質量守恒定律實驗課堂生成的探討

賴永威 胡小平

摘 要：質量守恒定律是初中科學中的一個重要內容。文章從實驗設計效度、實驗教學中實驗目標“既定”、實驗探究停留在承認“守恒”上、微觀解釋停留在“確認守恒”上等幾個方面闡述教學生成的缺失。

關鍵詞：質量守恒定律；教學生成；缺失

質量守恒定律是初中科學中的一個重要內容。根據課程標準，質量守恒定律的教學目標是：通過實驗認識質量守恒定律，并能用它解釋常見現象。浙江省2014年中考說明中列出了三條質量守恒定律的考試內容：①描述質量守恒定律；②從分子、原子角度解釋質量守恒定律；③應用質量守恒定律解釋常見的現象。

2006年北京市初中化學課堂教學大賽的一個課題是質量守恒定律，北京師范大學王磊教授是比賽的評委之一，她觀察了20節不同參賽選手的課。根據王磊的觀察，比賽有許多亮點，但也存在一些問題。上課之前王磊了解到，學生已經知道質量守恒定律。學生認為：木炭燃燒后生成的二氧化碳質量和燃燒前木炭質量相等。課后王磊又詢問同樣的學生同樣的問題，其中一個學生的回答和課前完全一樣，另一個學生回答：“木炭的質量等于生成的二氧化碳的質量與剩余的木炭的質量之和。”

生成的課堂在于把“既定的”目標變成“將成的”目標，課堂成為師生創造生命意義的動態生成的生活過程。要充分認識科學知識的形成過程，強調從學生的糾結點入手，引導學生探究解決問題。筆者根據平常的教學實際情況與有關文獻資料，試論質量守恒定律教學生成缺失。

一、教科書中實驗設計效度不利生成

浙教版教科書有兩個關于質量守恒定律的實驗，第一個是白磷燃燒，第二個是氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液。具體裝置如2014年浙教版科學教科書（八年級下冊）第88頁所示。上述兩個實驗中，白磷燃燒實驗更重要，該實驗現象和學生的日常觀念不一致，容易引起學生的認知沖突。白磷燃燒實驗運用得好，有助于學生克服錯誤概念，建立科學概念。第二個實驗沒有燃燒現象，但有沉淀生成，是在一個封閉系統內進行，不管里面發生了什么，質量都不會變化，這與學生原有經驗一致，不易引起學生的認知沖突。筆者在教學實踐中認為，編者在實驗設計上存在實驗效度問題，不利于教學中有效地激發探究，生成知識，得出結論。

（1）教科書中的實驗裝置無法顯示反應中的質量變化。標準狀態下，氧氣密度為1.43×10-3克/毫升，空氣中氧氣的體積含量為21%。根據化學反應方程式可以算出，僅僅使0.124克磷和0.16克氧氣（反應物總質量為0.284克）完全反應，就需要大約533毫升的空氣。但是實驗時使用的錐形瓶是150毫升或250毫升。假定實驗中使用250毫升的錐形瓶，氧氣質量約為0.072克，根據化學反應方程式可以算出磷的質量約為0.054克，那么反應物總質量是0.126克。假設化學反應過程中質量變化了百分之十，就認為質量不守恒，質量變化小于百分之十，則認為質量是守恒的，那么0.126克的反應物發生了百分之十的變化，相當于增加或減少了0.0126克。0.0126克的變化在托盤天平（感量為0.2克）上觀察不到。也就是說，即使化學反應中質量有明顯的變化，利用教科書的實驗裝置也顯示不出來，實驗是無效的。

因此，使用托盤天平，至少能夠提供2000毫升的空氣，才可以說如果反應物的總質量發生了百分之十的變化，天平的指針就會有明顯偏轉。但是整個裝置的總質量不能超過200克。經過實驗探究，我們將1.75升的塑料飲料瓶與250毫升的平底燒瓶相連（篇幅所限，圖略），兩根玻璃管穿過兩個橡皮塞，其中一根從飲料瓶底到燒瓶內口，另一根從燒瓶底到飲料瓶內口，使燒瓶里的熱空氣與飲料瓶里的冷空氣充分對流。燒瓶底部的一側放一小塊導熱性能好的金屬片，以避免燃燒直接在瓶底發生，白磷放在金屬片上，用酒精燈加熱瓶底以點燃白磷。如圖（篇幅所限，圖略），瓶外的氣球只是防止燃燒開始的時候體積稍有膨脹，但壓強并不大，不會沖開瓶塞。因為燃燒過程中，消耗氧氣的體積遠大于熱膨脹（標準狀態下氣體的熱膨脹系數為1/273）的體積，瓶內的氣壓小于大氣壓。所以，瓶外也可以不設氣球。

第二個實驗也存在效度問題。氫氧化鈉溶液或硫酸銅溶液“儲存”在膠頭滴管內，擠壓膠頭滴管，里面的溶液滴入錐形瓶，兩種液體混合發生反應。膠頭滴管里溶液數量很少，溶質質量更小。即使化學反應前后質量有變化，從托盤天平上也觀察不出來。第二個實驗裝置的目的是使反應物和生成物處在一個封閉的環境內，避免學生產生“也許有看不見的物質進來或出去”的疑問。因此，可以將滴管取下，把裝有燒堿溶液的試管放在錐形瓶內，傾斜錐形瓶，試管內的燒堿溶液與錐形瓶內的硫酸銅溶液混合而發生反應。

（2）實驗操作難以保證。在“白磷燃燒”實驗中，白磷放在錐形瓶里，一根玻璃管穿過橡皮塞，露在瓶外的一端套上氣球，將處于瓶內的鐵絲一端加熱后準確地戳到瓶里的磷，同時橡皮塞又要剛好蓋住瓶口，使錐形瓶密封，實驗中常常出現“白煙”泄漏。

二、實驗教學中實驗目標“既定”不利生成

為了和現有科學結論一致，將沒有辦法確定質量是否變化的實驗結果當成質量不變，這是非常可怕的。不能使用沒有效度的證據來驗證現有的科學理論。實驗方法錯誤導致實驗數據無效，最終無法確定質量是否變化。有的老師可能會說，因為化學反應中質量肯定是守恒的，即使使用更精確的稱量儀器，只要操作正確，工具顯示的質量就不會變化，與教科書中的結論恰好吻合。所以，只要化學反應的現象明顯，讓學生看到反應前后天平依然保持平衡就可以了。

（1）科學態度問題。學生懷疑的是教師用于說明科學結論的實驗。他們認為：教師為了讓他們接受教科書里的結論，就千方百計地運用各種手段說服他們，實驗就是科學教師最常用的一種手段。有時教師會用假的東西欺騙他們。學生的觀點不是沒有道理，有時候教師的確用不正確的實驗現象說明正確的科學原理，有時是教學態度問題，有時是實驗技能或教學方法問題。例如：紫色石蕊試液遇到堿性溶液變成藍色，由于配置的石蕊試液沒有經過處理，顯示的是藍色或接近藍色，不是紫色，但教師告訴學生是紫色。石蕊試液滴入燒堿溶液后，很難看出顏色的變化。學生說沒有變，依然是“紫色”，老師就說：你們所看到的紫色實際上就是藍色。

（2）實驗目標問題。實驗的主要目的是讓學生經歷獲得科學結論的過程，認識科學知識的形成過程。同時，也是改變過度依賴接受學習的一種方式。學習科學不是接受最終結論的活動，而是探究科學結論的過程，不能將實驗簡單地看成是收集證據與驗證結論的一種手段。

雖然許多學生早就知道質量守恒定律，但是他們的理解并不正確、不深刻，更沒有探索質量守恒定律的經歷與體驗。教學要以學生的認知為起點，讓學生在探究中理解科學原理。不能假定學生看不出實驗漏洞而用錯誤的實驗應付。大部分老師的目的是通過實驗讓學生確信質量守恒定律，這樣的實驗目標是不合理的。學生不是不相信教科書的結論，他們一般不會懷疑現有科學理論。假如學生懷疑現有的科學結論，很可能他們對科學具有好奇心，感到迷惑，或者具有質疑意識，這是有助于科學探究的一種品質。反之，學生往往將現有的科學結論看成是毋庸置疑的真理，只要記住結論就可以了。朱清時院士在七年級科學教科書前言中提出：“科學并不是簡單地對自然規律加以揭示，更重要的是找到研究自然規律的方法。”實驗就是研究自然規律的重要方法，要一絲不茍，以科學嚴謹的態度對待實驗過程的每一個細節，要用確信有力的數據來證明相應的科學結論。

三、實驗探究停留在承認“守恒”上不利生成

學生對質量守恒定律的理解不能停留在承認“反應前后物質總質量保持不變”上，實際上很多學生在課前就知道質量守恒定律。問題在于不會運用質量守恒定律解釋具體的現象，不會分析具體化學反應中不同物質的質量關系。

首先，要明確有什么物質參加反應、生成什么物質、反應物有沒有全部參加反應。研究質量是否守恒時，是把剩余的反應物質計算在內還是不計算？如果反應物有兩種，兩種反應物的質量比例關系有沒有限制？這些問題都要在實驗時考慮到。否則，質量守恒定律的學習和配平化學反應方程式，以及根據化學反應方程式的計算就變得沒有內在關聯。這是平常質量守恒定律教學的一個缺陷。沒有正確理解質量守恒定律，學習根據化學反應方程式進行計算會遇到更大的困難。雖然會模仿例題解答已知一種物質的質量求其余物質的質量，如果給出兩種物質質量，學生不知道選擇哪一種進行計算。遇到溶液問題，不理解為什么不能直接用溶液的質量計算。

其次，不僅要做反應前后質量不變的實驗，也做質量“變化”的實驗，如鎂帶燃燒后質量“增加”、木炭燃燒后質量“減少”，分析質量增加或減少的原因。這里可以融入科學史，教師用燃素說解釋燃燒中的質量變化，讓學生分析、判斷解釋的合理性，進一步理解燃燒的本質與質量守恒定律。

四、微觀解釋停留在“確認守恒”不利于生成

微觀解釋的教學活動環節所起的作用，停留在進一步確認質量守恒定律，質量守恒定律確實是真的，有根據的。微觀層次上對質量守恒定律的理解并沒有遷移到運用化學反應方程式的計算上。因此，微觀解釋活動沒有收到應該具有的教學效果，可以嘗試通過學生的動手活動來模擬化學反應，讓學生拆、拼模型以表示化學變化。

質量守恒定律的微觀解釋通常采用兩種方法。有些教師在得出質量守恒定律之前利用分子和原子模型示意圖說明化學反應的微觀機制，啟發學生對化學反應中質量關系提出猜測。有的教學則在得出質量守恒定律之后，再做出微觀解釋，幫助學生從物質微觀結構層次上理解質量守恒定律。微觀解釋時一般配合使用模型圖或動畫演示，很少動手操作，而且兩種反應物的分子數或原子數恰好用完，沒有“過量”情況出現。

使用模型在微觀層次上解釋質量守恒定律，與宏觀實驗結論相互印證，掌握質量守恒定律似乎不成問題。但是，微觀層次上對質量守恒定律的理解并沒有遷移到運用化學反應方程式的計算上。微觀解釋的教學活動環節所起的作用，停留在進一步確認質量守恒定律，質量守恒定律確實是真的，有根據的。如前所述，沒有必要擔憂學生不相信質量守恒定律。因此，微觀解釋活動沒有收到應該具有的教學效果。可以嘗試通過學生的動手活動來模擬化學反應，讓學生拆、拼模型以表示化學變化。計算反應前后各種原子與分子的數目和種類，得出反應前后的質量關系，同時認識不同反應物的比例關系。需要注意的是，給學生的分子、原子模型數目是隨意的，不要剛好與真實反應數目相等，在活動中就會遇到某種模型不夠用或太多的情況。如果學生一定把模型使用完，可能會拼出與正確模型不同的模型，編造出實際不存在的物質。然后學生之間互相討論、比較，為什么有的沒有用完模型？為什么有的不夠用？這樣有助于學生理解化學反應中的不同物質有確定的比例關系，理解配平化學反應方程式的過程，就是根據質量守恒定律確定正確的比例關系的過程。

參考文獻：

[1]教育部.義務教育初中科學課程標準[S].北京：北京師范大學

出版社，2011.

[2]王磊.多角度透析“質量守恒定律”課堂教學——從“質量守

恒定律”看新理念怎樣進課堂[N].中國教育報，2007-1-19.

（浙江省泰順縣第四中學）