基于學(xué)習(xí)進階理論的化學(xué)概念教學(xué)實踐

周盼盼 劉成國

［摘 要］文章以“質(zhì)量守恒定律”的概念教學(xué)為例，基于學(xué)習(xí)進階理論，深入挖掘教材資源，充分考慮學(xué)生認知起點，引導(dǎo)學(xué)生進行真實的科學(xué)探究，借助問題串引發(fā)學(xué)生深度思考，培養(yǎng)學(xué)生高階思維，為化學(xué)概念性知識教學(xué)提供科學(xué)案例。

［關(guān)鍵詞］學(xué)習(xí)進階理論；質(zhì)量守恒定律；概念教學(xué)

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2024）08-0053-04

一、進階教學(xué)設(shè)計思路

質(zhì)量守恒定律是分析物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系的重要理論依據(jù)，它的應(yīng)用貫穿于整個中學(xué)化學(xué)。對質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)，能幫助學(xué)生從“質(zhì)”上升到“量”去認識化學(xué)反應(yīng)，為之后化學(xué)方程式的書寫和計算奠定重要的理論基礎(chǔ)，并幫助學(xué)生逐步掌握宏觀、微觀、符號相結(jié)合的化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)方式，構(gòu)建變化觀、守恒觀、微粒觀等化學(xué)觀念，同時為高中學(xué)習(xí)元素化合物、化學(xué)平衡等知識做好理論鋪墊。質(zhì)量守恒定律是初中化學(xué)的教學(xué)重點之一，也是初高中化學(xué)銜接教學(xué)的重要內(nèi)容之一 。

以往有關(guān)概念的教學(xué)多采用“給出概念的內(nèi)涵→講解概念中的關(guān)鍵詞→通過練習(xí)題進行概念的應(yīng)用及迷思概念的糾正”的教學(xué)方式。這種教學(xué)方式雖然可以節(jié)約時間，能夠在較短時間內(nèi)將概念灌輸給學(xué)生，但對學(xué)生建構(gòu)概念、理解概念、應(yīng)用概念解決實際問題無法形成有效的幫助，學(xué)生很快便會忘記所學(xué)概念的準(zhǔn)確定義，并產(chǎn)生更多的迷思概念。學(xué)習(xí)進階理論是對學(xué)生在某一時間跨度內(nèi)，學(xué)習(xí)和探究某一主題時，依次進階、逐級深化的思維方式的描述［1］。該理論認為，學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)核心概念的過程中存在一種潛在發(fā)展序列，對概念的學(xué)習(xí)是前后連貫的，教學(xué)要在以前學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進行發(fā)展和延伸［2］。不少教學(xué)案例［3-6］證明，該理念能有效地解決概念教學(xué)問題，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力?；谝陨戏治?，筆者結(jié)合學(xué)習(xí)進階理論，設(shè)計了一堂“質(zhì)量守恒定律”概念教學(xué)課。

（一）基于課標(biāo)的進階分析

“質(zhì)量守恒定律”是《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中“物質(zhì)的化學(xué)變化”主題下的基礎(chǔ)概念，相關(guān)要求見表1［7］。從表1可以看出，對質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)要求包括從定性和定量、宏觀和微觀多個方面去理解概念，多角度分析和解決生產(chǎn)生活問題等?；趯Α墩n程標(biāo)準(zhǔn)》的分析，我們可以找到本課教學(xué)的錨定終點：多角度理解化學(xué)變化中的質(zhì)量關(guān)系，應(yīng)用質(zhì)量守恒定律解決或解釋實際問題。

（二）基于教材的進階分析

“質(zhì)量守恒定律”相關(guān)概念在上教版九年級上冊教材中主要安排在第四章“認識化學(xué)變化”中。在此之前，學(xué)生已接觸過少量與質(zhì)量守恒定律概念相關(guān)的內(nèi)容，具體見表2。從表2可以看出，教師在之前的教學(xué)中已對相關(guān)概念有所滲透，但未進行系統(tǒng)性的教學(xué)。根據(jù)教材分析，我們可以找到本課教學(xué)的錨定起點：知道一種物質(zhì)可以通過化學(xué)變化變成其他物質(zhì)，但反應(yīng)物及生成物中應(yīng)含有同種元素［8］；對分子、原子、離子及它們之間的關(guān)系有初步的認識；能夠預(yù)測化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量不變。

（三）基于認知的進階分析

根據(jù)兒童認知發(fā)展規(guī)律可知，九年級學(xué)生的思維已進入形式運算階段，具有一定的演繹推理、組合分析能力，抽象思維已占優(yōu)勢地位，但邏輯思維發(fā)展還是經(jīng)驗型的，仍需要形象思維的支持［9］。?？藸柤捌喗苷J為科學(xué)知識的發(fā)展史與學(xué)生的認知變化過程之間有高度的一致性。通過對化學(xué)史的學(xué)習(xí)可以知道，質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了漫長的過程，主要經(jīng)過思考想象、實驗證實、理論定律三個階段（見圖1）［10］。因?qū)W生已有元素守恒等前認知，幾乎所有學(xué)生都能做出“質(zhì)量守恒”的猜想，但實際生活經(jīng)驗卻會使學(xué)生對“質(zhì)量守恒”產(chǎn)生懷疑，并且學(xué)生對“質(zhì)量守恒”中的“質(zhì)量”一詞會產(chǎn)生多種解釋，這些都可能成為學(xué)生認知轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵點。學(xué)生在第三章剛接觸微觀世界，用微觀視角解釋質(zhì)量守恒也是學(xué)生認知的轉(zhuǎn)變點。根據(jù)認知分析，我們可以找到本課教學(xué)的中間臺階：設(shè)計正確的實驗驗證質(zhì)量守恒定律，促進學(xué)生實現(xiàn)從“實驗體系”到“具體反應(yīng)”、從“宏觀認識”到“微觀解釋”的思維轉(zhuǎn)變。

基于以上分析，我們最終形成了“質(zhì)量守恒定律”學(xué)習(xí)的進階假設(shè)（見圖2）。

二、教學(xué)片段

（一）L1到L2的進階教學(xué)

師：科學(xué)實驗有證實或證偽的作用，我們可以通過實驗來證明猜想與假設(shè)是否正確?，F(xiàn)在請大家一起來設(shè)計化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系實驗。

【學(xué)生活動】根據(jù)所給儀器和藥品設(shè)計實驗，并用簡圖的形式展現(xiàn)。

【教師活動】給各小組分配實驗任務(wù)，為節(jié)約時間同時減少偶然性誤差，安排每三組做相同的兩個實驗，并指導(dǎo)學(xué)生實驗。

【學(xué)生活動】完成實驗，記錄現(xiàn)象，分享實驗結(jié)果（具體見表3）。

師：這些實驗中化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量有增、有減、有不變，即使是同一個化學(xué)反應(yīng)，也會出現(xiàn)不同的結(jié)果，為什么會這樣？

生：雖然是同一個化學(xué)反應(yīng)，但它們是在不同的環(huán)境下進行的。比如，石灰石和稀鹽酸的反應(yīng)，如果在敞開環(huán)境中進行，實驗結(jié)束后天平會右傾，而在密閉環(huán)境中，天平會保持平衡。

師：氫氧化鈉和硫酸銅在敞開環(huán)境和密閉環(huán)境中反應(yīng)，天平都會保持平衡，而銅和氧氣在敞開環(huán)境中反應(yīng)，天平傾斜的方向與石灰石和稀鹽酸的反應(yīng)相反，這又如何解釋？

生：石灰石與稀鹽酸的反應(yīng)有氣體產(chǎn)生，如果在敞開環(huán)境中進行，氣體會逸散至空氣中，氣體產(chǎn)物的質(zhì)量是稱不到的，因此天平會右傾；如果在密閉環(huán)境中進行，氣體不會逸散至空氣中，可以被稱量到，所以天平平衡。銅粉和氧氣的反應(yīng)有氣體參與，在敞開環(huán)境中進行時，反應(yīng)前只稱量銅粉的質(zhì)量，反應(yīng)物氧氣的質(zhì)量沒有計算在內(nèi)，反應(yīng)后固體產(chǎn)物質(zhì)量增加，導(dǎo)致天平左傾。而氫氧化鈉與硫酸銅反應(yīng)不會產(chǎn)生氣體也沒有氣體參與反應(yīng)，因此在敞開環(huán)境與密閉環(huán)境中的結(jié)果是一樣的。

師：根據(jù)剛才的分析，“化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系”實驗的關(guān)鍵點是什么？

生：要在密閉環(huán)境中進行實驗，尤其是有氣體參加和有氣體產(chǎn)生的實驗。

師：同學(xué)們總結(jié)得很到位。過去有不少科學(xué)家對化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系很感興趣，我們來看一下波義耳和拉瓦錫這兩位科學(xué)家的實驗以及他們各自得出的結(jié)論，并思考為什么看似非常相似的實驗，得出的結(jié)論卻不同。你認為誰的結(jié)論更有科學(xué)性？

生：波義耳的實驗是在敞開環(huán)境中進行的，拉瓦錫的實驗是在密閉環(huán)境中進行的。而實驗中的反應(yīng)是有氣體參加的，需要在密閉環(huán)境中進行，因此拉瓦錫的實驗更具科學(xué)性。

師：剛才在做石灰石與稀鹽酸反應(yīng)的實驗時，有的小組出現(xiàn)了沖塞，導(dǎo)致實驗結(jié)果不準(zhǔn)確。我們可以對這個實驗裝置進行怎樣的改進來避免這樣的現(xiàn)象出現(xiàn)呢？

【學(xué)生活動】設(shè)計更多的密閉體系并思考其特點（見表4）。

反思評價：質(zhì)量守恒定律是經(jīng)過大量實驗歸納總結(jié)得出的。在課堂上不可能做太多次實驗，但有必要做一些有代表性的實驗?；谌嫘约皩嶒灛F(xiàn)象須明顯等方面的考慮，選擇了具有代表性的三類課堂實驗，即有氣體參加的實驗、有氣體生成的實驗、有沉淀生成的實驗。分析相關(guān)化學(xué)史可知，在實驗證實階段初期，波義耳等人因?qū)嶒炘O(shè)計缺陷導(dǎo)致未能得出正確結(jié)論。因此，本環(huán)節(jié)設(shè)計了敞開環(huán)境與密閉環(huán)境的對比實驗，幫助學(xué)生找到實驗的關(guān)鍵點。不少化學(xué)反應(yīng)需在密閉環(huán)境中進行，如紅磷燃燒、硫燃燒等。在學(xué)生已有一定實驗基礎(chǔ)的情況下，加入密閉實驗裝置的設(shè)計，不僅可豐富質(zhì)量守恒定律實驗的裝置，還可培養(yǎng)學(xué)生的實驗設(shè)計能力，開拓學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。適當(dāng)添加化學(xué)史，讓學(xué)生知道自己的想法與科學(xué)家的思想有很大的相似之處，從而獲得成就感，建立起學(xué)習(xí)化學(xué)的信心。

（二）L2到L3的進階教學(xué)

師：根據(jù)前面的這些實驗，我們可以得出怎樣的結(jié)論？

生：化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量不變。

師：似乎這個結(jié)論還需要繼續(xù)完善，因為不清楚這里的“質(zhì)量”指的是誰的質(zhì)量，反應(yīng)物的？產(chǎn)物的？還是其他物質(zhì)的？如何完善結(jié)論？

生1：反應(yīng)前裝置內(nèi)物質(zhì)的總質(zhì)量=反應(yīng)后裝置內(nèi)物質(zhì)的總質(zhì)量。

生2：不對，應(yīng)該是參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的總質(zhì)量=反應(yīng)后生成的物質(zhì)的總質(zhì)量。我們討論的是化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系，不參加反應(yīng)的物質(zhì)不能算在內(nèi)，比如不參加化學(xué)反應(yīng)的實驗儀器、沒反應(yīng)完的石灰石、雜質(zhì)等都不能算在里面。

師：學(xué)生2說得很有道理?？墒俏覀冊谔炱缴戏Q量的并不只有參加反應(yīng)的物質(zhì)及反應(yīng)生成的物質(zhì)，我們是如何得出它們相等的呢？以石灰石與稀鹽酸的反應(yīng)為例，請大家寫出反應(yīng)前后天平上具體有哪些物質(zhì)再做分析。

【學(xué)生活動】思考分析，分析結(jié)果見表5。結(jié)論：參加反應(yīng)的碳酸鈣與參加反應(yīng)的氯化氫的質(zhì)量總和等于生成的氯化鈣、水、二氧化碳的質(zhì)量總和。

反思評價：本教學(xué)環(huán)節(jié)非常重要的一點是解決質(zhì)量守恒中“質(zhì)量”的范圍這一問題，促使學(xué)生實現(xiàn)從“實驗體系”到“具體反應(yīng)”的思維轉(zhuǎn)變。通過討論分析，讓學(xué)生明白這里的質(zhì)量守恒不是整個實驗體系的質(zhì)量守恒，而是參加反應(yīng)的物質(zhì)的總質(zhì)量與產(chǎn)物的總質(zhì)量之間的守恒。在分析的過程中，學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，完善和理解質(zhì)量守恒定律，提升自我建構(gòu)概念的能力。

（三）L3到L4的進階教學(xué)

師：科學(xué)家通過無數(shù)的實驗證明了質(zhì)量守恒定律，即參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和。化學(xué)的特征是從分子層次認識物質(zhì)?，F(xiàn)在，我們來看一看水電解的微觀過程，也許能幫助大家理解質(zhì)量守恒的本質(zhì)。

生：水的電解反應(yīng)前后，氫、氧原子的個數(shù)都沒有發(fā)生變化。

師：請計算水的電解反應(yīng)前后相對質(zhì)量的變化，再從微觀角度解釋質(zhì)量守恒定律的本質(zhì)。

生：反應(yīng)前：[2×（1×2+16）=36]，反應(yīng)后：[2×2+16×2=36]。質(zhì)量守恒定律的本質(zhì)是化學(xué)反應(yīng)中，原子的種類、數(shù)目、質(zhì)量沒有改變。

師：請嘗試著用化學(xué)符號與數(shù)字表示這個過程。

【學(xué)生活動】書寫：2H2O →? 4H + 2O → 2H2 + O2。

師：剛才同學(xué)們用化學(xué)符號及數(shù)字表達的這個過程，如果除去中間的變化過程，再加上條件及氣體符號，就是我們即將學(xué)習(xí)的化學(xué)方程式。化學(xué)方程式的依據(jù)之一就是質(zhì)量守恒定律。

反思評價：借助水電解的微觀過程理解質(zhì)量守恒的本質(zhì)，使學(xué)生的微粒觀及新建立的守恒觀有效融合，這有助于學(xué)生實現(xiàn)從“宏觀認識”到“微觀解釋”的思維進階，加深對質(zhì)量守恒定律的理解。此外，引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度進行分析，初步認識微粒間的數(shù)目比例關(guān)系，可為后續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)方程式的書寫及應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

（四）L4到L5的進階教學(xué)

師：請同學(xué)們利用剛才所學(xué)的知識解釋生活中遇到的兩個問題：①為什么蠟燭燃燒質(zhì)量會減少？②為什么鐵生銹質(zhì)量會變大？

生：①蠟燭燃燒產(chǎn)生的水和二氧化碳都逸散到空氣中，所以質(zhì)量減少。②鐵生銹會消耗空氣中的水和氧氣，所以質(zhì)量變大。

師：學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律不僅能解釋生活中的一些現(xiàn)象，還能幫助我們確定物質(zhì)的元素組成。請思考：某物質(zhì)在氧氣中燃燒生成H2O和CO2，該物質(zhì)的組成元素是什么？

生：一定含有氫元素和碳元素，可能含有氧元素。

師：質(zhì)量守恒定律還能幫助我們計算反應(yīng)物或生成物的質(zhì)量。請思考：

①24 g鎂與16 g氧氣恰好完全反應(yīng)，則生成的氧化鎂的質(zhì)量是多少？

②每4 g氫氣恰好能在32 g氧氣中燃燒生成36 g水。那么4 g氫氣在50 g氧氣中燃燒生成的水的質(zhì)量是多少？

③1.6 g某物質(zhì)在氧氣中燃燒生成1.8 g H2O和4.4 g CO2，此時是否能確定該物質(zhì)中含有氧元素？

【學(xué)生活動】作答并互批、互評。

反思評價：選擇難度適中的典型練習(xí)題，讓學(xué)生充分運用所學(xué)知識去解決之前的疑惑，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，體會學(xué)習(xí)化學(xué)的實用價值；讓學(xué)生互批、互評，充分發(fā)揮“小先生制”的優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生的溝通交流能力；布置有關(guān)質(zhì)量守恒定律的簡單計算練習(xí)，為之后化學(xué)方程式的計算教學(xué)做好鋪墊，有利于進行大概念統(tǒng)領(lǐng)下的單元教學(xué)。

三、教學(xué)反思

本教學(xué)設(shè)計從教材分析中找到進階起點，從課程標(biāo)準(zhǔn)的要求中找到進階終點，根據(jù)兒童認知發(fā)展規(guī)律找到進階臺階，每一階段的教學(xué)設(shè)計有理有據(jù)，各級進階水平相對獨立又緊密聯(lián)系，實現(xiàn)進階水平的螺旋上升。結(jié)合化學(xué)史設(shè)計探究實驗，讓學(xué)生感受科學(xué)發(fā)展的進階過程，同時實現(xiàn)化學(xué)概念學(xué)習(xí)的依次進階和逐級深化。概念的應(yīng)用是概念學(xué)習(xí)的一次飛躍，合理挑選及整體編排習(xí)題，能有效促進學(xué)生從理論到應(yīng)用的進階。

從整體來看，本節(jié)課的進階目標(biāo)既是本節(jié)課的終點，也是后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的起點。本節(jié)課可作為“定量認識化學(xué)變化”大單元教學(xué)的臺階之一。該大單元教學(xué)可分成三個部分：化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系、化學(xué)方程式的書寫與應(yīng)用、依據(jù)化學(xué)方程式的計算。學(xué)生依次完成這三個部分的學(xué)習(xí)，最終完成“符號定性表征反應(yīng)階段→符號定量表征反應(yīng)階段→宏微結(jié)合理解符號階段→三重表征初步整合階段”的認知進階，實現(xiàn)更高更遠層次的進階學(xué)習(xí)。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

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（責(zé)任編輯 羅 艷）