基于化學史與實驗探究融合的教學實踐

劉艷

摘要：以“質量守恒定律”的發現史為主線，串聯實驗驗證和探究等活動，讓學生體驗科學家進行科學探索的智慧和方法，提高學生的實驗分析和創新能力。

關鍵詞：質量守恒定律；化學史；實驗探究

文章編號：1008-0546（ 2022 ）11x-0023-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.llx.006

化學史承載著化學研究的思想，是科學探究史的重要組成部分，是不斷發展的知識體系，化學史教育在化學教學中有著不可忽視的作用，在滲透學科情感價值觀上發揮著不可替代的作用。化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗探究是培養、發展學生思維的重要途徑，將化學史與實驗探究融合，在教學實踐中有著奇妙的效果。化學史與實驗探究的融合重現了科學理論、知識的發現和發展，學生身臨其境地體驗科學家的經典實驗，感受科學家克服困難的科學精神。在化學史教育中融合實驗探究，學生像“化學家”一樣進行實驗猜想、驗證、釋疑來構建、完善自身的知識體系，形成自己的化學思維，這樣的融合教學激發了學生探求化學本質的興趣，體驗了追求真理過程中的樂趣，感受與科學家“對話”的成就感，這樣的融合教學力圖讓學生喜歡上化學，喜歡上實驗探究。

一、教學主題內容

本教學案例選自人教版九年級化學上冊第五單元“化學方程式”課題1“質量守恒定律”第一課時。質量守恒定律是化學學科的重要定律，也是初三化學學習的重要內容，是化學學習從定性學習到定量學習的轉折點，是書寫化學方程式的依據，是定量計算、分析的依據。

在本課時學習之前，學生已經接觸了很多化學反應，知道了化學反應的基本特征是有新物質的生成，也就是說學生對化學變化有了一定的“定性”上的認識，并且初步掌握了元素符號、化學式的書寫，這兩項內容的掌握為化學方程式書寫做好了一定的準備，通過“質量守恒定律”的學習，學生可以從量的角度了解化學變化，同也為掌握化學方程式做好定量的準備，從“宏觀—微觀—符號”出發，進一步完善“化學用語”體系。

課程評價要求：能認識化學反應中各物質間存在定量關系，認識化學反應遵守質量守恒定律，理解質量守恒定律的微觀本質。[1]能選取實驗證據說明、驗證質量守恒定律，并能闡釋微觀本質。

基于以上分析，確定該內容的學習目標：

1．通過實驗設計與探究，認識質量守恒定律的研究方法，體驗科學家進行科學探索的智慧，更好地理解質量守恒定律及其內涵，并進行應用，能解釋相關實驗現象。

2．學習“整體稱量法”，根據實驗假設設計實驗方法，使實驗更有序高效。

二、教學思想與創新點

常規教學通常采取以下流程進行：首先導入新課，學生對“反應前后物質總質量是否改變？”進行猜想，并通過實驗得出結論，接著對有氣體參加的反應進行反應前后質量改變的原因解釋，學習設計密閉體系，最后從微觀角度解釋質量守恒定律的本質。這樣的教學，關注的是知識本位，常常忽略對質量守恒定律發展過程的認識，缺少科學本質上的理解。

筆者以質量守恒定律的發現史為主線，設計蘊含發現科學本質的探究活動，引導學生認識科學方法和探究步驟對建構科學理論的意義和作用，重視對探究結果發現過程的分析與評價。

三、教學流程

“質量守恒定律”一課的教學流程見表1。

四、教學過程

[引入]在一定條件下，物質之間可以發生化學反應生成新物質，如紅磷燃燒，木炭燃燒，那么參加反應的各物質質量總和與反應生成的各物質質量總和相比較，是否發生了變化？火柴燃燒變成灰燼，質量變小了嗎？樹苗長成參天大樹，質量變大了嗎？

不僅我們有困惑，化學家們也早就開始關注這個問題。接下我們就回到科學家所處的年代，去探尋反應中質量關系的研究發展歷程。

1．環節一，時空之旅，建立質量守恒定律的概念

[教師講述]1673年，英國化學家波義耳將金屬放在密閉容器里煅燒，煅燒結束后，發現產生了“金屬灰”，然后打開容器蓋稱量，發現“金屬灰”的質量比煅燒前金屬的質量增加了。

[提出問題]如果你是波義耳，怎么解釋這個現象呢？

[學生討論]金屬和氧氣反應，生成了新的物質。

[教師解釋]在波義耳所處的時代，氧氣還沒有被發現。

波義耳認為應該有一種“熱素”，燃燒時與金屬結合，導致金屬灰的質量增加。但是這與當時的主流學說——“燃素學說”相矛盾。[2]當時，還沒有發現“氧氣”這一物質的存在，化學界普遍認為在燃燒的過程中，可燃物釋放出“燃素”，留下灰燼，留下的灰燼比燃燒前可燃物的質量明顯小了很多，這個學說能很好地解釋很多物質燃燒后質量減小的變化。

[教師講述]波義耳受到“燃素說”的影響，對自己的發現產生了懷疑，沒有繼續探索，錯失了發現本質的機會。但是，還有很多化學家在前仆后繼地探究。

[教師講述]1774年，拉瓦錫利用當時比較精確的稱量儀器，在密閉容器里進行實驗，他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——著名的“十二天實驗”，發現在密閉容器中加熱金屬使之轉化為金屬灰時，整個容器裝置（反應前包括金屬，反應后包括金屬灰）的質量并未改變，并且隨著研究的進行，拉瓦錫發現了空氣由氧氣與氮氣組成。

后來，拉瓦錫又繼續做了大量燃燒實驗，比如紅磷燃燒、木炭燃燒等等，歸納出一條規律，即反應前后物質的總質量不變。

[小結]隨著科學技術的發展，科學家們用更先進的測量儀器做了大量精度更高的定量實驗，確認拉瓦錫的結論是正確的，使這一結論得到公認——即質量守恒定律，我們來認識一下這條定律的內容——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。

[過渡]同學們，我們不能僅僅做“拿來主義者”，更要“實踐出真知”，接下來，該我們出場了。

2．環節二，實驗驗證，初步認識質量守恒定律

[演示實驗1]首先我們從一個非常熟悉的實驗出發來驗證——紅磷燃燒。實驗裝置如圖1所示，整套裝置在托盤天平上稱量，記錄數據m1。然后，取下錐形瓶，將玻璃管在酒精燈火焰上灼燒至紅熱，立即伸入錐形瓶并塞緊橡膠塞，引燃紅磷。待反應結束并冷卻后，再次將整套裝置放在托盤天平上，記錄數據m：。

[學生總結]實驗現象：紅磷燃燒，產生大量白煙，氣球先膨脹后變癟，m1=m2。

[提出問題]我們來分析一下，反應前后所記錄的質量各包含了哪些物質的質量。

[學生討論]m1包括紅磷、空氣、錐形瓶、橡膠塞、玻璃管、氣球、細沙的質量；m2包括五氧化二磷、剩余空氣、錐形瓶、橡膠塞、玻璃管、氣球、細沙的質量。去掉反應前后相同的量，得到m（紅磷）+m（空氣）=m（五氧化二磷）+m（剩余空氣）。又因為反應前的空氣可以看成參加反應的氧氣和沒有參加反應的剩余空氣，也就是m（空氣）=m（參加反應的氧氣）+m（剩余空氣），于是最終我們可以得到m（紅磷）+m（參加反應的氧氣）=m（五氧化二磷），符合拉瓦錫提出的質量守恒定律。

[教師小結]在實驗前后稱量過程中，我們并沒有單獨稱量紅磷的質量、參加反應的氧氣的質量、生成的五氧化二磷的質量，而是運用了“整體稱量”方法，也就是把所有的物質和儀器作為一個整體進行稱量，包含了沒有參與反應的物質的質量，但是并不影響實驗分析，而且這樣的稱量方法使實驗更高效有序。“整體稱量”這個方法，與實驗假設中的“質量總和”是相一致的，互相聯系的。

[過渡]我們再用一組實驗驗證。首先給大家介紹一下反應原理。鐵釘和硫酸銅溶液反應生成銅和硫酸亞鐵溶液。由于這個實驗完全反應所需的時間較長，老師提前進行了反應前的稱量，（如圖2所示），記錄所稱的質量m1，將鐵釘浸沒在硫酸銅溶液中。

[學生觀察]經過一段時間的反應，我們發現，鐵釘表面有紅色物質覆蓋，溶液由藍色變成了淺綠色。

[教師]由實驗現象可以說明鐵釘已經完全跟硫酸銅反應，這時我們再次進行稱量，記錄數據m：，發現m1= m2.

[學生討論]m1=m2，即m（參加反應的鐵釘）+m（硫酸銅）=m（銅）+m（硫酸亞鐵），再次驗證了反應前后參加反應的各物質的質量總和不變。

[教師小結]結合剛才的實驗，我們再來認識一下質量守恒定律，這里有幾個關鍵詞需要特別關注：化學反應、參加、質量總和。

[過渡]請同學們根據老師提供的實驗藥品和儀器，設計實驗驗證質量守恒定律。

3．環節三，實驗探究，深入理解質量守恒定律

[學生討論]小組充分討論后設計方案，在實驗過程中要測量哪些量？如何進行測量？主要步驟有哪些？學生小組合作進行實驗探究（見表2）。

[實驗展示]請各組派代表匯報小組的實驗成果。

[學生]實驗中觀察到白色粉末逐漸消失，產生大量氣泡，反應后天平不平衡。

[提出問題]通過實驗，發現碳酸鈉和稀鹽酸反應時，發現天平指針向右（砝碼端）偏移，即反應后物質的總質量減小了。為什么呢？

[學生]實驗中產生了氣體，而產生的氣體逸散到空氣中，沒有稱量到氣體的質量。

[提出問題]生成的氣體的質量如何稱量？如何才能讓生成的氣體不散失？如何設計實驗？

[學生1]用一個蓋子將燒杯蓋住。

[學生2]在燒杯上加個蓋子，密封性不好，氣體還是會跑走。

[學生3]可以用氣球套在燒杯上。

[教師演示改進實驗]氣球套在燒杯上，不容易操作，老師將燒杯換成錐形瓶，在瓶口套一個氣球（如圖3所示），錐形瓶中盛有稀鹽酸，碳酸鈉粉末預先裝在氣球中，將整套裝置放在托盤天平上稱量，記錄數據m1。將氣球中的碳酸鈉粉末倒入錐形瓶中，觀察到氣球膨脹，等不再產生氣泡時，將整套裝置放在托盤天平上再次稱量，記錄數據m2。

[學生討論]發現反應后稱量，天平指針還是向右偏轉，這是為什么呢？

[學生]氣球膨脹，明顯受到空氣浮力的影響，導致反應后稱量數據減小。

[提出問題]請同學們繼續思考，怎樣克服這個浮力導致的問題？

[學生1]將氣球換成橡皮塞。

[學生2]但是反應會產生大量氣體，壓力變大，使橡皮塞沖出，實驗容易失敗。

[教師展示]展示裝置——硬質塑料瓶+小試管（如圖4所示]。預先在塑料瓶中加入碳酸鈉粉末，將稀鹽酸倒入小試管中，將小試管中用細線固定在塑料瓶中。

[學生實驗]學生用改進后的實驗裝置再次進行實驗，將整套裝置用托盤天平稱量，記錄m1，將塑料瓶倒置，立即發生反應，產生大量氣泡，待不再產生氣泡后，再次稱量整套裝置，記錄m2，發現m1=m2，反應前后天平保持平衡，即反應前后物質總質量不變。

[前后呼應]讓我們再次回到波義耳和拉瓦錫的研究中，請嘗試評價兩者的實驗，為什么拉瓦錫得出了質量守恒定律，而波義耳卻與之失之交臂。[3]

[學生討論]波義耳稱量的是反應前金屬的質量和反應后的金屬灰質量，裝置沒有密閉，對比拉瓦錫的實驗，可知波義耳少稱量了參加反應的氧氣的質量。而拉瓦錫的實驗裝置是密閉的，他稱量的是反應前所有物質的總質量和反應后所有物質的總質量。

4．環節四，追本溯源，闡釋質量守恒定律本質

[教師講述]無數實驗證明，質量守恒定律是正確的。但在當時，人們還無法解釋質量守恒定律。直到十九世紀初建立了“原子一分子論”，化學家才從本質上揭示了質量守恒的原因。

[提出問題]結合水分子分解的示意圖（如圖5所示），請闡述水分子分解的本質。

[學生]水分子破裂成氫原子和氧原子，每兩個氫原子重新結合成一個氫分子，每兩個氧原子重新結合成一個氧分子。

[追問]請繼續思考，反應前后，原子的種類、數目、質量有沒有發生改變？

[學生總結]反應前后，原子的種類、數目沒有改變，原子的總質量也沒有改變，所以化學反應前后物質的總質量不發生改變。

[承上啟下]此外，拉瓦錫在研究中，不僅關注了反應物與生成物的總質量，還關注反應中各物質的質量。比如，氧化汞分解實驗中，拉瓦錫發現每45.0份質量的氧化汞分解，總是得到41.5份質量的汞和3.5份質量的氧氣。為什么各物質有固定的質量關系？與質量守恒定律有何聯系？下一課時將繼續探究。

五、教學反思

本節課以質量守恒定律的發現史為主線，串起多個探究實驗，課堂上教師充分肯定學生的思考和實驗改進，盡可能地擴大參與討論的學生范圍，進行實驗裝置的改進，從實踐中發現問題、分析問題、解決問題，發展學生化學學科核心素養。質量守恒定律的發現史上，少不了化學家施塔爾、羅蒙諾索夫等人的努力，因為學生的認知能力有限，并受到課堂時間的限制，需要教師深入思考、精心研究，根據具體學情對化學史料斟酌選擇。由于課堂時間的限制，教師的演示實驗和學生的探究實驗的選擇也需要反復考證，合理分配時間，優化課堂安排，促進學生深度學習，發展思維。

參考文獻

[1] 楊麗娜．基于初中化學課程標準的逆向教學設計研究[D]．天津：天津師范大學，2017.

[2]楊梓生，吳菊華．以化學史為課程資源促進學生對科學本質的理解——以“質量守恒定律”教學設計為例[J]．化學教與學，2015（3）：2-4.

[3]胡巢生，基于學科核心素養的初中化學教學設計——以“質量守恒定律”為例[J].化學教學，2018（2）：45-49．