學科核心素養(yǎng)視域下的“質量守恒定律”教學再思考

福建省泉州市城東中學(362000) 鄭秀明

為落實教育部《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》的要求，高中化學課程修訂組根據(jù)教育部課標修訂的要求，根據(jù)“中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)”和高中化學課程特點，提出包含“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”等5個高中化學核心素養(yǎng)。初中化學課程與高中課程一脈相承，理念相通。教師如果能在義務教育階段善于用核心素養(yǎng)的理念指導教學，那么對后續(xù)的高中階段學科素養(yǎng)的形成將起到重要作用。現(xiàn)以義務教育滬教版九年級化學教材第4章第2節(jié)“化學反應中的質量關系”為例，結合筆者的教學實踐，從學科核心素養(yǎng)視角反思教學中存在的問題、解讀教材內容，分析并設計教學過程，提出教學建議，促進學生深度學習，培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)。

1 “質量守恒定律”教學中存在的問題反思

“質量守恒定律”這節(jié)課無論在公開教學還是比賽活動中，使用頻率都很高，但我們在教學觀察中發(fā)現(xiàn)部分教師在教學中存在一些問題。

1.1 對化學史教學重視不夠

教學中不能簡單停留在波義爾和拉瓦錫進行不同實驗得出不同結論的對比上，分析哪個科學家在實驗設計上更具有科學性。而是應抓住化學史教育契機，以知識傳授為載體，從質量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，科學家不屈不撓、堅持不懈地追求真理等素材中提煉教學片段，進行教學滲透，培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)。

1.2 對實驗探究方式有誤讀

質量守恒定律是科學家經(jīng)過長期的探索、無數(shù)的實驗才得出的結論。最后通過精密的儀器測出反應前后質量相差極小，在誤差允許的范圍內，才得到一致公認。我們學習的目的是認識質量守恒定律，說明化學反應中的質量關系。在時間有限、儀器簡陋、學生實驗探究能力還處于初級水平的情況下，課堂教學更適合于驗證性的實驗。而有的教師要組織學生去探究得出質量守恒定律。這已經(jīng)超越了學生當前的認知水平和心理發(fā)展特征。當然課堂教學時間也不允許，而且也沒必要去探究前人已經(jīng)得出的結論。

1.3 對宏觀認識教學有誤差

質量守恒定律關注的重點是化學反應中反應物與生成物間的質量關系。由于反應在實驗裝置中進行，稱量的是整個體系的質量，因而教師還要及時引導學生進行思維轉換，認識研究的核心，不能通過反應前后天平兩邊仍保持平衡，就匆忙得出結論。這將導致學生產(chǎn)生認知誤差，以為反應前的各物質質量簡單相加就會等于生成物的質量(如2 g氫氣在8 g氧氣中燃燒能生成10 g水)，對后續(xù)定比定律的學習認知將造成不利影響。

1.4 對微觀解釋有誤解

質量守恒的微觀解讀是建立在分子、原子的基礎上去分析化學變化的。學生的前知識是水電解本質上是水分子分解成氫原子和氧原子，每兩個氫原子結合成一個氫分子，每兩個氧原子結合成一個氧分子。因而教學上以水電解為例進行微觀分析比較符合學生的認知發(fā)展規(guī)律，盡量不以教材中金屬鎂和氧氣的反應為例與學生進行討論。因為學生會認為氧化鎂中只有鎂離子和氧離子，沒有鎂原子和氧原子。在學生認識水平和知識容量有限的情況下很容易造成誤解。

2 基于學科核心素養(yǎng)視角的教材理解

化學從定性研究發(fā)展到定量研究，才真正成為一門科學。質量守恒定律是學習定量研究化學反應的起點，屬于化學核心知識，是初中化學學習階段唯一的定律，也是書寫化學方程式和根據(jù)化學方程式計算的必備知識，在生活、生產(chǎn)、科研中運用廣泛。它研究的對象是一切的化學反應；本質是在原子、分子的基礎上揭示宏觀的質量守恒；學習方式是科學探究；教育情感是激發(fā)學生學習化學的興趣；教育價值是樹立學科觀念和科學精神，教學終極目標是培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)。

在新課改理念的指引下，滬教版教材設計思路以“化學反應中的質量關系”為主題，改變了舊教材以“質量守恒定律”為章節(jié)主題，目的是設計懸念，不預先設定結果，通過科學探究得出結論。由于學習方法是科學探究，所以教材編排順序是在學習了第1章鎂條性質實驗探究、第2章氧氣和二氧化碳制取和性質實驗以及第4章第1節(jié)物質燃燒條件探究之后，學生具備了基本的實驗操作技能，對實驗探究方法步驟有一定了解的基礎上進行的，符合學生的認知發(fā)展規(guī)律。由于研究的對象是化學變化，學生對化學反應要有一定的認知，教材以學生已有知識“化學變化產(chǎn)生新物質”為引子，提出學習的內容；設計“火柴燃燒后只余下少許灰燼，薄銅片加熱后表面變黑”的實驗現(xiàn)象，讓學生思考化學變化中物質質量是否改變?yōu)閱栴}情境，激發(fā)學生的好奇心和探究欲望；通過探究得出結論引導學生分析和解決情境設計中的化學問題，培養(yǎng)學生的分析推理、解決問題的實際能力。對于質量守恒定律的微觀解釋也是建立在學習了微觀粒子的基礎上，用微粒的觀點解釋純凈物和混合物、物理變化和化學變化。引領學生從“宏觀”到“微觀”的認識逐漸擴展到對變化中“質”到“量”的研究。為后續(xù)化學方程式的書寫和計算作教學鋪墊。因而教學中教師應關注課標、研究教材，深刻理解課程的設計思路和意圖，重視學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，引導學生深度學習。

高中化學學科通過5個方面來培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)，而義務教育滬教版“化學反應中的質量關系”的內容全部涉及到，這在初中的教材章節(jié)中是很少見的，說明了本節(jié)課在全面培養(yǎng)學生學科素養(yǎng)方面的地位和作用。其內容主要體現(xiàn)4個方面：

(1)了解定律。從歷史發(fā)展的角度認知，培養(yǎng)學生嚴謹求學的科學態(tài)度，探索未知、崇尚真理的意識。

(2)驗證定律。從實驗探究的角度驗證，培養(yǎng)學生證據(jù)意識、實驗動手能力、科學探究方法、合作精神、創(chuàng)新意識。

(3)解釋定律。從微觀探析的角度揭示水分解過程，加上符合表征，相對分子質量的計算，詮釋化學變化的本質和質量守恒的原因，幫助學生樹立微粒觀、元素觀、變化觀、守恒觀，培養(yǎng)學生證據(jù)推理和模型認知的意識。

(4)運用定律。從實際應用的角度感知定律，能多角度、動態(tài)地分析化學變化，運用“變化觀念與平衡思想”解決實際問題。教學內容、認識角度和學科素養(yǎng)的具體關系如圖1所示。

圖1 教學內容、認識角度和學科核心素養(yǎng)三者的關系

3 基于學科核心素養(yǎng)的教學設計思路

按照《義務教育化學課程標準(2011年版)》的要求，本節(jié)課要讓學生認識質量守恒定律，能說明化學反應中的質量關系；認識定量研究對于化學科學發(fā)展的重要作用。因而,筆者在教學實踐中根據(jù)課程標準、教材的編寫意圖，結合學生的實際，在學科核心素養(yǎng)理念的指引下，設計以問題為導向的教學思路：即創(chuàng)設情境提出問題，激發(fā)學生的好奇心和求知欲；設計活動探究問題，構建質量守恒定律的概念；引導學生分析問題，從微觀的角度揭開定律的神秘面紗；運用知識解決問題，在實踐中檢驗真理，認識定量研究的意義。教學設計具體思路見圖2。

圖2 教學設計思路

4 基于學科核心素養(yǎng)的教學過程設計

4.1 創(chuàng)設情境提出問題環(huán)節(jié)

教師演示木條燃燒、銅片加熱變黑的實驗，并提出問題：上述兩種變化屬于什么變化？

學生活動：觀察描述現(xiàn)象，回答問題。

教師提出問題：物質發(fā)生化學變化時都有新物質的生成，同時也伴隨能量的吸收或釋放。那么在化學變化中物質的質量變化與否？

設計意圖：通過以上兩個實驗創(chuàng)設真實、直觀的學習情境，激發(fā)學習興趣，幫助學生更好地理解和運用化學知識。讓學生知道研究的對象是化學變化，化學變化的判斷依據(jù)是什么？對未知的變化(如銅片的加熱)也要會根據(jù)所學的知識進行識別，為后面學習硫酸銅溶液與氫氧化鈉溶液的實驗埋下伏筆。

4.2 尋找證據(jù)作出假設環(huán)節(jié)

學生活動：通過課本、電腦、手機等查詢資料、交流討論，作出初步的判斷。

教師活動：播放視頻，介紹科學家通過科學探究認識化學反應中各物質質量之間關系的歷程。從不同時間節(jié)點介紹波義爾和施塔爾在敞口容器中研究金屬汞和木炭燃燒的實驗；羅蒙諾索夫在密閉的容器中燃燒錫發(fā)現(xiàn)總質量不變；拉瓦錫在研究空氣的成分后用較精確的定量實驗法驗證了羅蒙諾索夫的猜想。

學生活動：觀看視頻，體會化學科學發(fā)展史，感受科學家對真理的探究精神和艱辛歷程，并收集證據(jù)，作出假設。

設計意圖：質量守恒定律是科學家的一個偉大發(fā)現(xiàn)，是科學理論不斷完善的過程，也是幾代科學家艱苦奮斗、執(zhí)著追求的結果。通過視頻資料引導學生學習體會質量守恒定律的發(fā)展史，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和社會責任感。

4.3 交流討論設計方案環(huán)節(jié)

教師活動：讓學生發(fā)表觀看視頻后的感受，并引導分析科學家在不同歷史條件和技術水平不同的情況下得出不同結論的原因，最終確定自己的假設。鼓勵學生按照科學家的思路在敞口的容器中設計實驗(如課前教師做的火柴燃燒和銅片加熱實驗)；也可參照科學家的思路在密閉的容器中進行。結合教材、已有知識經(jīng)驗或查閱的資料，進行方案設計，驗證自己的猜想。

學生活動：交流討論，設計方案。

設計意圖：通過交流討論，引導學生從質量守恒定律的發(fā)現(xiàn)中，分析科學家成敗的原因。明確實驗應該在密閉的容器中進行才科學合理。

4.4 動手實驗實施方案環(huán)節(jié)

學生活動：在教師的指導下,根據(jù)提供的藥品儀器分組進行實驗,收集證據(jù)。

教師活動：引導學生進行規(guī)范操作，觀察現(xiàn)象。尤其把觀察點聚焦在電子天平在反應前后的質量顯示上，推測是否發(fā)生化學變化，質量是否發(fā)生改變？記錄實驗結果，收集實驗數(shù)據(jù)。

設計意圖：讓學生在科學探究的過程中感受樂趣，在知識的形成過程中養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

4.5 獲取證據(jù)得出結論環(huán)節(jié)

學生活動：各組分析實驗數(shù)據(jù)，交流討論，匯報實驗結果。

教師活動：根據(jù)學生匯報的結果，教師以“氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應”“碳酸鈣與鹽酸反應”為例，分析在密閉的裝置中參加化學反應的各物質質量與反應后生成的各物質質量的關系，如圖3和圖4所示。明確指出實驗的裝置只是反應的載體，沒參加反應和反應剩余的物質都不是我們研究的對象。然后讓學生以“火柴燃燒”和“銅片加熱”為例分析為什么反應前后質量會不相等？進行對比，從而得出正確的結論。

圖3 氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應

圖4 碳酸鈣與鹽酸反應

設計意圖：通過引導學生對數(shù)據(jù)進行細化處理，分析從反應前后體系的質量相等到具體反應前后質量相等的思維過程，凸顯本節(jié)課研究的重點，然后通過數(shù)學歸納法確定最后的結論。

4.6 微觀探析揭示定律環(huán)節(jié)

教師提出問題：為什么化學反應會遵守質量守恒定律？以水電解為例，組織學生觀看水電解的微觀動畫視頻，讓學生從微觀的角度感知化學變化的過程是分子分裂成原子，原子重新組合成新分子的過程。然后展示水分子分解的微觀示意圖(見圖5)，讓學生計算反應前后相對質量的變化關系，由此揭示出質量守恒的微觀本質。

圖5 水分子分解的微觀示意圖

學生活動：學生觀看視頻，通過計算，從微觀的角度分析原因。

教師活動：組織學生分別從宏觀和微觀兩個方面討論化學變化中存在的變與不變的關系。

學生活動：在師生討論的基礎上總結出宏觀方面的“一變兩不變”，即“物質種類改變”“反應前后總質量不變”“元素種類不變”；微觀方面的“一變三不變”，即“分子種類改變”“原子個數(shù)不變”“原子種類不變”“原子質量不變”。

設計意圖：這個環(huán)節(jié)的設計既是在引導學生從微觀的角度認識事物的變化與規(guī)律，又是在幫助學生從“物質變化”到“元素守恒”的認識轉化；培養(yǎng)學生宏微結合認識事物及變化的思維方式，形成宏觀現(xiàn)象微觀解釋的思維方法。從“物質——原子——元素”到“宏觀——微觀——宏觀”多角度變換理解，常會給學生帶來思維上的沖突；各種“變”與“不變”的關系轉換，常會給學生帶來理解上的障礙，這些都是教學的難點。

4.7 運用知識解決實際問題環(huán)節(jié)

教師活動:讓探索碳酸鈣與鹽酸反應的同學打開橡皮塞，觀察電子天平屏幕上顯示數(shù)據(jù)的變化，并讓學生運用所學的知識分析變化的原因。

學生活動:學生動手實驗，觀察數(shù)據(jù)變化，運用所學知識解釋實驗現(xiàn)象。

教師活動:通過PPT介紹拉瓦錫利用質量守恒定律研究了葡萄汁加酵母產(chǎn)生酒精和二氧化碳的實驗,闡述拉瓦錫發(fā)現(xiàn)質量守恒定律時就已經(jīng)清楚地認識到定律的應用價值。

學生活動:繼續(xù)學習質量守恒定律的發(fā)展史，感受化學與生活生產(chǎn)的密切聯(lián)系，化學對社會發(fā)展的巨大貢獻。

設計意圖：通過課本實驗進行適當?shù)难由?，進一步探究，讓學生利用所學的知識解決實際問題，學以致用；并通過拉瓦錫研究葡萄汁加酵母的實驗，感受化學的實用性，樹立為科學發(fā)展、社會進步而勤奮學習的志向，培養(yǎng)社會責任感。

5 教學建議

本節(jié)課的教學設計在教學實踐中，得到聽課教師一致好評。他們認為教學無論從認識的廣度上，還是認識的深度上都能促進學生的認知發(fā)展，達到全面培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的目的，對教師深度教學研究有較大借鑒意義。在此，筆者對教學中應注意的問題提幾點建議：

(1)從拓寬認識的角度幫助學生了解知識。如創(chuàng)設燃燒、葡萄汁加酵母的實驗等，讓學生在已有知識的基礎上認識化學反應中質的變化和量的關系；在學科域方面如通過歷史認知、實驗探究、微觀探析，從不同角度了解、確認、分析質量守恒定律，不斷豐富學生的認知；在社會域方面體會知識在生活、生產(chǎn)、科研的實際應用，為人類的發(fā)展服務，讓學生認識定量研究對化學學科發(fā)展的重大意義。

(2)應拓展認識的深度促進學生認知發(fā)展。從歷史記載(古)到實驗探究(今)的學習、從宏觀辨析(宏)到微觀探析(微)的學習、從定性研究(性)到定量研究(量)的學習，從孤立靜止的模型認知(靜)到系統(tǒng)動態(tài)的觀察(動)學習，讓學生的認識水平由淺入深，逐步提高，學科素養(yǎng)也在認識中逐步地形成。

(3)應在理清認識思路的基礎上構建認知模型。從了解定律、探究定律、分析定律到運用定律的認知過程中，幫助學生理順思路，使學習線索更加清晰。在此基礎上，教師還應幫助學生構建“科學探究認識物質與變化”的思維模式，“三重表征認識物質與變化”的思維模式，“從感性認識到理性認識，又從理性認識到實踐”的思維模式，使學生的認識發(fā)展得到全面地提升，學科素養(yǎng)得到全面發(fā)展。