基于化學(xué)史和思維轉(zhuǎn)換的質(zhì)量守恒定律教學(xué)設(shè)計

賈萍萍 吳明書

摘要：將化學(xué)史融入課堂是一個有效拓寬學(xué)生視野并提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的方法。以質(zhì)量守恒定律的教學(xué)為例，以質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)過程設(shè)計了教學(xué)過程，通過啟發(fā)提問一探究討論一實(shí)驗驗證等活動，讓學(xué)生站在科學(xué)家的角度思考問題，揭示科學(xué)家探究過程的思維和方法，經(jīng)歷從定性思維到定量思維的轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量守恒定律;教學(xué)設(shè)計;化學(xué)史;定量研究

文章編號：1008-0546（2019）04-0068-03

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.019

將化學(xué)史融人課堂是一個有效拓寬學(xué)生視野并提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的方法。化學(xué)史反映了化學(xué)原理發(fā)展的過程，能夠幫助學(xué)生充分理解化學(xué)知識。但很多教師在教學(xué)過程中只注重實(shí)驗探究，或只是將化學(xué)史以片段的形式插入。在進(jìn)行相關(guān)的化學(xué)史教學(xué)時，教師大多只介紹定律的發(fā)現(xiàn)者、發(fā)現(xiàn)時間、發(fā)現(xiàn)的簡單過程和拉瓦錫的貢獻(xiàn)[1]。學(xué)生對這段歷史沒有清晰的認(rèn)識，依據(jù)教材孤立地認(rèn)為是拉瓦錫一個人建立了質(zhì)量守恒定律，且這個定律沒有什么價值等片面的印象。質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程體現(xiàn)著科學(xué)家從定性思維到定量思維的轉(zhuǎn)變，而在實(shí)際教學(xué)中，很多教師只是將質(zhì)量守恒定律作為一個理論知識傳授給學(xué)生，忽略了它對學(xué)生定量的化學(xué)觀的形成的積極影響。

一、教學(xué)設(shè)計

本節(jié)課采用歷史線-探究線相結(jié)合的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，以質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)史為主線創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景，對每段化學(xué)史實(shí)提出問題，讓學(xué)生換位思考，交流討論，開展質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)和探究，學(xué)會用定量的方法初識化學(xué)變化的本質(zhì)。

二、教學(xué)思路

波義耳的金屬銅煅燒實(shí)驗——對金屬增重產(chǎn)生疑問——激發(fā)學(xué)生探究熱情——施塔爾的燃素學(xué)說

解釋金屬增重原因一一與學(xué)生已有知識產(chǎn)生沖突——對波義耳的金屬銅煅燒實(shí)驗再次質(zhì)疑——設(shè)計金屬煅燒的反應(yīng)體系——羅蒙諾索夫的金屬銅煅燒實(shí)驗——設(shè)計并驗證實(shí)驗——拉瓦錫的氧化汞實(shí)驗——播放氧化鈷分解實(shí)驗動畫——微觀解釋質(zhì)量守恒定律——質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.知識與技能

（1）認(rèn)識質(zhì)量守恒定律。

（2）能用微觀的觀點(diǎn)解釋質(zhì)量守恒定律。（3）能用質(zhì)量守恒定律解決一些相關(guān)問題。

2.過程與方法

（1）初步了解科學(xué)家建立質(zhì)量定律的過程和方法。（2）初步學(xué)習(xí)結(jié)合化學(xué)史學(xué)習(xí)化學(xué)的思維。

3.情感態(tài)度和價值觀

（1）重溫科學(xué)家建立質(zhì)量守恒的過程，體會探究過程的曲折和成功的喜悅。

（2）通過實(shí)驗探究，發(fā)展定性到定量的科學(xué)觀。

四、教學(xué)過程

[引入]化學(xué)反應(yīng)必然引起物質(zhì)的改變，那么反應(yīng)物和反應(yīng)后的產(chǎn)物之間有什么關(guān)系呢？化學(xué)家在很久之前便關(guān)注并研究了這個問題。接下來就讓我們回到科學(xué)家所處的時代，去探尋質(zhì)量守恒定律的發(fā)展足跡。時空之旅第一站：燃素學(xué)說的緣起

[波義耳]我叫波義耳，我非常喜歡做實(shí)驗，有一次我做了這樣一個實(shí)驗：我將稱重后的銅片放入密閉瓶中，將其煅燒。發(fā)現(xiàn)銅片逐漸由紫紅色變?yōu)榘祷疑?，最后變成了黑色。燒完后，打開密閉瓶，稱量金屬，發(fā)現(xiàn)變重了。我感到非常奇怪，又用鉛、錫等其它金屬做實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)燃燒后都變重了。金屬燃燒后質(zhì)量增加是什么原因引起的呢？

[投影]（見圖1）

[提出問題]假如你是波義耳，試想一下，在那個氧氣還沒有被發(fā)現(xiàn)的年代，怎么解釋這個現(xiàn)象呢？

[學(xué)生討論]是有東西和金屬結(jié)合了，導(dǎo)致金屬增加了。

[設(shè)計意圖]創(chuàng)設(shè)情境，使自己成為“小波義耳”，學(xué)會換位思考，只有將自己置身于情境中，學(xué)生的思維才能被充分地激活，科學(xué)素養(yǎng)才能得到提高。

[波義耳]我認(rèn)為應(yīng)該有一種“熱素”，可以從一個物體注入另一個物體，燃燒時與金屬結(jié)合，導(dǎo)致金屬灰質(zhì)量增加。

時空之旅第二站：燃素學(xué)說的發(fā)展，

[施塔爾]我認(rèn)為燃燒時燃素飛散，反應(yīng)物總質(zhì)量減少，說明燃素具有正質(zhì)量，但是反應(yīng)物在反應(yīng)過程中不會憑空消失，金屬燃燒后質(zhì)量增加，是燃素具有負(fù)質(zhì)量造成的。

[提出問題]同學(xué)們，你們認(rèn)為這個解釋合理嗎？為什么？

[學(xué)生討論，]不合理，質(zhì)量怎么可能有負(fù)值呢，一切物體都是有質(zhì)量的。

[設(shè)計意圖]創(chuàng)設(shè)矛盾情境，通過對施塔爾解釋的提問，與學(xué)生的已有知識（物體是有質(zhì)量的）產(chǎn)生沖突，使學(xué)生對燃素學(xué)說產(chǎn)生質(zhì)疑，讓學(xué)生意識到定性認(rèn)識是片面的，引導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)的方法來探索原理。

[提出問題]好，同學(xué)們，既然認(rèn)為施塔爾的解釋不合理，那我們再次回到波義耳的實(shí)驗中，仔細(xì)分析一下實(shí)驗過程，有沒有不足的地方呢？

[學(xué)生討論]他只稱量了金屬灰的重量，沒有稱量其它的質(zhì)量，而且玻璃瓶一直打開，反應(yīng)體系一直和空氣接觸，可能會對實(shí)驗有影響。

[提出問題]那我們該怎么改進(jìn)這個實(shí)驗?zāi)兀?/p>

[學(xué)生討論]在反應(yīng)過程中需要保持反應(yīng)裝置密閉，可以將金屬和容器一起稱重。

[設(shè)計意圖]通過對波義耳實(shí)驗裝置的分析，引導(dǎo)學(xué)生按照科學(xué)家的思路進(jìn)行思考，探索波義耳實(shí)驗的不足，找出波義耳解釋的不合理之處，并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方案，有助于幫助學(xué)生從定性思維逐漸上升到定量思維。

時空之旅第三站：質(zhì)量守恒定律的雛形

[羅蒙諾索夫]我非常反對燃素學(xué)說對金屬增重現(xiàn)象的解釋，我認(rèn)真研究了波義耳實(shí)驗的做法，產(chǎn)生了一些疑問：波義耳在做實(shí)驗前，為什么不稱量一下密閉瓶的質(zhì)量呢？加熱后打開密閉瓶，有沒有什么東西從容器里“跑出”并改變它的重量？我決定重新做這個實(shí)驗。

我用天平稱量一些錫粉，質(zhì)量為m1;然后將其放入密閉容器中充分燃燒，反應(yīng)結(jié)束后，不打開容器，直接稱量容器，所得質(zhì)量為m2;稱完后，打開容器，取出生成的白色物質(zhì)，稱量，記為m3;再將白色物質(zhì)放回原來的容器中，再次稱量容器的質(zhì)量，記為m4。

我分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，得到一個等式m3=m4-m2+m1。我又拿鐵，銅多次重復(fù)這個實(shí)驗，等式仍然成立。這意味著沒有熱素進(jìn)入容器，否則容器的質(zhì)量應(yīng)該增加。我根據(jù)這個現(xiàn)象，提出了“參與反應(yīng)的物質(zhì)的總質(zhì)量，等于反應(yīng)后產(chǎn)物的總質(zhì)量”的觀點(diǎn)。

[提出問題請同學(xué)們分析一下m3;=m4-m2+m1的含義，為什么羅蒙諾索夫能發(fā)現(xiàn)這個規(guī)律呢？

[學(xué)生討論]m4-m2為參加反應(yīng)的氣體的質(zhì)量，m1為金屬錫粉的質(zhì)量，m4-m2+m1，為參加反應(yīng)物總質(zhì)量，m3為反應(yīng)后產(chǎn)物的總質(zhì)量。

[設(shè)計意圖]引導(dǎo)學(xué)生分析等式的含義，驗證羅蒙諾索夫的觀點(diǎn)，使學(xué)生的思維與科學(xué)家的思維巧妙同步，學(xué)會用定量的思維解釋化學(xué)理論。

[提出問題]這個是巧合嗎？那沒有氣體參與的反應(yīng)是不是也遵循羅蒙諾索夫的觀點(diǎn)呢？

[學(xué)生實(shí)驗]鐵與硫酸銅的實(shí)驗。

[設(shè)計意圖]通過了解羅蒙諾索夫的實(shí)驗原理，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，設(shè)計并完成鐵和硫酸銅溶液的實(shí)驗，讓學(xué)生用定量的方法驗證羅蒙諾索夫觀點(diǎn)的正確性。

根據(jù)我們剛才做的實(shí)驗，也說明了羅蒙諾索夫的觀點(diǎn)是正確的。但在羅蒙諾索夫的時代，由于缺乏嚴(yán)格的實(shí)驗證據(jù)，這項重大的發(fā)現(xiàn)沒有得到人們應(yīng)有的重視。

時空之旅第四站：質(zhì)量守恒定律的建立

[拉瓦錫]我看了波義耳和羅蒙諾索夫的實(shí)驗，兩個結(jié)論不一樣，到底真相是什么呢？于是我研究了氧化汞的分解和合成反應(yīng)過程。我將45.0份質(zhì)量的氧化汞在密閉容器中進(jìn)行加熱后，恰好得到了41.5份質(zhì)量的汞和3.5份質(zhì)量的氧氣[3]。我又做了其他物質(zhì)的燃燒比如碳燃燒，磷燃燒等，歸納出了一個規(guī)律，在化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)前后的總物質(zhì)保持不變，而且物質(zhì)的質(zhì)量也保持不變。

[投影]（見圖2和圖3）

[提出問題]拉瓦錫的實(shí)驗與之前兩位的實(shí)驗相比，有什么優(yōu)點(diǎn)？

[學(xué)生討論]實(shí)驗更加精確了，他還分析了生成物。

[講述]拉瓦錫不只是定性地觀察實(shí)驗對象，而且用定量的實(shí)驗為研究提供實(shí)驗證據(jù)，他用精密的實(shí)驗儀器測量反應(yīng)前后各個物質(zhì)的變化。此后，定量研究成為科學(xué)家解決問題的基本方法。正是依據(jù)科學(xué)的實(shí)驗方法，拉瓦錫推翻了錯誤的燃素學(xué)說，讓質(zhì)量守恒定律為眾人所知，而他本人也被稱為近代化學(xué)之父。

（設(shè)計意圖]通過將拉瓦錫實(shí)驗與前面的實(shí)驗進(jìn)行比較，分析出拉瓦錫實(shí)驗的先進(jìn)性，讓同學(xué)們初步形成從定性思維到定量思維轉(zhuǎn)變的思想，同時讓學(xué)生了解質(zhì)量守恒定律是化學(xué)發(fā)展史上的里程碑。

[提出問題]為什么參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的總質(zhì)量等于反應(yīng)后產(chǎn)物的總質(zhì)量呢？我們看一下氧化汞分解實(shí)驗的情況吧。

[課件演示]氧化汞分解實(shí)驗的微觀動畫。

[提出問題]在這個微觀實(shí)驗中，化學(xué)反應(yīng)前后，元素種類發(fā)生變化了嗎？原子個數(shù)、原子種類、原子質(zhì)量發(fā)生變化了嗎？分子、物質(zhì)種類發(fā)生變化了嗎？

[學(xué)生討論]不變：元素種類，原子個數(shù)，原子種.類，原子質(zhì)量。變：分子種類，物質(zhì)種類。

[設(shè)計意圖]學(xué)生在宏觀上對質(zhì)量守恒定律有了較好的認(rèn)知，通過氧化汞分解的動畫，從微觀上描述并分析質(zhì)量守恒定律，使學(xué)生對質(zhì)量守恒定律有更深層次的理解。

[學(xué)以致用]古人有“點(diǎn)石成金”的說法，請問這個說法對嗎？

[學(xué)生討論]不對，石頭的主要成分是碳酸鈣，只有鈣、碳、氧元素，不含金元素，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，碳酸鈣反應(yīng)不會有金元素產(chǎn)生，所以這句話是錯的。

[課堂小結(jié)]通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，你對化學(xué)反應(yīng)有什么新的認(rèn)識嗎？

[作業(yè)]如果你能回到過去和某位科學(xué)家進(jìn)行交談，你會說些什么呢？

[設(shè)計意圖]回顧質(zhì)量守恒定律建立的歷史，了解.化學(xué)家對化學(xué)發(fā)展作出重大貢獻(xiàn)的曲折過程，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的精神。

五、結(jié)語

本節(jié)課按照新課標(biāo)，將化學(xué)史融入課堂，以質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)史作為主線，通過重現(xiàn)歷史一啟發(fā)提問一探究談?wù)摰然顒拥拈_展設(shè)計教學(xué)過程，突出教學(xué)重點(diǎn)，發(fā)揚(yáng)學(xué)生的主動性，啟迪學(xué)生的思維，讓學(xué)生充分理解質(zhì)量守恒定律，并挖掘化學(xué)史背后蘊(yùn)含的科學(xué)價值，使學(xué)生從定性思維轉(zhuǎn)到定量思維，在處理化學(xué)實(shí)驗問題中形成“密閉體系”的意識，作出更科學(xué)的思考。

參考文獻(xiàn)

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