質(zhì)量守恒定律實驗課堂生成的探討

賴永威 胡小平

摘 要：質(zhì)量守恒定律是初中科學(xué)中的一個重要內(nèi)容。文章從實驗設(shè)計效度、實驗教學(xué)中實驗?zāi)繕?biāo)“既定”、實驗探究停留在承認(rèn)“守恒”上、微觀解釋停留在“確認(rèn)守恒”上等幾個方面闡述教學(xué)生成的缺失。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量守恒定律；教學(xué)生成；缺失

質(zhì)量守恒定律是初中科學(xué)中的一個重要內(nèi)容。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量守恒定律的教學(xué)目標(biāo)是：通過實驗認(rèn)識質(zhì)量守恒定律，并能用它解釋常見現(xiàn)象。浙江省2014年中考說明中列出了三條質(zhì)量守恒定律的考試內(nèi)容：①描述質(zhì)量守恒定律；②從分子、原子角度解釋質(zhì)量守恒定律；③應(yīng)用質(zhì)量守恒定律解釋常見的現(xiàn)象。

2006年北京市初中化學(xué)課堂教學(xué)大賽的一個課題是質(zhì)量守恒定律，北京師范大學(xué)王磊教授是比賽的評委之一，她觀察了20節(jié)不同參賽選手的課。根據(jù)王磊的觀察，比賽有許多亮點，但也存在一些問題。上課之前王磊了解到，學(xué)生已經(jīng)知道質(zhì)量守恒定律。學(xué)生認(rèn)為：木炭燃燒后生成的二氧化碳質(zhì)量和燃燒前木炭質(zhì)量相等。課后王磊又詢問同樣的學(xué)生同樣的問題，其中一個學(xué)生的回答和課前完全一樣，另一個學(xué)生回答：“木炭的質(zhì)量等于生成的二氧化碳的質(zhì)量與剩余的木炭的質(zhì)量之和?！?/p>

生成的課堂在于把“既定的”目標(biāo)變成“將成的”目標(biāo)，課堂成為師生創(chuàng)造生命意義的動態(tài)生成的生活過程。要充分認(rèn)識科學(xué)知識的形成過程，強(qiáng)調(diào)從學(xué)生的糾結(jié)點入手，引導(dǎo)學(xué)生探究解決問題。筆者根據(jù)平常的教學(xué)實際情況與有關(guān)文獻(xiàn)資料，試論質(zhì)量守恒定律教學(xué)生成缺失。

一、教科書中實驗設(shè)計效度不利生成

浙教版教科書有兩個關(guān)于質(zhì)量守恒定律的實驗，第一個是白磷燃燒，第二個是氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液。具體裝置如2014年浙教版科學(xué)教科書（八年級下冊）第88頁所示。上述兩個實驗中，白磷燃燒實驗更重要，該實驗現(xiàn)象和學(xué)生的日常觀念不一致，容易引起學(xué)生的認(rèn)知沖突。白磷燃燒實驗運用得好，有助于學(xué)生克服錯誤概念，建立科學(xué)概念。第二個實驗沒有燃燒現(xiàn)象，但有沉淀生成，是在一個封閉系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，不管里面發(fā)生了什么，質(zhì)量都不會變化，這與學(xué)生原有經(jīng)驗一致，不易引起學(xué)生的認(rèn)知沖突。筆者在教學(xué)實踐中認(rèn)為，編者在實驗設(shè)計上存在實驗效度問題，不利于教學(xué)中有效地激發(fā)探究，生成知識，得出結(jié)論。

（1）教科書中的實驗裝置無法顯示反應(yīng)中的質(zhì)量變化。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氧氣密度為1.43×10-3克/毫升，空氣中氧氣的體積含量為21%。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式可以算出，僅僅使0.124克磷和0.16克氧氣（反應(yīng)物總質(zhì)量為0.284克）完全反應(yīng)，就需要大約533毫升的空氣。但是實驗時使用的錐形瓶是150毫升或250毫升。假定實驗中使用250毫升的錐形瓶，氧氣質(zhì)量約為0.072克，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式可以算出磷的質(zhì)量約為0.054克，那么反應(yīng)物總質(zhì)量是0.126克。假設(shè)化學(xué)反應(yīng)過程中質(zhì)量變化了百分之十，就認(rèn)為質(zhì)量不守恒，質(zhì)量變化小于百分之十，則認(rèn)為質(zhì)量是守恒的，那么0.126克的反應(yīng)物發(fā)生了百分之十的變化，相當(dāng)于增加或減少了0.0126克。0.0126克的變化在托盤天平（感量為0.2克）上觀察不到。也就是說，即使化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量有明顯的變化，利用教科書的實驗裝置也顯示不出來，實驗是無效的。

因此，使用托盤天平，至少能夠提供2000毫升的空氣，才可以說如果反應(yīng)物的總質(zhì)量發(fā)生了百分之十的變化，天平的指針就會有明顯偏轉(zhuǎn)。但是整個裝置的總質(zhì)量不能超過200克。經(jīng)過實驗探究，我們將1.75升的塑料飲料瓶與250毫升的平底燒瓶相連（篇幅所限，圖略），兩根玻璃管穿過兩個橡皮塞，其中一根從飲料瓶底到燒瓶內(nèi)口，另一根從燒瓶底到飲料瓶內(nèi)口，使燒瓶里的熱空氣與飲料瓶里的冷空氣充分對流。燒瓶底部的一側(cè)放一小塊導(dǎo)熱性能好的金屬片，以避免燃燒直接在瓶底發(fā)生，白磷放在金屬片上，用酒精燈加熱瓶底以點燃白磷。如圖（篇幅所限，圖略），瓶外的氣球只是防止燃燒開始的時候體積稍有膨脹，但壓強(qiáng)并不大，不會沖開瓶塞。因為燃燒過程中，消耗氧氣的體積遠(yuǎn)大于熱膨脹（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的熱膨脹系數(shù)為1/273）的體積，瓶內(nèi)的氣壓小于大氣壓。所以，瓶外也可以不設(shè)氣球。

第二個實驗也存在效度問題。氫氧化鈉溶液或硫酸銅溶液“儲存”在膠頭滴管內(nèi)，擠壓膠頭滴管，里面的溶液滴入錐形瓶，兩種液體混合發(fā)生反應(yīng)。膠頭滴管里溶液數(shù)量很少，溶質(zhì)質(zhì)量更小。即使化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量有變化，從托盤天平上也觀察不出來。第二個實驗裝置的目的是使反應(yīng)物和生成物處在一個封閉的環(huán)境內(nèi)，避免學(xué)生產(chǎn)生“也許有看不見的物質(zhì)進(jìn)來或出去”的疑問。因此，可以將滴管取下，把裝有燒堿溶液的試管放在錐形瓶內(nèi)，傾斜錐形瓶，試管內(nèi)的燒堿溶液與錐形瓶內(nèi)的硫酸銅溶液混合而發(fā)生反應(yīng)。

（2）實驗操作難以保證。在“白磷燃燒”實驗中，白磷放在錐形瓶里，一根玻璃管穿過橡皮塞，露在瓶外的一端套上氣球，將處于瓶內(nèi)的鐵絲一端加熱后準(zhǔn)確地戳到瓶里的磷，同時橡皮塞又要剛好蓋住瓶口，使錐形瓶密封，實驗中常常出現(xiàn)“白煙”泄漏。

二、實驗教學(xué)中實驗?zāi)繕?biāo)“既定”不利生成

為了和現(xiàn)有科學(xué)結(jié)論一致，將沒有辦法確定質(zhì)量是否變化的實驗結(jié)果當(dāng)成質(zhì)量不變，這是非?？膳碌摹２荒苁褂脹]有效度的證據(jù)來驗證現(xiàn)有的科學(xué)理論。實驗方法錯誤導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)無效，最終無法確定質(zhì)量是否變化。有的老師可能會說，因為化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量肯定是守恒的，即使使用更精確的稱量儀器，只要操作正確，工具顯示的質(zhì)量就不會變化，與教科書中的結(jié)論恰好吻合。所以，只要化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象明顯，讓學(xué)生看到反應(yīng)前后天平依然保持平衡就可以了。

（1）科學(xué)態(tài)度問題。學(xué)生懷疑的是教師用于說明科學(xué)結(jié)論的實驗。他們認(rèn)為：教師為了讓他們接受教科書里的結(jié)論，就千方百計地運用各種手段說服他們，實驗就是科學(xué)教師最常用的一種手段。有時教師會用假的東西欺騙他們。學(xué)生的觀點不是沒有道理，有時候教師的確用不正確的實驗現(xiàn)象說明正確的科學(xué)原理，有時是教學(xué)態(tài)度問題，有時是實驗技能或教學(xué)方法問題。例如：紫色石蕊試液遇到堿性溶液變成藍(lán)色，由于配置的石蕊試液沒有經(jīng)過處理，顯示的是藍(lán)色或接近藍(lán)色，不是紫色，但教師告訴學(xué)生是紫色。石蕊試液滴入燒堿溶液后，很難看出顏色的變化。學(xué)生說沒有變，依然是“紫色”，老師就說：你們所看到的紫色實際上就是藍(lán)色。

（2）實驗?zāi)繕?biāo)問題。實驗的主要目的是讓學(xué)生經(jīng)歷獲得科學(xué)結(jié)論的過程，認(rèn)識科學(xué)知識的形成過程。同時，也是改變過度依賴接受學(xué)習(xí)的一種方式。學(xué)習(xí)科學(xué)不是接受最終結(jié)論的活動，而是探究科學(xué)結(jié)論的過程，不能將實驗簡單地看成是收集證據(jù)與驗證結(jié)論的一種手段。

雖然許多學(xué)生早就知道質(zhì)量守恒定律，但是他們的理解并不正確、不深刻，更沒有探索質(zhì)量守恒定律的經(jīng)歷與體驗。教學(xué)要以學(xué)生的認(rèn)知為起點，讓學(xué)生在探究中理解科學(xué)原理。不能假定學(xué)生看不出實驗漏洞而用錯誤的實驗應(yīng)付。大部分老師的目的是通過實驗讓學(xué)生確信質(zhì)量守恒定律，這樣的實驗?zāi)繕?biāo)是不合理的。學(xué)生不是不相信教科書的結(jié)論，他們一般不會懷疑現(xiàn)有科學(xué)理論。假如學(xué)生懷疑現(xiàn)有的科學(xué)結(jié)論，很可能他們對科學(xué)具有好奇心，感到迷惑，或者具有質(zhì)疑意識，這是有助于科學(xué)探究的一種品質(zhì)。反之，學(xué)生往往將現(xiàn)有的科學(xué)結(jié)論看成是毋庸置疑的真理，只要記住結(jié)論就可以了。朱清時院士在七年級科學(xué)教科書前言中提出：“科學(xué)并不是簡單地對自然規(guī)律加以揭示，更重要的是找到研究自然規(guī)律的方法。”實驗就是研究自然規(guī)律的重要方法，要一絲不茍，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待實驗過程的每一個細(xì)節(jié)，要用確信有力的數(shù)據(jù)來證明相應(yīng)的科學(xué)結(jié)論。

三、實驗探究停留在承認(rèn)“守恒”上不利生成

學(xué)生對質(zhì)量守恒定律的理解不能停留在承認(rèn)“反應(yīng)前后物質(zhì)總質(zhì)量保持不變”上，實際上很多學(xué)生在課前就知道質(zhì)量守恒定律。問題在于不會運用質(zhì)量守恒定律解釋具體的現(xiàn)象，不會分析具體化學(xué)反應(yīng)中不同物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系。

首先，要明確有什么物質(zhì)參加反應(yīng)、生成什么物質(zhì)、反應(yīng)物有沒有全部參加反應(yīng)。研究質(zhì)量是否守恒時，是把剩余的反應(yīng)物質(zhì)計算在內(nèi)還是不計算？如果反應(yīng)物有兩種，兩種反應(yīng)物的質(zhì)量比例關(guān)系有沒有限制？這些問題都要在實驗時考慮到。否則，質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)和配平化學(xué)反應(yīng)方程式，以及根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式的計算就變得沒有內(nèi)在關(guān)聯(lián)。這是平常質(zhì)量守恒定律教學(xué)的一個缺陷。沒有正確理解質(zhì)量守恒定律，學(xué)習(xí)根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行計算會遇到更大的困難。雖然會模仿例題解答已知一種物質(zhì)的質(zhì)量求其余物質(zhì)的質(zhì)量，如果給出兩種物質(zhì)質(zhì)量，學(xué)生不知道選擇哪一種進(jìn)行計算。遇到溶液問題，不理解為什么不能直接用溶液的質(zhì)量計算。

其次，不僅要做反應(yīng)前后質(zhì)量不變的實驗，也做質(zhì)量“變化”的實驗，如鎂帶燃燒后質(zhì)量“增加”、木炭燃燒后質(zhì)量“減少”，分析質(zhì)量增加或減少的原因。這里可以融入科學(xué)史，教師用燃素說解釋燃燒中的質(zhì)量變化，讓學(xué)生分析、判斷解釋的合理性，進(jìn)一步理解燃燒的本質(zhì)與質(zhì)量守恒定律。

四、微觀解釋停留在“確認(rèn)守恒”不利于生成

微觀解釋的教學(xué)活動環(huán)節(jié)所起的作用，停留在進(jìn)一步確認(rèn)質(zhì)量守恒定律，質(zhì)量守恒定律確實是真的，有根據(jù)的。微觀層次上對質(zhì)量守恒定律的理解并沒有遷移到運用化學(xué)反應(yīng)方程式的計算上。因此，微觀解釋活動沒有收到應(yīng)該具有的教學(xué)效果，可以嘗試通過學(xué)生的動手活動來模擬化學(xué)反應(yīng)，讓學(xué)生拆、拼模型以表示化學(xué)變化。

質(zhì)量守恒定律的微觀解釋通常采用兩種方法。有些教師在得出質(zhì)量守恒定律之前利用分子和原子模型示意圖說明化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)制，啟發(fā)學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量關(guān)系提出猜測。有的教學(xué)則在得出質(zhì)量守恒定律之后，再做出微觀解釋，幫助學(xué)生從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)層次上理解質(zhì)量守恒定律。微觀解釋時一般配合使用模型圖或動畫演示，很少動手操作，而且兩種反應(yīng)物的分子數(shù)或原子數(shù)恰好用完，沒有“過量”情況出現(xiàn)。

使用模型在微觀層次上解釋質(zhì)量守恒定律，與宏觀實驗結(jié)論相互印證，掌握質(zhì)量守恒定律似乎不成問題。但是，微觀層次上對質(zhì)量守恒定律的理解并沒有遷移到運用化學(xué)反應(yīng)方程式的計算上。微觀解釋的教學(xué)活動環(huán)節(jié)所起的作用，停留在進(jìn)一步確認(rèn)質(zhì)量守恒定律，質(zhì)量守恒定律確實是真的，有根據(jù)的。如前所述，沒有必要擔(dān)憂學(xué)生不相信質(zhì)量守恒定律。因此，微觀解釋活動沒有收到應(yīng)該具有的教學(xué)效果。可以嘗試通過學(xué)生的動手活動來模擬化學(xué)反應(yīng)，讓學(xué)生拆、拼模型以表示化學(xué)變化。計算反應(yīng)前后各種原子與分子的數(shù)目和種類，得出反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系，同時認(rèn)識不同反應(yīng)物的比例關(guān)系。需要注意的是，給學(xué)生的分子、原子模型數(shù)目是隨意的，不要剛好與真實反應(yīng)數(shù)目相等，在活動中就會遇到某種模型不夠用或太多的情況。如果學(xué)生一定把模型使用完，可能會拼出與正確模型不同的模型，編造出實際不存在的物質(zhì)。然后學(xué)生之間互相討論、比較，為什么有的沒有用完模型？為什么有的不夠用？這樣有助于學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)中的不同物質(zhì)有確定的比例關(guān)系，理解配平化學(xué)反應(yīng)方程式的過程，就是根據(jù)質(zhì)量守恒定律確定正確的比例關(guān)系的過程。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王磊.多角度透析“質(zhì)量守恒定律”課堂教學(xué)——從“質(zhì)量守

恒定律”看新理念怎樣進(jìn)課堂[N].中國教育報，2007-1-19.

（浙江省泰順縣第四中學(xué)）