基于化學史和思維轉換的質量守恒定律教學設計

賈萍萍 吳明書

摘要：將化學史融入課堂是一個有效拓寬學生視野并提高學生的科學素養的方法。以質量守恒定律的教學為例，以質量守恒定律發現過程設計了教學過程，通過啟發提問一探究討論一實驗驗證等活動，讓學生站在科學家的角度思考問題，揭示科學家探究過程的思維和方法，經歷從定性思維到定量思維的轉變，提高學生的科學素養。

關鍵詞：質量守恒定律;教學設計;化學史;定量研究

文章編號：1008-0546（2019）04-0068-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.019

將化學史融人課堂是一個有效拓寬學生視野并提高學生的科學素養的方法。化學史反映了化學原理發展的過程，能夠幫助學生充分理解化學知識。但很多教師在教學過程中只注重實驗探究，或只是將化學史以片段的形式插入。在進行相關的化學史教學時，教師大多只介紹定律的發現者、發現時間、發現的簡單過程和拉瓦錫的貢獻[1]。學生對這段歷史沒有清晰的認識，依據教材孤立地認為是拉瓦錫一個人建立了質量守恒定律，且這個定律沒有什么價值等片面的印象。質量守恒定律的發現過程體現著科學家從定性思維到定量思維的轉變，而在實際教學中，很多教師只是將質量守恒定律作為一個理論知識傳授給學生，忽略了它對學生定量的化學觀的形成的積極影響。

一、教學設計

本節課采用歷史線-探究線相結合的教學方式進行教學，以質量守恒定律的發現史為主線創設教學情景，對每段化學史實提出問題，讓學生換位思考，交流討論，開展質量守恒定律的學習和探究，學會用定量的方法初識化學變化的本質。

二、教學思路

波義耳的金屬銅煅燒實驗——對金屬增重產生疑問——激發學生探究熱情——施塔爾的燃素學說

解釋金屬增重原因一一與學生已有知識產生沖突——對波義耳的金屬銅煅燒實驗再次質疑——設計金屬煅燒的反應體系——羅蒙諾索夫的金屬銅煅燒實驗——設計并驗證實驗——拉瓦錫的氧化汞實驗——播放氧化鈷分解實驗動畫——微觀解釋質量守恒定律——質量守恒定律的應用。

三、教學目標

1.知識與技能

（1）認識質量守恒定律。

（2）能用微觀的觀點解釋質量守恒定律。（3）能用質量守恒定律解決一些相關問題。

2.過程與方法

（1）初步了解科學家建立質量定律的過程和方法。（2）初步學習結合化學史學習化學的思維。

3.情感態度和價值觀

（1）重溫科學家建立質量守恒的過程，體會探究過程的曲折和成功的喜悅。

（2）通過實驗探究，發展定性到定量的科學觀。

四、教學過程

[引入]化學反應必然引起物質的改變，那么反應物和反應后的產物之間有什么關系呢？化學家在很久之前便關注并研究了這個問題。接下來就讓我們回到科學家所處的時代，去探尋質量守恒定律的發展足跡。時空之旅第一站：燃素學說的緣起

[波義耳]我叫波義耳，我非常喜歡做實驗，有一次我做了這樣一個實驗：我將稱重后的銅片放入密閉瓶中，將其煅燒。發現銅片逐漸由紫紅色變為暗灰色，最后變成了黑色。燒完后，打開密閉瓶，稱量金屬，發現變重了。我感到非常奇怪，又用鉛、錫等其它金屬做實驗，發現燃燒后都變重了。金屬燃燒后質量增加是什么原因引起的呢？

[投影]（見圖1）

[提出問題]假如你是波義耳，試想一下，在那個氧氣還沒有被發現的年代，怎么解釋這個現象呢？

[學生討論]是有東西和金屬結合了，導致金屬增加了。

[設計意圖]創設情境，使自己成為“小波義耳”，學會換位思考，只有將自己置身于情境中，學生的思維才能被充分地激活，科學素養才能得到提高。

[波義耳]我認為應該有一種“熱素”，可以從一個物體注入另一個物體，燃燒時與金屬結合，導致金屬灰質量增加。

時空之旅第二站：燃素學說的發展，

[施塔爾]我認為燃燒時燃素飛散，反應物總質量減少，說明燃素具有正質量，但是反應物在反應過程中不會憑空消失，金屬燃燒后質量增加，是燃素具有負質量造成的。

[提出問題]同學們，你們認為這個解釋合理嗎？為什么？

[學生討論，]不合理，質量怎么可能有負值呢，一切物體都是有質量的。

[設計意圖]創設矛盾情境，通過對施塔爾解釋的提問，與學生的已有知識（物體是有質量的）產生沖突，使學生對燃素學說產生質疑，讓學生意識到定性認識是片面的，引導學生通過科學的方法來探索原理。

[提出問題]好，同學們，既然認為施塔爾的解釋不合理，那我們再次回到波義耳的實驗中，仔細分析一下實驗過程，有沒有不足的地方呢？

[學生討論]他只稱量了金屬灰的重量，沒有稱量其它的質量，而且玻璃瓶一直打開，反應體系一直和空氣接觸，可能會對實驗有影響。

[提出問題]那我們該怎么改進這個實驗呢？

[學生討論]在反應過程中需要保持反應裝置密閉，可以將金屬和容器一起稱重。

[設計意圖]通過對波義耳實驗裝置的分析，引導學生按照科學家的思路進行思考，探索波義耳實驗的不足，找出波義耳解釋的不合理之處，并在此基礎上提出改進方案，有助于幫助學生從定性思維逐漸上升到定量思維。

時空之旅第三站：質量守恒定律的雛形

[羅蒙諾索夫]我非常反對燃素學說對金屬增重現象的解釋，我認真研究了波義耳實驗的做法，產生了一些疑問：波義耳在做實驗前，為什么不稱量一下密閉瓶的質量呢？加熱后打開密閉瓶，有沒有什么東西從容器里“跑出”并改變它的重量？我決定重新做這個實驗。

我用天平稱量一些錫粉，質量為m1;然后將其放入密閉容器中充分燃燒，反應結束后，不打開容器，直接稱量容器，所得質量為m2;稱完后，打開容器，取出生成的白色物質，稱量，記為m3;再將白色物質放回原來的容器中，再次稱量容器的質量，記為m4。

我分析數據后發現，得到一個等式m3=m4-m2+m1。我又拿鐵，銅多次重復這個實驗，等式仍然成立。這意味著沒有熱素進入容器，否則容器的質量應該增加。我根據這個現象，提出了“參與反應的物質的總質量，等于反應后產物的總質量”的觀點。

[提出問題請同學們分析一下m3;=m4-m2+m1的含義，為什么羅蒙諾索夫能發現這個規律呢？

[學生討論]m4-m2為參加反應的氣體的質量，m1為金屬錫粉的質量，m4-m2+m1，為參加反應物總質量，m3為反應后產物的總質量。

[設計意圖]引導學生分析等式的含義，驗證羅蒙諾索夫的觀點，使學生的思維與科學家的思維巧妙同步，學會用定量的思維解釋化學理論。

[提出問題]這個是巧合嗎？那沒有氣體參與的反應是不是也遵循羅蒙諾索夫的觀點呢？

[學生實驗]鐵與硫酸銅的實驗。

[設計意圖]通過了解羅蒙諾索夫的實驗原理，學生在教師的指導下，設計并完成鐵和硫酸銅溶液的實驗，讓學生用定量的方法驗證羅蒙諾索夫觀點的正確性。

根據我們剛才做的實驗，也說明了羅蒙諾索夫的觀點是正確的。但在羅蒙諾索夫的時代，由于缺乏嚴格的實驗證據，這項重大的發現沒有得到人們應有的重視。

時空之旅第四站：質量守恒定律的建立

[拉瓦錫]我看了波義耳和羅蒙諾索夫的實驗，兩個結論不一樣，到底真相是什么呢？于是我研究了氧化汞的分解和合成反應過程。我將45.0份質量的氧化汞在密閉容器中進行加熱后，恰好得到了41.5份質量的汞和3.5份質量的氧氣[3]。我又做了其他物質的燃燒比如碳燃燒，磷燃燒等，歸納出了一個規律，在化學反應中，反應前后的總物質保持不變，而且物質的質量也保持不變。

[投影]（見圖2和圖3）

[提出問題]拉瓦錫的實驗與之前兩位的實驗相比，有什么優點？

[學生討論]實驗更加精確了，他還分析了生成物。

[講述]拉瓦錫不只是定性地觀察實驗對象，而且用定量的實驗為研究提供實驗證據，他用精密的實驗儀器測量反應前后各個物質的變化。此后，定量研究成為科學家解決問題的基本方法。正是依據科學的實驗方法，拉瓦錫推翻了錯誤的燃素學說，讓質量守恒定律為眾人所知，而他本人也被稱為近代化學之父。

（設計意圖]通過將拉瓦錫實驗與前面的實驗進行比較，分析出拉瓦錫實驗的先進性，讓同學們初步形成從定性思維到定量思維轉變的思想，同時讓學生了解質量守恒定律是化學發展史上的里程碑。

[提出問題]為什么參與化學反應的物質的總質量等于反應后產物的總質量呢？我們看一下氧化汞分解實驗的情況吧。

[課件演示]氧化汞分解實驗的微觀動畫。

[提出問題]在這個微觀實驗中，化學反應前后，元素種類發生變化了嗎？原子個數、原子種類、原子質量發生變化了嗎？分子、物質種類發生變化了嗎？

[學生討論]不變：元素種類，原子個數，原子種.類，原子質量。變：分子種類，物質種類。

[設計意圖]學生在宏觀上對質量守恒定律有了較好的認知，通過氧化汞分解的動畫，從微觀上描述并分析質量守恒定律，使學生對質量守恒定律有更深層次的理解。

[學以致用]古人有“點石成金”的說法，請問這個說法對嗎？

[學生討論]不對，石頭的主要成分是碳酸鈣，只有鈣、碳、氧元素，不含金元素，根據質量守恒定律，碳酸鈣反應不會有金元素產生，所以這句話是錯的。

[課堂小結]通過這節課的學習，你對化學反應有什么新的認識嗎？

[作業]如果你能回到過去和某位科學家進行交談，你會說些什么呢？

[設計意圖]回顧質量守恒定律建立的歷史，了解.化學家對化學發展作出重大貢獻的曲折過程，培養學生勇于探索的精神。

五、結語

本節課按照新課標，將化學史融入課堂，以質量守恒定律的發現史作為主線，通過重現歷史一啟發提問一探究談論等活動的開展設計教學過程，突出教學重點，發揚學生的主動性，啟迪學生的思維，讓學生充分理解質量守恒定律，并挖掘化學史背后蘊含的科學價值，使學生從定性思維轉到定量思維，在處理化學實驗問題中形成“密閉體系”的意識，作出更科學的思考。

參考文獻

[1]姜鵬，鄭長龍，袁旭富.關于“質量守恒定律”化學史教學的幾個問題的討論[J].化學教育，2008（9）：77-78

[2]郭曉麗，王瀾，魏銳.“質量守恒定律”的建立過程分析及其對教學的啟示[J].化學教育，2017，38（11）：78-80

[3]肖芬.質量守恒定律及其應用[J].初中生必讀，2003（10）：30-31