以化學(xué)史料為課程資源促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解*——以“質(zhì)量守恒定律”教學(xué)設(shè)計(jì)為例

楊梓生 吳菊華

（1 龍巖市普通教育教學(xué)研究室 福建 龍巖 364000；2 龍巖市第二中學(xué) 福建 龍巖 364000）

化學(xué)教育的目標(biāo)在于讓學(xué)生掌握化學(xué)知識(shí)，理解科學(xué)的本質(zhì)，提高科學(xué)素養(yǎng)。這就要求化學(xué)教師在理解科學(xué)本質(zhì)及其對(duì)學(xué)生發(fā)展價(jià)值的基礎(chǔ)上，實(shí)施基于科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué)。

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，“科學(xué)的本質(zhì)即科學(xué)探究”。于是，有研究者將“科學(xué)是探究自然的‘思考’方式”、“科學(xué)是一種‘探究’的方式”、“科學(xué)知識(shí)是暫時(shí)的、動(dòng)態(tài)性的”視為科學(xué)本質(zhì)的范疇與內(nèi)涵［1］，該界定反映了科學(xué)過程的特征和科學(xué)知識(shí)的特征兩方面。學(xué)生只有理解了科學(xué)的本質(zhì)，才能夠明白科學(xué)是什么、科學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生與發(fā)展、科學(xué)與社會(huì)發(fā)展的關(guān)系等［2］。

要促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，需要引導(dǎo)學(xué)生在探究過程中掌握知識(shí)，了解化學(xué)知識(shí)產(chǎn)生于怎樣的社會(huì)文化背景、由誰發(fā)現(xiàn)或提出的、經(jīng)歷怎樣的發(fā)展歷程以及知識(shí)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響等。實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，顯然只有化學(xué)史實(shí)才能承載起這樣的功能。因此，實(shí)施基于科學(xué)本質(zhì)理解的化學(xué)教學(xué)，必須以化學(xué)史料為課程資源。具體到教學(xué)實(shí)踐，要求教師研究化學(xué)史實(shí)，了解相關(guān)化學(xué)知識(shí)的研究背景與探索過程；在此基礎(chǔ)上，精選化學(xué)史料作為課程資源并轉(zhuǎn)化為探究情景，引導(dǎo)學(xué)生開展探究。下面結(jié)合“質(zhì)量守恒定律”的教學(xué)設(shè)計(jì)來談?wù)劇?/p>

一、研究人類對(duì)化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量關(guān)系探索的歷史

閱讀化學(xué)史可知，人類對(duì)化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量關(guān)系的探索，源于十八世紀(jì)冶金工業(yè)需要解決的相關(guān)問題?！袄纾?dāng)時(shí)煉鐵廠迫切需要解決煉鐵爐的鼓風(fēng)問題——為什么要往爐里鼓風(fēng)？ 風(fēng)的流速多大合適？ 煉1 噸鐵要鼓進(jìn)多少空氣？……”［3］這些問題涉及燃燒的本質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量關(guān)系等方面。

在上述背景下，科研工作者開展了相關(guān)探索。如英國(guó)科學(xué)家波義耳、德國(guó)醫(yī)學(xué)教師施塔爾、俄國(guó)科學(xué)家羅門諾索夫、法國(guó)科學(xué)家拉瓦錫等先后進(jìn)行了燃燒、金屬煅燒實(shí)驗(yàn)，并提出燃燒的相關(guān)看法。特別是施塔爾，根據(jù)對(duì)燃燒現(xiàn)象的觀察，提出了統(tǒng)治化學(xué)界百余年的“燃素說”。直到1774年，拉瓦錫在廣泛查閱資料及前人實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 進(jìn)行了著名的 “十二天實(shí)驗(yàn)”，證明了空氣由氧氣和氮?dú)饨M成，提出了“氧化燃燒”學(xué)說，并發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律。

隨著化學(xué)研究的深入， 原子－分子學(xué)說得以建立與發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)了化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，知道化學(xué)反應(yīng)是不同物質(zhì)分子中的原子重新結(jié)合的過程。這一過程中，原子的種類與數(shù)目將不會(huì)改變。這一認(rèn)識(shí)為質(zhì)量守恒定律作為普遍的化學(xué)定律奠定了理論基礎(chǔ)。

隨著原子核科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)的質(zhì)量和能量關(guān)系有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)到化學(xué)轉(zhuǎn)變過程因釋放能量，會(huì)消耗物質(zhì)的質(zhì)量。而且，質(zhì)量與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系遵循愛因斯坦提出的質(zhì)能方程。因而，從最嚴(yán)格的意義上說，化學(xué)反應(yīng)過程因有能量轉(zhuǎn)化而存在質(zhì)量虧損。但研究表明，“化學(xué)反應(yīng)中雖然有能量的轉(zhuǎn)化，但由于轉(zhuǎn)化的質(zhì)量很小，因而引起的質(zhì)量改變可以忽略不計(jì)”［4］。

通過前述化學(xué)事實(shí)的分析，化學(xué)老師至少應(yīng)建立如下認(rèn)識(shí)：①人類對(duì)化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量關(guān)系的認(rèn)識(shí)是分階段的，而且后一階段是對(duì)前一階段的批判與繼承；②對(duì)于各個(gè)階段的認(rèn)識(shí)，是特定條件下的產(chǎn)物，并被當(dāng)時(shí)認(rèn)為與事實(shí)最為吻合（這就是“燃素說”統(tǒng)治化學(xué)界百余年的原因）； ③人們對(duì)科學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展而逐步完善；④質(zhì)量守恒定律是燃燒本質(zhì)研究的“副產(chǎn)物”（人類在燃燒過程中認(rèn)識(shí)了質(zhì)量守恒定律）。此外，教師還應(yīng)認(rèn)識(shí)到：滬教版教材編著者是以化學(xué)史實(shí)為線索來組織第四章教材的（將“常見的化學(xué)反應(yīng)——燃燒”、“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”納入同一單元）。

二、制定基于科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué)策略

通過對(duì)老師們教學(xué)的研究，發(fā)現(xiàn)基本采取如下流程執(zhí)教本課：在簡(jiǎn)單導(dǎo)入新課基礎(chǔ)上，要求學(xué)生對(duì)“物質(zhì)在化學(xué)變化前后，總質(zhì)量是否改變”進(jìn)行猜想，并通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論；接著，從微觀視角揭示質(zhì)量守恒定律的原因；最后，安排練習(xí)鞏固相關(guān)內(nèi)容。這樣的教學(xué)，老師所關(guān)注的是化學(xué)知識(shí)，缺失幫助學(xué)生建立起課程內(nèi)容與科學(xué)本質(zhì)的聯(lián)系。

如何實(shí)現(xiàn)知識(shí)掌握的同時(shí)促進(jìn)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解？ 這要深刻理解“課程標(biāo)準(zhǔn)”將“拉瓦錫與質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)”作為學(xué)習(xí)情境素材列入“質(zhì)量守恒定律”主題的意圖（此內(nèi)容也被編入教材）。很顯然，在于引導(dǎo)教師深入開展相關(guān)化學(xué)史實(shí)的研究與挖掘，從而將質(zhì)量守恒定律與有血有肉和有情感的、科學(xué)家探索化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系的創(chuàng)造性活動(dòng)聯(lián)系起來，并將其作為課程資源，幫助學(xué)生了解相關(guān)知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過程，學(xué)習(xí)定量的研究方法，體驗(yàn)科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，從而掌握化學(xué)知識(shí)、理解科學(xué)本質(zhì)。因此，本課教學(xué)要用好相關(guān)史實(shí)。如何用好化學(xué)史實(shí)？

1．用化學(xué)史實(shí)創(chuàng)設(shè)情境，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量關(guān)系研究的歷史背景， 并將情境轉(zhuǎn)化為問題，激發(fā)學(xué)生開展化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系探究的興趣；

2．結(jié)合化學(xué)史實(shí)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)人類對(duì)化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量關(guān)系的探索歷程， 認(rèn)識(shí)到化學(xué)研究需要觀察、推理與定量研究，認(rèn)識(shí)到科學(xué)觀點(diǎn)受時(shí)代影響，認(rèn)識(shí)到化學(xué)知識(shí)的暫時(shí)性（階段性）和發(fā)展性；

3．在建立化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量守恒關(guān)系過程中，結(jié)合化學(xué)史實(shí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到早期人類對(duì)化學(xué)反應(yīng)相關(guān)認(rèn)知局限，并在微觀本質(zhì)揭示的基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)質(zhì)量守恒定律的合理性與可靠性。

此外，本課教學(xué)設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)蘊(yùn)含科學(xué)本質(zhì)的探究活動(dòng)，將探究活動(dòng)置于盡可能接近真實(shí)的情境之中，注重引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)方法與探究步驟對(duì)建構(gòu)科學(xué)理論的意義和作用，重視對(duì)探究結(jié)果的分析與評(píng)價(jià)［5］。

三、“質(zhì)量守恒定律”教學(xué)的有效實(shí)施

如何有效將化學(xué)史實(shí)融入課堂教學(xué)、設(shè)計(jì)蘊(yùn)含科學(xué)本質(zhì)的探究活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律的同時(shí)促進(jìn)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解？ 根據(jù)前述理解，可進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

情境與問題1情境與問題2情境與問題3十八世紀(jì)中葉，冶金業(yè)迅速發(fā)展，迫切解決某些問題。如煉鐵時(shí)為何要往爐里鼓風(fēng)、風(fēng)速多大合適、煉1 噸鐵要鼓多少空氣等。這涉及到燃燒的條件、反應(yīng)中物質(zhì)間量的關(guān)系等知識(shí)。請(qǐng)思考：物質(zhì)燃燒必須具備哪些條件？燃燒時(shí)，哪些物質(zhì)間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)？氧氣是十八世紀(jì)七十年代才被發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)氧氣之前，燃燒被認(rèn)為是一定溫度下可燃物釋放燃素、留下灰燼的過程（可燃物——燃素+灰燼）。這一觀點(diǎn)即為燃素說。由于燃素說能夠解釋木材、煤炭燃燒后余下灰燼的質(zhì)量比木材、煤炭小等許多現(xiàn)象，主宰化學(xué)界百余年。請(qǐng)思考：和上一節(jié)燃燒理論相比較，燃素說有何不科學(xué)的地方？其實(shí)，早在1673年，波義爾在敞口容器中加熱金屬使之轉(zhuǎn)化為金屬灰實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)金屬灰質(zhì)量比金屬大。這與燃燒說相矛盾（因?yàn)槿妓刭|(zhì)量小于0）。可波義爾沒能繼續(xù)探索，錯(cuò)失了發(fā)現(xiàn)燃燒本質(zhì)的機(jī)會(huì)。此后，不少科學(xué)家繼續(xù)開展研究。如法國(guó)拉瓦錫，在前人研究基礎(chǔ)上，于1774年前后采用課本所示裝置進(jìn)行著名的“十二天實(shí)驗(yàn)”，發(fā)現(xiàn)在密閉容器中加熱金屬使之轉(zhuǎn)化為金屬灰時(shí)，容器（含金屬、金屬灰）的質(zhì)量并未改變。通過進(jìn)一步研究，拉瓦錫證明了空氣由氧氣與氮?dú)饨M成，并指出燃燒是可燃物與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)。請(qǐng)思考：兩位學(xué)者在金屬與金屬灰質(zhì)量關(guān)系的研究中，結(jié)果有何差異？ 為何有此差異？設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到探索燃燒本質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量關(guān)系的特定時(shí)代背景， 感悟科學(xué)家的探索精神、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度以及科學(xué)研究成果是以前人研究為基礎(chǔ)的。情境與問題4不難發(fā)現(xiàn)，燃燒本質(zhì)探索的過程也是化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量關(guān)系探索的過程，開展質(zhì)量（定量）研究對(duì)化學(xué)科學(xué)發(fā)展具有重要意義。請(qǐng)你猜想：化學(xué)反應(yīng)過程中，反應(yīng)前各物質(zhì)的質(zhì)量總和與反應(yīng)后各物質(zhì)的質(zhì)量總和有怎樣的關(guān)系？ 你猜想的依據(jù)是什么？為證明猜想，須實(shí)驗(yàn)研究。請(qǐng)重溫波義耳和拉瓦錫的金屬轉(zhuǎn)化為金屬灰的實(shí)驗(yàn)，并思考：他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中測(cè)量哪些量？如何進(jìn)行測(cè)量的？ 實(shí)驗(yàn)過程關(guān)注什么結(jié)果？

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)一步認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量關(guān)系研究的背景； 而且利用兩位化學(xué)家的研究作為情境并設(shè)問，不僅暗示實(shí)驗(yàn)研究需要注意條件，并為后續(xù)探究方案的設(shè)計(jì)起到定向作用。

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設(shè)計(jì)意圖：提供幾個(gè)反應(yīng)供選擇，不僅增強(qiáng)自主性，而且有利于制造認(rèn)知沖突，深化對(duì)實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果的認(rèn)識(shí)；對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，促進(jìn)對(duì)“參加化學(xué)反應(yīng)”含義的理解，建立質(zhì)量守恒定律。

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設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生感悟科學(xué)結(jié)論建立不是一蹴而就的，是隨著科學(xué)發(fā)展而逐步深入的；感悟化學(xué)研究不僅總結(jié)化學(xué)規(guī)律， 還需揭示規(guī)律背后的本質(zhì)。

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設(shè)計(jì)意圖： 回扣課前化學(xué)史料并還引入新史實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣分析思考不同的現(xiàn)象，深化對(duì)質(zhì)量守恒內(nèi)涵及微觀本質(zhì)的理解，提升分析、解決問題的能力。

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設(shè)計(jì)意圖： 補(bǔ)充化學(xué)反應(yīng)存在質(zhì)量虧損這一事實(shí)，進(jìn)一步揭示化學(xué)知識(shí)認(rèn)知的發(fā)展性；再次回扣拉瓦錫研究的史實(shí)，拓寬學(xué)生的研究視野。這一拓展，不僅是實(shí)驗(yàn)方法的拓展（真正意義上的定量研究），而且為全面認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量關(guān)系及化學(xué)方程式計(jì)算打下伏筆。

四、結(jié)語(yǔ)

促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解的化學(xué)教學(xué)，一個(gè)重要途徑是讓學(xué)生了解化學(xué)知識(shí)的前世今生、人類探索并建構(gòu)化學(xué)知識(shí)的前因后果，從而認(rèn)識(shí)化學(xué)知識(shí)的發(fā)生發(fā)展過程、科學(xué)探究的艱辛曲折過程。要達(dá)成這一目標(biāo)，必然要將化學(xué)史實(shí)作為重要的課程資源融入課堂教學(xué)。然而，化學(xué)史料是豐富的、承載的價(jià)值也是多元的，而課堂教學(xué)時(shí)間是短暫的、需要達(dá)成的目標(biāo)是有效的。這就需要教師深入思考應(yīng)該選擇哪些化學(xué)史料并將達(dá)成怎樣的功能，在哪個(gè)（些）教學(xué)環(huán)節(jié)中采取怎樣的方式呈現(xiàn)史料，從而最大限度地發(fā)揮化學(xué)史料促進(jìn)化學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)、科學(xué)本質(zhì)理解的功能。對(duì)于這些方面，還有待進(jìn)一步研究。

［1］袁維新．科學(xué)的本質(zhì)與科學(xué)本質(zhì)教育［J］．課程教材教法，2007，（7）

［2］項(xiàng)專紅．美國(guó)科學(xué)史教育特色——理解科學(xué)本質(zhì) ［J］，外國(guó)中小學(xué)教育，2006，（8）

［3］［4］王祖浩．義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《化學(xué)》教師教學(xué)指導(dǎo)書（九年級(jí)上冊(cè)）［M］．上海：上海教育出版社，2004

［5］畢華林．走向生本的教科書設(shè)計(jì)——中學(xué)化學(xué)教科書設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐［M］．濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2006