基于科學史實的質量守恒定律教學研究

楊封友

摘要：質量守恒定律是學生定量認識化學反應的起點，在科學觀念、科學測量、科學知識等方面具有獨特的教育價值；開展科技史體驗指向的定律教學，讓學生經歷裝置設計與史實品評，利于準確理解定律及測量體系，體會觀念、技術對科學發展的影響，感受科學發現被公眾接受的過程。

關鍵詞：質量守恒；發現簡史；科技史體驗；教學實踐

文章編號：1008-0546（2022）01-0002-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.001

*本文系杭州市西湖區教育科研規劃課題“技術工程視角下的初中科學教學理論與實踐研究”（課題號：2021QCG31）的階段性成果。

質量守恒定律是自然界重要的客觀規律，也是學生認識化學反應從定性邁向定量的起點。本文基于對質量守恒定律的史實梳理及教育價值剖析，開展科技史體驗指向的定律教學，讓學生親歷方案設計、科學測量、史實品評，以期準確理解測量體系，把握定律內涵及形成歷程，完善對“實驗與定律”“宏觀與微觀”的認識，發展科學學科關鍵能力，提升科學核心素養。

一、質量守恒定律的發現史及教育價值

1.質量守恒定律的發現簡史

質量守恒思想源自唯物思想，質量守恒思想從產生到發展成理論定律，大致經歷了如圖1所示的幾個階段。

在經驗定律的形成階段，羅蒙諾索夫、拉瓦錫、朗道耳特、曼萊等化學家作出了杰出貢獻。在他們之前，波義耳、斯塔爾等科學家也發現在密閉容器中煅燒金屬后固體質量會增加。

1673年，英國科學家羅伯特·波義耳用密閉的曲頸瓶對金屬煅燒進行了定量研究，結果發現質量增加了，其解釋為火微粒與金屬結合，并于1674年發表題為“固定火焰并使之可稱量的新實驗”的論文，提出以下公式：金屬+火微粒=金屬煅灰[1]。

1703年，喬治·恩斯特·施塔爾把金屬的煅燒用如下公式解釋：金屬-燃素=金屬煅灰，認為是金屬內部的燃素逸出了。斯塔爾對金屬煅燒的燃素說解釋源于當時化學家的直覺，雖然發現了金屬加熱質量變大的事實，但他們只埋首于實際工作，對這樣的理論問題不感興趣，也不研究[2]。可見，從波義耳的微粒學說到施塔爾的燃素學說的發展不是范式的演進，而是舊范式被新范式取代的過程。

1740年，俄國科學家羅蒙諾索夫在密閉的玻璃容器中進行煅燒金屬的實驗，他認為反應產物的質量較原來的金屬之所以會有所增加，是由于從瓶內空氣中攝取了某些物質；1750年他提出了如下表述：“自然界發生的一切變化都是這樣的情況：某一物體去掉了多少東西，另一物體就會被補充上多少東西”[3]。但羅蒙諾索夫的觀點由于沒有嚴格的實驗根據，且由于俄國遠離當時科學的中心，西方科學家對他的論述了解很少，所以沒有產生什么實際影響。

法國化學家拉瓦錫早期就運用天平進行了一系列定量研究，例如：硫、磷、金屬的燃燒，糖的發酵及水的分解等實驗，得到與羅蒙諾索夫相同的結果，并在1789年出版的著作《化學概要》第一卷中鄭重地陳述：“由于人工的或天然的加工不能無中生有地創造任何東西，所以每一次加工中，加工前后存在的物質總量相等，且其要素的質與量保持不變，只是發生更換和變態，這可以看成為公理。做化學實驗的全部技藝基于這樣一個原理：我們必須假定被檢定物體的要素和分解產物的要素精確相等。[1]”但由于當時的測量技術小于0.2%的質量變化就覺察不出來，致使質量守恒定律雖為眾人所知，但仍為人所質疑。

1908年德國化學家朗道耳特及1912年英國化學家曼萊做了精確度極高的實驗，所用容器及反應物的質量為1000 g左右，反應前后質量之差小于0.0001 g，即化學反應前后體系質量的變化小于一千萬分之一，這個差別在實驗誤差范圍之內，質量守恒定律才被科學家們一致接受。

20世紀初以來，發現高速運動物體的質量隨其運動速度而變化，又發現實物和場可以互相轉化，因而應按質能關系考慮場的質量。于是，質量守恒和能量守恒兩條定律通過質能關系合并為一條守恒定律，即質量和能量守恒定律（簡稱質能守恒定律）[4]。

2.發現史蘊含的教育價值

科學定律是對現象的理性認識，涉及預測與解釋、設計與觀測等行為，相互關系如圖2所示。質量守恒定律是自然界的基本定律之一，發端于人們對燃燒后質量變化現象的解釋，形成于精準的科學測量結果，發展于對質量等概念的認識。因此，學習質量守恒定律對學生的發展具有獨特的教育價值。

（1）科學觀念。面對金屬煅燒后固體質量增加的現象，波義耳因信任微粒哲學用“火微粒”解釋，斯塔爾源于直覺用“燃素說”解釋，他們都錯失了發現質量守恒定律的機會。可見，非科學觀念會阻礙對事物的認識，科學觀念才能助推認識的深化與發展。

（2）科學測量。反應前后質量是定量研究，需要進行科學測量。圖3中波義耳的發生裝置是一個開放體系，拉瓦錫的卻是一個封閉體系，裝置的差異導致了不同的實驗結果；此外，定律需要高精度測量結果的支持，而這取決于測量工具的精密程度。可見，設計科學的測量方法、選擇合適的測量工具，是進行科學測量的前提。

（3）科學知識。質量守恒定律表明質量既不會被創生，也不會被消滅，而只會從一種物質轉移到為另一種物質，總量保持不變。在化學反應中，質量守恒包含原子守恒、電荷守恒、元素守恒等幾個方面，“參加反應的”不是各物質的簡單相加，而是真正參加了反應的那一部分質量，反應物中可能有一部分沒有參加反應。因此，由定律可得到推論：化學反應中，反應前各物質的總質量等于反應后各物質的總質量；一個系統質量的改變總是等于該系統輸入和輸出質量的差值。

二、科技史體驗指向的質量守恒定律教學實踐

1.任務分析

《初中科學課程標準》中關于原子結構模型的內容描述為：通過實驗認識質量守恒定律，并能用它來解釋常見的現象。浙教版科學教材由木炭燃燒、蠟燭燃燒、H2O2制取O2的質量變化提出問題，通過圖4所示實驗測定反應前后質量變化得出質量守恒定律，同時穿插了對裝置特點與好處的探討，最后從微觀角度解釋守恒的原因。可見，學習重點是建立“實驗→定律”“宏觀→微觀”的認識思維，理解裝置是一封閉孤立的彈性體系。

但是，錐形瓶容積按250 mL計算，參加化學反應的氧氣與白磷的總質量約為0.1143 g，少于實驗室普通天平的0.2克感量，無法測出參加反應與反應后生成的物質總質量，即使化學反應前后天平指針沒有偏轉，也難以證實質量守恒，顯示的只是“虛假的守恒”。因此，突破“虛假守恒”的實驗事實，理解測量體系在定量研究中的作用，感受嚴謹、求真、實證等科學精神，是本課學習的難點，這也是開展科技史體驗指向定律教學的出發點。

2.學習目標

（1）識別定律關鍵詞并建立模型等式，提升依據文字建立模型的能力。

（2）設計驗證質量守恒的測量方案，理解測量體系的特點及定律的內涵。

（3）推測質量守恒定律發現史實的成因，體會觀念、技術對科學發展的影響。

（4）解釋燃燒前后質量變化，形成“宏觀→微觀”的認識思維。

3.教學過程

科技史體驗指向的質量守恒定律教學流程如圖5所示，具體過程闡述如下：

（1）情境展示，認識任務

教師先出示紅磷，讓學生回憶紅磷在空氣中燃燒的現象，并寫出反應文字表達式。然后，呈現質量守恒定律，讓學生在閱讀中找出“化學反應”“參加反應的”“反應生成的”“質量”“總和”等關鍵詞，并用數學等式表示。學生討論后，教師板書“m反應物總=m生成物總”，并提出任務：以磷在空氣中燃燒為例，設計測量方案，驗證質量守恒定律。至此，實現由現象呈現定律、建構等式，并揭示任務，旨在聚焦問題，滲透科學具有可重復性的觀念。

（2）引導推進，形成方案

設計紅磷燃燒前后質量的測量方案，主要包含原理構想、裝置設計、工具選擇等任務，教師需引導學生將設計任務進行分解，組織學生進行頭腦風暴，在不斷的質疑與改進中完成方案的設計，具體實施過程如下：

原理構想時，教師提出問題：“如何判斷反應物質量總和與生成物質量總和相等？”學生提出兩種思路：一是用天平分別測出兩者的總質量，二是用天平比較反應前后質量總和是否變化。接著，讓學生從科學性、可行性等角度對兩種思路進行討論；最后，大家一致認為第二種思路操作更簡便。在這一過程中，學生對測量對象進行了仔細分析，對定律的4個關鍵詞也有了更深的體悟。

裝置設計時，教師揭示任務：為測出磷在空氣中燃燒前后的總質量，讓磷在哪兒燃燒呢？需要設計一個磷燃燒反應裝置。若裝置如圖6-①，會有什么問題？學生討論后形成共識：“生成的部分P2O5會隨氣體從集氣瓶中向外逸。”教師追問：“怎么辦呢？”有學生提出加塞子，教師板畫如圖6-②。同樣，讓學生預測后果，并提出新的解決方案，教師則總是追問：“會有什么問題？”“怎么辦？”學生設計磷燃燒裝置的演變過程如圖6，其中②加瓶塞是為了防止物質外逸，③插管是為了防止瓶塞沖出，④罩集氣瓶是為了回收外逸物質，⑤以氣球代替集氣瓶是為了梳緩膨脹，⑥加水或沙是防止局部溫度過高導致瓶破裂。至此，學生設計的燃燒裝置已與教材實驗相同。在這一過程，燃燒裝置由開放體系變為密閉體系，由剛性體系變為彈性體系，學生既領悟了燃燒裝置的設計奧秘，也加深了對定律關鍵詞“參加反應的”“反應生成的”的理解。

工具選擇時，出示如圖6所示裝置，并再問“還有問題嗎？”引導學生提出：參加反應的總質量若少于天平的感量，則不能判斷。于是，教師再問：“怎么辦？”學生認為應該用感量更小的測量工具或者增大反應的容器。這樣，再次加深學生對“參加反應的”的理解，也知道了測量工具精度對實驗的影響。

（3）巡視組織，測量質疑

實驗由教師與學生共同完成，化學反應前后的體系質量用感量為0.2 g的托盤天平判斷是否變化，并用感量為0.001 g的電子天平進行測量。實驗后，教師問：“能否據此得出質量守恒定律？”學生展開討論，認為既需大量實驗事實才能得出具有普遍性的規律，還需采用精度更高的工具進行測量，使學生懂得化學反應前后總質量守恒是在此感量下的守恒。

（4）呈現史實，推測解釋

教師展示圖7，先介紹羅蒙諾索夫、拉瓦錫、朗道耳特、曼萊等人的實驗、觀點及影響，讓學生討論：當時的人們對三人觀點的態度為什么會不同？教師適時介紹拉瓦錫、朗道耳特和曼萊時的測量技術精度，并與課堂所用的電子天平進行比較。接著，教師介紹波義耳、斯塔爾的發現與觀點，讓學生推測：他們為什么未能進行深入研究、提出質量守恒觀點？最后，讓學生用質量守恒定律的觀點解釋汞煅燒后質量增加、草木燃燒后質量減小的原因，并推測：宏觀上表現出來的質量守恒現象，背后所隱藏著的微觀原因。

在這一階段，介紹定律發現簡史，展現了先哲們的智慧光芒、技術與科學的互動關系；讓學生“回到”過去，推測當時人們的觀點，了解科學概念被大眾接受的過程；推測科學家未能深入研究的原因，感受科學家觀念對科學發展的影響。同時，也鍛煉了用守恒觀點從宏觀、微觀兩角度對現象進行科學解釋的能力。

4.教學反思

（1）科技史體驗利于素養的發展

科學是為了發現，技術是為了發明，兩者相互推動，且都具有特定的背景與歷程，在課程中融入科學技術史，被當今各國科學教育界所提倡。科技史體驗旨在科學課程中融入技術與史實，讓學生經歷技術設計、史實品評，進而學習科學、體會本質，是科學教學發展學生核心素養的重要抓手。本案例以測量設計、史實比較為核心，通過裝置設計體會技術魅力、理解定律本質，通過比較史實領悟技術對科學的推動、定量實驗對科學研究的價值。

（2）技術設計要以學生為中心

設計是一個提出問題、解決問題的循環過程，目標是發明新方法、新手段、新設備，教學要努力讓學生成為設計的問題發現者與方案改進者，在相互吹毛求疵的質疑中完善設計。本案例在裝置設計過程中，教師以“還有問題嗎？怎么解決呢”來組織討論，學生在不斷地質疑、改進中完善裝置設計，充分體現了學生的主體地位，有效地促進了學生問題解決與創新設計能力的發展。

（3）用教材教而不拘泥于教材

教材是課程標準的具體化，反映了面向全體學生的學習基本要求。教學設計要參照課程標準，但不能拘泥于標準，也可超越標準；要以教材為依托，但不能按照教材教，而應視教材為素材，博采眾長，創造性地運用教材。本案例圍繞學生核心素養發展，重設教學目標，增刪教學內容，教學以終為始，實施時以測量原理構想、燃燒裝置設計為突破點，增加史實的比較與推測，做到了超越標準、活用教材。

參考文獻

[1]趙匡華.化學通史[M].北京：高等教育出版社，1990：67.

[2]袁翰青，應禮文.化學重要史實[M].北京：人民教育出版社，1989：23，28.

[3]蔡邦宏，艾尚華.羅蒙諾索夫——俄國科學史上的彼得大帝[J].科學大眾（科學教育），2015（8）：21.

[4]姜鵬，鄭長龍，袁緒富.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.