历史是一面镜子，科学史则应该是科学学习的镜子。在化学课标中，涉及化学史的内容有20处之多
［1］。将化学史融入中学化学教学中，有利于学生体验科学探究的过程，从中学习科学研究的基本方法，加深对科学本质的认识，进而发展创新精神和实践能力
［2］。在教学中，很多教师虽然一直将化学史素材引入新课
［3］，但并未做到将化学史与化学学科发展全面衔接，未能将化学史与学科思想、科学方法进行充分连接。实践证明，只有充分学习化学史的发展历程，深解史料素材，建史料证据之“链”
［4］，才能更好地理解化学学科的思想方法。学科思想方法是一个系统的有机整体，所包含的各种思想和方法互相渗透、密切关联，如了解发明的整个过程，了解其前后的因果关系，更有利于认识和掌握有关的学科思想和方法
［5］。目前，以化学史为主题独立开课的中学非常少，大学开设化学史一般以讲授为主，未能将实验有效融入教学中。只有通过实验重现，才能让学生切实体会化学学科发展的历程，并据此对学生进行有效的科学方法和科学思想的渗透，培养学生的科学精神
［6］。为此，开设以化学史为主题的课程，并融入实验重现的教学方式展开化学史教学探索，有助于学生学会像化学家一样思考
［7-8］。
1 课程定位和整体构想
化学史课的名称拟定为“穿越化学”，穿越即回到过去，就是希望学生用历史的眼光看待当时的化学，而不是用现代的视角回顾、评判过去的研究、发展的是与非。如果不这样做，学生就不能准确地认清科学发展的一般规律，不利于提高其科学研究的水平。为此，“穿越化学”课以化学史为平台，利用化学史上重要的人和事为情境素材，以知识拓展、深化的面貌展现在学生面前，满足学生拓展知识的基本诉求；在课堂上突出化学实践性的特色，让学生动手做，通过实践来加深其对知识的理解，同时帮助其学习科学发现的基本逻辑和实验方案，充分满足其做实验的诉求；在实验后，不是简单地写实验报告，而是总结当时科学实验方法的进步与不足，认清科学进步的路径，即跨时空的反思将科学方法论融入学生的知识建构之中。这门课程的教学目标为：通过做实验重现历史这一形式，促进学生形成以知识获得为表观、以方法领悟和素养提高为内核的总体目标。“穿越化学”课程总体架构如
图1所示。
在传统的学习方式中，师生习惯于把“知识”作为学习的唯一目标，这种简单性、确定性的学习观制约着我们的教学。素养发展学习遵循“学习即研究”的观点，以问题解决作为学习方式
［9］。“穿越化学”课以提高学生素养为核心目标，而不再以知识学习作为唯一目标。基于激发学生的学习主动性和积极性，我们发现已有多项研究成果证明项目式学习对学生学习效率有显著提升作用
［10］。因此，该课在每一主题的设计上均依照项目式学习模式进行规划。项目进程如
图2所示。
首先，教师在选定项目时确定教学目标，并依据学生已经具备的基本知识与技能选定课题项目；其次，上课时学生根据教师提供的背景资料将问题分解为若干个自己可以完成的小问题，设计实验并对选定的问题进行研究，得出初步结论，教师在学生实验过程中负责指导，参与学生讨论，保证实验安全；最后，学生在完成各自的研究后进行分享交流，得出一致性结论，教师整合学生结论并对不完善的结论进行必要的补充，最终指导学生完成项目。
2 情境化，用历史照亮未来
学习化学史就会发现，无论中外，化学学科的真正发展都是从认识金属开始的
［11］，其中火的作用举足轻重。课本中总会提到火是化学产生的根源，但是课堂上一直缺少有说服力的实验来佐证，仅仅停留在教师的口头讲授。重现金属冶炼，领会科学与技术互相促进，是十分必要的。可对于大多数学生而言，科学与技术往往混为一谈，不能理解科学进步与技术进步是相互促进的。在化学史的发展过程中，有很多因技术进步而最终验证科学理论的案例。例如，1792年就已经确定金刚石是碳的结晶形态，这就使得人工合成金刚石有了可能，然而化学理论进步即通过热力学计算证明可以人工合成金刚石仍是梦想。这是因为计算得出的苛刻合成条件超过了当时的技术水平，直到1954年才第一次合成广泛认可的人造金刚石。1971年，经过工艺的不断改进，人类最终得到了宝石级的金刚石。现在，我国已成为世界上最大的人造金刚石生产国，中国人造金刚石巨大的产量更成为世界金刚石价格暴跌的直接诱因。如何通过中学的实验设备让学生体会技术进步对科学发展的作用、体会科学发展的艰辛，成为教学的一个必须突破的难点。在化学史上，古埃及炼铜和殷商炼铜有着极其相似的工艺特点，都是使用孔雀石作为原料，加入碳进行冶炼。反应原理比较简单，即：Cu
2（OH）
2CO
3+C＝2Cu+2CO
2↑+H
2O。冶炼铜实验思维流程如
图3所示。在教学中，教师不应仅仅让学生简单地进行实验，而应作为一个项目，让学生根据教师提供的文献研究冶炼铜的基本方法。在此过程中，学生需要考虑的不再是试卷上的方程式，而是同实验室的实际有机联系，包括反应涉及的器材选择、药品配比、反应时间、产品的分离、效果评价等一系列问题。如此一来，一个简单重复性实验就变成了一个研究性实验。
这个实验涉及的很多内容是基于学生已经获得的知识，最关键的是反应物物料比和实验条件。传统的学习都是完全反应，而实际上可以说完全反应仅仅存在于理论上，实验中往往需要一种反应物过量。另一个难点在于反应温度，过去一直使用酒精灯作为热源，因此学生在实验中就会首选酒精灯，然而在实际操作中学生都没有得到铜。原因何在？学生在可能影响反应的众多因素中寻找原因。而在化学发展的历史上，陶器演化到瓷器的过程除了原料的差别之外，工艺技术的改进，尤其是烧结温度从800 ℃提高到1 200 ℃，才从根本上解决了瓷器制造的难题。同样，在这一实验中实验温度起到了决定性的作用，学生通过改变加热热源（使用本生灯或者酒精喷灯）最终得到了金属铜。
学生经过两课时的实验研究，把自己放在几千年前的情境中，不断调整设计方案，经过10多种实验方案的对比，体验金属冶炼的过程，经历了多次的失败，最终得到单质铜。这一过程不是简单地将课本实验进行重复性的验证，而是采取基于解决实际问题的沉浸式研究，同时学生的收获不在于知识的获得，而是方法与认识的提升。在传统教学中，科学与技术往往不分，甚至张冠李戴。其实，科学与技术是两个完全不同的学术概念。科学作为一种外在认知方法，是由这种认知方法所建立起来的外在知识体系，是高度的理论概括；而技术是解决问题的方法及方法原理，是长期积累起来的知识、经验、技能和手段。科学要解决“是什么”“为什么”的问题，而技术回答的是“做什么”“怎么做”。这就要求，学生在实践中应充分体验技术在科学进步中的作用。
3 实践化，用体验感悟收获
化学作为一门实验科学，没有经过实验验证的推测性解释只能叫作假说，只有通过实验论证，假说才最终成为理论。数学、物理学等学科公式化程度非常高，其解释语境的语形边界就非常清晰
［12］，学生在学习过程中无论是归纳还是演绎都相对便捷，即一个经典实验就足以概括理论。相对而言，化学语境的语形边界就没有物理和数学清晰，个案、特例众多，如电子排布有规律，但是规律之上有洪特规则特例。对于学生而言，无论是记忆还是进行归纳演绎，都容易出现困难和差错，而解决这个问题的方法就是实践，通过实践来完成化学语境的构建。中学生学习的都是过往的理论，已经不需要实验论证了。然而在其学习的过程中，实践一次的效果会远远高于背书与做题。尤其是在命题人缺少实践背景的情况下，一些题目的缺陷给学生带来负面影响，阻碍了学生综合素养的提高。在化学课本中，仅用半页篇幅就讲清了空气各组分的比例。可是，空气组分的研究曾经是200年前化学研究的重点。在教学中，教师往往忽视了空气组分研究中科学家研究的路径——机器不断完善的过程。无论教师还是学生，往往以为拉瓦锡直接就发现了氧气占空气中的1/5，而实际上当时拉瓦锡测定值为1/6
［13］，这在很大程度上证明了科学研究道路的曲折和艰辛。空气组分实验是教师演示实验，学生仅仅是远观实验，不能亲自体验实验的快乐；而化学史课就弥补了学生的缺憾，学生阅读《化学基础论》
［13］关于空气成分一节时，学生的感受就是吃惊——为什么和课本上的不一样！由此引出针对空气成分研究的课题，即学生利用多种可燃物质进行空气组分的测定，寻找自己认为最佳的材料与方案。研究空气成分实验设计路线如
图4所示。
在实验中，实验材料的巨大差异决定了大多数实验的测定值都偏离理论值，即使在努力减少实验误差的情况下，能够达到20%左右的依然稀少。相比于实验后的数据，判断是最重要的。众多的数据从百分之几到百分之几十，并不是数据最大的就是正确的，而是要分析数据偏差的来源，从中选择可信而有效的数据。在平行实验中，只能解决数据信度问题，而效度的确定则要深入学习实验理论。学生在讨论中不能用已知的空气组分作为判定依据，而应该还原到200年前的环境中深入体验研究的过程。学习不仅仅是获得知识，更要关注科学分析方法的掌握程度；研究的过程，让学习者成为研究者，学习过程就变成了重现历史上的研究过程。这一过程要依据学生的真实思维，构建真实的情境，以问题为纽带，实现过程的体验和方法的运用，并在质疑、评价中推进研究成果的深入和发展。不得不承认，学习的目的包含研究本身，不唯结论、不拘形式
［14］。
4 知识性，成长需要感知获得
现行的教材增加了很多化学史，化学史在教学中的渗透方式也在逐渐变化
［15］。对于大多数人而言，学习最终的评判标准还是考试成绩，满足学生实践能力、思维能力等各方面拓展需求的基础还是知识拓展，应让学生有实实在在的收获感。知识性首先就要体现在知识面的拓展上，而不是停留在解答习题上。化学课本中有很多提及但未加以展开的内容，这就为学生提供了进行新知识拓展的大量空间。在介绍立体异构时，课本采用顺-2-丁烯和反-2-丁烯作为例证。而缺少实验证明，就无法让学生亲眼看到异构体的各项差异。为此，笔者设计了顺丁烯二酸异构化制备反丁烯二酸的实验（
图5）。
课本在介绍顺-2-丁烯和反-2-丁烯时只介绍了性质差异，但未介绍产生这些差异的原因，这符合绝大多数学生的认知水平。然而在“穿越化学”实验课的教学中，就要进行必要的拓展补充。在该实验中，丁烯二酸顺反两个异构体首先是溶解度差异，由于顺丁烯二酸的两个羧基在双键同侧，即分子的偶极矩较大，则分子极性也较大，根据相似相溶原理，顺丁烯二酸在水中溶解度较大；其次是熔点差异，反式结构的空间对称性相对顺式结构好得多，故形成晶体排列相对要整齐，因此反丁烯二酸熔点、密度相对较高。而异构化能够进行就要从结构进行分析——羧基是吸电子基，丁烯二酸中一个羧基的吸电子诱导效应，会使另一羧酸的H+更加容易发生电离。在丁烯二酸分子中，当两个羧酸处于同侧时，因空间距离较近，故相互影响比较大；而当两个羧基处于异侧时，空间距离变大，相互影响减弱。这一结果说明，第一电离常数是顺式大于反式。当第一个羧基上的H+电离后，所形成的负离子是一个强的给电子基，它对第二个羧基所发生的直接诱导，将使第二个羧基上的H+电离趋于困难，这种影响也是顺式大于反式。同时，当顺丁烯二酸电离一个H+后，受分子内氢键作用影响，会形成稳定的环状结构，使得第二个H+电离变难。所以，丁烯二酸的第二电离常数是顺式小于反式。这种诱导效应影响，是通过空间或溶剂间的场效应传递的。由于顺丁烯二酸的两个羧基在双键的同一端，空间位阻很大，所以顺式结构在热力学上是不稳定的，且在一定条件下可将其转化为反式结构。正是这些化学的基本理论解释了中学课本中简单的物理性质差异，学生只有通过学习并掌握基本理论，才能更有效地理解产生物质性质差异的原因，才能加深对内容的理解与记忆，同时也强化了课本内容的学习和理解。
在该实验中，学生不但要学习前述理论知识，还要学习回流技术。在中学阶段，回流虽然在课本和习题中多有提及，但是学生没有机会见到实际的装置，更缺少实际的操作。学生在这一实验中可以亲手完成回流的操作，将一个图示变为实际的操作过程。
学生在实验中体验顺反异构的转换，对比异构体之间物理性质的巨大差异，从中收获了快乐；而实验前对反应机理的学习，让学生站在了更高的位置，其知识的增长更有利于中学课本知识的学习和理解，就能看到更光明的未来。
5 反思性，思考提高素养
通常，学习过程都是学习已经确定的准确知识，不会出现模棱两可的知识介绍，也不会详细介绍知识演进的过程，即使介绍也是介绍正确的演化递进路径，如原子结构的认识过程。学习的知识系统化，但缺失知识演化的过程，学生不能很好地理解科学发展的艰辛，尤其是对历史上被否定理论的认识往往不够客观，容易将其简单地归为阻碍科学发展的内容。实际上，我们需要肯定错误理论的教育价值，尤其是在以科学史为主题的课程中，更需要突出科学发展是一部不断被发现和被修正的“历史书”，出现有瑕疵乃至错误的理论是科学发展的必然。错误理论并非凭空产生，与其所处的社会环境密切联系，有着负价值和正价值两重特性
［16］。
在教学中，为了让学生能够更加理性地对待错误理论，笔者专门安排了对燃素理论的研究专题。燃素理论是中学教学中经常使用的反例，用来证明氧化学说的正确性，学生心目中氧化理论和燃素理论就是光明与黑暗的斗争，实际上并非历史的全部真相。例如，拉瓦锡在其著作《化学基础论》“燃烧通论”一节中明确提出：燃烧就是由可燃物引起的氧气的分解
［13］。在实验课上，引领学生研读拉瓦锡的原著，让学生首先理解当时的学术水平，而后进行多种物质的燃烧实验，对比实验前后的质量变化。硫燃烧后气体溶于水；红磷燃烧后溶于水；酒精燃烧后产物质量发生变化；观察醚燃烧的质量变化；等等。学生重复了拉瓦锡著作中的这些实验后，就会发现拉瓦锡用氧来替代燃素，本质上是解决燃素的质量问题，并用氧化来重新解释实验现象。也就是说，在当时大部分场合下，氧化学说和燃素理论都是一致的，远不是当今认为的氧化学说推翻了燃素学说。学生在学习时还发现，其实拉瓦锡同样在犯一个与燃素学说雷同的错误——试图用氧化解释一切。
学生的实验不是单纯地学习燃素学说，燃素学说和氧化学说提供给学生一个情境对比，即经历情境下的知识学习，学习如何在中学的条件下完成定量实验测定，学生在实践中认识到科学反思的重要性，以及反思知识的发展与局限。学生提早认识到，不要局限在固有的知识中，无论将来从事什么职业，都不能墨守成规。正如萧伯纳所说：“科学是从正确走向谬误。”要想理解这句话，就要让学生在实践中逐步理解科学总是在不断完善和否定过去中进步的。启发学生质疑路线如
图6所示。
6 结语
主观上，学习历史感觉就是要背诵，记住某年某人某事，非常枯燥，而真实的历史是非常有趣的。尤其是科学发展史，不仅仅是单纯的史实，更是伴随着思想、技术、方法不断演进的过程。化学史将自然科学与人文科学建立起了有机的联系，做到了科学精神与人文精神的共生，进而实现科学本质观教育的价值信仰。
任何科学发现，其实都离不开3个重要因素——科学知识、科学精神与科学思想方法。科学精神是科学发现的主观保证，科学知识是客观基础，科学思想则是科学发现的灵魂。在强调创新的历史背景下，创新不是学和教就能具备的，而是要学习基本的科学知识，同时领略科学家灵光一闪的关键时刻，学习当时科学家的思想火花，体会并学习科学家的创造性思维。重复实验也是唤醒我们一度泯灭的想象力，想象是人类所特有的能力，科学发明从实质上讲仍然是一个分析问题和解决问题的过程，但其与一般分析和解决问题的过程不同的是，其中要有充分的想象力。英国化学家普利斯特列曾说过：“最有发明才干的是这样的人，他们充分发挥自由奔放的想象，在概念之间寻求联系……而审慎的智者甚至都不敢去想。”想象以问题为原动力，想象要有跳跃性，想象要具有科学创造性。就如同阿累尼乌斯的发现，本来是想解决测定分子量的问题，最终却在试验中发现新的问题，通过其充分的想象力，创立了电离理论。历史线与实践线的有机融合关系如
图7所示。
科学史肩负着弥合科学教育与人文教育间鸿沟的使命，对于培养学生的科学精神和正确理解科学本质意义重大。将化学史与化学实验相融合，以实验重现的方式进行叙事，引导学生客观地看待科学进步的历程，全面体会科学进步所表现出的科学精神；在实验中学习化学史，在实验中有效突出过程与方法的重要性，提高学生的素养，最终让化学史的微光照亮学生的未来之路。
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