基于真實情境發(fā)展學生化學觀念與科學態(tài)度的單元復習*
——以“質量守恒定律”復習課的教學為例

任寧生 張彩玲 王凌靜

（1.南京師范大學附屬中學仙林學校初中部 江蘇南京 210034；2.南京市棲霞區(qū)教師發(fā)展中心 江蘇南京 210000）

一、教學背景

《義務教育化學課程標準（2022 年版）》中明確初中階段化學學科的核心素養(yǎng)包括化學觀念、科學思維、科學探究與實踐、科學態(tài)度與責任，為培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，需創(chuàng)設真實問題情境，引導學生經(jīng)歷真實的探究過程［1］。本節(jié)課嘗試選取人民教育出版社化學九年級上冊教材第五單元“質量守恒定律”為載體，創(chuàng)設真實情境，串聯(lián)相關知識點，進行單元復習整合設計。本節(jié)復習課的主要內容包括：（1）質量守恒定律的含義及微觀本質；（2）化學方程式的書寫規(guī)范；（3）質量守恒定律的簡單運用。

已有的教學設計主要是圍繞“質量守恒定律”課題的新授課，對于“質量守恒定律”的單元復習課教學設計較少。研究內容主要圍繞“質量守恒定律”相關的化學史教學［2］展開，或是針對教材實驗的創(chuàng)新改進［3］。

質量守恒定律是學生從定性到定量認識化學變化的重要基礎，在解決實際問題中扮演著非常重要的角色。通過質量守恒定律的復習課，學生能理解化學變化有新物質生成，其本質是原子的重新組合，并遵循一定的規(guī)律，在一定條件下通過化學反應可以實現(xiàn)物質轉化。能基于真實的問題情境，多角度分析和解決生產(chǎn)生活中有關化學變化的簡單問題。

本文選取搭載神舟十三號載人飛船的長征二號運載火箭發(fā)射成功為情境，探討推進劑成分、空間站氧氣來源等，在該情境中，學生運用質量守恒定律解決問題的同時，體驗我國載人航天事業(yè)的發(fā)展與科技的日新月異，發(fā)展化學觀念與科學態(tài)度。

二、教學設計

1.教學目標

（1）通過火箭兩種液體推進劑相關的化學方程式的書寫及簡單計算，復習質量守恒定律的含義及微觀本質。

（2）通過空間站中氧氣來源的探究，回顧常見的制取氧氣的化學方程式，能規(guī)范書寫根據(jù)化學方程式的簡單計算，并運用化學反應中的變化觀念解決實際問題。

（3）通過對空間站中二氧化碳轉化為氧氣的信息介紹及登月工程重要氧氣來源的暢想，體會通過化學反應實現(xiàn)物質轉化的重要意義，初步樹立運用科學為我國發(fā)展作出貢獻的責任擔當。

2.教學流程

圖1 質量守恒定律教學流程圖

3.教學實錄

【環(huán)節(jié)一】質量守恒定律的含義

［教師］觀看視頻，神舟十三號載人飛船升空視頻。

2021 年10 月16 日0 點23 分，搭載神舟十三號載人飛船的長征二號運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，這是我國載人航天史上的一次突破，也是我們作為國人的又一次驕傲，今天就讓我們走進航天器，從質量守恒定律的角度認識航天器的那些事。

首先，燃料對于航天器而言是必不可少的，那么推進火箭升空的推進劑的主要成分有哪些？請同學們看一段來自國家航天局官方網(wǎng)站上的介紹，從中能給我們提供哪些信息？

【資料卡片】現(xiàn)代火箭向上加速是靠火箭發(fā)動機來完成的?；鸺l(fā)動機點火以后，推進劑（液體燃料和氧化劑）在發(fā)動機燃燒室里燃燒，產(chǎn)生大量高壓氣體，高壓氣體從發(fā)動機噴管高速噴出，對火箭產(chǎn)生反作用力，使火箭沿氣體噴射的反方向前進［4］。

［教師］通過這段文字可以發(fā)現(xiàn)，實際上火箭升空是利用燃料燃燒放熱，在短時間內產(chǎn)生大量的氣體噴出，使得火箭升空。其中最主要的推進劑，也就是液體燃料和氧化劑，目前被廣泛運用的主要有兩種，一種是液氫液氧推進劑，另一種是四氧化二氮和偏二甲肼推進劑。

［問題1］請根據(jù)所學知識和已給信息，寫出對應反應的化學方程式。

［學生］根據(jù)已知信息完成化學方程式書寫。

［問題2］請問，書寫化學方程式的依據(jù)是什么？

［學生］化學反應前后，原子的種類和個數(shù)不變。

［教師總結］化學反應過程，就是參加反應的各物質的原子重新組合而生成其他物質的過程，所以在化學反應前后，原子的種類和個數(shù)不變，原子的質量也不發(fā)生改變。

［問題3］剛才我們從資料中看到，火箭升空是由于短時間內會產(chǎn)生大量氣體噴出。下面我們通過計算感知一下，我們以液氫液氧推進劑為例，請同學們計算，衛(wèi)星要送上預定軌道，至少需要1 800 kg推進劑，這些推進劑恰好完全反應后能生成水蒸氣的質量是多少？

［學生］1 800 kg。

［問題4］為什么水蒸氣的質量為1 800 kg？

［學生］因為在化學反應前后，參加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，反應前參加反應物質總質量為1 800 kg，所以反應后生成水蒸氣質量為1 800 kg。

設計意圖：通過神舟十三號載人飛船升空情境引入課堂，體驗化學知識與人類社會發(fā)展密切相關，在探究實際問題的過程中，復習質量守恒定律的宏觀含義和微觀解釋，從宏微結合的角度嘗試構建化學變化過程中“變”與“不變”思想。

【環(huán)節(jié)二】根據(jù)化學方程式的簡單計算

［教師引入］火箭升空后，神舟十三號載人飛船于當天與空間站進行對接，我國的三名宇航員，翟志剛、王亞平、葉光富，他們需要在空間站上工作六個月時間。這么長的時間，他們賴以生存的氧氣從何而來？讓我們接下來對空間站的氧氣進行探秘。

［問題1］寫出我們已經(jīng)學過的能夠生成氧氣的化學方程式。

［學生］

［問題2］為什么這些物質反應后能生成氧氣？

［學生］因為反應物中都有氧元素，依據(jù)化學反應前后元素的種類不變，所以生成氧氣。

［問題3］我們學到的上述反應，能否都能用于空間站制氧氣？

［學生］不可以，其中，氧化汞分解后生成的汞有毒，所以氧化汞不適合用于空間站制氧氣。

［問題4］那剩下的四個化學反應哪一個更適合空間站制取氧氣？在空間站中，對制取氧氣有一定的要求，需要用盡可能少的原料產(chǎn)生盡可能多的氧氣，請同學們分組，根據(jù)已給的相對原子質量進行計算。上述四種物質各18 g，制取氧氣的質量分別是多少？請在學案上寫出完整的計算過程。

請每組同學給我們分享一下計算結果。

［學生1］18 g高錳酸鉀制得氧氣質量為1.8 g。

［學生2］18 g過氧化氫制得氧氣質量為8.4 g。

［學生3］18 g氯酸鉀制得氧氣質量為7.1 g。

［學生4］18 g水制得氧氣質量為16 g。

［教師］結果都已算出，下面呈現(xiàn)幾份剛才同學們的計算過程，請你評價編號為1、2、3、4號同學的計算過程（如圖2所示）。

圖2 學生計算過程示例

［學生1］1號計算過程不準確，所有的未知數(shù)x后不可以帶單位，因為未知數(shù)x本身即為質量，不需要再額外加單位。高錳酸鉀制氧氣的反應條件為加熱，且生成物中有二氧化錳，不需要額外添加二氧化錳做催化劑；

［學生2］2 號計算過程不準確，x=8.5 后需要加上單位，應為x=8.5 g；

［學生3］3號計算過程不準確，比例式為相對分子質量與化學計量數(shù)的乘積的比值，即物質的量比等于對應參加反應的物質的質量比，同時，比例式中氯酸鉀的質量為18 g，需要加上單位。

［學生4］4號計算過程準確。

［教師總結］在根據(jù)化學方程式的計算中，需理解計算過程中每一步的意義，明晰在化學變化中的守恒關系，才能準確作答。

設計意圖：在進一步探究空間站氧氣來源的問題中，一方面復習根據(jù)化學方程式的簡單計算的規(guī)范作答，另一方面認識解決實際問題的多角度，形成運用以化學知識為核心的科學方法，具體分析空間站中氧氣來源的最優(yōu)選擇。

【環(huán)節(jié)三】質量守恒定律的運用

［問題1］根據(jù)剛才的分組計算，可以發(fā)現(xiàn)，等量的過氧化氫和水產(chǎn)生氧氣的質量比等量的高錳酸鉀和氯酸鉀產(chǎn)生的氧氣多，請問，過氧化氫和水中，哪個氧元素的質量分數(shù)更大？

［學生］過氧化氫。

［問題2］可是依據(jù)計算結果，過氧化氫產(chǎn)生氧氣的質量卻沒有等量水產(chǎn)生的氧氣多，這是為什么？

［學生］過氧化氫制氧氣中，不是所有的氧元素都轉移到氧氣中，產(chǎn)生氧氣的質量小于過氧化氫中氧元素質量，但是水電解過程中，水中氧元素全部轉移到氧氣中，所以水中氧元素的質量等于產(chǎn)生氧氣質量。

［問題3］你的依據(jù)是什么？

［學生］化學反應前后，元素的質量不變。

［問題4］實際上，空間站中水確實是氧氣的來源之一。請計算，一般來說，每名航天員每天大概需要消耗550 L（約合786 g）的氧氣，若所需的氧氣全部由水在一定條件下生成，需要水的質量為多少？

［學生1］可以依據(jù)化學方程式進行計算，求得水的質量約為884.3 g。

［學生2］可以依據(jù)化學反應前后元素質量不變，氧氣中氧元素質量全部來源于水中氧元素，依據(jù)水中氧元素質量求得水的質量約為884.3 g。

［教師總結］我們對知識的學習重在運用知識解決問題，學會從不同角度思考問題，認識化學變化中物質質量變化的關系以及轉變過程中的元素守恒，進而運用不同方法解決問題，這樣才真正理解了質量守恒定律。

通過計算，我們發(fā)現(xiàn)，如果空間站中的氧氣全部來自水，每天每名宇航員需要884.3 g 的水，我們的宇航員需要在空間站工作半年時間，可想而知，如果單靠水產(chǎn)生氧氣，對水的需求量是非常大的?？臻g站還有哪些提供氧氣的方法呢？請同學們看一段視頻介紹。

根據(jù)視頻，空間站中氧氣有兩個來源，其一為地面攜帶的氧氣，其二為空間站中資源再生，這部分氧氣一部分來源于水，另一部分來源于二氧化碳。空間站中的二氧化碳再利用需要首先用氫氧化鉀溶液將二氧化碳吸收，下面我們在課堂中給各位體驗這個過程。

［演示實驗］首先將二氧化碳傳感器、數(shù)據(jù)采集器與電腦相連，其次，向提前收集滿二氧化碳的裝置內傾倒氫氧化鉀溶液，迅速將二氧化碳傳感器插入裝置內，微微振蕩，采集數(shù)據(jù)（實驗裝置如圖3所示）。

圖3 探究氫氧化鉀吸收二氧化碳實驗裝置圖

［教師］請描述實驗現(xiàn)象（如圖4所示）。

圖4 二氧化碳傳感器數(shù)據(jù)采集記錄

［學生］裝置內二氧化碳含量減少，最后幾乎被吸收完全。

設計意圖：通過質量守恒定律的定量計算綜合運用復習內容，同時，理解水不能作為空間站中氧氣供給的唯一來源的原因。進而通過視頻引出空間站中吸收二氧化碳轉變?yōu)檠鯕獾膰L試，學生通過數(shù)字化實驗將吸收二氧化碳的過程可視化，也為接下來的深入學習做鋪墊。

［教師］通過數(shù)據(jù)記錄，我們發(fā)現(xiàn)，裝置內二氧化碳含量迅速減少，說明氫氧化鉀溶液確實可以吸收二氧化碳，我們從定量角度繼續(xù)探究，含氫氧化鉀11.2 g的氫氧化鉀溶液能夠吸收4.4 g 二氧化碳，生成1.8 g水和另一種物質，根據(jù)以上信息，請判斷該物質的元素組成。請小組討論，分析解決問題的思路。

請同學們匯報思路。

［學生］依據(jù)化學反應前后，元素種類不變，判斷物質中一定含有鉀元素和碳元素，再依據(jù)化學反應前后元素質量不變，計算反應前氧元素的總質量，反應后水中氧元素的質量，進行對比，發(fā)現(xiàn)反應前氧元素總質量大于水中氧元素的質量，則未知物質中除了鉀元素和碳元素外，還含有氧元素。

設計意圖：通過化學變化中未知物質的定量探究，綜合運用復習的質量守恒定律內容解決問題。在解決問題的過程中，理解化學變化中的守恒觀，學生通過科學語言的表述，建構解決該類問題的思維模型。

［教師介紹］二氧化碳與氧氣的轉化是目前科學家們研究的熱門問題之一，這與我們國家最近提出的碳達峰和碳中和的想法是不謀而合的。楊培東教授也將焦點聚集在人工光合作用上，目前已經(jīng)實現(xiàn)捕獲空氣中二氧化碳，并轉化為氧氣的過程。所以，二氧化碳轉化為氧氣并不是一種空想，在符合質量守恒定律的基礎上，科學家已經(jīng)實現(xiàn)了這種轉化（如圖5所示）。

圖5 二氧化碳轉化為氧氣裝置圖

［教師引導］在了解完空間站的氧氣來源的秘密之后，讓我們再把目光放到登月工程上，我國計劃在2030年前后實現(xiàn)航天員登月，2020年11月24日我國的嫦娥5 號月球探測器成功發(fā)射，攜帶月球土壤樣品回到地球，請你從對月球樣品的分析資料中思考：你覺得登月后航天員呼吸的氧氣有哪些來源，你的依據(jù)是什么？

［學生］在化學反應的前后，元素種類不變，所以月球土壤中存在氧化物，就可以從氧化物中通過一定條件提取出氧氣。

［教師］這也正是科學家的研究重點，目前，科學家已經(jīng)開始研制制氧機，從月球土壤中制取氧氣，并取得一定進展。

所以，通過對質量守恒定律的理解，我們用更科學的視角和更富創(chuàng)造性的思維去看到生活中亦或是科技前沿的信息。

設計意圖：通過對二氧化碳轉化為氧氣的前沿實驗以及登月工程中氧氣來源的暢想，體驗化學對促進科學技術發(fā)展的“社會責任”，強化學生學習化學的信念與動機。

三、教學反思

本節(jié)課以熱點問題為情境，從火箭推進器的探究到空間站中氧氣供給的探究，以此貫穿整節(jié)課。學生在復習質量守恒定律的相關知識同時，深化對化學學科變化觀念的理解，認識化學變化的本質是守恒的，定量的。同時，認識化學對促進科技發(fā)展的重要意義，增強學生的民族自信心，樹立學習化學的志向。通過本節(jié)課的教學，筆者發(fā)現(xiàn)，真實情境的有效選取和運用能夠有效提升學生化學核心素養(yǎng)。

首先，真實情境中的問題解決過程可以引導學生形成以化學知識為核心的科學方法。在課堂中以神舟十三號載人飛船升空的真實事例為情境，選取與本節(jié)課復習內容相關的兩個問題，學生在探究和解決問題的過程中，須綜合運用知識，從宏微結合的角度建構質量守恒定律的“變”與“不變”的模型，通過小組合作、獨立思考、實驗探究等方式解決問題，該過程可以有效提升對變化觀念與平衡思想的認識。

第二，真實情境和科學前沿信息的選取可以幫助學生理解化學對促進科學發(fā)展的“社會責任”。筆者在本課中選取神舟十三號升空這樣受人矚目的真實情境，挖掘其背后的化學知識，學生在探究過程中能夠體驗與人類發(fā)展相關的重大突破與化學學科的息息相關。在登月議題的展望中，學生運用已有知識合理展望，在此過程中也能夠體驗化學學科對促進科學發(fā)展的責任。

第三，真實情境和化學學科教學的有機結合，利用質量守恒定律的基本原理來探究并嘗試解決航空航天以及登月中的一些關鍵問題，讓化學教學實現(xiàn)了跨學科之間的應用，學生在初中化學啟蒙階段的學習過程能夠讓核心素養(yǎng)自然生長，有機融合，學以致用。