巧用探究實驗，層析質(zhì)量守恒的內(nèi)涵——“質(zhì)量守恒定律”教學(xué)案例

程蘭（深圳市寶安區(qū)新湖學(xué)?！V東深圳　518100）

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巧用探究實驗，層析質(zhì)量守恒的內(nèi)涵——“質(zhì)量守恒定律”教學(xué)案例

程蘭
（深圳市寶安區(qū)新湖學(xué)校廣東深圳518100）

摘要：化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，可是教學(xué)中我們遇到了很多與實驗有關(guān)的困擾。那么實驗做與不做，怎樣做都應(yīng)以什么為出發(fā)點呢？文章結(jié)合教學(xué)實踐，以案例和思考的形式呈現(xiàn)一點改進的過程和體會。

關(guān)鍵詞：困惑；探索；了解學(xué)生；領(lǐng)會教材；調(diào)整自我

質(zhì)量守恒定律使化學(xué)學(xué)習(xí)開始從生成何種物質(zhì)向生成多少物質(zhì)過渡，是九年級化學(xué)教學(xué)的重點，也是化學(xué)教師進行教學(xué)研究的熱點。近年來化學(xué)教學(xué)類雜志發(fā)表了很多“質(zhì)量守恒定律”的教學(xué)設(shè)計，筆者也觀摩了這一課題的很多研討課和公開課，無論是教師的組織引導(dǎo)，還是學(xué)生的自主探究，都是圍繞如何突破對質(zhì)量守恒內(nèi)涵，即對質(zhì)量守恒定律中“參加”二字的理解以及對反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量的變化的認識從“單一物質(zhì)質(zhì)量的變化”轉(zhuǎn)變到“質(zhì)量總和的變化”這兩個難點來進行的。突破這兩個難點需要學(xué)生在教師的有效引導(dǎo)下進行探究實驗，自主發(fā)現(xiàn)，從而獲得思維上的發(fā)展。

一、教材分析與處理

人教版教材呈現(xiàn)的內(nèi)容框架如圖1所示：

圖1　教材內(nèi)容框架

不難看出教材的內(nèi)容呈現(xiàn)方式是一種“歸納式”的教學(xué)思路，是一種“上位學(xué)習(xí)”。通過兩個實驗歸納出化學(xué)反應(yīng)前后“總質(zhì)量守恒”，得出質(zhì)量守恒定律，再通過兩個“不守恒”的實驗來分析和理解化學(xué)反應(yīng)前后為什么會出現(xiàn)“不守恒”的現(xiàn)象，最后用微觀解釋來說明質(zhì)量守恒的原因。

教材是學(xué)生達到課程標準所規(guī)定的目標要求的內(nèi)容載體，是教師教和學(xué)生學(xué)的重要資源和工具[1]。對于教材，新課程要求教師“用教材教，而不是教教材”。在研究課標、教材、教學(xué)的基礎(chǔ)上，可對教材進行合理的整合和處理。

教材上紅磷與氧氣反應(yīng)、鐵釘與硫酸銅反應(yīng)是作為探究實驗給出的，碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)、鎂條和氧氣反應(yīng)是作為驗證實驗呈現(xiàn)的。在深入研究之后，進行了如下整合和處理：紅磷和氧氣是學(xué)生很熟悉的且容易操作的實驗，仍作為探究實驗；鐵釘與硫酸銅是容易操作且能明顯看出反應(yīng)后鐵釘還有剩余的實驗，可將它設(shè)計成驗證實驗，并且引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)此實驗理解質(zhì)量守恒定律中“參加”二字的意義及質(zhì)量的內(nèi)涵；碳酸鈉與稀鹽酸是設(shè)計成使學(xué)生產(chǎn)生認知沖突的實驗，因為產(chǎn)生的氣體逸出了，天平不平衡了，與之前得出的結(jié)論是相矛盾的，從而引起反思、討論，進而對實驗裝置進行改進，由此使學(xué)生對反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量的變化的認識從“單一物質(zhì)質(zhì)量的變化”轉(zhuǎn)變到“質(zhì)量總和的變化”，但是這個反應(yīng)還沒學(xué)，學(xué)生很陌生，于是筆者將其舍棄，改用雙氧水與二氧化錳反應(yīng)，能達到同樣的目的，同時也是學(xué)生所熟悉的。由于導(dǎo)入新課是以香煙燃燒引起的質(zhì)量之爭的小故事引入的，與鎂條與氧氣的實驗所設(shè)計的意圖是重復(fù)的，因此將鎂條與氧氣反應(yīng)這個實驗大膽舍棄了。

二、教學(xué)片段

1.情境導(dǎo)入

[故事引入]一天，神探福爾摩斯正在滋滋有味地抽著他的煙斗，房間里充滿了刺鼻的煙味。他的學(xué)生問道：“尊敬的先生，別人都說您很聰明，那么您能告訴我您吐出的這些煙有多重嗎？”福爾摩斯慢條斯理地說：“這個問題很簡單，我只要稱出抽煙前煙斗和煙絲的總重量，再減去抽完煙后煙斗和剩余煙灰的總重量，不就是我吐出煙的重量了么！”

師：神探的算法我們?nèi)绾斡玫仁奖硎灸兀?/p>

師：神探的答案是否正確呢？我們通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)就可揭曉了。

[設(shè)計意圖]香煙燃燒學(xué)生并不陌生，“吸煙時產(chǎn)生的煙到底有多重？”也許是每個學(xué)生曾經(jīng)思考過但又沒有答案的問題。在這里以神探福爾摩斯的故事引入，點題、激趣；將福爾摩斯的回答用算式列出，直觀、簡潔，同時設(shè)置懸念。

2.實驗探究：化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量的變化

[設(shè)問]神探認為反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量是不變的，依據(jù)你已有的知識和生活經(jīng)驗，你認為反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量是否改變呢？

生1：總質(zhì)量會減少。你看蠟燭在空氣中燃燒，最后什么都沒有了，蠟燭燃燒發(fā)生了化學(xué)變化，所以我認為化學(xué)反應(yīng)后物質(zhì)的總質(zhì)量減少了。

生2：總質(zhì)量會增加。我們都知道鐵生銹后就比原來重了。

生3：質(zhì)量可能不變。因為水電解的微觀示意圖告訴我們，化學(xué)反應(yīng)前后原子的種類、數(shù)目和質(zhì)量都沒有改變。

[設(shè)計意圖]引導(dǎo)學(xué)生以生活中的事例為猜想的依據(jù)進行大膽猜想。學(xué)生根據(jù)自己的日常經(jīng)驗，提出了三種假設(shè)，而且表述得有理有據(jù)。從學(xué)生“經(jīng)驗證據(jù)”的表述中可以看出，他們對反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量的變化的認識是“單一物質(zhì)質(zhì)量的變化”。此過程中，學(xué)生提出的假設(shè)具有了一定的“經(jīng)驗證據(jù)”。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)有意識引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成這種“有證據(jù)的猜測”的習(xí)慣。提出幾種有矛盾沖突的假設(shè)后，教學(xué)過程自然進入“設(shè)計實驗，驗證假設(shè)”階段。

[設(shè)計實驗方案并展示交流]師：同學(xué)們思維很敏捷，看法也不太一樣。到底是什么樣的關(guān)系呢？我們讓實驗來檢驗。請各小組的同學(xué)選擇你們桌面上的儀器及藥品，設(shè)計實驗方案，來探究這個問題。

小組1：我們設(shè)計的是稱量紅磷與氧氣反應(yīng)前后質(zhì)量的變化，為了引燃紅磷，我們將紅磷放在燃燒匙內(nèi)放在酒精燈上加熱，如圖2，但是這樣做會使生成的部分五氧化二磷散失到空氣中，不嚴密，所以我們修改了方案，通過加熱玻璃棒引燃紅磷，如圖3，這樣可以避免五氧化二磷散失減少誤差，但是這個反應(yīng)會放出大量的熱，使瓶內(nèi)氣壓增大，可能會將膠塞沖開，所以我們又改用玻璃管引燃紅磷，如圖4，為了緩解瓶內(nèi)氣壓并防止瓶內(nèi)物質(zhì)散失，我們在玻璃管上端套了一個小氣球，還在錐形瓶底放了一些細沙，以免瓶底受熱炸裂?！?/p>

圖2　　

圖3　

圖4　

小組2：我們設(shè)計的是稱量雙氧水和二氧化錳反應(yīng)前后質(zhì)量的變化，如圖5，將二氧化錳放在燒杯內(nèi)，雙氧水放在小試管內(nèi)，使兩者混合反應(yīng)，觀察反應(yīng)前后天平是否一直平衡。

圖5　

[設(shè)計意圖]提供可多種選擇的儀器和藥品給學(xué)生，讓他們設(shè)計實驗方案，紅磷與氧氣反應(yīng)在測定空氣中氧氣含量時已經(jīng)接觸過，對于整個反應(yīng)過程學(xué)生比較熟悉，學(xué)生能夠預(yù)測可能出現(xiàn)的情況，并不斷進行實驗方案的修改和完善，在設(shè)計實驗方案的過程中，學(xué)生分析問題的能力和創(chuàng)新能力得到發(fā)展。

3.利用探究實驗，層析質(zhì)量守恒的內(nèi)涵

[分析實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論]

師：同學(xué)們請描述一下你們的實驗現(xiàn)象吧

小組1：我們觀察到紅磷燃燒，產(chǎn)生大量白煙；氣球先膨脹后縮?。环磻?yīng)后天平仍然平衡。

師：由此可以得出什么結(jié)論呢？

生：反應(yīng)前物質(zhì)質(zhì)量總和＝反應(yīng)后物質(zhì)質(zhì)量總和。

師：我們來作進一步分析，反應(yīng)前后分別有哪些物質(zhì)或物體呢？

生：反應(yīng)前有：錐形瓶、細沙、橡皮塞、玻璃管、氣球、紅磷、氧氣、氮氣、稀有氣體等；反應(yīng)后有：錐形瓶、細沙、橡皮塞、玻璃管、氣球、五氧化二磷、氮氣、稀有氣體等。

師：現(xiàn)在，我們將反應(yīng)前后都存在且沒有發(fā)生變化的物質(zhì)都劃掉，劃掉之后，你有什么發(fā)現(xiàn)？

生：實質(zhì)是：紅磷和氧氣的質(zhì)量之和等于五氧化二磷的質(zhì)量。

師：由此可以得出什么結(jié)論呢？

生1：化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物的總質(zhì)量等于生成物質(zhì)的總質(zhì)量。

師：有不同意見嗎？

生2：有！我們組做的是鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)，天平一直平衡，反應(yīng)后鐵釘還有剩余，沒有完全反應(yīng)，我們組認為結(jié)論應(yīng)該是：參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)總質(zhì)量等于生成物質(zhì)的總質(zhì)量。

[設(shè)計意圖]描述實驗現(xiàn)象不難，難的是通過分析實驗現(xiàn)象得出質(zhì)量守恒這一結(jié)論。要準確地得出質(zhì)量守恒這一結(jié)論難度很大，需要逐步引導(dǎo)。根據(jù)紅磷在空氣中燃燒前后天平一直平衡，學(xué)生不難得出“反應(yīng)前物質(zhì)質(zhì)量總和＝反應(yīng)后物質(zhì)質(zhì)量總和”這一結(jié)論，通過分析紅磷在空氣中燃燒前后這一化學(xué)反應(yīng)前后的物質(zhì)（物體），將沒有發(fā)生變化的物質(zhì)劃掉之后，可進一步得出“反應(yīng)物的總質(zhì)量等于生成物質(zhì)的總質(zhì)量”，比較接近了，只差質(zhì)量守恒定律的內(nèi)涵“參加”二字了。由于紅磷與氧氣反應(yīng)會產(chǎn)生大量白煙，無法觀察兩者是否恰好完全反應(yīng)，因此，通過此實驗無法發(fā)掘“參加”這一內(nèi)涵。而鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)，學(xué)生可以清楚地看到鐵釘有剩余，由此可以進而得出“參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)總質(zhì)量等于生成物質(zhì)的總質(zhì)量”這一結(jié)論，至此，利用探究實驗，通過層層剖析，挖掘出了質(zhì)量守恒的內(nèi)涵。這一過程不僅可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、語言表達能力和總結(jié)歸納的能力，還讓學(xué)生在自主發(fā)現(xiàn)的過程中領(lǐng)會到了科學(xué)探究的一般方法。

4.反思評價，應(yīng)用質(zhì)量守恒定律解決實際問題

[反思評價，改進實驗裝置]

師：大家都贊同這個結(jié)論嗎？

生3：不贊同！我們組得出的結(jié)論是反應(yīng)后物質(zhì)總質(zhì)量變小。

師：說說你們的實驗過程。

生3：我們將雙氧水與二氧化錳混合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了大量氣泡，指針向右偏轉(zhuǎn)，左盤質(zhì)量變小了，也就是說生成物的總質(zhì)量變小了。

師：我們剛才得出的結(jié)論錯了嗎？為什么呢？

生：他們這樣做實驗不嚴謹，因為裝置沒有密封，生成的氣體都逸散到空氣中了，生成物的總質(zhì)量當(dāng)然會變小啦！

師：非常好！那我們?nèi)绾胃倪M裝置呢？

生1：用錐形瓶代替燒杯，并用膠塞塞住瓶口。

生2：用錐形瓶代替燒杯，用氣球套住瓶口，二氧化錳放在氣球內(nèi)。

生3：用錐形瓶代替燒杯，用帶膠塞的注射器裝雙氧水。

師：哪種改進方法更好呢？請同學(xué)們用改進后的裝置再做一次實驗。

[設(shè)計意圖]分析得出不同結(jié)論的原因，引導(dǎo)學(xué)生對實驗裝置進行改進，并比較三種改進方案的優(yōu)劣。在這一過程中，學(xué)生自己不僅能感悟出“開放體系與密閉體系”選擇的依據(jù)，更加深了對質(zhì)量守恒定律中“質(zhì)量總和的變化”這一內(nèi)涵的理解。

5.學(xué)以致用

[應(yīng)用定律，解釋生活中的現(xiàn)象]

師：現(xiàn)在我們再來看看神探的解答是否正確？如果不對，錯在哪里呢？

生：他的解答不對，因為他沒有加上參加反應(yīng)的氧氣的質(zhì)量。

師：那應(yīng)該如何列式呢？

師：那么，蠟燭燃燒后質(zhì)量變小、鐵生銹后質(zhì)量增加，這里所說的“質(zhì)量”指的是誰的質(zhì)量？符合質(zhì)量守恒定律嗎？

生：符合。我們認為蠟燭燃燒后質(zhì)量變小，只是蠟燭的質(zhì)量變小，生成的二氧化碳和水蒸氣逸散到空中了，如果將生成物都收集起來，反應(yīng)前后的總質(zhì)量是不變的；我們認為鐵生銹后質(zhì)量增加是因為沒有將參加反應(yīng)的氧氣的質(zhì)量算進去。

師：解釋得非常好！不要忽略了參加反應(yīng)的氣體或是生成的但逸散到了空氣中的氣體！

[設(shè)計意圖]首尾呼應(yīng)，學(xué)以致用，分析生活中的存在認知沖突的現(xiàn)象，至此，學(xué)生對反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量的變化的認識已從“單一物質(zhì)質(zhì)量的變化”轉(zhuǎn)變到“質(zhì)量總和的變化”，進一步理解質(zhì)量的內(nèi)涵，同時加深對質(zhì)量守恒定律的理解。

三、教學(xué)反思

“課程標準”指出，義務(wù)教育階段化學(xué)課程中的科學(xué)探究，可以使“學(xué)生通過親身經(jīng)歷和體驗科學(xué)探究活動理解科學(xué)的本質(zhì)”[2]。在這節(jié)課的教學(xué)前，我反復(fù)問自己：探究實驗的作用是什么？學(xué)生分組實驗是照方抓藥好還是自主設(shè)計方案好？學(xué)生能設(shè)計出不同的方案嗎？學(xué)生自己設(shè)計實驗方案、走彎路出差錯的意義和價值何在？實驗之后能直接得出質(zhì)量守恒定

律的結(jié)論嗎？要不要進行二次分析和推導(dǎo)？

確實，這節(jié)課的重點不在于讓學(xué)生設(shè)計實驗方案，這樣做會“浪費”很多時間，沒有實效性，沒有多少意義。突破對于質(zhì)量守恒定律內(nèi)涵的理解這一難點，不止設(shè)計探究實驗這一條途徑，學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒的文本內(nèi)容之后，多加幾道練習(xí)似乎也可以解決。

然而，從學(xué)生們在分組實驗過程中的所思所想，我受到了震動，產(chǎn)生了頓悟：理性思維和實踐思維是不可相互替代的。實驗就是實驗，讓學(xué)生親自設(shè)計并實施實驗是不會沒有意義和價值的。如果我們認為這節(jié)課的目標就是認知質(zhì)量守恒定律的條文，那么我們的教學(xué)充其量也就是個知識傳授的過程。如果我們創(chuàng)造條件鼓勵學(xué)生與客觀事物發(fā)生直接的接觸和相互作用，我們就有可能改變學(xué)生原有的認識方式，使學(xué)生的思維得到自動發(fā)展。當(dāng)然不能“為了活動而活動”，組織探究實驗應(yīng)該從問題出發(fā)，教師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)目標，依據(jù)學(xué)情，合理處理教材，整合教學(xué)資源。

參考文獻

[1]畢華林.走向生本的教科書設(shè)計[M].濟南：山東教育出版社，2006：10

[2]管建平.基于課程標準教學(xué)的實踐與探索[J].教育發(fā)展研究，2011，（12）：81-84

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.01.032

文章編號：1008-0546（2016）01-0085-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B