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    “質(zhì)量守恒定律”探究實(shí)驗(yàn)的衍變與作用剖析

    2015-06-14 00:27張冰峰
    化學(xué)教學(xué) 2015年5期
    關(guān)鍵詞:教學(xué)建議

    張冰峰

    摘要:通過(guò)對(duì)義務(wù)教育教科書(shū)(人教版)不同時(shí)期三個(gè)版本關(guān)于“質(zhì)量守恒定律”課題中探究實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析,尋找實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的衍變軌跡,剖析實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)學(xué)作用。建議在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要目的清,讓學(xué)生在核心中學(xué);要?jiǎng)邮肿?,讓學(xué)生在體驗(yàn)中學(xué);要變式導(dǎo),讓學(xué)生在比較中學(xué)。

    關(guān)鍵詞:質(zhì)量守恒定律;實(shí)驗(yàn)衍變;導(dǎo)學(xué)功能;教學(xué)建議

    文章編號(hào):1005 - 6629(2015)5 - 0075 - 04

    中圖分類(lèi)號(hào):G633.8

    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

    1 教材分析

    “質(zhì)量守恒定律”是初中化學(xué)的核心知識(shí),是學(xué)生從定性到定量認(rèn)識(shí)化學(xué)的轉(zhuǎn)折點(diǎn),是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)方程式和進(jìn)行化學(xué)計(jì)算的理論基石,更是學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì),形成質(zhì)量觀、守恒觀的階梯。課程標(biāo)準(zhǔn)單獨(dú)設(shè)立了“質(zhì)量守恒定律”主題,詳細(xì)闡明其學(xué)習(xí)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)[1],各種版本的教科書(shū)也十分重視此課題的內(nèi)容編著,尤其是一線(xiàn)教師特別重視此課題的教學(xué)導(dǎo)學(xué)設(shè)計(jì),視其為學(xué)好化學(xué)的分水嶺。

    近十年來(lái),我們學(xué)校所在地區(qū)初中化學(xué)先后使用過(guò)“人教版”的三個(gè)版本教科書(shū),分別是以“教學(xué)大綱”為背景,由程名榮、胡美玲主編的“九年制義務(wù)教育三年制初級(jí)中學(xué)化學(xué)教科書(shū)(全一冊(cè))”[2](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大綱版”),以“課程標(biāo)準(zhǔn)”為背景,由胡美玲、何少華、王晶主編的“義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)九年級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)”[3](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“課標(biāo)實(shí)驗(yàn)版”),以及以2011年“新課程標(biāo)準(zhǔn)”為背景,由王品,鄭長(zhǎng)龍主編的“義務(wù)教育九年級(jí)化學(xué)教科書(shū)”[4](以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)版”)。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),不同背景下的“人教版”教科書(shū)的主編關(guān)于“質(zhì)量守恒定律”的章節(jié)編寫(xiě)卻傳承著相同的編寫(xiě)導(dǎo)學(xué)思路,見(jiàn)圖1。

    遵循這個(gè)思路,教科書(shū)充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)學(xué)功能,設(shè)計(jì)了一系列探究活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生從宏觀事實(shí)角度分析“平衡現(xiàn)象”,從微觀粒子角度分析理解“守恒的實(shí)質(zhì)”,引導(dǎo)學(xué)生用定量分析的方法對(duì)化學(xué)現(xiàn)象以及內(nèi)在反應(yīng)的實(shí)質(zhì)進(jìn)行探究和歸納,從而得出“質(zhì)量守恒”這一化學(xué)反應(yīng)基本規(guī)律。

    在教學(xué)中,一線(xiàn)教師需從多角度研究每個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的和意義,力求發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的作用以利于教學(xué)。每次新版教科書(shū)也有相應(yīng)改編體現(xiàn),并呈現(xiàn)出一定的衍變規(guī)律。下面結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)談?wù)勛约旱囊恍┱J(rèn)識(shí)。

    2 實(shí)驗(yàn)的衍變分析

    宋心琦教授認(rèn)為:“一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn),不論是演示實(shí)驗(yàn)還是教學(xué)實(shí)驗(yàn),都可以歸納為:作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的物質(zhì)體系;適當(dāng)?shù)膬x器裝置和必要的安全措施;合理的實(shí)驗(yàn)步驟和規(guī)范的操作技能等三個(gè)方面。[5]”比較發(fā)現(xiàn),不同背景下的教科書(shū)在實(shí)驗(yàn)選擇上都具有代表性,但在物質(zhì)體系、實(shí)驗(yàn)裝置等多方面存在差異,且呈現(xiàn)“衍生漸變”過(guò)程。為了便于陳述和比較,現(xiàn)將三個(gè)版本教科書(shū)中“質(zhì)量守恒定律”章節(jié)中選擇的實(shí)驗(yàn)匯集如下(見(jiàn)表1)。

    2.1 實(shí)驗(yàn)試劑選用呈現(xiàn)漸變

    比較對(duì)照實(shí)驗(yàn)圖2、圖4與圖8,“課標(biāo)實(shí)驗(yàn)版”沿用了與“大綱版”相同的白磷,而“新課標(biāo)版”將白磷改成了紅磷。這種改變是基于安全性的考慮[6]。2007年“課標(biāo)實(shí)驗(yàn)版”教學(xué)參考書(shū)特別指出:白磷是一種易白燃而義有劇毒的物質(zhì),通常儲(chǔ)存在水中,切割白磷也應(yīng)該在水中進(jìn)行。取白磷要用鑷子,不可用手接觸,表面的水分要用濾紙吸干,需快速放置在錐形瓶底中間位置,再用玻璃導(dǎo)管引燃。在實(shí)驗(yàn)時(shí)還要特別注意接觸過(guò)白磷的工具上往往殘留白磷的碎片,不能隨意亂放,殘留的白磷的碎片和吸過(guò)白磷表面水分的濾紙一定要燒掉以保證安全。可見(jiàn)使用白磷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作要求高、安全注意點(diǎn)多,而紅磷著火點(diǎn)高,不易自燃,且無(wú)毒,在實(shí)驗(yàn)中操作相對(duì)簡(jiǎn)便、從容,安全性高。

    比較對(duì)照實(shí)驗(yàn)圖3、圖5與圖9,實(shí)驗(yàn)試劑的變化是將硫酸銅與氫氧化鈉的反應(yīng)改為硫酸銅與鐵釘?shù)姆磻?yīng)。這種試劑的改變可以使實(shí)驗(yàn)中稱(chēng)量和操作更方便,因?yàn)樵瓕?shí)驗(yàn)中將盛有氫氧化鈉溶液的試管取出并倒人硫酸銅溶液,易導(dǎo)致液體外滴在燒杯外,而將鐵釘放入硫酸銅溶液就很方便,這種試劑的改變還可以避免“氫氧化鈉溶液會(huì)不會(huì)吸收空氣中的二氧化碳”等問(wèn)題的爭(zhēng)論,使引導(dǎo)分析更簡(jiǎn)明。

    2.2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)呈現(xiàn)漸變

    比較對(duì)照實(shí)驗(yàn)圖2與圖4,實(shí)驗(yàn)裝置中將“導(dǎo)熱引燃”的玻璃棒改為玻璃管,并在玻璃管上端增加了一個(gè)氣球,其修改意圖是基于“萬(wàn)一燃燒產(chǎn)生熱量引起橡皮塞蹦出或使玻璃容器破裂導(dǎo)致危險(xiǎn)”的安全性考慮,對(duì)實(shí)驗(yàn)做了“緩沖受熱膨脹”的改進(jìn),使實(shí)驗(yàn)更安全。

    比較對(duì)照實(shí)驗(yàn)圖5與圖9,“新課標(biāo)版”實(shí)驗(yàn)裝置變化是將原來(lái)的敞口實(shí)驗(yàn)體系改為密閉實(shí)驗(yàn)體系,原因是該實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了其他反應(yīng),酸性的硫酸銅溶液與鐵反應(yīng)產(chǎn)生了氫氣,雖然極其微量,在準(zhǔn)確度為O.lg的托盤(pán)天平也會(huì)產(chǎn)生“平衡”,但是將裝置改成密閉實(shí)驗(yàn)體系,使實(shí)驗(yàn)更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。筆者認(rèn)為,探究質(zhì)量守恒定律的“平衡類(lèi)”實(shí)驗(yàn)應(yīng)該使用密閉體系裝置,因?yàn)椴还芘c外界是否發(fā)生物質(zhì)的交換或反應(yīng),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水分的揮發(fā)總是客觀存在的。

    以上為防止受熱膨脹爆炸所增加的氣球裝置改進(jìn)以及由敞口體系裝置漸變到封閉體系裝置的改進(jìn),體現(xiàn)了教科書(shū)中的實(shí)驗(yàn)在不斷進(jìn)行科學(xué)衍變的過(guò)程。

    2.3 實(shí)驗(yàn)的數(shù)目與類(lèi)型發(fā)生變化

    “大綱版”教科書(shū)關(guān)于“質(zhì)量守恒定律”的探究實(shí)驗(yàn)只有兩個(gè):白磷的燃燒(見(jiàn)圖2)、氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應(yīng)(見(jiàn)圖3)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都是“平衡”的。實(shí)驗(yàn)體系呈現(xiàn)兩種情況:一個(gè)是封閉的,一個(gè)是敞口的,沒(méi)有關(guān)于實(shí)驗(yàn)“不平衡現(xiàn)象”以及實(shí)驗(yàn)體系密封性的討論等。選擇這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的就是用既簡(jiǎn)單義具代表性的實(shí)驗(yàn)來(lái)闡明“化學(xué)反應(yīng)前后總質(zhì)量相等”的結(jié)論,再用“無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)證明”一段文字以及教師引導(dǎo)下通過(guò)演繹推理的方法得出了質(zhì)量守恒定理。

    為什么“課標(biāo)實(shí)驗(yàn)版”教科書(shū)的實(shí)驗(yàn)在原“大綱版”的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上要增加兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?分析認(rèn)為,這樣通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型實(shí)驗(yàn)的比較與判斷,能不斷地揭示矛盾和解決矛盾,有利于激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲,也有利于學(xué)生知識(shí)體系的建構(gòu)。以“新課標(biāo)版”為例,學(xué)生通過(guò)前兩個(gè)“平衡”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與教師導(dǎo)學(xué)分析,已經(jīng)初步認(rèn)可了化學(xué)反應(yīng)“質(zhì)量守恒”的事實(shí)。在此認(rèn)知基礎(chǔ)上,“課標(biāo)版”教科書(shū)增加了兩個(gè)實(shí)驗(yàn),采用敞口的實(shí)驗(yàn)體系,出現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)不平衡”的現(xiàn)象,讓學(xué)生產(chǎn)生“化學(xué)反應(yīng)難道不守恒嗎”的疑問(wèn),激發(fā)學(xué)生更強(qiáng)烈的求知欲和探究意識(shí),使學(xué)生透過(guò)不同情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表象,思考“是否平衡”與實(shí)驗(yàn)體系密封性的內(nèi)在關(guān)系,強(qiáng)化反應(yīng)物和生成物“一個(gè)都不能少”的思維分析方法,構(gòu)建“守恒是必然的,不平衡是有原因的”的問(wèn)題分析思想。

    3 教學(xué)建議

    通過(guò)對(duì)三個(gè)版本教科書(shū)中實(shí)驗(yàn)的衍變分析,可以體會(huì)到教科書(shū)編著者的用心和智慧。葉圣陶認(rèn)為:“教材即使編得非常詳盡,也不過(guò)是某一學(xué)科的提要,加上一些必要的范例罷了;因此,教材只能作為教課的依據(jù),要教得好,使學(xué)生受到實(shí)益,還靠教師的善于運(yùn)用?!彼越處煶浞肿裱炭茣?shū)實(shí)驗(yàn)選編的意圖,發(fā)揮實(shí)驗(yàn)資源的作用,創(chuàng)新導(dǎo)學(xué)方式,既有利于教師的導(dǎo)教,更有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。

    3.1 目的清,讓學(xué)生抓住核心學(xué)

    在不同的學(xué)習(xí)情境下,每個(gè)實(shí)驗(yàn)的意圖和導(dǎo)學(xué)作用是不同的。根據(jù)“質(zhì)量守恒定律”章節(jié)編寫(xiě)的導(dǎo)學(xué)思路可以看到,此節(jié)四個(gè)實(shí)驗(yàn)的作用是“驗(yàn)證與修正,體驗(yàn)與運(yùn)用”;是運(yùn)用天平等“衡”儀器,用定量化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的方法作為學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的體驗(yàn),從而達(dá)到掌握質(zhì)量守恒定律的目的,并不是從定性的角度引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)新物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示或探究導(dǎo)學(xué)時(shí),應(yīng)該重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)中“質(zhì)量如何”的現(xiàn)象,如第1~2個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察的關(guān)鍵是“前后質(zhì)量是否平衡”,目的是幫助學(xué)生初步形成化學(xué)反應(yīng)中“質(zhì)量守恒”的思維定勢(shì)。第3~4個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察的重點(diǎn)是“反應(yīng)前后質(zhì)量是否發(fā)生變化?變化的原因是什么”等,讓學(xué)生在認(rèn)知沖突中加深對(duì)守恒定律的理解與同化,不能讓學(xué)生過(guò)多地觀察分析一些物質(zhì)化學(xué)變化中的性質(zhì)類(lèi)現(xiàn)象。例如在紅磷燃燒的實(shí)驗(yàn)中,不應(yīng)該讓學(xué)生把觀察注意力放在物質(zhì)的“放熱、發(fā)光、白煙、變色”等現(xiàn)象上;在鐵釘與硫酸銅的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,也無(wú)需引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注因硫酸銅水解所導(dǎo)致的“是否還有氣泡產(chǎn)生”的問(wèn)題發(fā)現(xiàn);而在碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中,卻要引導(dǎo)學(xué)生觀察涉及質(zhì)量變化因素的現(xiàn)象,如“是否有氣體的外泄”等;同樣在鎂條燃燒的實(shí)驗(yàn)中,則要重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生觀察“白煙的散逸”等現(xiàn)象。這樣教師引導(dǎo)學(xué)生觀察的重點(diǎn)準(zhǔn),問(wèn)題分析的目的清,才能集中學(xué)生思維注意力,圍繞關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探究,有利于學(xué)生核心知識(shí)的建構(gòu)。

    3.2 動(dòng)手做,讓學(xué)生在體驗(yàn)中學(xué)

    化學(xué)作為一門(mén)以物質(zhì)為研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)性科學(xué),具有著重實(shí)際體驗(yàn)和基于事實(shí)進(jìn)行合乎邏輯地簡(jiǎn)單推理的特點(diǎn)[7]。而體驗(yàn)是通過(guò)實(shí)踐和親身參與、親身經(jīng)歷的一種特殊認(rèn)知方式,是一種先行而后知的認(rèn)知方式?;瘜W(xué)的體驗(yàn)學(xué)習(xí)特別強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”的理念,正如古語(yǔ)說(shuō)“吾聽(tīng)吾忘,吾見(jiàn)吾記,吾做吾悟”,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)中去感悟。

    在教學(xué)中,一些教師為圖方便,采取全部播放“實(shí)驗(yàn)視頻”的方式進(jìn)行教學(xué),如此“快餐式”導(dǎo)學(xué)方式雖然增加課堂容量,加快了教學(xué)節(jié)奏,但是學(xué)生會(huì)“食而不化”,必然會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果差。所以我們?cè)凇百|(zhì)量守恒定律”的學(xué)習(xí)過(guò)程中,一定要通過(guò)教師動(dòng)手做演示實(shí)驗(yàn)或讓學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的方式使學(xué)生或見(jiàn)或做,構(gòu)建知識(shí),感悟?qū)嵸|(zhì)。其實(shí)教師認(rèn)真演示實(shí)驗(yàn)的“慢過(guò)程”,或者學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的“體驗(yàn)過(guò)程”,就是激發(fā)學(xué)生動(dòng)腦思維的過(guò)程,也是學(xué)生不斷產(chǎn)生困惑并逐步解決問(wèn)題的過(guò)程。

    例如在教科書(shū)安排的四個(gè)實(shí)驗(yàn)中,紅磷燃燒實(shí)驗(yàn)是最令教師心憂(yōu)的一個(gè)實(shí)驗(yàn),因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)準(zhǔn)備繁瑣,操作繁瑣而且耗時(shí),還會(huì)因裝置氣密性等問(wèn)題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。但教師一定要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示,就是實(shí)驗(yàn)失敗了也是一個(gè)很好的“意外”教學(xué)素材,教師可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)照教科書(shū)中的實(shí)驗(yàn)步驟以及要求分析失敗的原因,在認(rèn)知沖突中再次體驗(yàn),一定會(huì)有許多感悟。

    3.3 變式導(dǎo),讓學(xué)生在比較中學(xué)

    在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的當(dāng)下,學(xué)生觀察化學(xué)實(shí)驗(yàn)視頻已成為一個(gè)隨時(shí)性的行為,在課前就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)觀看到教科書(shū)中的實(shí)驗(yàn)視頻,使實(shí)驗(yàn)不再具有新穎性和探索性。又由于對(duì)自主學(xué)習(xí)的倡導(dǎo),許多學(xué)生養(yǎng)成了課前預(yù)習(xí)的好習(xí)慣,加之教科書(shū)本身可自學(xué)的特點(diǎn),學(xué)生通過(guò)預(yù)習(xí),對(duì)教科書(shū)的知識(shí)包括實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、結(jié)論等都已經(jīng)基本了解,若教師還是按圖索驥式地進(jìn)行實(shí)驗(yàn),課堂教學(xué)就會(huì)如嚼蠟無(wú)味一般,教師唯有變式導(dǎo)學(xué),才能再次激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的激情和動(dòng)力。

    如紅磷燃燒的實(shí)驗(yàn),教師可以在安全操作的前提下,改用白磷并用微熱烘烤錐形瓶的方式進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn),通過(guò)改變引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行對(duì)比分析,感悟?qū)嶒?yàn)雖有差異而原理相同的內(nèi)涵實(shí)質(zhì)。

    又如教師在引導(dǎo)學(xué)生分析碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)的“不平衡”實(shí)驗(yàn)后,向?qū)W生提出一定要設(shè)計(jì)一個(gè)“平衡”的實(shí)驗(yàn)要求,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出在密閉容器中進(jìn)行碳酸鹽與鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖12),讓學(xué)生在對(duì)比分析的基礎(chǔ)上,感受實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性,提升學(xué)生思維分析的嚴(yán)謹(jǐn)性。

    再如鎂條燃燒,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)因?yàn)椴僮鞣绞胶玩V條長(zhǎng)度不同而產(chǎn)生三種結(jié)果,即反應(yīng)后的物質(zhì)質(zhì)量會(huì)小于、等于、大于原鎂條的質(zhì)量[8]。但是在課堂上通過(guò)一次或幾次實(shí)驗(yàn)是無(wú)法獲得三種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的。我們可以采取讓學(xué)生先根據(jù)鎂與氧氣反應(yīng)生成氧化鎂的原理做一個(gè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象預(yù)判,教師再演示或讓學(xué)生完成一個(gè)“質(zhì)量變小”的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)[9、10](實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要戴護(hù)目鏡,防止“光性視網(wǎng)膜損傷”發(fā)生)[11],觀看一個(gè)“質(zhì)量變大”的“優(yōu)酷”實(shí)驗(yàn)視頻(“優(yōu)酷”中都是“質(zhì)量變大”的視頻),思考一個(gè)“質(zhì)量相等”的客觀現(xiàn)實(shí),通過(guò)這樣不同的方式引導(dǎo)學(xué)生積極推理,深入探究分析,尋找分析影響實(shí)驗(yàn)質(zhì)量差異的因素,以期達(dá)到提升分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力。

    總之,教科書(shū)上每一處修改必有緣由,任何細(xì)微變化都是編寫(xiě)者認(rèn)真思慮的結(jié)晶。無(wú)數(shù)教學(xué)一線(xiàn)的教師也在孜孜研瀆一本教科書(shū),年年都會(huì)對(duì)“質(zhì)量守恒定律”課題進(jìn)行重新備課,創(chuàng)新設(shè)讓教學(xué)感悟會(huì)不斷深入,實(shí)驗(yàn)的衍變也會(huì)繼續(xù)進(jìn)行著。讓我們傾心于教學(xué)中改革實(shí)驗(yàn),在實(shí)踐中品味實(shí)驗(yàn),讓實(shí)驗(yàn)發(fā)揮最佳功效。

    參考文獻(xiàn):

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