦研究，他终于从海带中发现了可以大大增加鲜味的物质——谷氨酸钠。从这里也可以看出，成功永远属于那些善于从细微的现象中发现问题且认真思索的人们。

二、想像——化学发现的精灵

想像是人类所特有的能力。它是依据已有知识和经验，发挥人的抽象、联想、猜想和幻想的能力，超脱客观条件的限制，去构思未知事物的形象，未知的变化过程和变化规律的创造性思维活动。

在化学史上采用想像的方法实现发明创造的事例很多，运用想像道尔顿构建了原子论、阿弗加德罗创立了分子学说、凯库勒确立了苯环结构等等。

三、调查——化学发现的探测器

“没有调查就没有发言权。”它是化学研究经常采用的方法。

例如化学家从对葡萄园的调查研究中发明了波尔多液。

法国的梅杜克地区是盛产葡萄的地方，每年因为葡萄的丰收给当地老百姓带来巨大的经济效益和丰收的喜悦。

然而，1878年的秋天却灾祸蔓延，过去那种葡萄丰收的景象荡然无存，挂满枝头的葡萄尚未成熟就裂口腐烂，到处飘荡着的是葡萄树的黄叶。庄园主们心急如焚、无计可施，眼看着到手的“珍珠”就这样白白地烂掉了！

不过，梅杜克地区的波尔多城有一片庄园却是另一番景象。在那里，葡萄树枝繁叶茂，串串葡萄像玛瑙、似翡翠，挂满了枝头。

为什么在同一地区种植的葡萄，在同一季节里却出现反差如此大的不同景象：一个是葡萄丰收、景象喜人，一个是枯黄腐烂、惨不忍睹？这一奇怪的现象，使当地农民百思而不得其解。

这种反常现象，也引起了波尔多大学植物学教授米勒特的极大关注。他决心深入实际调查研究，以便把问题弄个水落石出，为农民排忧解难。

米勒特不愧是一位经验丰富的科学家，他对波尔多城那片丰收的葡萄园调查得异常细致，查了种子，查了土，查了肥，查了水，又查了耕作方法……经过调查，他感到这一切与其他地方并无不同。问题究竟出在哪里呢？他陷入了深深的思考之中。

接着，他又对庄园主进行了更详细的询问。庄园主想了又想说，自己在耕作和管理上确实没有什么独特的地方，只是因葡萄靠近马路，为了防止过路人糟蹋葡萄，便用石灰水和硫酸铜溶液喷洒了葡萄。这种药液白不白、蓝不蓝，很醒目，还有点怪味。喷洒后果然很奏效，不仅没人再偷吃葡萄，而且葡萄一点也不腐烂！

米勒特教授听后，茅塞顿开，他终于找到了葡萄不腐烂的奥秘所在。惊喜之后，他立即回到了实验室，对这种药液进行了深入的研究。就这样，一种新的杀菌剂诞生了，这就是今天还在沿用的波尔多液。波尔多液是以石灰和硫酸铜及水按下列比例配合而成的。

半量式：0.5：1：100，适用于对石灰敏感的茄科、葫芦科、葡萄等。

等量式：1:1:100，适用于苹果、麻、豆科植物等。

倍量式：2:1:100，适用于对铜敏感的李子、桃子、鸭梨、白菜等。

再例如：治疗疟疾病的奎宁药物的发现、医治脚气病的维生素B1的发现，以及日本水误病的病因研究，都是科学家们通过调查研究完成的。

四、模拟——化学创造的有效途径

从构造相似或形象相似的事物中获得启示进行创造的方法，称为模拟创造法。

例如：化学上模拟生物过程，发明了人造棉、人造丝、人造毛，生产出许多合成纤维、合成塑料、合成像胶。1965年我国科学家仿照生物蛋白质的组成和结构，合成了结晶牛胰岛素等。

五、分解与组合——化学创造的金钥匙

创造原理的一个很重要的方面就是对信息的分解与组合。把集中的信息分解开来，就是一种创造；按新的要求把有关信息有效地组合起来，更是一种创造。

在化学上，利用分解组合方法获得的发现和发明不胜枚举。例如，电解食盐水制得氢气、氯气和氢氧化钠，利用两种或两种以上的金属制造合金，利用不同的亲水基和亲油基组合成多种多样的表面活性剂，利用不同材料制造各种复合材料……这一切，都是巧妙地进行分解、组合的结果。

六、实验——化学发现之本

化学是一门实验科学，它的发生和发展离不开科学实验。

通过实验，化学家们发现了许多元素和化合物；通过实验，拉瓦锡发现氧气并创立了燃烧的“氧化学说”；通过实验，维勒合成了尿素，粉碎了“生命力”枷锁等等。下面再举氩的发现这一例子来说明实验的重要性。

1892年9月29日，英国出版的《自然》（Nature）杂志上刊出当时英国物理学家雷利勋爵的来信：“我对最近测定氮气密度的结果很迷惑，如果读者能指出原因，将十分感谢。由于两种制取方法的不同，我得到不同的数值，相差大约是千分之一，不大，在实验的误差范围之外，可能只是由于气体的性质不同。”

雷利是在长期反复测定各种气体的密度后给《自然》杂志投寄这封信的。他测定了从空气中除去氧气、二氧化碳以及水蒸气后获得的氮气密度是2.3102，而从氨（NH3）取得的氮气密度是2.2990，二者相差0.0012，大约是千分之一。

他重复实验、测定，仍然如此。这使他迷惑不解。他作出了各种可能的解释：由空气取得的氮气中可能还含有微量的氧气；由氨制得的氮气中可能混杂有氢气；由空气所制得的氮气或许含有类似臭氧的N3分子；由氨取得的氮气可能有若干分子已经解离成原子。

第一个假设经过分析后肯定是不可能的，因为氧气和氮气的密度相差甚微，必须杂有很大量的氧气才会产生这样的差异。雷利又用实验证明由氨所取得的氮气中不含有氢气。第三个假设又通过实验否定了，他往这种氮气中引入电火花，这是生成臭氧O3的条件，结果它的体积一点也没有缩小，密度一点也没有增加。第四种情况也缺乏实验根据。

这样，雷利只得把问题提交给《自然》的读者。《自然》是很有声望的杂志，不仅在英国，就是在全世界，不仅是青年人，就是许多科学家都会阅读它。可是谁也没有给雷利回信，谁也没有能解释这种原因。

1894年4月19日，雷利在英国皇家学会上宣读了他的实验报告，会后伦敦大学化学教授拉姆赛找到雷利。他认为来自空气中的氮气里可能含有一种较重的未知气体。他表示愿意和雷利共同寻找答案。于是他们再走进实验室，分头解决这个问题。

在这次会后，英国皇家研究院化学教授杜瓦还向雷利提供了一个线索。早在1785年，发现氢气的英国科学家卡文迪西为了研究氮气，曾进行过一个实验。他用一个U形管，管中充满氧气和空气，将管的两端分两个装有碱液的酒杯中，然后在混合气体中进行火花放电，让管中的氮气和氧气化合生成棕色二氧化氮气体，被碱液吸收，并连续通入氧气，一直到不再生成二氧化氮气为止。最后还向管内注入硫化钾溶液以吸收多余的氧气。最终被听收的碱液并未完全充满管内，仍留下一个小气泡，约为原来气体的1/120。他认为这是不同于氮气的一部分气体。

这给雷利启发。他组装了一套实验装置，利用一个烧瓶，将两根导线通过瓶塞瓶中。他将氮气和氧气通入瓶中，接通电流，瓶内两导线的顶端之间产生火花，使氮气和氧气化合成氮的氧化物。接着用泵往瓶内灌入氢氧化钠溶液，把生成的氮的氧化物吸收，沿着另一根管子通出来。

经过几小时后，瓶中所有氮气都与氧气化合了，并且随着氢氧化钠溶液一起流出瓶外。根据气压计的测量，表明瓶内还有气体存在。

雷利仔细地把这个气体通过赤热的铜屑，除去可能挟带的水分和哪怕是极少量的氧气。

拉姆赛设计了另一套实验装置。他将空气先通过赤热的铜屑，除去氧气，然后通过五氧化二磷（P2O5），除去水分；再通过加热的铜和铜的氧化物；以氧化有机灰尘和沾污物；通过碱石灰，吸收二氧化碳气；通过赤热的金属镁，除去氮气，二者化合成镁的氮化物。结果发现有1/80的气体没有被通过的任何物质吸收。这样，拉姆赛也找到了他们所要寻找的气体。

两位科学家共同研究新发现的气体，测定了它的密度，几乎是氮气的一倍半。这样，来自空气中的氮气和来自氨的氮气之间重量的差异就迎刃而解了。

他们还对这个气体进行了光谱检验，看到橙色和绿色的各组明线，是当时已知一切元素光谱中所没有见到过的。他们还对这个气体进行了多次实验，证明它在化学性质方面正如所预料的，是极不活泼的。

1894年8月13日，英国科学协会在牛津开会，雷利作报告，根据主席马丹的建议，把它叫做氩（argon）。在希腊文中，“a-”表示“不”“ergon”表示“工作”。二者结合就是“不工作”、“懒惰”，就是“惰性气体”一词的由来。氩的元素符号Ar也正是从这一词而来。

1895年1月31日，拉姆赛又向皇家学会宣读了他和雷利联名的报告。

当然，今天我们完全清楚，雷利和拉姆赛当时发现的氩，实际上是氩和其他惰性气体的混合气体。正是因为氩在空气中存在的惰性气体中的含量占绝对优势，所以他先作为惰性气体的代表被发现。

氩的发现是从千分之一微小的差别开始的，是从许多严密的化学实验中发现的。

七、推理——化学发现的桥梁

我们知道，观察、想像、猜测等属于直觉思维的范畴，而推理则属于逻辑思维的范畴。所谓推理，是从一个或一些已知的判断推出另一个新判断的逻辑思维形式。推理一般是由前提和结论两部分组成的。前提可以是一个，也可以是若干个，它是作为推理依据的判断，结论则是由前提推出的新判断。推理是人们间接地认识现实、获取新知识的逻辑方法。例如，铜能导电，铁能导电，铝能导电，铜、铁、铝又都是金属，因此可得出“凡是金属都能导电”的结论。这就是推理方法的具体运用。

在化学探索中，运用推理的方法实现发现、发明的事例也很多，如卢瑟福原子结构模型的建立、勒•夏特里化学平衡移动原理的发现、施陶丁格高分子学说的创立等。

以上列举的一些在化学探索中的思想方法，是一些最主要、最基本的方法，绝不是化学思想方法的全部。而这些基本思想方法，也是互相联系、互相渗透的。对每一项重要的化学发现来说，往往不是只由一种思想方法完成的，而是多种思想方法作用的结果。

总之，化学史料以它特有的魅力在化学教学中大有可为。学生可以从中汲取丰富的智力和非智力营养,分享到科学研究的喜怒哀乐；领略到学习化学的无穷乐趣；经受献身科学精神的真切感染；接受科学态度和优良品质的熏陶等。化学史料在潜移默化之中，还对学生学习兴趣的激发，成就动机的培养，健康情感的确立，心理品质的形成都有着不可估量的作用。

参考文献：

1．《化学史纲要》（卢常源等广西人民出版社）

2．《化学家传》（周嘉华等湖南教育出版社）

3．《化学元素的发现》（凌永乐科学出版社）

4．《化学发现的艺术》（刘宗寅等中国海洋大学出版社）

5．《结合化学史进行中学化学教学》（中学化学教学参考2001.1）

6．《运用化学史料提高学生的科学探究能力》（化学教育2005.5）

7．《在化学教学中培养学生的创新能力》（科学教育网）