從“化學反應中的質量關系”課例談教師學科素養*

游梅

從“化學反應中的質量關系”課例談教師學科素養*

游梅

（迎春中學江蘇蘇州215128）

分析了在滬教版九年級化學“化學反應中的質量關系”的課堂教學中，多數教師存在錯解化學史知識、實驗設計不夠全面細致、課堂例題脫離實驗實際等三個問題。借此說明初中化學教師研究化學史、實驗和習題的重要性。

化學史；實驗；題例

初中化學教學是化學教育的啟蒙階段，這個階段的化學知識和技能水平要求不高，一般的本科生甚至專科生就可以擔任初中化學教學的工作。然而，大量事實證明即使在初中化學教學的小小天地中，能做到深刻把握教材內涵、思想見解獨到、致力于培養學生科學素養，把工作做得風生水起的專家型教師并不多。本文以近期蘇州市吳中區名師展示課“化學反應中的質量關系（滬教版）”的教學設計為例，說明教師的化學史知識、實驗設計水平和編制例題的能力有待提高。

一、想當然解讀化學史知識，缺少歷史觀智慧

滬教版九年級上冊第4章第2節“化學反應中的質量關系”中有這樣3段文字（教材配插圖）：

早在300多年前，化學家們就對化學反應進行定量研究。1673年，英國化學家波義耳（RobertBoyle，1627-1691）在一個敞口的容器中加熱金屬，結果發現反應后容器中物質的質量增加了。

1777年，法國化學家拉瓦錫用較精確的定量實驗法，在密封容器中研究氧化汞的分解與生成物中各物質質量之間的關系，得到的結論是：參加化學反應的各物質的質量等于反應后生成的各物質的質量總和。

后來，人們利用先進的測量儀器做了大量精度極高的實驗，確認拉瓦錫的結論是正確的。從此，質量守恒定律被人們所認識。［1］

大多數教師在講這節內容時都會用到上述3段材料，然后得出結論：在空氣中加熱金屬，金屬與空氣中的氧氣發生化合反應，生成的金屬氧化物比金屬質量大了。然而，波義耳在敞口容器中實驗，他沒考慮到金屬消耗了氧氣，冷卻時外界的空氣會進入曲頸甑，導致質量增加。拉瓦錫在密封容器中實驗可以防止金屬與氧氣反應時外界氣體補充進來，也可以防止金屬氧化物分解時氧氣逸出到容器外。因此，波義耳的實驗設計是錯誤的，拉瓦錫的實驗設計才是正確的。在我所聽的這一節公開課中（不少于二十節），幾乎所有教師都是這么講的。

恩格斯：波義耳——把化學確立為科學。為什么這樣一位偉大的化學家沒有在密閉的容器中而在敞口容器中加熱金屬？現在連一個剛學化學的初中學生都懂的道理，他不知道嗎？如果仔細研究這段化學史會發現，1673年前后，波義耳做了煅燒金屬的實驗，發現金屬煅燒后的煅灰總比金屬本身重。當時人們還不清楚空氣的成分，不知道空氣中有氧氣，當然也不清楚在加熱金屬時，金屬會與氧氣反應的事實。他的解釋是：在煅燒過程中，“火微粒”穿過容器壁與金屬結合，形成比金屬本身還重的煅灰。直到1774年，拉瓦錫用錫和鉛做了著名的金屬燃燒實驗：將錫和鉛分別密封在曲頸瓶中，在加熱前后都精確地進行了稱量，發現煅燒后瓶中的金屬已變成煅灰，但瓶和煅灰的總質量沒有改變。當他把瓶子打開后，發現有空氣沖進瓶內，這時瓶和煅灰的總質量增加了。拉瓦錫加熱汞煅灰時，逸出的氣體質量與將汞煅燒成煅灰時所增加的質量相等。后來，拉瓦錫又做了大量的燃燒實驗，認識到空氣是兩種氣體的混合物，一種是能助燃，有助于呼吸的氣體，拉瓦錫將它命名為“氧”；另一種是不助燃，無助于生命的氣體，命名為“氮”，意思是“無益于生命”。同時，拉瓦錫得出了化學變化前后總質量不變的結論即質量守恒定律。［2］

在這里，還有一位應該提到的科學家——俄國的羅蒙諾索夫，他在密閉的玻璃瓶內燃燒金屬，不開啟玻璃瓶就稱量，發現盡管金屬經過煅燒已經變成了煅灰，但重量并無變化。他斷定金屬在敞開的容器中煅燒增重是由于金屬與空氣結合的緣故，從而否定了波義耳的“火微粒”和“燃素”的存在。1756年，他從大量實驗中概括出質量守恒定律：參加反應的全部物質的重量等于全部產物的重量。［3］羅蒙諾索夫得出質量守恒定律比拉瓦錫還早18年。

值得一提的是，質量守恒定律的建立與物質微粒觀也有很大關系。直到19世紀、20世紀，分子原子的發現及概念的確立，以及它們在化學反應中的變化規律逐漸被人們認識，質量守恒定律才真正被人們接受。

一些教師可能就沒有去讀化學史，談不上“解讀”和“認識不夠全面深入”，導致在講課時簡單說成：波義耳的實驗是錯誤的。這樣的結論不利于學生了解質量守恒定律的發現史，也談不上用化學史知識啟迪學生的智慧。其實，每一位科學家的實驗都是在前人的認識和實驗的基礎上，都有他的創新性和局限性，對他們的貢獻，我們應該把他放在他所處的具體歷史環境中分析、解讀，才會有正確的認識。我國化學教育家傅鷹先生提出：化學給人以知識，化學史給人以智慧。化學教師要正確用化學史知識促進學生智慧增長。

二、實驗設計不夠深刻細致，缺少說服力

多數教師只做了教材上的2個實驗：氫氧化鈉溶液和硫酸銅溶液混合，大理石與稀鹽酸混合后將產生的氣體用澄清石灰水吸收。沒有分類實驗，沒有對比說明，對沒有做的實驗，一概用講實驗的方法代替做實驗。對驗證質量守恒定律的實驗，筆者認為以下兩個方面很重要。

1.藥品的選取

拉瓦錫加熱金屬汞的經典實驗中，汞易蒸發，受熱后蒸發加快，汞蒸氣與空氣中氧氣接觸充分，可以將密封容器內的氧氣消耗較徹底。但是，由于汞蒸氣有毒，演示和分組實驗一般不用，而大多會選用白磷。白磷的用量不宜過多，否則在密封容器中受熱會將瓶塞頂出，在敞口容器中產生白煙逸出，危害師生健康。因此，藥品的用量有時也能影響實驗的成敗優劣。再比如大理石與稀鹽酸的反應，兩者的用量也不宜多，否則密封容器的瓶塞會迸出，甚至有容器爆裂的危險。

2.方案的設計

質量守恒定律是經過“無數”實驗檢驗的，一堂課不可能做“無數”實驗，但可以把實驗分為在敞口容器中總質量“不變”“增大”“減少”等三種情況分別舉例說明。在敞口容器中，反應前后總質量改變不能證明質量守恒，對于有氣體參與或有氣體產生的反應，稱量反應前后的物質總質量有沒有變化，跟裝置是否密封有關，因此，在每次實驗都需要設計對比實驗，一個是敞口容器，另一個是密封容器，例如下表。

表1　驗證質量守恒定律的實驗設計

三、例題編制背離實驗情境，缺少真實來源

題例1：把6.1g干燥純凈氯酸鉀和二氧化錳的混合物放在試管中加熱，直至氯酸鉀完全分解為止。冷卻后，稱得剩余固體的質量為4.2g。根據_______定律，制得氧氣的質量是_______。二氧化錳在反應中起的作用是________。

分析：命題者或認為氯酸鉀會完全分解為氯化鉀和氧氣，或認為對初中生而言不必考慮過多，故氧氣質量的答案為1.9g。然而，氯酸鉀和二氧化錳的反應機理有多種解釋，比較常見的一種解釋是分為三步：①二氧化錳和氯酸鉀反應先生成高錳酸鉀、氯氣和氧氣：2MnO2+2KClO32KMnO4+Cl2↑+O2↑；②高錳酸鉀分解生成錳酸鉀、二氧化錳和氧氣：2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑；③錳酸鉀再和氯氣反應生成氯化鉀、二氧化錳和氧氣：K2MnO4+Cl22KCl+MnO2+O2。第一步反應產生氯氣，這也是我們在實驗中常常聞到刺激性氣味的原因。無論出于何種原因，嚴謹是命題者應該追求的，如果將“制得氧氣的質量是________。”改為“可知最多能制得氧氣的質量是________。”就妥當多了。

題例2：將A、B、C各10g的混合物加熱后，A全部參加反應，生成4gD，同時增加了8gC，則反應中A與B的質量比是（）

分析：根據質量守恒定律不難得出，反應中A與B的質量比是5︰1。然而，題目中的10gA和2gB反應產生了8gC和4gD，符合哪個具體反應？不清楚。在學生學過和將要學習的化學反應中，沒有這種質量關系。這樣虛構的A、B、C、D的反應脫離了真實的化學反應情境，就類似于數學題了。質量守恒定律的相關例題的作用是將實驗現象、質量數據和定律聯系起來，以便加深對化學反應本質的理解，而不是純粹的根據數學公式的計算。

題例3：在一個密閉容器內有X、Y、Z、Q，在一定條件下充分反應，測得反應前后各物質的質量如下：

試推斷該密閉容器中發生的化學反應基本類型為（）

A.分解反應B.化合反應

C.置換反應D.復分解反應

分析：這道題在一些教輔材料中非常常見，根據質量守恒定律，反應前物質的總質量是93g，反應后X的質量＝93g-24g-14g＝55g。反應前后質量對比可知，Z為反應物，X、Y、Q為生成物，即反應為分解反應。題目用X、Y、Z、Q代替真實物質，防止學生用真實物質推知反應類型，但是反應后它們在密閉容器中的質量是如何測得的？題目中涉及的幾種物質混合在一起，要稱量質量必須先分離、提純，如果有氣態物質，打開密閉容器時氣體逸出，質量無法稱量。這些實驗細節在題目中沒有說明，連一筆帶過的交代也沒有。此題也成了一道真實實驗情境缺失的純數學計算，學科品味不夠。

化學家波義耳：人之所以能效力于世界，莫過于勤在實驗上下功夫。這句話不僅道出了他之所以取得偉大成就的原因，也說明了化學是實驗基礎上的科學。尊重實驗、基于實驗是研究一切有關化學問題的出發點。

思考本課堂教學中暴露的問題，我們不難發現一些教師講解化學史、設計實驗、編制例題的水平亟待提高。我們不但需要大樓，而且需要大師，對教育的投入不僅僅是硬件條件的改善，更重要的是教師水平軟實力的提高。國家教育部門已經非常重視師資的培訓問題，廣大教師應該順應時代、抓住機遇提高自己。

［1］王祖浩.九年制義務教育教科書（滬教版）·化學上冊［M］.上海：上海教育出版社，2013：103-104

［2］［3］袁翰青，應禮文.化學重要史實［M］.北京：人民教育出版社，1989：10-13

1008-0546（2016）11-0070-03

G632.41

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2016.11.023

*本文系江蘇省教育科學“十二五”規劃課題《專家型中學化學教師實驗教學方法的實踐研究》的階段性研究成果（項目編號：D/2015/02/178）。