以化學史料為課程資源促進學生對科學本質的理解*——以“質量守恒定律”教學設計為例

楊梓生 吳菊華

（1 龍巖市普通教育教學研究室 福建 龍巖 364000；2 龍巖市第二中學 福建 龍巖 364000）

化學教育的目標在于讓學生掌握化學知識，理解科學的本質，提高科學素養。這就要求化學教師在理解科學本質及其對學生發展價值的基礎上，實施基于科學本質理解的教學。

建構主義理論認為，“科學的本質即科學探究”。于是，有研究者將“科學是探究自然的‘思考’方式”、“科學是一種‘探究’的方式”、“科學知識是暫時的、動態性的”視為科學本質的范疇與內涵［1］，該界定反映了科學過程的特征和科學知識的特征兩方面。學生只有理解了科學的本質，才能夠明白科學是什么、科學知識的產生與發展、科學與社會發展的關系等［2］。

要促進學生對科學本質的理解，需要引導學生在探究過程中掌握知識，了解化學知識產生于怎樣的社會文化背景、由誰發現或提出的、經歷怎樣的發展歷程以及知識對社會產生怎樣的影響等。實現這樣的目標，顯然只有化學史實才能承載起這樣的功能。因此，實施基于科學本質理解的化學教學，必須以化學史料為課程資源。具體到教學實踐，要求教師研究化學史實，了解相關化學知識的研究背景與探索過程；在此基礎上，精選化學史料作為課程資源并轉化為探究情景，引導學生開展探究。下面結合“質量守恒定律”的教學設計來談談。

一、研究人類對化學反應質量關系探索的歷史

閱讀化學史可知，人類對化學反應質量關系的探索，源于十八世紀冶金工業需要解決的相關問題。“例如，當時煉鐵廠迫切需要解決煉鐵爐的鼓風問題——為什么要往爐里鼓風？ 風的流速多大合適？ 煉1 噸鐵要鼓進多少空氣？……”［3］這些問題涉及燃燒的本質、化學反應質量關系等方面。

在上述背景下，科研工作者開展了相關探索。如英國科學家波義耳、德國醫學教師施塔爾、俄國科學家羅門諾索夫、法國科學家拉瓦錫等先后進行了燃燒、金屬煅燒實驗，并提出燃燒的相關看法。特別是施塔爾，根據對燃燒現象的觀察，提出了統治化學界百余年的“燃素說”。直到1774年，拉瓦錫在廣泛查閱資料及前人實驗的基礎上， 進行了著名的 “十二天實驗”，證明了空氣由氧氣和氮氣組成，提出了“氧化燃燒”學說，并發現質量守恒定律。

隨著化學研究的深入， 原子－分子學說得以建立與發展，人們逐漸認識了化學反應的本質，知道化學反應是不同物質分子中的原子重新結合的過程。這一過程中，原子的種類與數目將不會改變。這一認識為質量守恒定律作為普遍的化學定律奠定了理論基礎。

隨著原子核科學的發展，人們對物質的質量和能量關系有了更加深刻的認識，認識到化學轉變過程因釋放能量，會消耗物質的質量。而且，質量與能量轉化關系遵循愛因斯坦提出的質能方程。因而，從最嚴格的意義上說，化學反應過程因有能量轉化而存在質量虧損。但研究表明，“化學反應中雖然有能量的轉化，但由于轉化的質量很小，因而引起的質量改變可以忽略不計”［4］。

通過前述化學事實的分析，化學老師至少應建立如下認識：①人類對化學反應質量關系的認識是分階段的，而且后一階段是對前一階段的批判與繼承；②對于各個階段的認識，是特定條件下的產物，并被當時認為與事實最為吻合（這就是“燃素說”統治化學界百余年的原因）； ③人們對科學知識的認識會隨著科學技術發展而逐步完善；④質量守恒定律是燃燒本質研究的“副產物”（人類在燃燒過程中認識了質量守恒定律）。此外，教師還應認識到：滬教版教材編著者是以化學史實為線索來組織第四章教材的（將“常見的化學反應——燃燒”、“化學反應中的質量關系”納入同一單元）。

二、制定基于科學本質理解的教學策略

通過對老師們教學的研究，發現基本采取如下流程執教本課：在簡單導入新課基礎上，要求學生對“物質在化學變化前后，總質量是否改變”進行猜想，并通過實驗得出結論；接著，從微觀視角揭示質量守恒定律的原因；最后，安排練習鞏固相關內容。這樣的教學，老師所關注的是化學知識，缺失幫助學生建立起課程內容與科學本質的聯系。

如何實現知識掌握的同時促進對科學本質的理解？ 這要深刻理解“課程標準”將“拉瓦錫與質量守恒定律的發現”作為學習情境素材列入“質量守恒定律”主題的意圖（此內容也被編入教材）。很顯然，在于引導教師深入開展相關化學史實的研究與挖掘，從而將質量守恒定律與有血有肉和有情感的、科學家探索化學反應中物質質量關系的創造性活動聯系起來，并將其作為課程資源，幫助學生了解相關知識的產生和發展過程，學習定量的研究方法，體驗科學態度和科學精神，從而掌握化學知識、理解科學本質。因此，本課教學要用好相關史實。如何用好化學史實？

1．用化學史實創設情境，幫助學生認識化學反應質量關系研究的歷史背景， 并將情境轉化為問題，激發學生開展化學反應前后物質質量關系探究的興趣；

2．結合化學史實，幫助學生認識人類對化學反應質量關系的探索歷程， 認識到化學研究需要觀察、推理與定量研究，認識到科學觀點受時代影響，認識到化學知識的暫時性（階段性）和發展性；

3．在建立化學反應質量守恒關系過程中，結合化學史實，讓學生認識到早期人類對化學反應相關認知局限，并在微觀本質揭示的基礎上認識質量守恒定律的合理性與可靠性。

此外，本課教學設計的另一個關鍵是要設計蘊含科學本質的探究活動，將探究活動置于盡可能接近真實的情境之中，注重引導學生認識科學方法與探究步驟對建構科學理論的意義和作用，重視對探究結果的分析與評價［5］。

三、“質量守恒定律”教學的有效實施

如何有效將化學史實融入課堂教學、設計蘊含科學本質的探究活動，從而實現在學習質量守恒定律的同時促進對科學本質的理解？ 根據前述理解，可進行如下設計。

情境與問題1情境與問題2情境與問題3十八世紀中葉，冶金業迅速發展，迫切解決某些問題。如煉鐵時為何要往爐里鼓風、風速多大合適、煉1 噸鐵要鼓多少空氣等。這涉及到燃燒的條件、反應中物質間量的關系等知識。請思考：物質燃燒必須具備哪些條件？燃燒時，哪些物質間發生了化學反應？氧氣是十八世紀七十年代才被發現的。發現氧氣之前，燃燒被認為是一定溫度下可燃物釋放燃素、留下灰燼的過程（可燃物——燃素+灰燼）。這一觀點即為燃素說。由于燃素說能夠解釋木材、煤炭燃燒后余下灰燼的質量比木材、煤炭小等許多現象，主宰化學界百余年。請思考：和上一節燃燒理論相比較，燃素說有何不科學的地方？其實，早在1673年，波義爾在敞口容器中加熱金屬使之轉化為金屬灰實驗中，發現金屬灰質量比金屬大。這與燃燒說相矛盾（因為燃素質量小于0）。可波義爾沒能繼續探索，錯失了發現燃燒本質的機會。此后，不少科學家繼續開展研究。如法國拉瓦錫，在前人研究基礎上，于1774年前后采用課本所示裝置進行著名的“十二天實驗”，發現在密閉容器中加熱金屬使之轉化為金屬灰時，容器（含金屬、金屬灰）的質量并未改變。通過進一步研究，拉瓦錫證明了空氣由氧氣與氮氣組成，并指出燃燒是可燃物與氧氣發生氧化反應。請思考：兩位學者在金屬與金屬灰質量關系的研究中，結果有何差異？ 為何有此差異？設計意圖：讓學生認識到探索燃燒本質與化學反應質量關系的特定時代背景， 感悟科學家的探索精神、實事求是的科學態度以及科學研究成果是以前人研究為基礎的。情境與問題4不難發現，燃燒本質探索的過程也是化學反應中質量關系探索的過程，開展質量（定量）研究對化學科學發展具有重要意義。請你猜想：化學反應過程中，反應前各物質的質量總和與反應后各物質的質量總和有怎樣的關系？ 你猜想的依據是什么？為證明猜想，須實驗研究。請重溫波義耳和拉瓦錫的金屬轉化為金屬灰的實驗，并思考：他們在實驗過程中測量哪些量？如何進行測量的？ 實驗過程關注什么結果？

設計意圖：進一步認識化學反應質量關系研究的背景； 而且利用兩位化學家的研究作為情境并設問，不僅暗示實驗研究需要注意條件，并為后續探究方案的設計起到定向作用。

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設計意圖：提供幾個反應供選擇，不僅增強自主性，而且有利于制造認知沖突，深化對實驗條件與結果的認識；對實驗結果的分析，促進對“參加化學反應”含義的理解，建立質量守恒定律。

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設計意圖：讓學生感悟科學結論建立不是一蹴而就的，是隨著科學發展而逐步深入的；感悟化學研究不僅總結化學規律， 還需揭示規律背后的本質。

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設計意圖： 回扣課前化學史料并還引入新史實，引導學生像科學家一樣分析思考不同的現象，深化對質量守恒內涵及微觀本質的理解，提升分析、解決問題的能力。

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設計意圖： 補充化學反應存在質量虧損這一事實，進一步揭示化學知識認知的發展性；再次回扣拉瓦錫研究的史實，拓寬學生的研究視野。這一拓展，不僅是實驗方法的拓展（真正意義上的定量研究），而且為全面認識化學反應質量關系及化學方程式計算打下伏筆。

四、結語

促進學生科學本質理解的化學教學，一個重要途徑是讓學生了解化學知識的前世今生、人類探索并建構化學知識的前因后果，從而認識化學知識的發生發展過程、科學探究的艱辛曲折過程。要達成這一目標，必然要將化學史實作為重要的課程資源融入課堂教學。然而，化學史料是豐富的、承載的價值也是多元的，而課堂教學時間是短暫的、需要達成的目標是有效的。這就需要教師深入思考應該選擇哪些化學史料并將達成怎樣的功能，在哪個（些）教學環節中采取怎樣的方式呈現史料，從而最大限度地發揮化學史料促進化學知識學習、科學本質理解的功能。對于這些方面，還有待進一步研究。

［1］袁維新．科學的本質與科學本質教育［J］．課程教材教法，2007，（7）

［2］項專紅．美國科學史教育特色——理解科學本質 ［J］，外國中小學教育，2006，（8）

［3］［4］王祖浩．義務教育課程標準實驗教科書《化學》教師教學指導書（九年級上冊）［M］．上海：上海教育出版社，2004

［5］畢華林．走向生本的教科書設計——中學化學教科書設計的理論與實踐［M］．濟南：山東科學技術出版社，2006