“質量守恒定律”探究實驗的衍變與作用剖析

張冰峰

摘要：通過對義務教育教科書（人教版）不同時期三個版本關于“質量守恒定律”課題中探究實驗的對比分析，尋找實驗改進的衍變軌跡，剖析實驗的導學作用。建議在實驗教學中要目的清，讓學生在核心中學；要動手做，讓學生在體驗中學；要變式導，讓學生在比較中學。

關鍵詞：質量守恒定律；實驗衍變；導學功能；教學建議

文章編號：1005 - 6629（2015）5 - 0075 - 04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 教材分析

“質量守恒定律”是初中化學的核心知識，是學生從定性到定量認識化學的轉折點，是學生學習化學方程式和進行化學計算的理論基石，更是學生理解化學反應實質，形成質量觀、守恒觀的階梯。課程標準單獨設立了“質量守恒定律”主題，詳細闡明其學習的內容標準[1]，各種版本的教科書也十分重視此課題的內容編著，尤其是一線教師特別重視此課題的教學導學設計，視其為學好化學的分水嶺。

近十年來，我們學校所在地區初中化學先后使用過“人教版”的三個版本教科書，分別是以“教學大綱”為背景，由程名榮、胡美玲主編的“九年制義務教育三年制初級中學化學教科書（全一冊）”[2]（以下簡稱“大綱版”），以“課程標準”為背景，由胡美玲、何少華、王晶主編的“義務教育課程標準九年級化學實驗教科書”[3]（以下簡稱“課標實驗版”），以及以2011年“新課程標準”為背景，由王品，鄭長龍主編的“義務教育九年級化學教科書”[4]（以下簡稱“新課標版”）。通過比較發現，不同背景下的“人教版”教科書的主編關于“質量守恒定律”的章節編寫卻傳承著相同的編寫導學思路，見圖1。

遵循這個思路，教科書充分發揮實驗的導學功能，設計了一系列探究活動，引導學生從宏觀事實角度分析“平衡現象”，從微觀粒子角度分析理解“守恒的實質”，引導學生用定量分析的方法對化學現象以及內在反應的實質進行探究和歸納，從而得出“質量守恒”這一化學反應基本規律。

在教學中，一線教師需從多角度研究每個實驗的目的和意義，力求發揮實驗的作用以利于教學。每次新版教科書也有相應改編體現，并呈現出一定的衍變規律。下面結合具體的實驗談談自己的一些認識。

2 實驗的衍變分析

宋心琦教授認為：“一個化學實驗，不論是演示實驗還是教學實驗，都可以歸納為：作為實驗對象的物質體系；適當的儀器裝置和必要的安全措施；合理的實驗步驟和規范的操作技能等三個方面。[5]”比較發現，不同背景下的教科書在實驗選擇上都具有代表性，但在物質體系、實驗裝置等多方面存在差異，且呈現“衍生漸變”過程。為了便于陳述和比較，現將三個版本教科書中“質量守恒定律”章節中選擇的實驗匯集如下（見表1）。

2.1 實驗試劑選用呈現漸變

比較對照實驗圖2、圖4與圖8，“課標實驗版”沿用了與“大綱版”相同的白磷，而“新課標版”將白磷改成了紅磷。這種改變是基于安全性的考慮[6]。2007年“課標實驗版”教學參考書特別指出：白磷是一種易白燃而義有劇毒的物質，通常儲存在水中，切割白磷也應該在水中進行。取白磷要用鑷子，不可用手接觸，表面的水分要用濾紙吸干，需快速放置在錐形瓶底中間位置，再用玻璃導管引燃。在實驗時還要特別注意接觸過白磷的工具上往往殘留白磷的碎片，不能隨意亂放，殘留的白磷的碎片和吸過白磷表面水分的濾紙一定要燒掉以保證安全?？梢娛褂冒琢走M行實驗操作要求高、安全注意點多，而紅磷著火點高，不易自燃，且無毒，在實驗中操作相對簡便、從容，安全性高。

比較對照實驗圖3、圖5與圖9，實驗試劑的變化是將硫酸銅與氫氧化鈉的反應改為硫酸銅與鐵釘的反應。這種試劑的改變可以使實驗中稱量和操作更方便，因為原實驗中將盛有氫氧化鈉溶液的試管取出并倒人硫酸銅溶液，易導致液體外滴在燒杯外，而將鐵釘放入硫酸銅溶液就很方便，這種試劑的改變還可以避免“氫氧化鈉溶液會不會吸收空氣中的二氧化碳”等問題的爭論，使引導分析更簡明。

2.2 實驗裝置設計呈現漸變

比較對照實驗圖2與圖4，實驗裝置中將“導熱引燃”的玻璃棒改為玻璃管，并在玻璃管上端增加了一個氣球，其修改意圖是基于“萬一燃燒產生熱量引起橡皮塞蹦出或使玻璃容器破裂導致危險”的安全性考慮，對實驗做了“緩沖受熱膨脹”的改進，使實驗更安全。

比較對照實驗圖5與圖9，“新課標版”實驗裝置變化是將原來的敞口實驗體系改為密閉實驗體系，原因是該實驗中出現了其他反應，酸性的硫酸銅溶液與鐵反應產生了氫氣，雖然極其微量，在準確度為O.lg的托盤天平也會產生“平衡”，但是將裝置改成密閉實驗體系，使實驗更科學嚴謹。筆者認為，探究質量守恒定律的“平衡類”實驗應該使用密閉體系裝置，因為不管與外界是否發生物質的交換或反應，實驗過程中水分的揮發總是客觀存在的。

以上為防止受熱膨脹爆炸所增加的氣球裝置改進以及由敞口體系裝置漸變到封閉體系裝置的改進，體現了教科書中的實驗在不斷進行科學衍變的過程。

2.3 實驗的數目與類型發生變化

“大綱版”教科書關于“質量守恒定律”的探究實驗只有兩個：白磷的燃燒（見圖2）、氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應（見圖3）。這兩個實驗現象都是“平衡”的。實驗體系呈現兩種情況：一個是封閉的，一個是敞口的，沒有關于實驗“不平衡現象”以及實驗體系密封性的討論等。選擇這兩個實驗的目的就是用既簡單義具代表性的實驗來闡明“化學反應前后總質量相等”的結論，再用“無數實驗證明”一段文字以及教師引導下通過演繹推理的方法得出了質量守恒定理。

為什么“課標實驗版”教科書的實驗在原“大綱版”的實驗基礎上要增加兩個實驗？分析認為，這樣通過對不同類型實驗的比較與判斷，能不斷地揭示矛盾和解決矛盾，有利于激發學生強烈的求知欲，也有利于學生知識體系的建構。以“新課標版”為例，學生通過前兩個“平衡”實驗現象的觀察與教師導學分析，已經初步認可了化學反應“質量守恒”的事實。在此認知基礎上，“課標版”教科書增加了兩個實驗，采用敞口的實驗體系，出現“實驗不平衡”的現象，讓學生產生“化學反應難道不守恒嗎”的疑問，激發學生更強烈的求知欲和探究意識，使學生透過不同情況下實驗結果的表象，思考“是否平衡”與實驗體系密封性的內在關系，強化反應物和生成物“一個都不能少”的思維分析方法，構建“守恒是必然的，不平衡是有原因的”的問題分析思想。

3 教學建議

通過對三個版本教科書中實驗的衍變分析，可以體會到教科書編著者的用心和智慧。葉圣陶認為：“教材即使編得非常詳盡，也不過是某一學科的提要，加上一些必要的范例罷了；因此，教材只能作為教課的依據，要教得好，使學生受到實益，還靠教師的善于運用?！彼越處煶浞肿裱炭茣鴮嶒炦x編的意圖，發揮實驗資源的作用，創新導學方式，既有利于教師的導教，更有利于學生的學習。

3.1 目的清，讓學生抓住核心學

在不同的學習情境下，每個實驗的意圖和導學作用是不同的。根據“質量守恒定律”章節編寫的導學思路可以看到，此節四個實驗的作用是“驗證與修正，體驗與運用”；是運用天平等“衡”儀器，用定量化學實驗研究的方法作為學生學習過程的體驗，從而達到掌握質量守恒定律的目的，并不是從定性的角度引導學生學習新物質的化學性質。所以在進行實驗演示或探究導學時，應該重點引導學生關注實驗中“質量如何”的現象，如第1～2個實驗觀察的關鍵是“前后質量是否平衡”，目的是幫助學生初步形成化學反應中“質量守恒”的思維定勢。第3～4個實驗觀察的重點是“反應前后質量是否發生變化？變化的原因是什么”等，讓學生在認知沖突中加深對守恒定律的理解與同化，不能讓學生過多地觀察分析一些物質化學變化中的性質類現象。例如在紅磷燃燒的實驗中，不應該讓學生把觀察注意力放在物質的“放熱、發光、白煙、變色”等現象上；在鐵釘與硫酸銅的反應實驗中，也無需引導學生關注因硫酸銅水解所導致的“是否還有氣泡產生”的問題發現；而在碳酸鈉與鹽酸反應的實驗中，卻要引導學生觀察涉及質量變化因素的現象，如“是否有氣體的外泄”等；同樣在鎂條燃燒的實驗中，則要重點引導學生觀察“白煙的散逸”等現象。這樣教師引導學生觀察的重點準，問題分析的目的清，才能集中學生思維注意力，圍繞關鍵問題進行探究，有利于學生核心知識的建構。

3.2 動手做，讓學生在體驗中學

化學作為一門以物質為研究對象的實驗性科學，具有著重實際體驗和基于事實進行合乎邏輯地簡單推理的特點[7]。而體驗是通過實踐和親身參與、親身經歷的一種特殊認知方式，是一種先行而后知的認知方式?；瘜W的體驗學習特別強調“做中學”的理念，正如古語說“吾聽吾忘，吾見吾記，吾做吾悟”，讓學生在實驗體驗中去感悟。

在教學中，一些教師為圖方便，采取全部播放“實驗視頻”的方式進行教學，如此“快餐式”導學方式雖然增加課堂容量，加快了教學節奏，但是學生會“食而不化”，必然會導致學習效果差。所以我們在“質量守恒定律”的學習過程中，一定要通過教師動手做演示實驗或讓學生動手做實驗的方式使學生或見或做，構建知識，感悟實質。其實教師認真演示實驗的“慢過程”，或者學生親自動手實驗的“體驗過程”，就是激發學生動腦思維的過程，也是學生不斷產生困惑并逐步解決問題的過程。

例如在教科書安排的四個實驗中，紅磷燃燒實驗是最令教師心憂的一個實驗，因為該實驗準備繁瑣，操作繁瑣而且耗時，還會因裝置氣密性等問題導致實驗失敗。但教師一定要進行實驗演示，就是實驗失敗了也是一個很好的“意外”教學素材，教師可以引導學生對照教科書中的實驗步驟以及要求分析失敗的原因，在認知沖突中再次體驗，一定會有許多感悟。

3.3 變式導，讓學生在比較中學

在網絡時代的當下，學生觀察化學實驗視頻已成為一個隨時性的行為，在課前就可以通過網絡觀看到教科書中的實驗視頻，使實驗不再具有新穎性和探索性。又由于對自主學習的倡導，許多學生養成了課前預習的好習慣，加之教科書本身可自學的特點，學生通過預習，對教科書的知識包括實驗的現象、結論等都已經基本了解，若教師還是按圖索驥式地進行實驗，課堂教學就會如嚼蠟無味一般，教師唯有變式導學，才能再次激發學生學習的激情和動力。

如紅磷燃燒的實驗，教師可以在安全操作的前提下，改用白磷并用微熱烘烤錐形瓶的方式進行演示實驗，通過改變引導學生進行對比分析，感悟實驗雖有差異而原理相同的內涵實質。

又如教師在引導學生分析碳酸鈉與鹽酸反應的“不平衡”實驗后，向學生提出一定要設計一個“平衡”的實驗要求，引導學生設計出在密閉容器中進行碳酸鹽與鹽酸反應的實驗裝置（見圖12），讓學生在對比分析的基礎上，感受實驗方案設計的科學性，提升學生思維分析的嚴謹性。

再如鎂條燃燒，其實驗結果會因為操作方式和鎂條長度不同而產生三種結果，即反應后的物質質量會小于、等于、大于原鎂條的質量[8]。但是在課堂上通過一次或幾次實驗是無法獲得三種實驗現象的。我們可以采取讓學生先根據鎂與氧氣反應生成氧化鎂的原理做一個實驗的現象預判，教師再演示或讓學生完成一個“質量變小”的實驗體驗[9、10]（實驗時一定要戴護目鏡，防止“光性視網膜損傷”發生）[11]，觀看一個“質量變大”的“優酷”實驗視頻（“優酷”中都是“質量變大”的視頻），思考一個“質量相等”的客觀現實，通過這樣不同的方式引導學生積極推理，深入探究分析，尋找分析影響實驗質量差異的因素，以期達到提升分析問題解決問題的能力。

總之，教科書上每一處修改必有緣由，任何細微變化都是編寫者認真思慮的結晶。無數教學一線的教師也在孜孜研瀆一本教科書，年年都會對“質量守恒定律”課題進行重新備課，創新設讓教學感悟會不斷深入，實驗的衍變也會繼續進行著。讓我們傾心于教學中改革實驗，在實踐中品味實驗，讓實驗發揮最佳功效。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準（2011版）[s].北京：北京師范大學出版社，2012

[2]程名榮，胡美玲主編.九年義務教育三年制初級中學教科書·化學[M].北京：人民教育出版社，2001

[3]胡美玲，何少華，王晶主編.義務教育課程標準實驗教科書·化學[M].北京：人民教育出版社，2006

[4]王晶，鄭長龍主編.義務教育課程標準教科書·化學[M]北京：人民教育出版社，2012

[5]宋心琦.化學實驗教學改革建議之一[J].化學教學，2012，（4）：3～4

[6]課程教材研究所化學課程教材研究開發中心.義務教育課程標準實驗教科書教師教學用書（化學九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2007

[7]于鷹，宋心琦.關于課堂實驗與探究性學習的一點看法[J].化學教學，2008，（5）：1～5

[8]人民教育出版社，課程教材研究所化學課程教材研究開發中心.義務教育教科書教師教學用書·化學（九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012

[9]王大華.鎂燃燒實驗在質量守恒定律教學中的設計[J]化學教與學，2012，（8）：95

[10]宋漢明.對初中化學《質量守恒定律》“實驗5-2”操作問題的探討[J].中小學教學研究，2013，（zl）：32

[11]黃炎.鎂條燃燒試驗致雙眼視力下降一例[J].眼科研究，1997，（1）：14