“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”的教學(xué)素材選擇研究

陳歡

摘要：以“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”為例，分析初中化學(xué)教學(xué)素材選擇的研究方式，解讀初中化學(xué)教學(xué)素材的選擇策略，期望籍此為初中化學(xué)教學(xué)研究提供一些思考和幫助。

關(guān)鍵詞：教學(xué)素材;化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系;選擇策略

文章編號：1008-0546（2020）11-0010-05 中圖分類號：G632.41 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.003

教學(xué)素材的合理選擇能有效提升課堂的教學(xué)效率，有效促進核心素養(yǎng)的落地生根。在九年級化學(xué)教學(xué)階段如何選擇有效的教學(xué)素材，成為一個重要的議題。本文以“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”為例，說明初中化學(xué)教學(xué)素材選擇的研究方式，解讀初中化學(xué)教學(xué)素材的選擇策略。

一、化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系

“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”的核心內(nèi)容是質(zhì)量守恒定律，也即“參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和”。相關(guān)內(nèi)容在教學(xué)中存在諸多特點：探究量大，可選擇研究的實驗豐富，相適切的實驗裝置多，需要合適的教學(xué)素材幫助學(xué)生梳理出清晰脈絡(luò);思維難度大，化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系研究角度是從定性深入定量，從宏觀深入微觀，需要合適的教學(xué)素材幫助學(xué)生進行有效的思維切換;信息量大，化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系實質(zhì)的得出需要學(xué)生去偽存真、撥云見日，利用數(shù)學(xué)建模的思想進行必要的理解，需要合適的教學(xué)素材幫助學(xué)生進行深入的知識構(gòu)建;考察點豐富，涉及化學(xué)反應(yīng)質(zhì)量變化的相關(guān)解釋、化學(xué)反應(yīng)的微觀研究、信息方程式的書寫、質(zhì)量守恒定律的裝置改進研究等，需要合適的教學(xué)素材幫助學(xué)生進行合理的知識點梳理;教學(xué)情境豐富，海爾蒙特、波義爾、拉瓦錫、羅蒙諾索夫、朗道耳、曼萊、愛因斯坦等多位知名科學(xué)家涉及質(zhì)量守恒定律研究，需要合適的教學(xué)素材幫助學(xué)生構(gòu)建好科學(xué)觀與社會觀。因而不難發(fā)現(xiàn)，合理的教學(xué)素材選擇對學(xué)生深度學(xué)習(xí)“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”意義重大。

二、“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”教學(xué)素材選擇的研究方式

1.參考課程標(biāo)準(zhǔn)，分析質(zhì)量守恒定律的教學(xué)定位

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中對于質(zhì)量守恒定律的標(biāo)準(zhǔn)表述為：認識質(zhì)量守恒定律，能說明化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系;認識定量研究對于化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重大作用?；顒优c探究建議為：實驗探究化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系;用微粒的觀點對質(zhì)量守恒定律做出解釋。解讀標(biāo)準(zhǔn)不難發(fā)現(xiàn)，其在教學(xué)中對于質(zhì)量守恒定律的定位如下：利用質(zhì)量守恒定律的研究讓學(xué)生學(xué)習(xí)從定性向定量切換;利用科學(xué)探究研究質(zhì)量守恒定律的宏觀原因;從微粒的角度研究質(zhì)量守恒定律成立的本質(zhì)原因;拓展質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用，認識定量研究對于化學(xué)學(xué)科發(fā)展的重大作用。質(zhì)量守恒定律具備承前啟后的作用，承擔(dān)從定性到定量的轉(zhuǎn)換，深化宏觀微觀間的學(xué)習(xí)。

2.剖析教材，確定“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)涵與外延

“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”也就是質(zhì)量守恒定律，內(nèi)涵為“參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和”，從宏觀和微觀兩個角度理解質(zhì)量守恒定律成立的原因。教學(xué)內(nèi)容的外延為呈現(xiàn)方式是科學(xué)探究（包含研究過程、實驗的選擇、實驗裝置的搭建等）教學(xué)意義是讓化學(xué)學(xué)習(xí)從定性走向定量。

3.分類分項，多渠道豐富教學(xué)素材

初中化學(xué)教學(xué)素材從內(nèi)容上分為情境素材、實驗素材和習(xí)題素材;從形式上分為活動素材、文本素材、音視頻素材和信息化素材;從性質(zhì)分為正面素材、反面素材和中性素材等。本研究不從素材的分類上著力，主要強調(diào)素材的多樣性?！盎瘜W(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量研究”的素材包含以下相關(guān)內(nèi)容：化學(xué)史的相關(guān)素材、科學(xué)探究的相關(guān)素材（科學(xué)探究的過程、實驗的選擇、實驗裝置的選擇等）、數(shù)學(xué)思維的素材、利用微粒觀點研究宏觀事實的案例選擇、情境和習(xí)題素材的選擇。

三、“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”教學(xué)素材選擇的具體研究

1.立足于化學(xué)發(fā)展，著眼于質(zhì)量守恒定律的研究思路

學(xué)生的知識形成過程在一定程度與知識的發(fā)現(xiàn)過程相契合，化學(xué)史的使用能有效促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。梳理科學(xué)家對質(zhì)量守恒定律的研究，其研究內(nèi)容見表1。

梳理上述化學(xué)史不難發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷經(jīng)很長時間，涉及多個歷史事件，需要選擇有代表性的事件進行整合加工。選擇到的歷史事件需要能激發(fā)學(xué)生興趣、能引發(fā)學(xué)生思考、能呈現(xiàn)必要事實、能促進學(xué)生科學(xué)價值觀形成。最終選擇如下科學(xué)家的事例作為研究著力點，具體見表2。

2.立足于科學(xué)探究，確立質(zhì)量守恒定律的研究方法

（1）確立探究質(zhì)量守恒定律所用實驗

化學(xué)史上所用和目前教材上使用的探究實驗較多，具體見下表3。

梳理后發(fā)現(xiàn)探究質(zhì)量守恒定律的化學(xué)實驗有：汞與氧氣反應(yīng)、錫與氧氣反應(yīng)、大理石與稀鹽酸反應(yīng)、氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應(yīng)、紅磷燃燒實驗、鎂條燃燒實驗、鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)、白磷燃燒實驗、蠟燭燃燒實驗、堿式碳酸銅分解實驗、無水硫酸銅吸水實驗、鐵粉與氧氣反應(yīng)實驗。將上述實驗按照基本反應(yīng)類型、氣體的參與或生成、是否產(chǎn)生污染、是否常見等類型進行簡單分類，見表4。

從現(xiàn)象明顯、條件簡單、操作簡便、涉及全四大基本反應(yīng)、涉及全有無氣體參與等角度人手，可選擇如下五個實驗：鐵與硫酸銅反應(yīng)、堿式碳酸銅分解實驗、蠟燭燃燒、氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液反應(yīng)、錫與氧氣反應(yīng)。

（2）確立探究質(zhì)量守恒定律所用儀器及裝置

按照學(xué)生的初始邏輯認知：稱量需要兩次操作，即反應(yīng)前和反應(yīng)后分別稱量一次;實驗裝置也較為簡單，燒杯和試管組成的簡單敞口裝置。依據(jù)教學(xué)的要求和深度學(xué)習(xí)的要求，需要進行如下轉(zhuǎn)變：稱量的次數(shù)從兩次轉(zhuǎn)為一次（反應(yīng)前進行稱量，保持砝碼和游碼不變，觀察天平是否平衡）;裝置的選擇從敞口裝置一簡單密閉一氣球密閉一膠頭滴管或注射器加上錐形瓶的密閉（見下表5）。依據(jù)上述要求，可提供如下儀器進行科學(xué)探究：天平、錐形瓶、橡皮塞、氣球、注射器、膠頭滴管、單孔塞、注射器等。

3.立足于多學(xué)科思維，分析質(zhì)量守恒定律的研究思路

（1）利用數(shù)學(xué)思維，推演質(zhì)量守恒定律

質(zhì)量守恒定律的表述為：參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量總和等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和。但化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的環(huán)境往往復(fù)雜，存在著很多未參加反應(yīng)的物質(zhì)及實驗儀器，在分析具體質(zhì)量變化的時候需要進行取舍。這要求使用大量的數(shù)學(xué)思維，需要透過現(xiàn)象進行本質(zhì)運算，利用整體和局部、相關(guān)和無關(guān)變量等數(shù)學(xué)思維。例如羅蒙諾索夫的質(zhì)量守恒定律研究：用天平稱量質(zhì)量為m1的金屬錫粉，將錫粉放在密閉容器中進行完全燃燒生成了白色的固體物質(zhì)（氧化錫），稱量容器的總質(zhì)量為m2，打開容器，聽到了空氣進入容器發(fā)出“嘶嘶”的聲響，待容器中空氣恢復(fù)到初始狀態(tài)，重新稱量容器的總質(zhì)量為m3，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)生成的氧化錫質(zhì)量等于錫粉的質(zhì)量（m1）加上容器內(nèi)參與空氣的質(zhì)量（即最終容器的總質(zhì)量m3減去打開容器前容器的總質(zhì)量m2）。在整個研究中，涉及到容器的質(zhì)量、空氣的質(zhì)量、錫粉的質(zhì)量和進入空氣的質(zhì)量等，區(qū)分好容器和未參加反應(yīng)的空氣質(zhì)量是整體中的無關(guān)變量，錫粉、氧化錫和參與反應(yīng)的氧氣質(zhì)量是需要研究的相關(guān)變量，兩者結(jié)合進行研究。

（2）利用物理思維，分析儀器改進

在質(zhì)量守恒定律的實驗研究中，若選擇有氣體參加的反應(yīng)或放熱的反應(yīng)進行實驗，會導(dǎo)致氣壓變大，這會使得裝置的簡單密閉較為困難，瓶塞易被彈出。選擇使用氣球，若氣球因氣體產(chǎn)生變大后會產(chǎn)生浮力，天平向右偏;若氣球因溫度升高變大最后會縮小，先有浮力后消失，天平先向右偏后恢復(fù)平衡。在一系列的研究中，需要學(xué)生充分準(zhǔn)備好物理思維，涉及到浮力、氣壓等。

4.立足于宏微結(jié)合，深層剖析質(zhì)量守恒定律的成立本質(zhì)

質(zhì)量守恒定律成立的本質(zhì)原因是化學(xué)反應(yīng)中原子的個數(shù)、種類和質(zhì)量不變，原子的種類不變決定了元素的種類不變，原子的個數(shù)和質(zhì)量不變決定了元素的質(zhì)量不變，元素的種類和質(zhì)量不變決定了物質(zhì)的總質(zhì)量不變。選擇合適的素材進行合適的推演成為促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)和理解的關(guān)鍵。山東教育出版社的九年級化學(xué)教材在研究質(zhì)量守恒定律時沒有提供具體的微觀化學(xué)變化進行研究，但上海教育出版社和人民教育出版社分別提供了相關(guān)的微觀研究素材（見表6）。從三個版本的教材來看，都不約而同地選擇了水的分解或氫氣燃燒作為研究化學(xué)變化中分子原子變化的素材?；诮虒W(xué)發(fā)展的一慣性和學(xué)生思維的連續(xù)性兩個角度，應(yīng)為選擇水的電解作為研究質(zhì)量守恒定律得以成立的微觀實質(zhì)為最佳。

5.立足于情境分析，增強質(zhì)量守恒定律的遷移應(yīng)用

質(zhì)量守恒定律的考察方式多樣化、問題情境的設(shè)置也極為豐富。應(yīng)選擇合適的有邏輯性的教學(xué)素材進行搭配，促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)?？稍O(shè)置出這樣的邏輯：實驗現(xiàn)象解釋一化學(xué)式推斷一化學(xué)反應(yīng)定量推斷一物質(zhì)元素的組成確定，在練習(xí)的設(shè)置和搭配遵循微觀與宏觀相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合、理論聯(lián)系實際的原則。

實驗現(xiàn)象解釋練習(xí)：①高錳酸鉀受熱分解后，剩余固體的質(zhì)量比原反應(yīng)物的質(zhì)量減少;②如圖1，在錐形瓶中放入一小粒白磷，塞好瓶塞后玻璃管下端剛好能與白磷接觸，將整套裝置放在托盤天平上調(diào)節(jié)至平衡，取下橡皮塞，將玻璃管放在酒精燈火焰上灼燒至紅熱，迅速塞緊瓶塞，將白磷引燃，待錐形瓶冷卻后觀察天平是否平衡。實驗時，氣球的變化是——。實驗前后天平保持平衡，實驗后，松開橡皮塞，則天平指針

（填“向左偏”“向右偏”或“指向中間”）。

四、深度學(xué)習(xí)視域下初中化學(xué)教學(xué)素材的選擇策略

1.多樣性選擇策略

在教學(xué)素材的選擇時，需要關(guān)注與本節(jié)課相關(guān)的教學(xué)研究，以讓素材的選擇更加多樣：確定好需要的化學(xué)素材種類，常見的初中化學(xué)素材有化學(xué)史素材、化學(xué)實驗素材、化學(xué)思維素材、化學(xué)情境素材、化學(xué)習(xí)題素材，多樣化教學(xué)素材的種類;利用好課程標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)定位和素材使用指導(dǎo)、通用的化學(xué)教材、教材的教師教學(xué)指導(dǎo)用書、期刊論文等相關(guān)文獻，多樣化教學(xué)素材的來源;進行必要的教育教學(xué)思考，串聯(lián)好與各個學(xué)科之間的邏輯關(guān)聯(lián)，多樣化教學(xué)素材的思維，例如進行質(zhì)量守恒定律研究時，需有適度的物理中的氣壓研究。

2.有效性選擇策略

在大量的教學(xué)素材面前，需要選擇出有效的教學(xué)素材：加強教學(xué)研究，研讀課程標(biāo)準(zhǔn)，確定好教學(xué)內(nèi)容的定位，研究教材，落實好教學(xué)內(nèi)容在教材中作用和前后聯(lián)系，研究學(xué)生，明確好學(xué)生的知識、技能、情感、價值觀等的最近發(fā)展區(qū);加強相似教學(xué)素材的比對研究，研究出教學(xué)素材間的同與異，摘選出符合學(xué)情適合教學(xué)的素材，例如質(zhì)量守恒定律的相關(guān)研究中，出現(xiàn)大量的實驗改進裝置，需要確立好改進的角度和研究方向，其多是氣體的參與或生成的角度入手，即可選擇有代表性的素材進行研究;加強不同教學(xué)素材間的串聯(lián)研究，尋找教學(xué)素材間的聯(lián)系與區(qū)別，構(gòu)建深度學(xué)習(xí)的多重維度，例如在質(zhì)量守恒定律的相關(guān)研究中，將化學(xué)史素材、科學(xué)探究素材、學(xué)科思維素材、教學(xué)情境素材等緊密聯(lián)系，共同推進質(zhì)量守恒定律的深度學(xué)習(xí)。

3.前瞻性選擇策略

在教學(xué)素材的選擇時，關(guān)注當(dāng)下的教育教學(xué)熱點、新型教育技術(shù)、學(xué)生新的思維方式的發(fā)展方向，為教學(xué)素材的選擇提供前瞻性的角度，例如在質(zhì)量守恒定律導(dǎo)入素材的選擇時，化學(xué)史導(dǎo)入、實驗中質(zhì)量變化的差異性導(dǎo)入均是優(yōu)良素材，但在整合時最終發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上較為流行更易激發(fā)興趣的趣味實驗——移動火焰，即用一根鐵釘穿過一支蠟燭，將鐵釘搭在玻璃杯上，從兩端點燃蠟燭，蠟燭一直處于旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。實驗素材取自于學(xué)生的生活，實驗簡單易重復(fù)，實驗內(nèi)容的設(shè)置有梯度，讓學(xué)生產(chǎn)生思維碰撞，最終可用質(zhì)量守恒定律的觀點進行解釋。