化學(xué)教科書(shū)中質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)編排研究

基金項(xiàng)目：本文系2021年度安徽高校人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目“建國(guó)以來(lái)我國(guó)中學(xué)化學(xué)教科書(shū)的視覺(jué)表征研究（SK2021A0087）、2021年度安徽省高等學(xué)校質(zhì)量工程省級(jí)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（2021jyxm0491）、國(guó)家第二批一流本科課程《學(xué)科教學(xué)論（化學(xué)）》的階段性研究成果。

摘" 要：本文選取國(guó)內(nèi)初中化學(xué)教科書(shū)為樣本，結(jié)合已有研究工具，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)探究水平、實(shí)驗(yàn)圖示三個(gè)維度變化進(jìn)行橫向和縱向分析對(duì)比，探查中學(xué)化學(xué)教科書(shū)中質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)的編排特點(diǎn)。總體而言，相關(guān)實(shí)驗(yàn)的編排堅(jiān)持以發(fā)展素養(yǎng)為主，將化學(xué)史實(shí)貫穿其中，內(nèi)容選擇和圖示呈現(xiàn)不斷完善，探究水平不斷提升，但仍有可改善空間。

關(guān)鍵詞：中學(xué)化學(xué)；教科書(shū)；實(shí)驗(yàn)編排；質(zhì)量守恒定律

文章編號(hào)：

1008-0546（2024）14-0085-04

中圖分類號(hào)：

G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

B

一、問(wèn)題提出

化學(xué)教科書(shū)是化學(xué)課程重要的物化形態(tài)與文本素材，是實(shí)現(xiàn)化學(xué)課程目標(biāo)的重要載體?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱《初中新課標(biāo)》）指出，實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要形式和學(xué)習(xí)化學(xué)的重要途徑。［1］質(zhì)量守恒定律是學(xué)生連接定性研究和定量分析的關(guān)鍵橋梁，對(duì)于幫助學(xué)生形成化學(xué)觀念、培養(yǎng)辯證唯物主義觀具有重要意義。以實(shí)驗(yàn)為載體進(jìn)行質(zhì)量守恒定律教學(xué)既具有可行性，又具有有效性。

已有諸多學(xué)者對(duì)質(zhì)量守恒定律進(jìn)行了研究，如楊硯寧［2］改進(jìn)了教科書(shū)中驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，王震寧［3］以任務(wù)驅(qū)動(dòng)為方法進(jìn)行了質(zhì)量守恒定律教學(xué)實(shí)踐探索，宋華強(qiáng)［4］聚焦科學(xué)哲學(xué)角度分析其在教學(xué)過(guò)程的滲透情況。已有的研究成果較為豐富，但對(duì)教科書(shū)中實(shí)驗(yàn)編排的研究相對(duì)較少?；诖?，本文以化學(xué)教科書(shū)為研究對(duì)象，對(duì)“質(zhì)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行梳理，旨在揭示教科書(shū)中實(shí)驗(yàn)編排的特點(diǎn)，以期為教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供思路和參考。

二、課程標(biāo)準(zhǔn)及學(xué)生認(rèn)知分析

1. 課程標(biāo)準(zhǔn)分析

教科書(shū)的編寫(xiě)以課程標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，研究教科書(shū)的編排時(shí)有必要梳理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相關(guān)內(nèi)容要求的變化。因此，筆者對(duì)三版課程標(biāo)準(zhǔn)中“質(zhì)量守恒定律”相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)要求和建議進(jìn)行了梳理，相關(guān)內(nèi)容描述如表1所示。

2.學(xué)生認(rèn)知分析

化學(xué)教科書(shū)的編排遵循“三序”，即知識(shí)的邏輯順序、學(xué)生的認(rèn)識(shí)順序和學(xué)生心理發(fā)展順序。通過(guò)梳理不同時(shí)期教科書(shū)中質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)的編排，筆者發(fā)現(xiàn)幾乎所有教科書(shū)均先介紹原子概念，后安排質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)，與化學(xué)史實(shí)順序相反。這種編排可能是考慮到學(xué)生在學(xué)習(xí)原子的概念后，能更好地從微觀層次理解質(zhì)量守恒定律。［5］學(xué)生在原子等前概念的影響下，可能無(wú)法正確理解質(zhì)量守恒定律概念背后的微觀含義，產(chǎn)生諸多相異構(gòu)想，這是學(xué)生理解質(zhì)量守恒定律的最大障礙。已有研究調(diào)查了學(xué)生關(guān)于質(zhì)量守恒定律的諸多相異構(gòu)想。［6］

由此可見(jiàn)，對(duì)于學(xué)生而言，理解質(zhì)量守恒定律是有一定困難的。解決這一困難的關(guān)鍵在于利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)消除認(rèn)知干擾，實(shí)現(xiàn)有效建構(gòu)。因此，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)充分明確“參加化學(xué)反應(yīng)”“質(zhì)量”“總和”的指向和含義，避免相異構(gòu)想的產(chǎn)生，形成正確概念是教科書(shū)編寫(xiě)相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要注意的。

三、研究設(shè)計(jì)

1.研究對(duì)象

本研究致力于深入探討初中化學(xué)教科書(shū)中關(guān)于質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)的編排特點(diǎn)。為此，筆者精心選取了具有顯著代表性和廣泛影響力的教科書(shū)作為研究樣本（見(jiàn)表2）。在研究過(guò)程中，筆者采用了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?nèi)容分析法，全面梳理并細(xì)致分析了這些教科書(shū)中關(guān)于質(zhì)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)探究水平編排特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)圖示變化，以期能夠?yàn)槌踔谢瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有益的參考和啟示。

2.研究框架

筆者參考張世勇等［7］針對(duì)教科書(shū)中溶液內(nèi)容的演變研究所提出的分析框架和王磊等［8］對(duì)改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)初中化學(xué)教科書(shū)中實(shí)驗(yàn)編排演變的分析框架，結(jié)合具體教科書(shū)內(nèi)容，多項(xiàng)維度進(jìn)行整理，嘗試從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)探究水平和實(shí)驗(yàn)圖示三個(gè)維度進(jìn)行分析。

3.分析思路

本研究共選擇了六種版本的教科書(shū)，以其中質(zhì)量守恒定律部分的實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)探究水平和實(shí)驗(yàn)圖示三個(gè)維度出發(fā)，構(gòu)建分析框架對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，旨在探查不同版本教科書(shū)中相關(guān)同類實(shí)驗(yàn)在選擇和呈現(xiàn)上的變化，以期為未來(lái)教科書(shū)編寫(xiě)提供建議。

四、化學(xué)教科書(shū)中質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)編排分析

1.人教版教科書(shū)質(zhì)量守恒定律編排縱向研究

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編排特點(diǎn)。

筆者依據(jù)研究框架對(duì)人教版的三版教科書(shū)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行整理分析。01三年版教科書(shū)設(shè)置了“白磷燃燒”“氫氧化鈉與硫酸銅反應(yīng)”兩個(gè)質(zhì)量測(cè)定實(shí)驗(yàn)；01課標(biāo)版教科書(shū)設(shè)置了“白磷燃燒”“鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)”“蠟燭燃燒”“鎂條燃燒”四個(gè)實(shí)驗(yàn)；12版教科書(shū)設(shè)置了“紅磷燃燒”“鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)”“鹽酸與碳酸鈉粉末反應(yīng)”“鎂條燃燒”四個(gè)實(shí)驗(yàn)。

教科書(shū)在編排實(shí)驗(yàn)時(shí)逐漸加深了與化學(xué)史實(shí)的聯(lián)系?！跋灎T燃燒”“鹽酸與碳酸鈉粉末反應(yīng)”與施塔爾的草木燃燒實(shí)驗(yàn)相似，“鎂條燃燒”與波義耳的煅燒金屬實(shí)驗(yàn)相似，“紅磷燃燒”“鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)”與拉瓦錫的12天實(shí)驗(yàn)相似。該編排有利于教師利用化學(xué)史輔助教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生辯證看待化學(xué)史實(shí)。拉瓦錫通過(guò)12天實(shí)驗(yàn)測(cè)定了氧氣的含量，提出了氧化說(shuō)和質(zhì)量守恒定律，因此采用紅磷燃燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)既能喚醒學(xué)生已有認(rèn)知，促進(jìn)與化學(xué)史實(shí)的聯(lián)結(jié)，也能凸顯同一實(shí)驗(yàn)所得兩個(gè)理論之間的聯(lián)系。

01三年版教科書(shū)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)均為“密閉守恒”實(shí)驗(yàn)，意在通過(guò)典型的符合“守恒”特征的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，幫助學(xué)生歸納質(zhì)量守恒定律，但體系與環(huán)境沒(méi)有物質(zhì)交換，學(xué)生很容易將“質(zhì)量”錯(cuò)誤理解為“體系中所有物質(zhì)的質(zhì)量總和”，從而產(chǎn)生相異構(gòu)想。01課標(biāo)版和12版教科書(shū)先通過(guò)密閉實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生初步得出結(jié)論，再通過(guò)敞口實(shí)驗(yàn)激發(fā)認(rèn)知沖突，促使學(xué)生進(jìn)行深度思考，逐步從微觀視角探索質(zhì)量守恒定律的本質(zhì)。該編排不僅體現(xiàn)了科學(xué)論證需要建立在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方案基礎(chǔ)上，更有利于發(fā)揮質(zhì)量守恒定律這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在發(fā)展學(xué)生化學(xué)觀念、科學(xué)思維等化學(xué)核心素養(yǎng)方面的功能。此外，“鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)中，將反應(yīng)后的容器振蕩，鐵釘表面紅色固體脫落，露出銀白色的金屬，讓學(xué)生意識(shí)到不是所有的鐵都參加反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)“參加化學(xué)反應(yīng)”有了清晰認(rèn)知。

（2）實(shí)驗(yàn)探究水平編排特點(diǎn)。

張新宇等［9］構(gòu)建了“五環(huán)節(jié)、三水平”的實(shí)驗(yàn)探究水平分析框架，姚娟娟等［10］引用該框架分析了高中化學(xué)教科書(shū)中實(shí)驗(yàn)類欄目的探究水平。筆者在借鑒相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)探究水平分析框架，框架中各水平的具體描述如表3所示。

根據(jù)上述框架對(duì)人教版的三版教科書(shū)中質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)探究水平進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)在目的確定、方案設(shè)計(jì)和方案實(shí)施環(huán)節(jié)始終保持1級(jí)水平，在結(jié)論形成環(huán)節(jié)較多保持2級(jí)水平，在交流評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了從0級(jí)水平到2級(jí)水平的突破。三版教科書(shū)中相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究水平的具體變化如圖1所示。

三版教科書(shū)的實(shí)驗(yàn)在目的確定、方案設(shè)計(jì)和方案實(shí)施環(huán)節(jié)均處于控制性水平，即在人教版教科書(shū)中，編者編寫(xiě)質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)時(shí)直接說(shuō)明實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、提供?shí)驗(yàn)方案、給出現(xiàn)象數(shù)據(jù)等。這可能是考慮到初中學(xué)生剛接觸化學(xué)，化學(xué)知識(shí)和技能掌握程度較低，脫離支撐性引導(dǎo)容易使學(xué)生思路出現(xiàn)偏差。在結(jié)論形成環(huán)節(jié)，人教版教科書(shū)大多數(shù)提供了輔助性的插圖或文字語(yǔ)句，意在幫助學(xué)生通過(guò)閱讀思考如何分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出從天平平衡的角度形成結(jié)論的思路。這一編排體現(xiàn)了課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生探究能力與科學(xué)素養(yǎng)要求的變化。值得注意的是，在12版教科書(shū)中，“鎂條燃燒”和“鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均提示學(xué)生“比較反應(yīng)前后的質(zhì)量”，即直接提供了得出探究結(jié)論的思路。這一編排可能是出于編者對(duì)學(xué)生實(shí)際知識(shí)水平和認(rèn)知發(fā)展的把握和考量。01三年版教科書(shū)在實(shí)驗(yàn)?zāi)┪膊⑽丛O(shè)置討論、交流、反思、評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)，這種情況在01課標(biāo)版及12版中得到了改善，這兩版教科書(shū)均設(shè)置了引導(dǎo)性水平的相關(guān)環(huán)節(jié)，以著重發(fā)展學(xué)生實(shí)施方案能力和評(píng)價(jià)交流素養(yǎng)。

（3）實(shí)驗(yàn)圖示變化。

將人教版的三版教科書(shū)中質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)裝置圖進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)除去彩印等因素外，托盤(pán)天平是三版教科書(shū)中相關(guān)實(shí)驗(yàn)一直選擇的裝置。托盤(pán)天平的選擇有以下幾點(diǎn)考量：①使用托盤(pán)天平能培養(yǎng)學(xué)生等效替代、先粗測(cè)后精測(cè)、排除系統(tǒng)誤差等多方面的思維技能。②托盤(pán)天平具有操作簡(jiǎn)便，易于教學(xué)，稱重性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，適合初中教學(xué)使用。在圖示呈現(xiàn)上，01課標(biāo)版和12版教科書(shū)所提供的實(shí)驗(yàn)裝置圖更多，且多為實(shí)物圖示，這兩版教科書(shū)中還存在某一實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后兩幅圖示的情況。該編排存在以下優(yōu)點(diǎn)：①提供實(shí)驗(yàn)前后的裝置圖示能幫助學(xué)生深化現(xiàn)象記憶。②提供實(shí)驗(yàn)前后的裝置圖示可以起到“參考”作用，學(xué)生可以按照?qǐng)D示搭建實(shí)驗(yàn)裝置、進(jìn)行操作及比對(duì)結(jié)果。

2.其他出版社教科書(shū)質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)編排橫向分析

為保證橫向?qū)Ρ鹊暮侠硇?，本研究選取出版時(shí)間相近的12版教科書(shū)與魯教版、滬教版和北京版教科書(shū)進(jìn)行對(duì)比。

（1）實(shí)驗(yàn)編排特點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，滬教版設(shè)置了“氫氧化鈉與硫酸銅反應(yīng)”“碳酸鈣與鹽酸反應(yīng)”兩個(gè)質(zhì)量測(cè)定實(shí)驗(yàn)；魯教版設(shè)置了“鹽酸與大理石反應(yīng)”“氫氧化鈉與硫酸銅反應(yīng)”“白磷燃燒”三個(gè)實(shí)驗(yàn)供學(xué)生自行選擇；北京版設(shè)置了“氫氧化鈉與硫酸銅反應(yīng)”“鐵與硫酸銅反應(yīng)”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)供學(xué)生選擇，并補(bǔ)充“鹽酸與大理石反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)探究水平上，滬教版、魯教版、北京版和人教版教科書(shū)在目的確定環(huán)節(jié)均處于1級(jí)水平，在方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施、結(jié)論形成和交流評(píng)價(jià)四個(gè)環(huán)節(jié)，各版教科書(shū)所處的探究水平有所不同，具體情況如表4所示。

在實(shí)驗(yàn)圖示上，滬教版提供了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)前后裝置圖示，魯教版未提供實(shí)驗(yàn)裝置圖示，北京版提供了一幅實(shí)驗(yàn)裝置圖示。

（2）編排特點(diǎn)分析。

滬教版實(shí)驗(yàn)采用封閉體系，容易使學(xué)生產(chǎn)生相異構(gòu)想，因此在后續(xù)環(huán)節(jié)通過(guò)討論引導(dǎo)學(xué)生打破相異構(gòu)想。魯教版和北京版要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，敞開(kāi)和封閉體系均有可能出現(xiàn)，結(jié)果自然出現(xiàn)差異，教師在此過(guò)程中可以制造認(rèn)知沖突，解決教學(xué)難題。這也反映了兩版教科書(shū)在實(shí)驗(yàn)編寫(xiě)方面更注重發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，強(qiáng)調(diào)自主探索。

四版教科書(shū)在編排實(shí)驗(yàn)時(shí)均充分強(qiáng)調(diào)定量研究的價(jià)值，并且均添加相關(guān)內(nèi)容的化學(xué)史實(shí)。例如，人教版在引言部分引用拉瓦錫12天實(shí)驗(yàn)；滬教版在收集證據(jù)部分引用波義耳加熱金屬實(shí)驗(yàn)和拉瓦錫12天實(shí)驗(yàn)；魯教版在多識(shí)一點(diǎn)中介紹了三位科學(xué)家與質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)史；北京版詳實(shí)地介紹了質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展歷程。

五、啟示與建議

我國(guó)初中化學(xué)教科書(shū)中實(shí)驗(yàn)設(shè)置一直以嚴(yán)謹(jǐn)化、素養(yǎng)化、安全化為原則，力求實(shí)驗(yàn)選擇和內(nèi)容編寫(xiě)適應(yīng)初中生認(rèn)知發(fā)展水平，注重對(duì)相異構(gòu)想的突破。實(shí)驗(yàn)編排一直在為發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力而努力，整體呈現(xiàn)探究水平不斷提高的變化趨勢(shì)。

對(duì)編者來(lái)說(shuō)，編寫(xiě)教科書(shū)中的實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)遵從“操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象明顯、結(jié)果明確、環(huán)境友好”等原則，但人教版教科書(shū)中“鎂條燃燒”實(shí)驗(yàn)存在燃燒原理復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以統(tǒng)一等缺點(diǎn)。筆者認(rèn)為，可以考慮用煅燒其他金屬的實(shí)驗(yàn)替換該實(shí)驗(yàn)?！冻踔行抡n標(biāo)》提出了“銅片在空氣中灼燒前后固體質(zhì)量的比較”的情境素材建議，教科書(shū)的編寫(xiě)也應(yīng)落實(shí)初中《初中新課標(biāo)》的內(nèi)容。［11］

對(duì)教師來(lái)說(shuō)，在教學(xué)中充分發(fā)揮教科書(shū)的功能離不開(kāi)他們的智慧、理解和再加工。［12］教師可以綜合各版教科書(shū)在不同環(huán)節(jié)上的優(yōu)點(diǎn)，形成融合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)；可以開(kāi)發(fā)或使用模型來(lái)代替文字形成結(jié)論；可以鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，發(fā)展科學(xué)探究素養(yǎng)等?？偠灾處煈?yīng)不斷鉆研教科書(shū)，努力挖掘其中蘊(yùn)含的教學(xué)素材和價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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［12］劉煒彤，孔思敏，王磊.促進(jìn)科學(xué)觀念與科學(xué)實(shí)踐協(xié)同發(fā)展的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的教材編寫(xiě)［J］. 化學(xué)教育（中英文），2023（11）：9-16．