借鑒經(jīng)典改進(jìn)實驗，重構(gòu)觀念突出方法

摘要：在教學(xué)設(shè)計及實施中，依托化學(xué)史，根據(jù)逐步遞進(jìn)的演示實驗鏈提出假設(shè)及問題鏈，激發(fā)學(xué)生思考、交流討論，幫助學(xué)生在現(xiàn)代科技前沿與經(jīng)典實驗賞析、課堂實驗探究的反思對比、分析歸納過程中完成守恒觀的構(gòu)建，形成科學(xué)研究方法的初步認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：經(jīng)典；實驗；觀念；方法；化學(xué)反應(yīng)；質(zhì)量關(guān)系

文章編號：1008-0546（2016）08-0076-03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.08.025

“質(zhì)量守恒定律”[1]是初中化學(xué)教學(xué)中的一個非常重要的定律，蘊(yùn)含著豐富的化學(xué)發(fā)展史及科學(xué)方法的教育價值。宋心琦教授認(rèn)為，中學(xué)化學(xué)教學(xué)能夠使學(xué)生終身受益的，不是具體的化學(xué)專業(yè)知識，而是影響他們世界觀、人生觀和價值觀的化學(xué)思想觀念，不是諸如分類、實驗、計算等特殊的方法和技能，而是影響他們思維方式和問題解決能力的具有化學(xué)特點(diǎn)的認(rèn)識論和方法論。學(xué)生能否牢固地、準(zhǔn)確地、哪怕只是定性地建立起基本的化學(xué)觀念應(yīng)當(dāng)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的第一目標(biāo)[2]。為此，筆者去年11月在蘇州市初中課改展示活動上開設(shè)了有關(guān)“質(zhì)量守恒定律”的研討課，并于今年2月在江蘇省教學(xué)新時空“名師講堂”進(jìn)行展播。以下是筆者對這節(jié)課的回顧與思考。

一、教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

1. 素材地位

“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”的核心內(nèi)容是質(zhì)量守恒定律，它是分析物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系的理論依據(jù)，它的應(yīng)用貫穿于整個中學(xué)化學(xué)。從質(zhì)量及其變化角度對物質(zhì)進(jìn)行研究，不但是化學(xué)研究的重要方法，也是化學(xué)學(xué)習(xí)的重要方法。

縱觀化學(xué)史，質(zhì)量守恒定律是18世紀(jì)科學(xué)發(fā)展史上最輝煌的成就之一，它的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了百年風(fēng)霜，浸透了數(shù)位科學(xué)家前赴后繼的努力，不僅是科學(xué)家們智慧的結(jié)晶，也體現(xiàn)了科學(xué)家們的堅持不懈的科學(xué)精神，它的發(fā)現(xiàn)史就是一場革命史?；瘜W(xué)史的內(nèi)容在很大程度上反映了科學(xué)家的探究活動與方法，可以作為學(xué)生理解科學(xué)探究、掌握科學(xué)方法的范例。

2. 目標(biāo)定位

（1）知識與技能

①認(rèn)識質(zhì)量守恒定律；

②從微觀角度理解質(zhì)量守恒定律的內(nèi)涵，能運(yùn)用質(zhì)量守恒定律解釋常見化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量關(guān)系。

（2）過程與方法

①實驗探究化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系，嘗試應(yīng)用定量方法來研究問題和分析問題的實驗方法，感受設(shè)計科學(xué)實驗的一般步驟和方法；

②通過運(yùn)用比較、分析、歸納、概括等方法來感受由感性到理性、由個別到一般的研究問題的科學(xué)歸納方法。

（3）情感態(tài)度與價值觀

①通過對比太空軌道艙與地球?qū)嶒炇曳Q量物質(zhì)質(zhì)量方法的差異，并借助課堂演示實驗，認(rèn)識科學(xué)結(jié)論要靠大量的實驗加以驗證的科學(xué)思維品質(zhì)；

②通過質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)史認(rèn)識定量研究對于化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重要作用。

3. 教學(xué)重點(diǎn)

質(zhì)量守恒定律概念的建立，質(zhì)量守恒定律的理解及科學(xué)思想方法的構(gòu)建。

4. 教學(xué)方法

筆者在課堂科學(xué)探究教學(xué)中設(shè)計實施了遞進(jìn)式“演示實驗鏈”，并由此創(chuàng)設(shè)了對應(yīng)的“問題鏈”，激發(fā)學(xué)生的思維沖突和開展熱烈討論；讓學(xué)生在欣賞當(dāng)今太空失重實驗與近代經(jīng)典化學(xué)實驗的對比、分析過程中，構(gòu)建物質(zhì)守恒觀和了解科學(xué)歸納法。

二、教學(xué)流程

這節(jié)課主要有“創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)問題”“實驗探究，史料佐證”“科學(xué)歸納，思維提升”三大教學(xué)環(huán)節(jié)。

三、教學(xué)過程回放

1. 創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)問題

【視頻引入】2013年著名宇航員王亞萍的“太空課堂”節(jié)選：太空稱重。

【視頻引入意圖】 表面上看這是一個簡單的稱重實驗，但其中蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)道理，當(dāng)環(huán)境由地球?qū)嶒炇覕U(kuò)展到太空中“天宮一號”時，科學(xué)實驗的原理就由地球重力環(huán)境下的托盤天平的杠桿原理變化為“牛頓第二定律”，實驗步驟及選用的儀器也隨之改變：太空“質(zhì)量測量儀”通過彈簧產(chǎn)生力并測出力的加速度，再算出質(zhì)量。以此啟發(fā)學(xué)生得出進(jìn)行任何一項科學(xué)實驗的一般方法：明確研究的目標(biāo)及對象；考慮科學(xué)實驗的環(huán)境因素；確定與探究思路相關(guān)的原理及步驟；選取適當(dāng)?shù)膬x器設(shè)備。

2. 實驗探究，史料佐證

這節(jié)課最重要的環(huán)節(jié)是通過5個演示實驗、視頻實驗、經(jīng)典實驗賞析形成的實驗鏈及相關(guān)問題鏈組成的。

（1）敞口容器實驗

【演示實驗1】[3]硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)前后質(zhì)量的測定

實驗儀器：錐形瓶（盛放氫氧化鈉溶液）、（盛放硫酸銅溶液）、電子天平（精度0.1g）。

實驗步驟：

①用精度為0.1g的電子天平稱量敞口盛放氫氧化鈉溶液的錐形瓶和盛放硫酸銅溶液的試劑瓶，天平示數(shù)為m1（即為反應(yīng)前物質(zhì)總質(zhì)量）。

②將硫酸銅溶液滴入裝有氫氧化鈉溶液的錐形瓶中，天平示數(shù)仍為m1（即為反應(yīng)后物質(zhì)總質(zhì)量）。

實驗現(xiàn)象：錐形瓶中有藍(lán)色絮狀沉淀產(chǎn)生，天平示數(shù)不變。

結(jié)論：該實驗中m（總物質(zhì)）反應(yīng)前 = m（總物質(zhì)）反應(yīng)后

【演示實驗2】[3]石灰石與稀鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定

實驗儀器：錐形瓶（裝少量石灰石）、試劑瓶（稀鹽酸）、電子天平（精度0.1g）。

實驗步驟：

①用精度為0.1g的電子天平稱量敞口盛放少量石灰石的錐形瓶和盛放稀鹽酸的試劑瓶，天平示數(shù)為m2（即為反應(yīng)前物質(zhì)總質(zhì)量）。

②將稀鹽酸滴入裝有少量石灰石的錐形瓶中，待不再產(chǎn)生氣體時稱量整套裝置，天平示數(shù)為m3（即為反應(yīng)后物質(zhì)總質(zhì)量）。

實驗現(xiàn)象：錐形瓶中有大量氣泡冒出，m2 > m3。

【設(shè)問1】 m（總物質(zhì)）反應(yīng)前 與m（總物質(zhì)）反應(yīng)后不等嗎？

注：托盤天平的使用在小學(xué)六年級科學(xué)課上及初二物理課上都學(xué)習(xí)過，不作為本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，為了提高課堂效率，我采用了學(xué)生日常熟悉的電子天平，特別標(biāo)注天平的精度為0.1g。

【設(shè)問2】根據(jù)這兩個實驗得出相反的結(jié)論。你對化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量關(guān)系有什么猜想？以上兩個實驗?zāi)芊褡C明我們的想法？

【討論】根據(jù)“演示實驗1”得出反應(yīng)前物質(zhì)的總質(zhì)量等于反應(yīng)后物質(zhì)的總質(zhì)量，分析“演示實驗2”中反應(yīng)后質(zhì)量減小的原因，并提出要在密閉裝置中進(jìn)行實驗探究的改進(jìn)方法。

【設(shè)問3】“演示實驗2”中反應(yīng)前后質(zhì)量不等的原因是什么？你能否對實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)而達(dá)到預(yù)期實驗?zāi)繕?biāo)？

學(xué)生討論后，提出改進(jìn)方案，教師選取其中方案，讓學(xué)生上臺演示如下實驗。

（2）“剛性”密閉容器實驗

【變式實驗1】變敞開反應(yīng)容器為密閉剛性容器實驗。

實驗儀器：帶蓋塑料瓶（裝少量石灰石）、小試管（內(nèi)裝稀鹽酸）、棉線、電子天平（精度0.1g）。

實驗步驟：

①將內(nèi)裝少量稀鹽酸的小試管放入塑料瓶中，試管口用棉線懸于塑料瓶外。

②用精度為0.1g的電子天平稱量整套裝置的質(zhì)量，天平示數(shù)為m4。

③將棉線放入塑料瓶中，旋緊瓶蓋，傾斜塑料瓶，稀鹽酸流入瓶中，待不再冒出氣泡后再次稱量整套裝置的質(zhì)量。天平示數(shù)仍為m4，即為反應(yīng)后物質(zhì)總質(zhì)量。

④打開瓶蓋再次稱量整套裝置的質(zhì)量，天平示數(shù)為m5。

實驗現(xiàn)象：鹽酸流入塑料瓶中，有氣泡冒出，由于瓶蓋的作用，未有氣體散逸至空氣中。前兩次稱量讀數(shù)相等。打開瓶蓋，聽到“呲”的一聲，氣體擴(kuò)散，天平示數(shù)m4>m5。

結(jié)論：①該實驗中m（總物質(zhì)）反應(yīng)前 = m（總物質(zhì)）反應(yīng)后；

②“演示實驗2”中反應(yīng)后質(zhì)量減輕的原因是氣體生成物散逸到空氣中。

（3）“彈性”密閉容器實驗

【變式實驗2】變“剛性”密閉容器為“彈性”密閉容器實驗。

實驗儀器：錐形瓶（裝少量石灰石）、小試管（內(nèi)裝稀鹽酸）、小氣球、電子天平（精度0.1g）。

實驗步驟：

①將內(nèi)裝少量稀鹽酸的小試管放入錐形瓶中，用小氣球套住錐形瓶口，形成密閉容器。

②用精度為0.1g的電子天平稱量整套裝置的質(zhì)量，天平示數(shù)為m6。

③傾斜錐形瓶，稀鹽酸流入瓶中。

④將裝置放在電子天平上不斷讀數(shù)。

實驗現(xiàn)象：錐形瓶內(nèi)有氣泡冒出，小氣球不斷脹大，天平示數(shù)不斷減小。

【設(shè)問4】 改進(jìn)方案的變式實驗也是密閉裝置，天平示數(shù)為何隨著氣球的脹大而減小呢？（引出氣體浮力因素影響質(zhì)量測量問題。）

（4）自制“視頻”實驗

【視頻播放】“白磷燃燒”前后質(zhì)量變化的實驗（課前本人在實驗室做的實驗錄像）。

[視頻片段1]在盛有少量細(xì)沙的錐形瓶里加入一小塊白磷，在酒精燈上加熱玻璃棒，用玻璃棒引燃白磷，用精度為0.1g的電子天平稱量白磷在敞口的錐形瓶中燃燒前后整個裝置的質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)：白磷燃燒前后天平示數(shù)相等。

【設(shè)問5】敞口裝置，有大量白煙沖出，天平稱量后仍然相等，為什么？

[視頻片段2]在盛有少量細(xì)沙的錐形瓶里加入一小塊白磷，在酒精燈上加熱玻璃棒，用玻璃棒引燃白磷，用精度為0.01g的電子天平稱量白磷在敞口的錐形瓶中燃燒前后整個裝置的質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)：白磷燃燒后天平示數(shù)先減小，冷卻后，天平示數(shù)增加。

【設(shè)問6】換用精度0.01g的電子天平，天平示數(shù)先減小，待錐形瓶冷卻后，示數(shù)又增大為什么？

【PPT圖片定格】兩次實驗用的電子天平的精度畫面。

【討論】天平精度對稱量實驗的影響。

【過渡】 歷史上化學(xué)家們是怎樣研究這個問題的呢？

（5）教材經(jīng)典實驗

【賞析經(jīng)典】教師帶領(lǐng)學(xué)生對教材中有關(guān)“拉瓦錫測定空氣組成實驗”進(jìn)行閱讀賞析：這個實驗可謂是一箭三雕。第一，驗證了空氣是混合物；第二，提出了氧化學(xué)說；第三，定量證明了質(zhì)量守恒定律。這個實驗值得品味的地方很多，我們著重來看兩個方面。一個是化學(xué)體系的選擇、二是實驗裝置的設(shè)計。

科學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)使他們眼睛里容不得半點(diǎn)瑕疵，而拉瓦錫時代的工具和技術(shù)（小于0.2%的質(zhì)量變化就覺察不出來）不能滿足嚴(yán)格的要求。直到20世紀(jì)初，德國、英國化學(xué)家分別進(jìn)行了精密度極高的實驗（0.0001g），可檢測到質(zhì)量變化的萬分之一克，這個差別在實驗誤差范圍之內(nèi)。至此，科學(xué)家一致承認(rèn)了這一定律。

【誦讀經(jīng)典】 這是在學(xué)生經(jīng)歷了若干個課堂實驗及化學(xué)史學(xué)習(xí)后的誦讀，學(xué)生的體會一定是豐滿的，思維也一定是多角度的，既是學(xué)生思維整理階段也可以從中得以提升。

3. 科學(xué)歸納，思維提升

【學(xué)生活動】閱讀書本、觀察圖片，尋找質(zhì)量守恒定律的微觀解釋。

[結(jié)束語]原子、分子從假說到理論的發(fā)展過程，都是在科學(xué)實驗事實的“逼迫”下，不斷修正的歷史的過程?？茖W(xué)需要大膽甚至瘋狂的猜想，不過再瘋狂的科學(xué)猜想最終都須通過科學(xué)實證的檢驗。猜想與實證是科學(xué)進(jìn)步的一對翅膀……

【視頻播放】《與霍金一起了解宇宙》的片頭。

四、教后總結(jié)

通過這節(jié)課，筆者將化學(xué)實驗與化學(xué)史中經(jīng)典實驗案例結(jié)合，試圖使學(xué)生理解質(zhì)量守恒定律的內(nèi)涵，感受設(shè)計科學(xué)實驗的一般步驟和方法，認(rèn)識定量研究對于化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重要作用，從而達(dá)到構(gòu)建元素觀、守恒觀和學(xué)習(xí)、了解科學(xué)歸納法的目的。

質(zhì)量守恒定律是在大量科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上抽象和概括出的所有化學(xué)反應(yīng)遵循的規(guī)律，課堂教學(xué)中突出實驗教學(xué)是重中之重。筆者靈活運(yùn)用教材中的演示實驗，改進(jìn)實驗的呈現(xiàn)方式，增設(shè)了創(chuàng)新實驗。不同條件下的化學(xué)變化稱量實例多次營造了認(rèn)知沖突，不斷激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣和探究的動力。如：同樣在敞口錐形瓶中完成的兩個演示實驗，稱量結(jié)果“不變”與“變輕”首次引發(fā)學(xué)生對如何定量研究化學(xué)變化進(jìn)行思考；由剛性與彈性密閉容器對比形成質(zhì)量的差異，讓學(xué)生認(rèn)知浮力因素帶來的微妙刺激；“白磷燃燒”的視頻實驗再次形成懸念，使學(xué)生首次體會到稱量儀器的精度對定量化學(xué)實驗的影響和意義。以上三組課堂實驗都以反常的現(xiàn)象和結(jié)果使課堂高潮迭起，達(dá)到“激疑”“激趣”“激情”[3]進(jìn)而“誘思”的教學(xué)效果。

在教學(xué)策略的設(shè)計上，以突出學(xué)科觀念和科學(xué)方法的構(gòu)建為主線，大膽打破課堂時間和空間的局限，讓學(xué)生充分感受化學(xué)學(xué)科的魅力。筆者先由太空稱重與地面稱重的對比，將學(xué)生的興趣迅即調(diào)動起來，自然地引入本節(jié)課的課題。再創(chuàng)設(shè)多種不同情境下的化學(xué)變化稱量實例，讓學(xué)生初步體驗科學(xué)探究的過程。接著引導(dǎo)學(xué)生對拉瓦錫經(jīng)典實驗的賞析→化學(xué)史的引入→方法歸納，最終以霍金探索宇宙奧秘的短片結(jié)束，巧妙地呼應(yīng)了課的開場。質(zhì)量守恒定律的概念及應(yīng)用在教學(xué)中固然重要，但是其中隱藏的學(xué)科思想方法更加重要，也是往往被一般的課堂教學(xué)所忽略的。

參考文獻(xiàn)

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