化學教科書中質量守恒定律實驗編排研究

基金項目：本文系2021年度安徽高校人文社會科學重點研究項目“建國以來我國中學化學教科書的視覺表征研究（SK2021A0087）、2021年度安徽省高等學校質量工程省級重點研究項目（2021jyxm0491）、國家第二批一流本科課程《學科教學論（化學）》的階段性研究成果。

摘" 要：本文選取國內初中化學教科書為樣本，結合已有研究工具，從實驗內容、實驗探究水平、實驗圖示三個維度變化進行橫向和縱向分析對比，探查中學化學教科書中質量守恒定律實驗的編排特點。總體而言，相關實驗的編排堅持以發展素養為主，將化學史實貫穿其中，內容選擇和圖示呈現不斷完善，探究水平不斷提升，但仍有可改善空間。

關鍵詞：中學化學；教科書；實驗編排；質量守恒定律

文章編號：

1008-0546（2024）14-0085-04

中圖分類號：

G632.41

文獻標識碼：

B

一、問題提出

化學教科書是化學課程重要的物化形態與文本素材，是實現化學課程目標的重要載體。《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《初中新課標》）指出，實驗是科學探究的重要形式和學習化學的重要途徑。［1］質量守恒定律是學生連接定性研究和定量分析的關鍵橋梁，對于幫助學生形成化學觀念、培養辯證唯物主義觀具有重要意義。以實驗為載體進行質量守恒定律教學既具有可行性，又具有有效性。

已有諸多學者對質量守恒定律進行了研究，如楊硯寧［2］改進了教科書中驗證質量守恒定律的相關實驗，王震寧［3］以任務驅動為方法進行了質量守恒定律教學實踐探索，宋華強［4］聚焦科學哲學角度分析其在教學過程的滲透情況。已有的研究成果較為豐富，但對教科書中實驗編排的研究相對較少。基于此，本文以化學教科書為研究對象，對“質量守恒定律”實驗內容進行梳理，旨在揭示教科書中實驗編排的特點，以期為教師的實驗教學提供思路和參考。

二、課程標準及學生認知分析

1. 課程標準分析

教科書的編寫以課程標準為依據，研究教科書的編排時有必要梳理課程標準對相關內容要求的變化。因此，筆者對三版課程標準中“質量守恒定律”相關內容的教學要求和建議進行了梳理，相關內容描述如表1所示。

2.學生認知分析

化學教科書的編排遵循“三序”，即知識的邏輯順序、學生的認識順序和學生心理發展順序。通過梳理不同時期教科書中質量守恒定律實驗的編排，筆者發現幾乎所有教科書均先介紹原子概念，后安排質量守恒定律的學習，與化學史實順序相反。這種編排可能是考慮到學生在學習原子的概念后，能更好地從微觀層次理解質量守恒定律。［5］學生在原子等前概念的影響下，可能無法正確理解質量守恒定律概念背后的微觀含義，產生諸多相異構想，這是學生理解質量守恒定律的最大障礙。已有研究調查了學生關于質量守恒定律的諸多相異構想。［6］

由此可見，對于學生而言，理解質量守恒定律是有一定困難的。解決這一困難的關鍵在于利用相關實驗消除認知干擾，實現有效建構。因此，讓學生在學習實驗時充分明確“參加化學反應”“質量”“總和”的指向和含義，避免相異構想的產生，形成正確概念是教科書編寫相關實驗時需要注意的。

三、研究設計

1.研究對象

本研究致力于深入探討初中化學教科書中關于質量守恒定律實驗的編排特點。為此，筆者精心選取了具有顯著代表性和廣泛影響力的教科書作為研究樣本（見表2）。在研究過程中，筆者采用了科學嚴謹的內容分析法，全面梳理并細致分析了這些教科書中關于質量守恒定律的實驗內容、實驗探究水平編排特點和實驗圖示變化，以期能夠為初中化學實驗教學提供有益的參考和啟示。

2.研究框架

筆者參考張世勇等［7］針對教科書中溶液內容的演變研究所提出的分析框架和王磊等［8］對改革開放以來我國初中化學教科書中實驗編排演變的分析框架，結合具體教科書內容，多項維度進行整理，嘗試從實驗內容、實驗探究水平和實驗圖示三個維度進行分析。

3.分析思路

本研究共選擇了六種版本的教科書，以其中質量守恒定律部分的實驗為研究對象，從實驗內容、實驗探究水平和實驗圖示三個維度出發，構建分析框架對相關實驗進行分析，旨在探查不同版本教科書中相關同類實驗在選擇和呈現上的變化，以期為未來教科書編寫提供建議。

四、化學教科書中質量守恒定律實驗編排分析

1.人教版教科書質量守恒定律編排縱向研究

（1）實驗內容編排特點。

筆者依據研究框架對人教版的三版教科書相關內容進行整理分析。01三年版教科書設置了“白磷燃燒”“氫氧化鈉與硫酸銅反應”兩個質量測定實驗；01課標版教科書設置了“白磷燃燒”“鐵釘與硫酸銅溶液反應”“蠟燭燃燒”“鎂條燃燒”四個實驗；12版教科書設置了“紅磷燃燒”“鐵釘與硫酸銅溶液反應”“鹽酸與碳酸鈉粉末反應”“鎂條燃燒”四個實驗。

教科書在編排實驗時逐漸加深了與化學史實的聯系。“蠟燭燃燒”“鹽酸與碳酸鈉粉末反應”與施塔爾的草木燃燒實驗相似，“鎂條燃燒”與波義耳的煅燒金屬實驗相似，“紅磷燃燒”“鐵釘與硫酸銅溶液反應”與拉瓦錫的12天實驗相似。該編排有利于教師利用化學史輔助教學，引導學生辯證看待化學史實。拉瓦錫通過12天實驗測定了氧氣的含量，提出了氧化說和質量守恒定律，因此采用紅磷燃燒實驗進行教學既能喚醒學生已有認知，促進與化學史實的聯結，也能凸顯同一實驗所得兩個理論之間的聯系。

01三年版教科書設置的實驗均為“密閉守恒”實驗，意在通過典型的符合“守恒”特征的實驗事實，幫助學生歸納質量守恒定律，但體系與環境沒有物質交換，學生很容易將“質量”錯誤理解為“體系中所有物質的質量總和”，從而產生相異構想。01課標版和12版教科書先通過密閉實驗引導學生初步得出結論，再通過敞口實驗激發認知沖突，促使學生進行深度思考，逐步從微觀視角探索質量守恒定律的本質。該編排不僅體現了科學論證需要建立在嚴謹的實驗方案基礎上，更有利于發揮質量守恒定律這一實驗內容在發展學生化學觀念、科學思維等化學核心素養方面的功能。此外，“鐵釘與硫酸銅溶液反應”的實驗中，將反應后的容器振蕩，鐵釘表面紅色固體脫落，露出銀白色的金屬，讓學生意識到不是所有的鐵都參加反應，進而對“參加化學反應”有了清晰認知。

（2）實驗探究水平編排特點。

張新宇等［9］構建了“五環節、三水平”的實驗探究水平分析框架，姚娟娟等［10］引用該框架分析了高中化學教科書中實驗類欄目的探究水平。筆者在借鑒相關研究的基礎上，構建了質量守恒定律實驗探究水平分析框架，框架中各水平的具體描述如表3所示。

根據上述框架對人教版的三版教科書中質量守恒定律實驗探究水平進行分析，發現相關實驗在目的確定、方案設計和方案實施環節始終保持1級水平，在結論形成環節較多保持2級水平，在交流評價環節實現了從0級水平到2級水平的突破。三版教科書中相關實驗探究水平的具體變化如圖1所示。

三版教科書的實驗在目的確定、方案設計和方案實施環節均處于控制性水平，即在人教版教科書中，編者編寫質量守恒定律實驗時直接說明實驗目的、提供實驗方案、給出現象數據等。這可能是考慮到初中學生剛接觸化學，化學知識和技能掌握程度較低，脫離支撐性引導容易使學生思路出現偏差。在結論形成環節，人教版教科書大多數提供了輔助性的插圖或文字語句，意在幫助學生通過閱讀思考如何分析實驗現象和數據，進而得出從天平平衡的角度形成結論的思路。這一編排體現了課程標準對于培養學生探究能力與科學素養要求的變化。值得注意的是，在12版教科書中，“鎂條燃燒”和“鐵釘與硫酸銅溶液反應”兩個實驗均提示學生“比較反應前后的質量”，即直接提供了得出探究結論的思路。這一編排可能是出于編者對學生實際知識水平和認知發展的把握和考量。01三年版教科書在實驗末尾并未設置討論、交流、反思、評價等環節，這種情況在01課標版及12版中得到了改善，這兩版教科書均設置了引導性水平的相關環節，以著重發展學生實施方案能力和評價交流素養。

（3）實驗圖示變化。

將人教版的三版教科書中質量守恒定律實驗裝置圖進行分析對比，發現除去彩印等因素外，托盤天平是三版教科書中相關實驗一直選擇的裝置。托盤天平的選擇有以下幾點考量：①使用托盤天平能培養學生等效替代、先粗測后精測、排除系統誤差等多方面的思維技能。②托盤天平具有操作簡便，易于教學，稱重性能穩定的優點，適合初中教學使用。在圖示呈現上，01課標版和12版教科書所提供的實驗裝置圖更多，且多為實物圖示，這兩版教科書中還存在某一實驗呈現實驗前和實驗后兩幅圖示的情況。該編排存在以下優點：①提供實驗前后的裝置圖示能幫助學生深化現象記憶。②提供實驗前后的裝置圖示可以起到“參考”作用，學生可以按照圖示搭建實驗裝置、進行操作及比對結果。

2.其他出版社教科書質量守恒定律實驗編排橫向分析

為保證橫向對比的合理性，本研究選取出版時間相近的12版教科書與魯教版、滬教版和北京版教科書進行對比。

（1）實驗編排特點。

在實驗內容上，滬教版設置了“氫氧化鈉與硫酸銅反應”“碳酸鈣與鹽酸反應”兩個質量測定實驗；魯教版設置了“鹽酸與大理石反應”“氫氧化鈉與硫酸銅反應”“白磷燃燒”三個實驗供學生自行選擇；北京版設置了“氫氧化鈉與硫酸銅反應”“鐵與硫酸銅反應”兩個實驗供學生選擇，并補充“鹽酸與大理石反應”的實驗。

在實驗探究水平上，滬教版、魯教版、北京版和人教版教科書在目的確定環節均處于1級水平，在方案設計、方案實施、結論形成和交流評價四個環節，各版教科書所處的探究水平有所不同，具體情況如表4所示。

在實驗圖示上，滬教版提供了兩個實驗的反應前后裝置圖示，魯教版未提供實驗裝置圖示，北京版提供了一幅實驗裝置圖示。

（2）編排特點分析。

滬教版實驗采用封閉體系，容易使學生產生相異構想，因此在后續環節通過討論引導學生打破相異構想。魯教版和北京版要求學生自主設計實驗，敞開和封閉體系均有可能出現，結果自然出現差異，教師在此過程中可以制造認知沖突，解決教學難題。這也反映了兩版教科書在實驗編寫方面更注重發揮學生主觀能動性，強調自主探索。

四版教科書在編排實驗時均充分強調定量研究的價值，并且均添加相關內容的化學史實。例如，人教版在引言部分引用拉瓦錫12天實驗；滬教版在收集證據部分引用波義耳加熱金屬實驗和拉瓦錫12天實驗；魯教版在多識一點中介紹了三位科學家與質量守恒定律發現簡史；北京版詳實地介紹了質量守恒定律的發現與發展歷程。

五、啟示與建議

我國初中化學教科書中實驗設置一直以嚴謹化、素養化、安全化為原則，力求實驗選擇和內容編寫適應初中生認知發展水平，注重對相異構想的突破。實驗編排一直在為發展學生科學探究能力而努力，整體呈現探究水平不斷提高的變化趨勢。

對編者來說，編寫教科書中的實驗時應遵從“操作簡便、現象明顯、結果明確、環境友好”等原則，但人教版教科書中“鎂條燃燒”實驗存在燃燒原理復雜、實驗結果難以統一等缺點。筆者認為，可以考慮用煅燒其他金屬的實驗替換該實驗。《初中新課標》提出了“銅片在空氣中灼燒前后固體質量的比較”的情境素材建議，教科書的編寫也應落實初中《初中新課標》的內容。［11］

對教師來說，在教學中充分發揮教科書的功能離不開他們的智慧、理解和再加工。［12］教師可以綜合各版教科書在不同環節上的優點，形成融合式實驗教學；可以開發或使用模型來代替文字形成結論；可以鼓勵學生設計創新實驗，發展科學探究素養等。總而言之，教師應不斷鉆研教科書，努力挖掘其中蘊含的教學素材和價值。

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（2022年版）［M］. 北京：北京師范大學出版社，2022．

［2］楊硯寧.巧設實驗 讓經典煥發新意——“化學反應中物質的質量關系”課堂實驗教學設計分析［J］. 化學教育，2016（11）：66-68．

［3］王震寧.運用“任務驅動”法進行“質量守恒定律”教學設計［J］. 化學教學，2011（2）：32-34．

［4］宋華強.從科學哲學的視角分析科學課堂教學——以“質量守恒定律”為例［J］. 化學教育（中英文），2019（1）：27-30．

［5］林梅云，吳新建，張賢金.基于認知邏輯的“質量守恒定律”教學分析［J］. 化學教育（中英文），2018（15）：25-28．

［6］孫影.基于ChemQuery評價系統的化學變化學習進階研究［D］. 濟南：山東師范大學，2015．

［7］張世勇，陳琪，李勛.改革開放以來我國初中化學教科書中溶液內容的演變研究［J］. 化學教育，2015（9）：14-19．

［8］ 王磊，孫影，周冬冬.改革開放以來我國初中化學教科書中實驗編排的演變——基于實驗探究水平和探究技能要求的視角［J］. 化學教育（中英文），2022（13）：23-29．

［9］張新宇，占小紅，陳琳.基于探究水平的科學教材活動比較研究［J］. 化學教學，2012（10）：10-13．

［10］姚娟娟，王世存，姚如富，等.高中化學教材中實驗類欄目的探究水平和探究技能研究［J］. 化學教學，2020（10）：19-23，29．

［11］張冰峰.“鎂條燃燒”實驗在初中化學中的作用及實施［J］. 化學教育，2017（3）：74-77．

［12］劉煒彤，孔思敏，王磊.促進科學觀念與科學實踐協同發展的學生必做實驗的教材編寫［J］. 化學教育（中英文），2023（11）：9-16．