從“化學反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”課例談教師學科素養(yǎng)*

游梅

從“化學反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”課例談教師學科素養(yǎng)*

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(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”的課堂教學中，多數(shù)教師存在錯解化學史知識、實驗設(shè)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?？粕涂梢該纬踔谢瘜W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(nèi)涵、思想見解獨到、致力于培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)，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(qū)名師展示課“化學反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系（滬教版）”的教學設(shè)計為例，說明教師的化學史知識、實驗設(shè)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(jié)“化學反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)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(yīng)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(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后容器中物質(zhì)的質(zhì)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(zhì)質(zhì)量之間的關(guān)系，得到的結(jié)論是：參加化學反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)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(jié)論是正確的。從此，質(zhì)量守恒定律被人們所認識。［1］

大多數(shù)教師在講這節(jié)內(nèi)容時都會用到上述3段材料，然后得出結(jié)論：在空氣中加熱金屬，金屬與空氣中的氧氣發(fā)生化合反應(yīng)，生成的金屬氧化物比金屬質(zhì)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(dǎo)致質(zhì)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(yīng)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(shè)計是錯誤的，拉瓦錫的實驗設(shè)計才是正確的。在我所聽的這一節(jié)公開課中（不少于二十節(jié)），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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，1673年前后，波義耳做了煅燒金屬的實驗，發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(jié)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(fā)現(xiàn)煅燒后瓶中的金屬已變成煅灰，但瓶和煅灰的總質(zhì)量沒有改變。當他把瓶子打開后，發(fā)現(xiàn)有空氣沖進瓶內(nèi)，這時瓶和煅灰的總質(zhì)量增加了。拉瓦錫加熱汞煅灰時，逸出的氣體質(zhì)量與將汞煅燒成煅灰時所增加的質(zhì)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(zhì)量不變的結(jié)論即質(zhì)量守恒定律。［2］

在這里，還有一位應(yīng)該提到的科學家——俄國的羅蒙諾索夫，他在密閉的玻璃瓶內(nèi)燃燒金屬，不開啟玻璃瓶就稱量，發(fā)現(xiàn)盡管金屬經(jīng)過煅燒已經(jīng)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(jié)合的緣故，從而否定了波義耳的“火微?！焙汀叭妓亍钡拇嬖凇?756年，他從大量實驗中概括出質(zhì)量守恒定律：參加反應(yīng)的全部物質(zhì)的重量等于全部產(chǎn)物的重量。［3］羅蒙諾索夫得出質(zhì)量守恒定律比拉瓦錫還早18年。

值得一提的是，質(zhì)量守恒定律的建立與物質(zhì)微粒觀也有很大關(guān)系。直到19世紀、20世紀，分子原子的發(fā)現(xiàn)及概念的確立，以及它們在化學反應(yīng)中的變化規(guī)律逐漸被人們認識，質(zhì)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(dǎo)致在講課時簡單說成：波義耳的實驗是錯誤的。這樣的結(jié)論不利于學生了解質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)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(chǔ)上，都有他的創(chuàng)新性和局限性，對他們的貢獻，我們應(yīng)該把他放在他所處的具體歷史環(huán)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(shè)計不夠深刻細致，缺少說服力

多數(shù)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(chǎn)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(zhì)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(jīng)典實驗中，汞易蒸發(fā)，受熱后蒸發(fā)加快，汞蒸氣與空氣中氧氣接觸充分，可以將密封容器內(nèi)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(chǎn)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(yōu)劣。再比如大理石與稀鹽酸的反應(yīng)，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(shè)計

質(zhì)量守恒定律是經(jīng)過“無數(shù)”實驗檢驗的，一堂課不可能做“無數(shù)”實驗，但可以把實驗分為在敞口容器中總質(zhì)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(yīng)前后總質(zhì)量改變不能證明質(zhì)量守恒，對于有氣體參與或有氣體產(chǎn)生的反應(yīng)，稱量反應(yīng)前后的物質(zhì)總質(zhì)量有沒有變化，跟裝置是否密封有關(guān)，因此，在每次實驗都需要設(shè)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(zhì)量守恒定律的實驗設(shè)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(zhì)量為4.2g。根據(jù)_______定律，制得氧氣的質(zhì)量是_______。二氧化錳在反應(yīng)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(zhì)量的答案為1.9g。然而，氯酸鉀和二氧化錳的反應(yīng)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(yīng)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(yīng)生成氯化鉀、二氧化錳和氧氣：K2MnO4+Cl22KCl+MnO2+O2。第一步反應(yīng)產(chǎn)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(yīng)該追求的，如果將“制得氧氣的質(zhì)量是________。”改為“可知最多能制得氧氣的質(zhì)量是________?！本屯桩敹嗔?。

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

分析：根據(jù)質(zhì)量守恒定律不難得出，反應(yīng)中A與B的質(zhì)量比是5︰1。然而，題目中的10gA和2gB反應(yīng)產(chǎn)生了8gC和4gD，符合哪個具體反應(yīng)？不清楚。在學生學過和將要學習的化學反應(yīng)中，沒有這種質(zhì)量關(guān)系。這樣虛構(gòu)的A、B、C、D的反應(yīng)脫離了真實的化學反應(yīng)情境，就類似于數(shù)學題了。質(zhì)量守恒定律的相關(guān)例題的作用是將實驗現(xiàn)象、質(zhì)量數(shù)據(jù)和定律聯(lián)系起來，以便加深對化學反應(yīng)本質(zhì)的理解，而不是純粹的根據(jù)數(shù)學公式的計算。

題例3：在一個密閉容器內(nèi)有X、Y、Z、Q，在一定條件下充分反應(yīng)，測得反應(yīng)前后各物質(zhì)的質(zhì)量如下：

試推斷該密閉容器中發(fā)生的化學反應(yīng)基本類型為（）

A.分解反應(yīng)B.化合反應(yīng)

C.置換反應(yīng)D.復(fù)分解反應(yīng)

分析：這道題在一些教輔材料中非常常見，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，反應(yīng)前物質(zhì)的總質(zhì)量是93g，反應(yīng)后X的質(zhì)量＝93g-24g-14g＝55g。反應(yīng)前后質(zhì)量對比可知，Z為反應(yīng)物，X、Y、Q為生成物，即反應(yīng)為分解反應(yīng)。題目用X、Y、Z、Q代替真實物質(zhì)，防止學生用真實物質(zhì)推知反應(yīng)類型，但是反應(yīng)后它們在密閉容器中的質(zhì)量是如何測得的？題目中涉及的幾種物質(zhì)混合在一起，要稱量質(zhì)量必須先分離、提純，如果有氣態(tài)物質(zhì)，打開密閉容器時氣體逸出，質(zhì)量無法稱量。這些實驗細節(jié)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(shù)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(chǔ)上的科學。尊重實驗、基于實驗是研究一切有關(guān)化學問題的出發(fā)點。

思考本課堂教學中暴露的問題，我們不難發(fā)現(xiàn)一些教師講解化學史、設(shè)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(jīng)非常重視師資的培訓問題，廣大教師應(yīng)該順應(yīng)時代、抓住機遇提高自己。

［1］王祖浩.九年制義務(wù)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(yīng)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

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10.3969/j.issn.1008-0546.2016.11.023

*本文系江蘇省教育科學“十二五”規(guī)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）。