“化學反應中的質量關系”的教學素材選擇研究

陳歡

摘要：以“化學反應中的質量關系”為例，分析初中化學教學素材選擇的研究方式，解讀初中化學教學素材的選擇策略，期望籍此為初中化學教學研究提供一些思考和幫助。

關鍵詞：教學素材;化學反應中的質量關系;選擇策略

文章編號：1008-0546（2020）11-0010-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.003

教學素材的合理選擇能有效提升課堂的教學效率，有效促進核心素養的落地生根。在九年級化學教學階段如何選擇有效的教學素材，成為一個重要的議題。本文以“化學反應中的質量關系”為例，說明初中化學教學素材選擇的研究方式，解讀初中化學教學素材的選擇策略。

一、化學反應中的質量關系

“化學反應中的質量關系”的核心內容是質量守恒定律，也即“參加化學反應的各物質的質量總和等于反應后生成的各物質的質量總和”。相關內容在教學中存在諸多特點：探究量大，可選擇研究的實驗豐富，相適切的實驗裝置多，需要合適的教學素材幫助學生梳理出清晰脈絡;思維難度大，化學反應中的質量關系研究角度是從定性深入定量，從宏觀深入微觀，需要合適的教學素材幫助學生進行有效的思維切換;信息量大，化學反應中的質量關系實質的得出需要學生去偽存真、撥云見日，利用數學建模的思想進行必要的理解，需要合適的教學素材幫助學生進行深入的知識構建;考察點豐富，涉及化學反應質量變化的相關解釋、化學反應的微觀研究、信息方程式的書寫、質量守恒定律的裝置改進研究等，需要合適的教學素材幫助學生進行合理的知識點梳理;教學情境豐富，海爾蒙特、波義爾、拉瓦錫、羅蒙諾索夫、朗道耳、曼萊、愛因斯坦等多位知名科學家涉及質量守恒定律研究，需要合適的教學素材幫助學生構建好科學觀與社會觀。因而不難發現，合理的教學素材選擇對學生深度學習“化學反應中的質量關系”意義重大。

二、“化學反應中的質量關系”教學素材選擇的研究方式

1.參考課程標準，分析質量守恒定律的教學定位

《義務教育化學課程標準（2011年版）》中對于質量守恒定律的標準表述為：認識質量守恒定律，能說明化學反應中的質量關系;認識定量研究對于化學科學發展的重大作用。活動與探究建議為：實驗探究化學反應前后的質量關系;用微粒的觀點對質量守恒定律做出解釋。解讀標準不難發現，其在教學中對于質量守恒定律的定位如下：利用質量守恒定律的研究讓學生學習從定性向定量切換;利用科學探究研究質量守恒定律的宏觀原因;從微粒的角度研究質量守恒定律成立的本質原因;拓展質量守恒定律的應用，認識定量研究對于化學學科發展的重大作用。質量守恒定律具備承前啟后的作用，承擔從定性到定量的轉換，深化宏觀微觀間的學習。

2.剖析教材，確定“化學反應中的質量關系”教學內容的內涵與外延

“化學反應中的質量關系”也就是質量守恒定律，內涵為“參加化學反應的各物質的質量總和等于反應后生成的各物質的質量總和”，從宏觀和微觀兩個角度理解質量守恒定律成立的原因。教學內容的外延為呈現方式是科學探究（包含研究過程、實驗的選擇、實驗裝置的搭建等）教學意義是讓化學學習從定性走向定量。

3.分類分項，多渠道豐富教學素材

初中化學教學素材從內容上分為情境素材、實驗素材和習題素材;從形式上分為活動素材、文本素材、音視頻素材和信息化素材;從性質分為正面素材、反面素材和中性素材等。本研究不從素材的分類上著力，主要強調素材的多樣性。“化學反應中的質量研究”的素材包含以下相關內容：化學史的相關素材、科學探究的相關素材（科學探究的過程、實驗的選擇、實驗裝置的選擇等）、數學思維的素材、利用微粒觀點研究宏觀事實的案例選擇、情境和習題素材的選擇。

三、“化學反應中的質量關系”教學素材選擇的具體研究

1.立足于化學發展，著眼于質量守恒定律的研究思路

學生的知識形成過程在一定程度與知識的發現過程相契合，化學史的使用能有效促進學生的深度學習。梳理科學家對質量守恒定律的研究，其研究內容見表1。

梳理上述化學史不難發現，質量守恒定律的發現歷經很長時間，涉及多個歷史事件，需要選擇有代表性的事件進行整合加工。選擇到的歷史事件需要能激發學生興趣、能引發學生思考、能呈現必要事實、能促進學生科學價值觀形成。最終選擇如下科學家的事例作為研究著力點，具體見表2。

2.立足于科學探究，確立質量守恒定律的研究方法

（1）確立探究質量守恒定律所用實驗

化學史上所用和目前教材上使用的探究實驗較多，具體見下表3。

梳理后發現探究質量守恒定律的化學實驗有：汞與氧氣反應、錫與氧氣反應、大理石與稀鹽酸反應、氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應、紅磷燃燒實驗、鎂條燃燒實驗、鐵與硫酸銅溶液反應、白磷燃燒實驗、蠟燭燃燒實驗、堿式碳酸銅分解實驗、無水硫酸銅吸水實驗、鐵粉與氧氣反應實驗。將上述實驗按照基本反應類型、氣體的參與或生成、是否產生污染、是否常見等類型進行簡單分類，見表4。

從現象明顯、條件簡單、操作簡便、涉及全四大基本反應、涉及全有無氣體參與等角度人手，可選擇如下五個實驗：鐵與硫酸銅反應、堿式碳酸銅分解實驗、蠟燭燃燒、氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應、錫與氧氣反應。

（2）確立探究質量守恒定律所用儀器及裝置

按照學生的初始邏輯認知：稱量需要兩次操作，即反應前和反應后分別稱量一次;實驗裝置也較為簡單，燒杯和試管組成的簡單敞口裝置。依據教學的要求和深度學習的要求，需要進行如下轉變：稱量的次數從兩次轉為一次（反應前進行稱量，保持砝碼和游碼不變，觀察天平是否平衡）;裝置的選擇從敞口裝置一簡單密閉一氣球密閉一膠頭滴管或注射器加上錐形瓶的密閉（見下表5）。依據上述要求，可提供如下儀器進行科學探究：天平、錐形瓶、橡皮塞、氣球、注射器、膠頭滴管、單孔塞、注射器等。

3.立足于多學科思維，分析質量守恒定律的研究思路

（1）利用數學思維，推演質量守恒定律

質量守恒定律的表述為：參加化學反應的各物質的質量總和等于反應后生成的各物質的質量總和。但化學反應發生的環境往往復雜，存在著很多未參加反應的物質及實驗儀器，在分析具體質量變化的時候需要進行取舍。這要求使用大量的數學思維，需要透過現象進行本質運算，利用整體和局部、相關和無關變量等數學思維。例如羅蒙諾索夫的質量守恒定律研究：用天平稱量質量為m1的金屬錫粉，將錫粉放在密閉容器中進行完全燃燒生成了白色的固體物質（氧化錫），稱量容器的總質量為m2，打開容器，聽到了空氣進入容器發出“嘶嘶”的聲響，待容器中空氣恢復到初始狀態，重新稱量容器的總質量為m3，分析數據發現生成的氧化錫質量等于錫粉的質量（m1）加上容器內參與空氣的質量（即最終容器的總質量m3減去打開容器前容器的總質量m2）。在整個研究中，涉及到容器的質量、空氣的質量、錫粉的質量和進入空氣的質量等，區分好容器和未參加反應的空氣質量是整體中的無關變量，錫粉、氧化錫和參與反應的氧氣質量是需要研究的相關變量，兩者結合進行研究。

（2）利用物理思維，分析儀器改進

在質量守恒定律的實驗研究中，若選擇有氣體參加的反應或放熱的反應進行實驗，會導致氣壓變大，這會使得裝置的簡單密閉較為困難，瓶塞易被彈出。選擇使用氣球，若氣球因氣體產生變大后會產生浮力，天平向右偏;若氣球因溫度升高變大最后會縮小，先有浮力后消失，天平先向右偏后恢復平衡。在一系列的研究中，需要學生充分準備好物理思維，涉及到浮力、氣壓等。

4.立足于宏微結合，深層剖析質量守恒定律的成立本質

質量守恒定律成立的本質原因是化學反應中原子的個數、種類和質量不變，原子的種類不變決定了元素的種類不變，原子的個數和質量不變決定了元素的質量不變，元素的種類和質量不變決定了物質的總質量不變。選擇合適的素材進行合適的推演成為促進學生深度學習和理解的關鍵。山東教育出版社的九年級化學教材在研究質量守恒定律時沒有提供具體的微觀化學變化進行研究，但上海教育出版社和人民教育出版社分別提供了相關的微觀研究素材（見表6）。從三個版本的教材來看，都不約而同地選擇了水的分解或氫氣燃燒作為研究化學變化中分子原子變化的素材。基于教學發展的一慣性和學生思維的連續性兩個角度，應為選擇水的電解作為研究質量守恒定律得以成立的微觀實質為最佳。

5.立足于情境分析，增強質量守恒定律的遷移應用

質量守恒定律的考察方式多樣化、問題情境的設置也極為豐富。應選擇合適的有邏輯性的教學素材進行搭配，促進學生的深度學習。可設置出這樣的邏輯：實驗現象解釋一化學式推斷一化學反應定量推斷一物質元素的組成確定，在練習的設置和搭配遵循微觀與宏觀相結合、定性與定量相結合、理論聯系實際的原則。

實驗現象解釋練習：①高錳酸鉀受熱分解后，剩余固體的質量比原反應物的質量減少;②如圖1，在錐形瓶中放入一小粒白磷，塞好瓶塞后玻璃管下端剛好能與白磷接觸，將整套裝置放在托盤天平上調節至平衡，取下橡皮塞，將玻璃管放在酒精燈火焰上灼燒至紅熱，迅速塞緊瓶塞，將白磷引燃，待錐形瓶冷卻后觀察天平是否平衡。實驗時，氣球的變化是——。實驗前后天平保持平衡，實驗后，松開橡皮塞，則天平指針

（填“向左偏”“向右偏”或“指向中間”）。

四、深度學習視域下初中化學教學素材的選擇策略

1.多樣性選擇策略

在教學素材的選擇時，需要關注與本節課相關的教學研究，以讓素材的選擇更加多樣：確定好需要的化學素材種類，常見的初中化學素材有化學史素材、化學實驗素材、化學思維素材、化學情境素材、化學習題素材，多樣化教學素材的種類;利用好課程標準的標準定位和素材使用指導、通用的化學教材、教材的教師教學指導用書、期刊論文等相關文獻，多樣化教學素材的來源;進行必要的教育教學思考，串聯好與各個學科之間的邏輯關聯，多樣化教學素材的思維，例如進行質量守恒定律研究時，需有適度的物理中的氣壓研究。

2.有效性選擇策略

在大量的教學素材面前，需要選擇出有效的教學素材：加強教學研究，研讀課程標準，確定好教學內容的定位，研究教材，落實好教學內容在教材中作用和前后聯系，研究學生，明確好學生的知識、技能、情感、價值觀等的最近發展區;加強相似教學素材的比對研究，研究出教學素材間的同與異，摘選出符合學情適合教學的素材，例如質量守恒定律的相關研究中，出現大量的實驗改進裝置，需要確立好改進的角度和研究方向，其多是氣體的參與或生成的角度入手，即可選擇有代表性的素材進行研究;加強不同教學素材間的串聯研究，尋找教學素材間的聯系與區別，構建深度學習的多重維度，例如在質量守恒定律的相關研究中，將化學史素材、科學探究素材、學科思維素材、教學情境素材等緊密聯系，共同推進質量守恒定律的深度學習。

3.前瞻性選擇策略

在教學素材的選擇時，關注當下的教育教學熱點、新型教育技術、學生新的思維方式的發展方向，為教學素材的選擇提供前瞻性的角度，例如在質量守恒定律導入素材的選擇時，化學史導入、實驗中質量變化的差異性導入均是優良素材，但在整合時最終發現網絡上較為流行更易激發興趣的趣味實驗——移動火焰，即用一根鐵釘穿過一支蠟燭，將鐵釘搭在玻璃杯上，從兩端點燃蠟燭，蠟燭一直處于旋轉的狀態。實驗素材取自于學生的生活，實驗簡單易重復，實驗內容的設置有梯度，讓學生產生思維碰撞，最終可用質量守恒定律的觀點進行解釋。