從定量研究的化學史中挖掘教學資源

包慧

摘要：在學習了質量守恒定律的基礎上，進一步引導學生運用定律思考問題、分析問題，能運用定律設計實驗，在實驗中收集數據，并利用數據分析推理，最終得出結論，培養學生自主學習能力。

關鍵詞：質量守恒定律;拉瓦錫;教學設計

文章編號：1008-0546（2021）09-0055-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.09.014

2020年10月份我接到南通市教科院的任務，將和前來交流學習的連云港市海州區的老師同題異構一節化學課，結合當時的教學進度我們鎖定了“質量守恒定律”一課。由于各種原因這一節課一直拖延到了11月底，而“質量守恒定律”一課早已經講完，考慮到當初確定的課題，同時也想嘗試一個全新的課題，于是誕生了“再探質量守恒定律”一課。

一、設計思路

在和同備課組老師們的反復討論研究下我們確立了一條以拉瓦錫為線索的設計思路，整節課通過創設實驗情境，引導學生學會從定性到定量的化學研究方法，會依據質量守恒定律的原理設計實驗.并能對實驗數據進行分析和處理。

《義務教育化學課程標準》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[1]。《標準》對于在教學中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[2]。

在傳統教學中，學生學習了質量守恒定律以后雖然能依據定律解決一些計算題，但一味的解題，被動的運用定律失去了質量守恒定律的學科意義，影響了學生化學學習的興趣。本節課通過創設實驗情境，巧妙地設置問題，讓學生在解決一個個問題的過程中主動應用質量守恒定律，從而加深對定律的理解，感悟質量守恒定律對于化學研究的重要意義。

本節課從人教版課本上拉瓦錫對于空氣組成的研究中得出質量守恒定律作為引入，過渡到書本上對于空氣組成的實驗，巧妙地提出實驗中紅磷的用量問題，引導學生應用質量守恒定律解決問題。接下來由人教版課本上拉瓦錫對于水的組成的探究實驗，過渡到書本上演示電解水的演示實驗，引導學生應用質量守恒定律分析推導水的化學式。本節課最后通過在石棉網上加熱納米鐵粉的實驗，通過實驗現象提出問題，即該實驗中的產物是什么？學生再次應用質量守恒定律設計實驗方案、收集實驗數據、最終通過對數據的分析推導得出生成物的化學式。

二、教學過程

引入：同學們，兩百多年前拉瓦錫在探究空氣組成的實驗中用精確的定量實驗研究了氧化汞的分解和合成反應中各物質質量之間的變化關系，他將45.0份質量的氧化汞加熱分解，恰好得到了41.5份質量的汞和3.5份質量的氧氣，他通過大量的定量實驗最終得出了質量守恒定律。請一位同學回顧一下質量守恒定律的內容。

生：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。

師：化學反應遵循質量守恒定律的微觀原因是什么？

生：原子的三不變。

過渡：拉瓦錫在探究空氣組成的實驗中發現了化學反應中各物質之間量的關系。在前面的學習中，我們也曾模仿拉瓦錫的實驗原理利用紅磷測定了空氣中氧氣體積分數。在這個實驗中為確保集氣瓶內的氧氣被完全消耗，我們在實際實驗時總會取過量的紅磷，實驗后我們發現燃燒匙上有大量的紅磷的剩余，造成了浪費。從環保和節約藥品的角度考慮，至少需要取用紅磷的質量是多少？

師：要解決這個問題，你覺得需要知道反應中哪種物質的質量？如何得出集氣瓶內氧氣的質量呢？進行什么樣的實驗操作呢？下面就請大家以小組為單位進行討論。

[小組討論]

師：我們請一個組來匯報一下他們討論的方案。

生：紅磷的用量需要根據集氣瓶內氧氣的質量來確定。

師：如何獲知集氣瓶內氧氣的質量呢？

生：測量集氣瓶內氧氣的體積，再乘以氧氣的密度就可以得出。

師：如何測量集氣瓶內氧氣的體積呢？

生：測量集氣瓶中空氣的體積。

師：如何測量？

生：測量集氣瓶的容積。

師：如何測量集氣瓶的容積？

生：排水法。

[學生實驗]用排水法測量集氣瓶的容積。

師：同學們你們得出你們手中集氣瓶的容積了嗎？對于剛才的探究你覺得有不嚴謹的地方嗎？

生1：當塞上橡皮塞后，集氣瓶內空氣的體積要除去這部分體積。

生2：做這個實驗前會在集氣瓶內留少量水，所以集氣瓶內空氣的體積要除去這部分空氣的體積。

師：如何解決這樣的問題呢？同學們有什么樣的好辦法？請再討論討論。

[小組討論]

師：你們是怎么解決剛才的兩個問題的？

生：集氣瓶注滿水后塞上橡皮塞，然后取下橡皮塞，再將集氣瓶中大部分的水倒入量筒中，集氣瓶中最后留少量的水，并做上記號。

[學生實驗]用改進后的方法再次測量集氣瓶內空氣的體積。

師：集氣瓶內空氣的體積有了，我們如何計算出集氣瓶內氧氣的質量呢？還需要查閱哪個物理量？

生：氧氣的密度。

師：已知氧氣的密度是1.429g/L，請同學們在下面動手算一算。我請一個同學到黑板上來算。

[學生板演]

師：在剛才的計算過程中，有些同學沒能得出正確答案，請**分享一下自己錯誤的原因。

生：直接用集氣瓶內空氣的體積乘以氧氣的密度，忘記氧氣約占空氣總體積的21%。

師：氧氣的質量有了，現在你們能計算紅磷的質量了嗎？繼續算一算吧。

[學生板演]

師：0.03g的紅磷究竟是多少？我們一起來看一看圖片。一藥匙的紅磷大約是2.6g。所以在實驗中，我們取滿滿一藥匙的紅磷肯定會有所剩余。

過渡：拉瓦錫通過定量實驗不但成功地測定了空氣中氧氣的體積分數還得出了水的組成。讓我們一起來看看他是如何做的。他讓水蒸氣通過一根燒紅的鐵制槍管，結果得到了氫氣，同時槍管表面有黑色固體生成，主要是四氧化三鐵。拉瓦錫通過對數據的分析和歸納得出了水的組成，你知道他得出實驗結論的依據是什么嗎？

生：質量守恒定律。

師：現在也請你利用我提供的實驗數據進行分析：16.8g的鐵與足量的水蒸氣充分反應，得到23.2g四氧化三鐵，同時生成9L的氫氣，在該條件下氫氣的密度是0.089g/L，你能推出水的化學式嗎？

[小組討論]

師：請這個組派一個代表到講臺上講一講你們是如何進行推算的。

[學生板演]（圖1）

過渡：由拉瓦錫探究水的組成的實驗反觀我們課本上電解水實驗，你們覺得要得出水的化學式，還需要查閱哪些信息？

生：氫氣和氧氣的密度。

師：已知氫氣的密度是0.089g/L，氧氣的密度是1.429g/L，請你們在下面推算水的化學式。

過渡：同學們有沒有發現我們剛剛探究的兩個實驗都是在學習質量守恒定律之前學習的，今天我們像拉瓦錫一樣應用質量守恒定律定量實驗的思想對兩個實驗再次進行了探究，經過對數據思考和分析，我們對這兩個實驗都有了新的認識。拉瓦錫也正是對許多化學反應進行了定量的研究，歸納出了質量守恒定律，得出了許多寶貴的實驗結論，這對于推動化學學科的發展起到了至關重要的作用。因此拉瓦錫被稱為“定量化學之父”。下面請大家繼續運用拉瓦錫研究問題的方法思考這樣一個問題。

[演示實驗]在石棉網上加熱一定質量的納米鐵粉。

師：根據實驗現象猜測納米鐵粉在空氣中加熱的過程中與空氣中的哪種物質發生了化學反應？通過研究納米鐵粉的確是與氧氣發生了反應，那么生成物究竟是什么呢？如何通過實驗來測定呢？

[小組討論]

師：請這組的同學說一說你們打算如何展開探究。

生：首先稱量一定質量的鐵粉和石棉網的質量，在空氣中充分加熱，然后稱量反應后鐵粉和石棉網的質量，增加的質量就是生成物中氧元素的質量。再根據鐵氧元素的質量比得出鐵氧原子的個數比，就可以得出生成物的化學式了。

師：如何得知鐵粉已經完全與氧氣發生反應了呢？

生：加熱至固體質量不再增加。

[演示實驗]充分加熱鐵粉至固體質量不再增加。

師：請根據實驗的數據推算生成物究竟是什么？

[學生板演]（圖2）

師：通過今天的探究同學們一定感受到了對于化學問題的研究，不但需要設計好實驗，而且需要對數據進行合理的分析和處理，這樣才能得到正確的結論。今天我們的課題是再探質量守恒定律，在拉瓦錫實驗的指引下，在具體問題的探究過程中，我相信同學們對質量守恒定律一定有了更加深刻的理解。

三、教后反思

首先，本節課中兩次引入了化學家拉瓦錫的故事，這不但豐富了本節課的教學內容，而且讓學生感悟到科學發展中人們是如何通過系統地收集數據來分析歸納最終得出結論的過程。精心選擇與學生認知、教學內容相匹配的化學史，不僅促進學生對知識的理解，還能發展學生證據推理、科學態度與社會責任的化學學科核心素養。

其次，本節課的實驗探究中學生對實驗的研究從定性分析跨越到定量分析，實現了思維方式的提升。從定性到定量的科學方法使人類認識事物時由模糊變得清晰，由抽象變得具體。在化學實驗探究中定量分析方法的運用，具有其特定的學科特點，將會助推學生理解科學本質，提高科學素養[3]。

最后，本節課的整個教學設計體現以學生為本的理念，以學情為起點，創設真實而富有價值的問題情境，使每一個學生以愉快的心情去學習生動有趣的化學，激勵學生積極探究化學變化的奧秘，讓學生有更多的機會主動地體驗探究的過程，在知識的形成、相互聯系和應用過程中養成科學的態度，學習科學的方法。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012

[2]陳歡.“化學反應中的質量關系”的教學素材選擇研究[J].化學教與學，2020（11）：10-14

[3]閔蓉蓉.化學文化視角下定性定量分析方法的實踐[J].數理化解題研究，2018（8）：77-78