基于認知邏輯的“歷史重演”教學法

李文良 許白恩 洪永健

摘要：化學史作為重要的課程資源融入課堂教學，需要兼顧歷史發生過程與學生的認知心理發生過程之間的協調，解決-化學發展歷史與教學情境問題之間的轉化，讓問題解決的過程中能真正促進學生能力的不斷提升和認知內容的逐步深化。以化學反應中的質量關系為例，扼要以認知邏輯的嚴格形式，探討了基于“歷史重演”的化學教學實施。

關鍵詞：化學史;重演法;化學反應中質量關系

文章編號：1008-0546（2020）01-0072-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.020

一、設計背景

教育理論研究認為，科學史應該成為教師教學設計的重要資源。生物學中“重演律”：個體的發展史，是系統發展史簡單而迅速的重演。學生學習科學的過程和人類研究科學的過程存在一定的相似性，即學生學習科學的過程“重演”著人類研究科學的過程。本文以化學反應中的質量關系為例，扼要以認知邏輯的嚴格形式，重復化學發展的道路，探討基于“歷史重演”的化學教學實施。

二、設計理念

“歷史重演法”既要揭示歷史發生原理的內容和特征，更要考慮學生已有的認知水平。為了真正促進學生能力的不斷提升和認知內容的逐步深化，將人類認識“化學反應中的質量關系”的歷史劃成一個時間軸，分析時間軸上學生已有的認知水平，將其巧妙地設計到課堂教學中，具體分析如下：

1.科學歷史維度的分析

化學教學中無法把科學發現的過程詳細且全面展開，教師應該對歷史事件中“重要問題的解決過程”重新詮釋編排，避免學生對質量守恒定律的發現過程認識簡單化?；谖镔|不滅定律的假設，1673年波義耳用敞口容器研究金屬汞的燃燒實驗，意外發現固體的質量比原來汞的質量增加了。1703年，德國科學家施塔爾在敞口容器中燃燒木炭，發現質量減少。1756年，俄國化學家羅蒙諾索夫將錫放在密閉容器中煅燒生成氧化錫，容器的總質量不變。由于對空氣成分認識的局限性，這一成果并沒有得到承認，直到1789年，法國化學家拉瓦錫通過大量的實驗研究，基于空氣成分的發現以普遍命題的形式把質量守恒定律清晰地表述出來。1803年，道爾頓提出原子學說。正是質量守恒定律以及定比定律和倍比定律的發現，原子學說才得到人們的承認。1908年，德國化學家朗道爾特通過精確度0.001kg的實驗，質量守恒定律的正確性才得到承認。20世紀初，愛因斯坦提出質能方程，質量守恒定律才發展成理論定律。

2.學生認知維度的分析

當前的教材編寫順序，是學生先有原子、分子概念、化學變化的微觀本質和空氣成分等前認知，再學習質量守恒定律，顯然與科學家在歷史事件順序中的認知邏輯關系是顛倒的。學生已有守恒思想，學習障礙不會停留在“質量是否守恒”的邏輯推理上。學習的重點和難點在于，一是缺乏從表面現象觀察到微觀實質解釋的化學思想，很難主動應用“分子一原子”理論解釋質量守恒定律;二是對物質反應體系分析的缺陷，造成學生做出錯誤的解釋，這與科學家錯誤理論的來源極其相似。錯誤觀念緣起學生對“守恒概念”建構中“質量指向的迷失”，無法定位守恒的是“參加反應的反應物和生成物的總質量”，尤其是缺乏關注參與反應或者生成的氣體導致無法完整分析反應體系內的物質，這是學生學習的最大障礙。概念轉變的策略是學生在“重演歷史”過程中對比分析科學家及課堂的實驗，從中感悟“實驗體系”，把握守恒的“質量”，促進認知能力的發展。

三、教學實施

環節1：介紹天平，創設具體問題情境

【史料】桌面儀器，增加了“天平”——托盤天平和電子天平?；瘜W家們利用“天平”建立了不少化學基本定律。拉瓦錫認為“必須用天平進行精確測定來確定真理”。天平的使用讓化學研究進入了定量時代，那化學反應中將有怎樣的質量關系？正是這一關系的發現，為道爾頓原子學說的提出打下了基礎。

設計意圖：天平的引入，改變學生對化學實驗、化學研究方法的認識，推動學生化學觀念從“質”到“量”的發展。化學史料，讓學生明確分析物質變化角度與方法的改變，感受問題的價值和探究的意義。

環節2：模型建構，復習化學變化本質

【演示】學生合作用氫原子和氧原子的模型模擬電解水的微觀過程。

【提問】在水電解這一分子拆分和原子組合的變化過程中，什么變了？什么不變？

學生說出電解水過程中分子的種類變了，原子的種類、個數和質量不變。

【追問】從質量的角度看化學變化，你能預測出什么結論？

學生基本上回答說化學反應前后的質量不變。

設計意圖：重建認知順序和方式，引導學生以“靜”到“動”的微觀表征感受化學研究的多樣化，以“質”到“量”的宏觀表征自我構建質量守恒認識的雛形。

環節3：實驗探究，感知質量守恒定律

【史料】1777年法國科學家拉瓦錫用定量的方法研究氧化汞的分解，發現生成的氧氣和汞的質量總和，恰好等于氧化汞的質量。這是不是巧合？讓我們踏著科學家的足跡探究化學反應前后物質質量的變化關系。

【問題】要完成氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應前后質量的測定，需要進行幾次稱量？每次稱量的方法有什么不同？

經過師生討論，學生明白本次實驗要采用整體稱量，操作中只需要兩次稱量，且只要保持第一次稱量時砝碼和游碼不動，觀察天平的平衡情況。兩次稱量的不同在于是否反應。

【實驗一】學生分組完成氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應前后質量的測定，觀察現象，匯報結論。

【史料】不僅這個實驗，拉瓦錫通過大量實驗都得到了反應前后物質的總質量相等，并在1789年用清晰的語言把質量守恒定律表達出來。

設計意圖：學生準確把握實驗目的，理解定量實驗方法，在設計時使用整體稱量而無需煩瑣的分步稱量。結合課堂的實驗及化學史料讓學生明白定律的得出依賴于嚴密的實驗基礎，培養科學嚴謹的思維習慣。

環節4：數據分析，本質認識質量守恒定律

【問題】反應前后總質量相等的本質是什么呢？哪位學生來分析反應前后各稱到了哪些物質？

通過共同討論，尤其注意引導學生觀察沒有參加反應的物質，分析結果如圖1所示。

【小結】學生利用等量關系描述質量守恒定律的內容，并認識到等量關系的本質是兩邊物質種類不同但質量總和相等，即定律的適用范圍。

【問題】根據質量守恒定律，5g冰可以熔化成5 g水，對嗎？

【問題】12 g碳與32 g氧氣完全反應生成44 g二氧化碳。那么12g的碳與40 g氧氣反應生成多少克二氧化碳？

【問題】245 g氯酸鉀與5g的二氧化錳完全反應生成了149 g氯化鉀和多少克的氧氣？

基于問題解決，學生明白了質量守恒定律只適用于化學變化和“參加反應”的重要性。

【史料】①羅馬詩人路克萊修在《物性論》中提出物質不滅思想。

②古希臘人們從萬物循環中體會了物質生生不滅的觀念，并認為萬物都是由化學變化中不變的最小的微粒構成。

【問題】你能透過化學反應的表象，從反應本質上認識質量為什么會守恒嗎？

學生結合過去人們的自然觀點，解釋質量守恒定"律的本質原因。

設計意圖：反應體系夾雜著各物質的質量，如何用物質的質量，是定量的難點。通過引導學生對數據細化處理，讓學生理解“守恒”表象是兩邊物質種類不同但質量總和相等，本質是“物質變化”中的等量關系，認識定律的適用范圍;問題鏈的呈現，有利于學生對關鍵詞“參加反應”的理解;歷史上的科學抽象思維，用于啟發學生思考的方向，促使他們進一步認識質量守恒的原因。

環節5：歷史回眸，內化質量守恒定律

【史料】1673年英國科學家波義耳將金屬汞放在敞口容器中加熱，一段時間后，取出固體進行稱量，結果他發現固體的質量比原來汞的質量增加了。什么原因導致固體質量增加呢？

對比反應前后所稱量的物質，學生發現固體質量增加的原因是反應前沒有稱量參加反應氧氣的質量。

【史料】1703年德意志化學家施塔爾在敞口容器中燃燒木炭，發現反應后固體的質量減少。質量為什么減輕了？

學生很快說出，原因在于生成的二氧化碳逸散。

【追問】這是不嚴密的答案，假設把生成的二氧化碳全部收集起來，其質量會等于參加反應木炭的質量嗎？

學生容易明白這是不相等的，因此質量減少原因是逸散二氧化碳的質量大于參加反應氧氣的質量。

【史料】1756年俄國科學家羅蒙諾索夫，他反復重復了波義耳的實驗，確實發現反應后固體質量增加了。后來，他改進了實驗：在密閉狀態完成煅燒金屬實驗，發現反應前后的質量總和是相等的。但是羅蒙諾索夫時代，人們并不知道空氣的成分，他的研究并沒有得到認可。直到拉瓦錫發現空氣的成分，質量守恒定律在1789年才真正被清晰地描述出來。

【問題】對比表1的實驗，同樣是敞口容器，為什么實驗結果不一樣，有些實驗不遵守質量守恒定律嗎？

通過敞口體系不同實驗的對比，學生體會到“質量相等”“質量增加”和“質量減少”都源于“質量守恒”，也正因為遵守質量守恒定律，才會出現“質量改變”假象。

設計意圖：相同體系不同實驗的對比，以“質量改變”的假象，培養學生運用定律解決問題的能力，進而深入理解定律。化學史料的引入，讓學生沉浸于化學發現的重要時刻、化學概念不斷進步的變遷過程，體驗化學家們嚴謹的論證推理、激烈的思想碰撞和豐富的學科思維，以批判的眼光感受科學發現的過程性和復雜性。

環節6：問題解決，應用質量守恒定律

【實驗二】學生分組采用敞口體系完成實驗：大理石與稀鹽酸反應前后質量的測定，觀察現象，匯報結論。

【問題】質量為什么變小？

學生根據質量守恒定律，發現反應后少稱了生成二氧化碳的質量，所以質量減少。學生猜想將產生的二氧化碳全部收集起來和這些物質一起稱量，質量應該是相等。

【問題】如何讓二氧化碳不逸散到空氣中呢？

【實驗三】設計思想是形成密閉體系，方法一是教師基于礦泉水瓶采用密閉體系完成實驗：利用電子天平測定大理石與稀鹽酸反應前后的質量，學生觀察現象，匯報結論。方法二是學生輕捏塑料瓶感受其中的氣體，再打開瓶蓋，放到電子天平上稱量，觀察現象。

【問題】“嘶”的一聲感受到氣體的逸散，質量減少的原因是少稱二氧化碳的質量。那你知道產生二氧化碳的質量嗎？質量不再減輕意味著什么？

學生容易理解質量不再減輕的含義是化學反應已經結束，產生二氧化碳的質量就是反應前后的質量差。

【問題】觀察表2和表3，你有什么發現？

通過表2和表3，學生總結得出，若用有氣體參與或生成的反應來驗證質量守恒定律，要采用密閉的實驗體系。

【實驗四】教師采用敞口體系完成實驗：鎂條燃燒前后質量的測定

【問題】在稱量反應后物質的總質量之前，學生預測反應后總質量會怎么變化。

【預測】學生一：質量減少，因為燃燒產生了白煙逸散到空氣中

學生二：質量增加，因為反應前沒有稱到參加反應氧氣的質量。

【問題】教師稱量反應后物質的總質量，發現質量減少了。剛才的兩種想法其實都是合理的，為什么最終質量會減少呢？

通過分析與討論，學生認為飄走的白煙的質量比參加反應氧氣的質量多，導致質量減少。而且實驗還可能存在兩種情況：若飄走的白煙的質量比參加反應氧氣的質量少，質量會增大;若飄走的白煙的質量等于參加反應氧氣的質量，質量會相等。

【史料】微課視頻回顧人類發現質量守恒定律的漫長過程。其中，“燃素說”雖然是錯誤的理論，牽絆了科學家前進的步伐，但是在那個時代或多或少包含著某些有價值的成分;質量守恒定律從提出到認可經歷100多年，依賴于更精密實驗儀器的發展。任何一項科學研究的發現，都離不開科學家辛勤的汗水，科學是永無止境的，還有更多的謎底，等著揭開。

設計意圖：不同體系同一實驗的對比結果，形成認知沖突;問題鏈的設計培養學生解決問題的能力，強化了定律中“各物質”“質量總和”等關鍵詞。選擇礦泉水瓶，因其質地可使學生體驗到氣體的存在與質量變化的關系，通過體系從密閉到敞口的對比，既體驗“質量變化”的實質，又了解化學計算中氣體質量的測定。鎂條燃燒實驗的處理，采用“POE策略”，即“預測一觀察一解釋”策略，學生根據對質量守恒定律的已有認識預測結論，再以猜想和實際結果對比，使對定律的理解、運用更上一個臺階。最后，在充分理解科學知識的基礎上，形成科學技術的不斷進步對人類社會發展的作用。

四、教學反思

“歷史重演”主要是基于科學發展的過程與學生學習的過程具有一定的相似性，而不是以時間順序完整地重復歷史上科學家們研究的所有過程，這種重演應該從認識論的高度反映部分必然性的重演，同時注重學生已有的認知水平。具體到教學中，教師要從科學家對問題的現象分析、原理論證和思想觀念等維度提煉出教學情境問題，在問題解決中充分挖掘研究過程的科學思維，讓化學史不僅僅用于勵志，更應著眼于學生科學素養的培養。