基于化學(xué)史與實驗探究融合的教學(xué)實踐

劉艷

摘要：以“質(zhì)量守恒定律”的發(fā)現(xiàn)史為主線，串聯(lián)實驗驗證和探究等活動，讓學(xué)生體驗科學(xué)家進行科學(xué)探索的智慧和方法，提高學(xué)生的實驗分析和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量守恒定律；化學(xué)史；實驗探究

文章編號：1008-0546（ 2022 ）11x-0023-04

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.llx.006

化學(xué)史承載著化學(xué)研究的思想，是科學(xué)探究史的重要組成部分，是不斷發(fā)展的知識體系，化學(xué)史教育在化學(xué)教學(xué)中有著不可忽視的作用，在滲透學(xué)科情感價值觀上發(fā)揮著不可替代的作用?；瘜W(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗探究是培養(yǎng)、發(fā)展學(xué)生思維的重要途徑，將化學(xué)史與實驗探究融合，在教學(xué)實踐中有著奇妙的效果。化學(xué)史與實驗探究的融合重現(xiàn)了科學(xué)理論、知識的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，學(xué)生身臨其境地體驗科學(xué)家的經(jīng)典實驗，感受科學(xué)家克服困難的科學(xué)精神。在化學(xué)史教育中融合實驗探究，學(xué)生像“化學(xué)家”一樣進行實驗猜想、驗證、釋疑來構(gòu)建、完善自身的知識體系，形成自己的化學(xué)思維，這樣的融合教學(xué)激發(fā)了學(xué)生探求化學(xué)本質(zhì)的興趣，體驗了追求真理過程中的樂趣，感受與科學(xué)家“對話”的成就感，這樣的融合教學(xué)力圖讓學(xué)生喜歡上化學(xué)，喜歡上實驗探究。

一、教學(xué)主題內(nèi)容

本教學(xué)案例選自人教版九年級化學(xué)上冊第五單元“化學(xué)方程式”課題1“質(zhì)量守恒定律”第一課時。質(zhì)量守恒定律是化學(xué)學(xué)科的重要定律，也是初三化學(xué)學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，是化學(xué)學(xué)習(xí)從定性學(xué)習(xí)到定量學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)折點，是書寫化學(xué)方程式的依據(jù)，是定量計算、分析的依據(jù)。

在本課時學(xué)習(xí)之前，學(xué)生已經(jīng)接觸了很多化學(xué)反應(yīng)，知道了化學(xué)反應(yīng)的基本特征是有新物質(zhì)的生成，也就是說學(xué)生對化學(xué)變化有了一定的“定性”上的認(rèn)識，并且初步掌握了元素符號、化學(xué)式的書寫，這兩項內(nèi)容的掌握為化學(xué)方程式書寫做好了一定的準(zhǔn)備，通過“質(zhì)量守恒定律”的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以從量的角度了解化學(xué)變化，同也為掌握化學(xué)方程式做好定量的準(zhǔn)備，從“宏觀—微觀—符號”出發(fā)，進一步完善“化學(xué)用語”體系。

課程評價要求：能認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)中各物質(zhì)間存在定量關(guān)系，認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)遵守質(zhì)量守恒定律，理解質(zhì)量守恒定律的微觀本質(zhì)。[1]能選取實驗證據(jù)說明、驗證質(zhì)量守恒定律，并能闡釋微觀本質(zhì)。

基于以上分析，確定該內(nèi)容的學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1．通過實驗設(shè)計與探究，認(rèn)識質(zhì)量守恒定律的研究方法，體驗科學(xué)家進行科學(xué)探索的智慧，更好地理解質(zhì)量守恒定律及其內(nèi)涵，并進行應(yīng)用，能解釋相關(guān)實驗現(xiàn)象。

2．學(xué)習(xí)“整體稱量法”，根據(jù)實驗假設(shè)設(shè)計實驗方法，使實驗更有序高效。

二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點

常規(guī)教學(xué)通常采取以下流程進行：首先導(dǎo)入新課，學(xué)生對“反應(yīng)前后物質(zhì)總質(zhì)量是否改變？”進行猜想，并通過實驗得出結(jié)論，接著對有氣體參加的反應(yīng)進行反應(yīng)前后質(zhì)量改變的原因解釋，學(xué)習(xí)設(shè)計密閉體系，最后從微觀角度解釋質(zhì)量守恒定律的本質(zhì)。這樣的教學(xué)，關(guān)注的是知識本位，常常忽略對質(zhì)量守恒定律發(fā)展過程的認(rèn)識，缺少科學(xué)本質(zhì)上的理解。

筆者以質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)史為主線，設(shè)計蘊含發(fā)現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的探究活動，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)方法和探究步驟對建構(gòu)科學(xué)理論的意義和作用，重視對探究結(jié)果發(fā)現(xiàn)過程的分析與評價。

三、教學(xué)流程

“質(zhì)量守恒定律”一課的教學(xué)流程見表1。

四、教學(xué)過程

[引入]在一定條件下，物質(zhì)之間可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新物質(zhì)，如紅磷燃燒，木炭燃燒，那么參加反應(yīng)的各物質(zhì)質(zhì)量總和與反應(yīng)生成的各物質(zhì)質(zhì)量總和相比較，是否發(fā)生了變化？火柴燃燒變成灰燼，質(zhì)量變小了嗎？樹苗長成參天大樹，質(zhì)量變大了嗎？

不僅我們有困惑，化學(xué)家們也早就開始關(guān)注這個問題。接下我們就回到科學(xué)家所處的年代，去探尋反應(yīng)中質(zhì)量關(guān)系的研究發(fā)展歷程。

1．環(huán)節(jié)一，時空之旅，建立質(zhì)量守恒定律的概念

[教師講述]1673年，英國化學(xué)家波義耳將金屬放在密閉容器里煅燒，煅燒結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了“金屬灰”，然后打開容器蓋稱量，發(fā)現(xiàn)“金屬灰”的質(zhì)量比煅燒前金屬的質(zhì)量增加了。

[提出問題]如果你是波義耳，怎么解釋這個現(xiàn)象呢？

[學(xué)生討論]金屬和氧氣反應(yīng)，生成了新的物質(zhì)。

[教師解釋]在波義耳所處的時代，氧氣還沒有被發(fā)現(xiàn)。

波義耳認(rèn)為應(yīng)該有一種“熱素”，燃燒時與金屬結(jié)合，導(dǎo)致金屬灰的質(zhì)量增加。但是這與當(dāng)時的主流學(xué)說——“燃素學(xué)說”相矛盾。[2]當(dāng)時，還沒有發(fā)現(xiàn)“氧氣”這一物質(zhì)的存在，化學(xué)界普遍認(rèn)為在燃燒的過程中，可燃物釋放出“燃素”，留下灰燼，留下的灰燼比燃燒前可燃物的質(zhì)量明顯小了很多，這個學(xué)說能很好地解釋很多物質(zhì)燃燒后質(zhì)量減小的變化。

[教師講述]波義耳受到“燃素說”的影響，對自己的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了懷疑，沒有繼續(xù)探索，錯失了發(fā)現(xiàn)本質(zhì)的機會。但是，還有很多化學(xué)家在前仆后繼地探究。

[教師講述]1774年，拉瓦錫利用當(dāng)時比較精確的稱量儀器，在密閉容器里進行實驗，他研究了氧化汞的分解和合成反應(yīng)中各物質(zhì)質(zhì)量之間的變化關(guān)系——著名的“十二天實驗”，發(fā)現(xiàn)在密閉容器中加熱金屬使之轉(zhuǎn)化為金屬灰時，整個容器裝置（反應(yīng)前包括金屬，反應(yīng)后包括金屬灰）的質(zhì)量并未改變，并且隨著研究的進行，拉瓦錫發(fā)現(xiàn)了空氣由氧氣與氮氣組成。

后來，拉瓦錫又繼續(xù)做了大量燃燒實驗，比如紅磷燃燒、木炭燃燒等等，歸納出一條規(guī)律，即反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量不變。

[小結(jié)]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們用更先進的測量儀器做了大量精度更高的定量實驗，確認(rèn)拉瓦錫的結(jié)論是正確的，使這一結(jié)論得到公認(rèn)——即質(zhì)量守恒定律，我們來認(rèn)識一下這條定律的內(nèi)容——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。

[過渡]同學(xué)們，我們不能僅僅做“拿來主義者”，更要“實踐出真知”，接下來，該我們出場了。

2．環(huán)節(jié)二，實驗驗證，初步認(rèn)識質(zhì)量守恒定律

[演示實驗1]首先我們從一個非常熟悉的實驗出發(fā)來驗證——紅磷燃燒。實驗裝置如圖1所示，整套裝置在托盤天平上稱量，記錄數(shù)據(jù)m1。然后，取下錐形瓶，將玻璃管在酒精燈火焰上灼燒至紅熱，立即伸入錐形瓶并塞緊橡膠塞，引燃紅磷。待反應(yīng)結(jié)束并冷卻后，再次將整套裝置放在托盤天平上，記錄數(shù)據(jù)m：。

[學(xué)生總結(jié)]實驗現(xiàn)象：紅磷燃燒，產(chǎn)生大量白煙，氣球先膨脹后變癟，m1=m2。

[提出問題]我們來分析一下，反應(yīng)前后所記錄的質(zhì)量各包含了哪些物質(zhì)的質(zhì)量。

[學(xué)生討論]m1包括紅磷、空氣、錐形瓶、橡膠塞、玻璃管、氣球、細(xì)沙的質(zhì)量；m2包括五氧化二磷、剩余空氣、錐形瓶、橡膠塞、玻璃管、氣球、細(xì)沙的質(zhì)量。去掉反應(yīng)前后相同的量，得到m（紅磷）+m（空氣）=m（五氧化二磷）+m（剩余空氣）。又因為反應(yīng)前的空氣可以看成參加反應(yīng)的氧氣和沒有參加反應(yīng)的剩余空氣，也就是m（空氣）=m（參加反應(yīng)的氧氣）+m（剩余空氣），于是最終我們可以得到m（紅磷）+m（參加反應(yīng)的氧氣）=m（五氧化二磷），符合拉瓦錫提出的質(zhì)量守恒定律。

[教師小結(jié)]在實驗前后稱量過程中，我們并沒有單獨稱量紅磷的質(zhì)量、參加反應(yīng)的氧氣的質(zhì)量、生成的五氧化二磷的質(zhì)量，而是運用了“整體稱量”方法，也就是把所有的物質(zhì)和儀器作為一個整體進行稱量，包含了沒有參與反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量，但是并不影響實驗分析，而且這樣的稱量方法使實驗更高效有序?！罢w稱量”這個方法，與實驗假設(shè)中的“質(zhì)量總和”是相一致的，互相聯(lián)系的。

[過渡]我們再用一組實驗驗證。首先給大家介紹一下反應(yīng)原理。鐵釘和硫酸銅溶液反應(yīng)生成銅和硫酸亞鐵溶液。由于這個實驗完全反應(yīng)所需的時間較長，老師提前進行了反應(yīng)前的稱量，（如圖2所示），記錄所稱的質(zhì)量m1，將鐵釘浸沒在硫酸銅溶液中。

[學(xué)生觀察]經(jīng)過一段時間的反應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)，鐵釘表面有紅色物質(zhì)覆蓋，溶液由藍(lán)色變成了淺綠色。

[教師]由實驗現(xiàn)象可以說明鐵釘已經(jīng)完全跟硫酸銅反應(yīng)，這時我們再次進行稱量，記錄數(shù)據(jù)m：，發(fā)現(xiàn)m1= m2.

[學(xué)生討論]m1=m2，即m（參加反應(yīng)的鐵釘）+m（硫酸銅）=m（銅）+m（硫酸亞鐵），再次驗證了反應(yīng)前后參加反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和不變。

[教師小結(jié)]結(jié)合剛才的實驗，我們再來認(rèn)識一下質(zhì)量守恒定律，這里有幾個關(guān)鍵詞需要特別關(guān)注：化學(xué)反應(yīng)、參加、質(zhì)量總和。

[過渡]請同學(xué)們根據(jù)老師提供的實驗藥品和儀器，設(shè)計實驗驗證質(zhì)量守恒定律。

3．環(huán)節(jié)三，實驗探究，深入理解質(zhì)量守恒定律

[學(xué)生討論]小組充分討論后設(shè)計方案，在實驗過程中要測量哪些量？如何進行測量？主要步驟有哪些？學(xué)生小組合作進行實驗探究（見表2）。

[實驗展示]請各組派代表匯報小組的實驗成果。

[學(xué)生]實驗中觀察到白色粉末逐漸消失，產(chǎn)生大量氣泡，反應(yīng)后天平不平衡。

[提出問題]通過實驗，發(fā)現(xiàn)碳酸鈉和稀鹽酸反應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)天平指針向右（砝碼端）偏移，即反應(yīng)后物質(zhì)的總質(zhì)量減小了。為什么呢？

[學(xué)生]實驗中產(chǎn)生了氣體，而產(chǎn)生的氣體逸散到空氣中，沒有稱量到氣體的質(zhì)量。

[提出問題]生成的氣體的質(zhì)量如何稱量？如何才能讓生成的氣體不散失？如何設(shè)計實驗？

[學(xué)生1]用一個蓋子將燒杯蓋住。

[學(xué)生2]在燒杯上加個蓋子，密封性不好，氣體還是會跑走。

[學(xué)生3]可以用氣球套在燒杯上。

[教師演示改進實驗]氣球套在燒杯上，不容易操作，老師將燒杯換成錐形瓶，在瓶口套一個氣球（如圖3所示），錐形瓶中盛有稀鹽酸，碳酸鈉粉末預(yù)先裝在氣球中，將整套裝置放在托盤天平上稱量，記錄數(shù)據(jù)m1。將氣球中的碳酸鈉粉末倒入錐形瓶中，觀察到氣球膨脹，等不再產(chǎn)生氣泡時，將整套裝置放在托盤天平上再次稱量，記錄數(shù)據(jù)m2。

[學(xué)生討論]發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后稱量，天平指針還是向右偏轉(zhuǎn)，這是為什么呢？

[學(xué)生]氣球膨脹，明顯受到空氣浮力的影響，導(dǎo)致反應(yīng)后稱量數(shù)據(jù)減小。

[提出問題]請同學(xué)們繼續(xù)思考，怎樣克服這個浮力導(dǎo)致的問題？

[學(xué)生1]將氣球換成橡皮塞。

[學(xué)生2]但是反應(yīng)會產(chǎn)生大量氣體，壓力變大，使橡皮塞沖出，實驗容易失敗。

[教師展示]展示裝置——硬質(zhì)塑料瓶+小試管（如圖4所示]。預(yù)先在塑料瓶中加入碳酸鈉粉末，將稀鹽酸倒入小試管中，將小試管中用細(xì)線固定在塑料瓶中。

[學(xué)生實驗]學(xué)生用改進后的實驗裝置再次進行實驗，將整套裝置用托盤天平稱量，記錄m1，將塑料瓶倒置，立即發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣泡，待不再產(chǎn)生氣泡后，再次稱量整套裝置，記錄m2，發(fā)現(xiàn)m1=m2，反應(yīng)前后天平保持平衡，即反應(yīng)前后物質(zhì)總質(zhì)量不變。

[前后呼應(yīng)]讓我們再次回到波義耳和拉瓦錫的研究中，請嘗試評價兩者的實驗，為什么拉瓦錫得出了質(zhì)量守恒定律，而波義耳卻與之失之交臂。[3]

[學(xué)生討論]波義耳稱量的是反應(yīng)前金屬的質(zhì)量和反應(yīng)后的金屬灰質(zhì)量，裝置沒有密閉，對比拉瓦錫的實驗，可知波義耳少稱量了參加反應(yīng)的氧氣的質(zhì)量。而拉瓦錫的實驗裝置是密閉的，他稱量的是反應(yīng)前所有物質(zhì)的總質(zhì)量和反應(yīng)后所有物質(zhì)的總質(zhì)量。

4．環(huán)節(jié)四，追本溯源，闡釋質(zhì)量守恒定律本質(zhì)

[教師講述]無數(shù)實驗證明，質(zhì)量守恒定律是正確的。但在當(dāng)時，人們還無法解釋質(zhì)量守恒定律。直到十九世紀(jì)初建立了“原子一分子論”，化學(xué)家才從本質(zhì)上揭示了質(zhì)量守恒的原因。

[提出問題]結(jié)合水分子分解的示意圖（如圖5所示），請闡述水分子分解的本質(zhì)。

[學(xué)生]水分子破裂成氫原子和氧原子，每兩個氫原子重新結(jié)合成一個氫分子，每兩個氧原子重新結(jié)合成一個氧分子。

[追問]請繼續(xù)思考，反應(yīng)前后，原子的種類、數(shù)目、質(zhì)量有沒有發(fā)生改變？

[學(xué)生總結(jié)]反應(yīng)前后，原子的種類、數(shù)目沒有改變，原子的總質(zhì)量也沒有改變，所以化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量不發(fā)生改變。

[承上啟下]此外，拉瓦錫在研究中，不僅關(guān)注了反應(yīng)物與生成物的總質(zhì)量，還關(guān)注反應(yīng)中各物質(zhì)的質(zhì)量。比如，氧化汞分解實驗中，拉瓦錫發(fā)現(xiàn)每45.0份質(zhì)量的氧化汞分解，總是得到41.5份質(zhì)量的汞和3.5份質(zhì)量的氧氣。為什么各物質(zhì)有固定的質(zhì)量關(guān)系？與質(zhì)量守恒定律有何聯(lián)系？下一課時將繼續(xù)探究。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課以質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)史為主線，串起多個探究實驗，課堂上教師充分肯定學(xué)生的思考和實驗改進，盡可能地擴大參與討論的學(xué)生范圍，進行實驗裝置的改進，從實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)史上，少不了化學(xué)家施塔爾、羅蒙諾索夫等人的努力，因為學(xué)生的認(rèn)知能力有限，并受到課堂時間的限制，需要教師深入思考、精心研究，根據(jù)具體學(xué)情對化學(xué)史料斟酌選擇。由于課堂時間的限制，教師的演示實驗和學(xué)生的探究實驗的選擇也需要反復(fù)考證，合理分配時間，優(yōu)化課堂安排，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)，發(fā)展思維。

參考文獻(xiàn)

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[2]楊梓生，吳菊華．以化學(xué)史為課程資源促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解——以“質(zhì)量守恒定律”教學(xué)設(shè)計為例[J]．化學(xué)教與學(xué)，2015（3）：2-4.

[3]胡巢生，基于學(xué)科核心素養(yǎng)的初中化學(xué)教學(xué)設(shè)計——以“質(zhì)量守恒定律”為例[J].化學(xué)教學(xué)，2018（2）：45-49．