摘要： 嘗試基于高中化學“核心素養(yǎng)”視角，對比、分析并整合3個版本教科書的內(nèi)容，設(shè)計了“質(zhì)量守恒定律”教學活動，從解讀質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)史、創(chuàng)新實驗設(shè)計、評價實驗體系，分析實驗結(jié)果、三重表征與定性定量相結(jié)合等方面培育并落實學生發(fā)展核心素養(yǎng)的目標。

關(guān)鍵詞： 核心素養(yǎng)； 初中化學； 質(zhì)量守恒定律； 實驗探究； 教學設(shè)計

文章編號： 10056629（2018）2004505中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1問題的提出

高中化學核心素養(yǎng)包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識、科學精神與社會責任。是學生在接受相應(yīng)學段的教育過程中，逐步形成的適應(yīng)個人終生發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力[1]。這些核心素養(yǎng)，既適合高中化學，又涵蓋初中化學。質(zhì)量守恒定律基于元素守恒，原子種類、數(shù)目不變，能定量計算參加反應(yīng)的各物質(zhì)間的質(zhì)量比，在生產(chǎn)實踐中，能有意識地控制投料、產(chǎn)出；是化學反應(yīng)中質(zhì)量關(guān)系問題解決的理論依據(jù)，也是培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)的重要載體。

針對質(zhì)量守恒定律主題，已有一些相關(guān)研究，如錢海如、趙華歸納了初中階段5個層次的“進階模型”，提出教學中注意的4個問題[2]。郭建虹將對比教學法運用于史料知識、實驗探究、數(shù)據(jù)分析中，構(gòu)建物質(zhì)變化觀[3]。還有老師從不同的角度進行了不同的教學設(shè)計，不過，較少從發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)的角度進行思考。

筆者對比、分析3個版本教科書[4][5][6]中“質(zhì)量守恒定律”的內(nèi)容設(shè)計，嘗試基于高中化學“核心素養(yǎng)”視角，借助化學史料、科技發(fā)展、實驗設(shè)計等情境和真實問題的解決，通過小組討論、合作探究，實現(xiàn)學生對宏微結(jié)合、定性與定量結(jié)合、以實驗為基礎(chǔ)等化學學科思想的理解和知識的意義建構(gòu)，設(shè)計出以“問題鏈、環(huán)節(jié)、探究”為抓手，化學史資源為支撐的教學設(shè)計，以充分挖掘質(zhì)量守恒定律內(nèi)容中包含的基本觀念和方法，著力探索學生在初中化學課程學習中形成的關(guān)鍵能力和必備品格（圖1）。

2教學流程與情境設(shè)計

[師]在一定條件下，反應(yīng)物之間發(fā)生化學反應(yīng)生成新物質(zhì)，如鎂條燃燒生成氧化鎂，乙醇燃燒生成二氧化碳和水，等等。參加反應(yīng)的各物質(zhì)質(zhì)量總和與反應(yīng)生成的各物質(zhì)質(zhì)量總和相比較，是否發(fā)生了變化？你的猜想是什么？

[生]可能不變、可能偏大、可能偏小。

2.1解讀質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)史——提升“科學精神與社會責任”等學科核心素養(yǎng)

“科學精神與社會責任”是化學學科實踐能力，是對化學學科價值很好的詮釋。化學史是讓學生切實體驗嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、科學精神的一種很好的形式。宋心琦教授指出，“以史為鑒”的應(yīng)有之意不應(yīng)該僅限于勵志，更應(yīng)當著眼于科學素質(zhì)的培育和提高。

[師]好的，讓我們先來了解一下質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)史： 兩位科學家的實驗貌似相同（圖2），但實驗結(jié)論卻截然不同： 波義耳在一個敞口的容器中加熱金屬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后容器中物質(zhì)的質(zhì)量增加了。

而拉瓦錫用較精確的定量實驗法，在密封容器中研究氧化汞的分解與生成中各物質(zhì)質(zhì)量之間的關(guān)系。

[師]沒有標準答案的科學家是怎么看待這一問題的？你對此有什么想法？你能得到什么結(jié)論？你的依據(jù)是什么？

[生]……

[師]讓我們來共同賞析拉瓦錫的經(jīng)典實驗！1776年，拉瓦錫采用常溫下呈液態(tài)的汞作為藥品，除用作反應(yīng)物，還可以通過連通器直接用于測定反應(yīng)器（曲頸甑）內(nèi)空氣體積的變化。

步驟1： 2Hg+O2△2HgO（加熱條件下，汞汽化，與氧氣發(fā)生氣相反應(yīng)，氧氣可以完全耗盡，還可以通過連通器測量反應(yīng)器內(nèi)氣體體積的變化）。

步驟2： 他把制得的浮在汞液面上的“紅色沉淀”加熱至500℃左右，2HgO△2Hg+O2↑，得到等質(zhì)量的汞。他收集這些失而復得的氣體，發(fā)現(xiàn)與之前曲頸甑里消失的空氣一樣多，他將此氣體稱為“純粹空氣”或“真實空氣”。

步驟3： 將步驟2得到的O2和步驟1剩余的氣體混合，得到“原來”的空氣。

隨后，拉瓦錫繼續(xù)進行相關(guān)實驗： 氧化汞的分解，分解后再化合……實現(xiàn)了氧氣的吸收與生成——氧的循環(huán)，使氧氣的形態(tài)更加清楚了?？梢钥吹竭@個實驗設(shè)計的完美，可謂是一箭三雕： 證明了質(zhì)量守恒定律；提出了“氧化學說”；驗證了空氣是混合物[7]。

拉瓦錫能夠通過實驗證明質(zhì)量守恒定律，并提出“氧化學說”，最重要的原因在于他明確了反應(yīng)體系，并在密閉體系中測量體系在反應(yīng)前后的質(zhì)量變化。因此，教學重心是如何讓學生通過對不同類型實驗的分析，感受、認識到明確“體系”與“環(huán)境”這一對重要的化學概念，對于化學研究具有重要的意義。從而明確，研究化學變化時需要有“體系”意識。

值得一提的是，波義耳和拉瓦錫都是化學史上的“教父級”人物，絕不能因為波義耳與質(zhì)量守恒定律的失之交臂，而認為其對化學科學的貢獻遠比拉瓦錫小。在“燃素說”理論根深蒂固的影響下，波義耳認為金屬焙燒增重是由于燃燒時產(chǎn)生的“火粒子”（火素）穿過玻璃后被金屬吸收所致[8]。其結(jié)論的錯誤，應(yīng)是對理論框架的突破和實驗手段（化學體系的選擇、實驗裝置的設(shè)計等）的選擇問題。

[生]學生沉浸于科學發(fā)現(xiàn)的過程，形成強調(diào)證據(jù)推理的嚴謹求真的科學態(tài)度。

[師]以上我們賞析了拉瓦錫的實驗，我們將重溫“質(zhì)量守恒定律”的科學發(fā)現(xiàn)之旅，你將如何設(shè)計實驗?zāi)兀?/p>

[生]設(shè)計的核心思想就是要形成密閉體系。

設(shè)計意圖： 利用“波義耳的失誤，拉瓦錫的成功”的真實史料，讓學生了解、感受科學家的科學發(fā)現(xiàn)的過程，學習科學家敢于質(zhì)疑、嚴謹求實的科學態(tài)度，并從中挖掘出實驗驗證質(zhì)量守恒定律的思路和方法，形成通過證據(jù)和推理進行證實或證偽來建立觀念。從而，培養(yǎng)學生“科學精神與社會責任”和證據(jù)推理等化學學科核心素養(yǎng)。

2.2創(chuàng)新實驗設(shè)計——提升“科學探究與創(chuàng)新意識”等學科核心素養(yǎng)

用實驗驗證“質(zhì)量守恒定律”是《義務(wù)教育化學課程標準（2011版）》規(guī)定的重要探究活動[9]。3個版本教科書都注重利用實驗探究來幫助學生理解質(zhì)量守恒定律，但實驗內(nèi)容的選擇及開放性等的差異明顯（表1）。

不同的實驗呈現(xiàn)方式蘊含不同的學科教育價值。設(shè)計實驗時，應(yīng)引導學生明確研究的目標與對象，尋找影響因素最少的化學體系，以確定實驗原理、步驟，并選取適當?shù)膬x器。從而，有計劃、有步驟、有針對性地挖掘?qū)嶒炘谂囵B(yǎng)學生實驗探究與創(chuàng)新意識方面的功能。因此，筆者借鑒3個版本教科書的實驗設(shè)計，嘗試改進并設(shè)計兩大類探究實驗： 有氣體參與（或生成）的反應(yīng)；沒有氣體參與（或生成），只涉及液態(tài)、固態(tài)物質(zhì)的反應(yīng)，以實現(xiàn)從教材實驗到探究實驗的轉(zhuǎn)變。值得一提的是，對于有氣體產(chǎn)生的實驗，一般不宜采用氣球形成密封裝置[10]。

[視頻]2013年我國宇航員王亞萍在太空實驗室稱量質(zhì)量。

[師]王亞萍在太空實驗室里稱量物質(zhì)質(zhì)量的方法與地球?qū)嶒炇蚁嗤瑔幔?/p>

[生]不同，無法通過重力來稱物體的質(zhì)量了。

[師]因此，我們設(shè)計實驗時，應(yīng)充分考慮科學實驗的環(huán)境因素。接下來我們來設(shè)計實驗加以驗證（圖3）。

[學生實驗1]硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)前后質(zhì)量的測定。

儀器及藥品： 錐形瓶（盛放氫氧化鈉溶液）、試劑瓶（盛放硫酸銅溶液）、膠頭滴管、電子天平（精度0.01g）

[學生實驗2]石灰石與稀鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量的測定。

儀器及藥品： 錐形瓶（少量石灰石）、試劑瓶（鹽酸）、注射器、電子天平（精度0.01g）

[視頻實驗3]紅磷燃燒前后質(zhì)量的測定

儀器及藥品： 錐形瓶（底部鋪有細沙）、紅磷、玻璃管、酒精燈、電子天平（精度0.1g、 0.01g）各一臺、氣球

[提問]敞口裝置有大量白煙沖出，精度0.1g的電子天平稱量后仍然相等，為什么？

[討論]引出儀器精度問題。

[提問]換用精度0.01g的電子天平，天平示數(shù)先減小，待錐形瓶冷卻后示數(shù)又增大，為什么？

設(shè)計意圖： 通過“等”與“不等”的實驗設(shè)計，讓學生明確設(shè)計適當?shù)拿荛]體系、選取合適精度的儀器設(shè)備對定量實驗的重要性，以幫助學生建立解決化學問題的基本框架。從而，培養(yǎng)學生基于證據(jù)分析做出推理判斷和解決實際化學問題的能力，提升學生的“科學探究與創(chuàng)新意識”等化學學科核心素養(yǎng)。

2.3評價實驗體系，分析實驗結(jié)果——提升“證據(jù)推理與模型認知”等學科核心素養(yǎng)

“證據(jù)推理與模型認知”是運用證據(jù)推理和模型化思想解決相關(guān)化學問題的能力和品質(zhì)。是化學科學探究形成結(jié)論的思維方法，是化學特征的思維方法[11]。因此，筆者利用“思維框架圖”對實驗結(jié)果進行分析。從而，提升學生建立模型并學會用模型思想認識物質(zhì)及其變化的一般規(guī)律。

[師]通過以上幾個實驗，你認為實驗探究質(zhì)量守恒定律成功的關(guān)鍵有哪些？

[生]是否采用“封閉裝置”，使實驗裝置封閉的方法有很多，如使用注射器、塞子等。

[師]請小組討論，你認為在化學反應(yīng)過程中，反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量是如何變化的呢？

[生]反應(yīng)前后，反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量相等。

[師]原因是什么？

[生]反應(yīng)前后天平示數(shù)仍然相等。

[師]同學們只看到了實驗的表面，而未看請化學反應(yīng)的實質(zhì)。事實上，我們看到的只是“m（儀器）+m（剩余物）+m（反應(yīng)物）=m（儀器）+m（剩余物）+m（生成物）”。因此，需對稱得的質(zhì)量進行去偽存真的分析。下面，我們以硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)為例，分析“整個體系”內(nèi)物質(zhì)質(zhì)量，思維框架如圖4。

[板書]質(zhì)量守恒定律： 參加化學反應(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。

設(shè)計意圖： 利用“整個體系”內(nèi)物質(zhì)質(zhì)量的思維框架圖，對實驗結(jié)果進行了去偽存真的分析，突出對“參加化學反應(yīng)”內(nèi)涵的理解，實現(xiàn)了從“整個體系”到“具體反應(yīng)”的思維轉(zhuǎn)換。從而，厘清了“證據(jù)”與“結(jié)論”的關(guān)系。

2.4三重表征與定性定量相結(jié)合——提升“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”等學科核心素養(yǎng)

銅片在空氣中灼燒后固體質(zhì)量的變化、電解水實驗及其微觀解釋是課程標準新增的情景素材[12]，為充分發(fā)展學生的“三重表征”思想和能力，人教版、滬教版和魯教版教科書分別以氫氣燃燒、鎂條燃燒和過氧化氫分解為例，從微觀視角分析質(zhì)量守恒定律的實質(zhì)。這些素材既能培養(yǎng)學生通過辨識宏觀現(xiàn)象預(yù)測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，又能從分子、原子層次分析宏觀現(xiàn)象，還能培養(yǎng)學生用動態(tài)的視角看待紛繁復雜的化學變化，從化學變化中元素守恒和質(zhì)量轉(zhuǎn)化守恒的視角考察分析化學反應(yīng)和解決化學問題。從而，有效提升學生“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”等化學學科核心素養(yǎng)。

[師]分析電解水的示意圖（圖5），談?wù)勀銓ξ镔|(zhì)的化學變化的認識？

[生]化學反應(yīng)中，參加反應(yīng)的各物質(zhì)的原子，重新組合而生成其他物質(zhì)。

[生]參加反應(yīng)的H2O與反應(yīng)后生成的H2、 O2的分子數(shù)目比為2∶1∶2，反應(yīng)前后氫、氧原子的種類和數(shù)目都不變。

[師]很好。接下來，請同學們通過計算分析反應(yīng)物和生成物的相對質(zhì)量的變化情況。

[生]反應(yīng)前為： 2×（2+16）=36，反應(yīng)后為： 2×1×2+2×16=36，故質(zhì)量相等。

[師]參加反應(yīng)的水和生成的氫氣、氧氣的質(zhì)量比是多少呢？若要得到16g氧氣，需要電解多少水？

[生]學生計算得出： 9∶1∶8，需要電解16g水。

[師]由此可以得出，質(zhì)量守恒定律的實質(zhì)是： 在化學變化中，反應(yīng)前后原子種類和數(shù)目不變、原子的質(zhì)量不變。

[練習]略。

設(shè)計意圖： 學生化學核心素養(yǎng)的形成過程與化學基本觀念的形成過程密不可分。探析電解水的微觀本質(zhì)，從定性、定量兩個視角分析化學反應(yīng)的本質(zhì)，既發(fā)展了學生的“三重表征”思

想，又幫助學生構(gòu)建并形成了化學變化中物質(zhì)的質(zhì)量比恒定的觀念和質(zhì)量守恒定律的一般理論模型。為解釋“水不能變成油”等原本未知的問題、化學方程式和利用化學方程式的定量計算等奠定基礎(chǔ)。從而逐步建立起物質(zhì)變化觀、微粒觀、元素觀等化學基本觀念，最終形成“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”等化學學科核心素養(yǎng)。

3教學反思

質(zhì)量守恒定律是學生從對化學反應(yīng)定性認識開始到定量認識化學變化的轉(zhuǎn)折點，蘊含著豐富的發(fā)展學生核心素養(yǎng)的素材?？稍诮虒W過程中結(jié)合情境的設(shè)置、問題的設(shè)計、教學資源的開發(fā)、評價方式的選擇等潛移默化地引導學生去積極建構(gòu)，但應(yīng)注意各教學環(huán)節(jié)都應(yīng)與學生的認識進階、認知結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，精心設(shè)計教學內(nèi)容，努力幫助學生解決好相關(guān)的思維轉(zhuǎn)換，組織有效的學習活動。既要培養(yǎng)學生對宏觀守恒的微觀解釋，又要培養(yǎng)學生從微觀的角度認識、解釋宏觀現(xiàn)象的思維方式，形成“化學變化過程中元素不變”的觀念。

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