再现知识产生过程：培养学生探究与质疑的科学精神

摘  要：质疑精神是培养当代大学生具备创新精神和创新能力的重要基石，但教师在实际的教学过程中常常直接给出知识产生的结果，这对于培养学生探究与质疑的科学思维品质是不利的。在教学过程中，教师如果能引导学生再现教材知识中那些激动人心的发现、概括、抽象的创造过程，必然能激起学生的探究欲望，展现他们的创造才能，有效地培养其探究与质疑的科学思维品质，同时也能形成学生独立思考的良好习惯和创新思维能力。因此，该文以基础化学课程电解质溶液一章的教学过程为例，借助科学家们探索电解质溶液理论的历史事实再现知识产生、发展的过程，并与人的认知规律相结合进行创造性的教学设计，能改善教学效果，最终实现培养学生探究与质疑的科学精神。

关键词：科学史；电离学说；稀释定律；活度；离子互吸理论

中图分类号：C961         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）09-0153-05

Abstract： Questioning spirit is an important cornerstone to cultivate the innovative spirit and ability of contemporary college students. However， teachers often directly bring out the results of knowledge in the actual teaching process， which is unfavorable to the cultivation of students' scientific thinking quality of inquiry and questioning. In the teaching process， if teachers can guide students to reproduce the exciting discovery， generalization and abstract creation process in the textbook knowledge， it is bound to arouse students' desire for inquiry， show their creative talent， effectively cultivate their scientific thinking quality of inquiry and questioning， and at the same time form their own thinking habits and thoughts. Therefore， this paper takes Electrolyte Solution teaching as an example， uses scientists' exploration of the historical facts of electrolyte solution theory to represent the knowledge production， the development process， and combines with people's cognitive laws for creative teaching design. The aim is to improve the teaching effect， ultimately achieve the cultivation of student's questioning spirit and innovation ability.

Keywords： history of science; Ionization theory; Dilution law; activity; Ion-attraction theory

化学为医学和生命科学的发展作出了突出贡献[1-2]，是医学院校不可或缺的一门重要基础课程。基础化学中的溶液部分知识对于理解体液如何保持人体的正常生理功能具有重要作用。人体中的各种体液如血浆、胃液、泪水和尿液等都含有许多的电解质，如Na+、K+、Cl-，HCO^－_３等，这些离子的存在状态与含量，与体液的渗透平衡和酸碱度密切相关，对于保持人体的正常生理功能具有非常重要的作用。因此，掌握电解质溶液的基本理论、基本特性和变化规律对医学生来说就显得特别重要。但本章涉及到的化学史实较多，教材的编写逻辑与电解质溶液理论的发展过程存在差异，容易造成理解的困难。例如人卫出版社《基础化学》第九版，高教出版社《无机化学》第二版和科学出版社《基础化学》第三版对于强电解质溶液的阐述均是先讲德拜（P. Debye，1884—1966年）和其助手德国物理化学家休克尔（E. Huckel 1896—1980年）于1923年提出电解质的离子互吸理论，然后再讲为了解释强电解质溶液中离子之间的相互作用，1907年路易斯（G.N.Lewis，1875—1946年）提出了活度的概念。这样的逻辑安排与人们认知事物的一般规律不相符，所以每每在教授这一知识点时，总是会引起学生的质疑：为什么1907年就提出了活度的概念呢？不是应该在1923年之后吗？活度与离子互吸理论之间的逻辑关系究竟应该是怎样的呢？本章的酸碱理论与强电解质溶液理论两个知识点之间似乎是相互独立的，它们之间有内在的逻辑关系吗？等等。这些问题不但是学生容易产生疑惑的地方，而且也是教师应该思考和研究的真实教学问题。

前苏联著名教育实践家和教育理论家苏霍姆林斯基说：“在人的心灵深处有一种根深蒂固的需要，这就是希望感到自己是一个发现者、研究者、探索者。[3]”因此，教师如能引导学生再现教材知识中那些激动人心的发现、概括、抽象的创造过程，必然能激起学生的探究欲望，展现他们的创造才能，有效地培养其探究与质疑的科学思维品质。为此我们对电解质溶液一章的教学内容进行了如下的设计。

一  阿累尼乌斯的电离学说

对于任何事物的掌握与了解首先要在大脑中建立该事物的具体概念，对于电解质而言也不例外。因此在教学设计中应该首先向学生讲解清楚今天我们常常所说的电解质究竟是如何定义的。英国物理化学家法拉第（M.Faraday，1791—1867年）在定量电解实验研究的基础上于1834年发表了《关于电的实验研究》论文[4]，法拉第在该论文中明确提出：只有当电流通过电解质溶液时，溶液中的电解质才发生解离；电解前未分解的物质叫做电解质。这就是关于电解质的首次明确定义，显然在这里，电解质的概念和“电”是紧密联系在一起的。法拉第认为通电后才能产生离子的观点得到了当时化学界的普遍认同。但是普遍认同的观点就一定是正确的吗？

1882年，法国物理学家拉乌尔（F.M.Raoult，1830—1901年）发表了其有关溶液凝固点降低的研究报告。其发现在100 ｇ水中溶解Wｇ的分子量为Ｍ的有机化合物，测得溶液的凝固点降低值ΔＴ具有如下的关系

ΔＴ=K（Ｗ／Ｍ）。

对于绝大多数的有机化合物来说，K＝18.5，该公式表示凝固点降低值和有机物的克分子浓度（相当于物质的量浓度）成反比。但对于强酸与强碱化合生成的盐，其水溶液的K≈37，约是有机化合物水溶液的两倍[5]。基于这样的实验事实，拉乌尔猜想电解质溶液中存在某种电离，即构成盐的组分“正电基”和“负电基”（也就是今天所说的正离子和负离子）是简单地混合在溶液中的[6]。尽管当时以拉乌尔为代表的一些著名的化学家如英国化学家威廉逊（A. W. Williamson， 1824—1904年）、德国物理学家克劳修斯（R. J. E. Clausius， 1822—1888年）、德国化学家希托夫（J. W. Hittorf， 1824—1914年）和法国化学家法夫尔（P. A. Favre， 1813—1880年）等已经意识到电解质在溶液中的电离，但是缺乏足够的证据和系统的表述。

在1882—1883年，正在攻读博士学位的瑞典化学家阿伦尼乌斯（S.Arrhenius，1859—1927年）在艾德兰德（E. Edlund，1819—1888年）指导下研究溶液的电导率及其依数性[7]，年青的阿累尼乌斯注意到相同克分子浓度的电解质溶液比不导电的有机物溶液具有更高的沸点升高值、渗透压值和凝固点降低值。而且导电能力与其偏离拉乌尔定律密切相关。1884年，阿累尼乌斯在其关于电解质化学理论的博士论文《电解质的导电性研究》中明确提出了电离学说的初步理论：电解质的分子在溶液中的“离解”并不是因为通了电后才能发生。阿累尼乌斯的这一学说与当时化学界所认同的“只有当电流通过电解质溶液时，溶液中的电解质才发生解离”截然不同，遭到当时化学界权威的普遍反对。他的导师克利夫（P. T. Cleve， 1840—1905年）认为这是一个荒谬的结论。俄国化学家门捷列夫（D. I. Mendeleev， 1834—1907）认为电离学说会像已证明是错误的燃素说的下场一样。因此，年青的阿累尼乌斯必须找到新的证据来证明“电离理论”的正确性。

阿累尼乌斯博士毕业后留校任教，后来到阿姆斯特丹的范特霍夫（J.VantHoff，1852—1911年）实验室工作了一段时间。范特霍夫在德国植物学家浦非弗（W. Pfeffer，1854—1920年）关于溶液渗透压研究的基础上推导出了溶液的渗透压公式，即

PV=RT。

该公式表示的意思是在稀溶液中，溶质所产生的渗透压P等于溶质在同一绝对温度T下化为理想气体并占有溶剂体积V时所施出的气压，范特霍夫认为气体产生气压和溶液产生渗透压应有相同机理，不只是相似而已。但是该公式只能适用于有机物的溶液，如蔗糖溶液。拉乌尔的实验发现酸、碱和盐溶液的凝固点降低和蒸气压降低值比同克分子浓度的有机物溶液高。范特霍夫也注意到这些现象，因此，他把酸、碱、盐溶液的渗透压公式校正为

PV=iRT，i＞1。

范特霍夫将这一研究结果于1887年发表在奥斯特瓦尔德的《物理化学杂志》，尽管此时的范特霍夫并不明白为什么会有这些现象。但是这些结果给阿累尼乌斯很大的启示，犹如“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”的感觉。其敏锐地意识到凡是不遵守范特霍夫导出的凝固点降低和渗透压公式的溶液都是能够导电的溶液（酸、碱和盐溶液），这两个公式在右边都要乘上i（i＞1），才能符合实验的结果。其原因在于分子在溶液中的离解使溶液内溶质粒子数增加。这正是电解质在溶液中分解为离子的最有力的证据。而且阿累尼乌斯通过电导率数据计算得到的i值和凝固点降低实验所测得的i值近似相符。阿累尼乌斯于1887年将这个理论和实验研究成果以《关于溶质在水中的离解》为题也发表在《物理化学杂志》，与范特霍夫的论文在同一期。在该论文中阿累尼乌斯对电离理论进行了更完整、更明确的阐述：“盐溶入水中自发地大量离解为正、负离子。把同量的盐溶在不同体积的水中，溶液越稀则电离度越高，溶质分子当量电导μ也就越大，到无限稀释时，溶质分子完全解离为离子，因而溶液的当量电导μ∞达到最大值。”他把μ/μ∞称为“活度系数”（解离度），以α作为符号。阿累尼乌斯也给出了酸、碱的定义：在水中电离出的阳离子全部为H+的物质是酸，电离出的阴离子全部为OH-的物质是碱[7]。阿累尼乌斯的酸碱理论是人们对酸碱认识由现象到本质的一次飞跃。阿累尼乌斯的电离理论把人们对电解质溶液的认识向前推进了一步，是溶液理论的重大发展。阿累尼乌斯也因为电离理论的提出而获得了1903年的诺贝尔化学奖。曾经反对他的博士导师克利夫在庆祝阿累尼乌斯获得诺贝尔化学奖的宴会演说中说：“阿累尼乌斯的新理论也曾遭到不幸，无人知道把它们置于何地。化学家不认为这些新理论属于化学，物理学家也不认为这些新理论属于物理。事实上，它们是连接物理学和化学学科之间的一座桥梁。[8]”