巧用探究實驗，層析質量守恒的內涵——“質量守恒定律”教學案例

程蘭（深圳市寶安區新湖學?！V東深圳　518100）

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巧用探究實驗，層析質量守恒的內涵——“質量守恒定律”教學案例

程蘭
（深圳市寶安區新湖學校廣東深圳518100）

摘要：化學是一門以實驗為基礎的學科，可是教學中我們遇到了很多與實驗有關的困擾。那么實驗做與不做，怎樣做都應以什么為出發點呢？文章結合教學實踐，以案例和思考的形式呈現一點改進的過程和體會。

關鍵詞：困惑；探索；了解學生；領會教材；調整自我

質量守恒定律使化學學習開始從生成何種物質向生成多少物質過渡，是九年級化學教學的重點，也是化學教師進行教學研究的熱點。近年來化學教學類雜志發表了很多“質量守恒定律”的教學設計，筆者也觀摩了這一課題的很多研討課和公開課，無論是教師的組織引導，還是學生的自主探究，都是圍繞如何突破對質量守恒內涵，即對質量守恒定律中“參加”二字的理解以及對反應前后物質質量的變化的認識從“單一物質質量的變化”轉變到“質量總和的變化”這兩個難點來進行的。突破這兩個難點需要學生在教師的有效引導下進行探究實驗，自主發現，從而獲得思維上的發展。

一、教材分析與處理

人教版教材呈現的內容框架如圖1所示：

圖1　教材內容框架

不難看出教材的內容呈現方式是一種“歸納式”的教學思路，是一種“上位學習”。通過兩個實驗歸納出化學反應前后“總質量守恒”，得出質量守恒定律，再通過兩個“不守恒”的實驗來分析和理解化學反應前后為什么會出現“不守恒”的現象，最后用微觀解釋來說明質量守恒的原因。

教材是學生達到課程標準所規定的目標要求的內容載體，是教師教和學生學的重要資源和工具[1]。對于教材，新課程要求教師“用教材教，而不是教教材”。在研究課標、教材、教學的基礎上，可對教材進行合理的整合和處理。

教材上紅磷與氧氣反應、鐵釘與硫酸銅反應是作為探究實驗給出的，碳酸鈉與稀鹽酸反應、鎂條和氧氣反應是作為驗證實驗呈現的。在深入研究之后，進行了如下整合和處理：紅磷和氧氣是學生很熟悉的且容易操作的實驗，仍作為探究實驗；鐵釘與硫酸銅是容易操作且能明顯看出反應后鐵釘還有剩余的實驗，可將它設計成驗證實驗，并且引導學生根據此實驗理解質量守恒定律中“參加”二字的意義及質量的內涵；碳酸鈉與稀鹽酸是設計成使學生產生認知沖突的實驗，因為產生的氣體逸出了，天平不平衡了，與之前得出的結論是相矛盾的，從而引起反思、討論，進而對實驗裝置進行改進，由此使學生對反應前后物質質量的變化的認識從“單一物質質量的變化”轉變到“質量總和的變化”，但是這個反應還沒學，學生很陌生，于是筆者將其舍棄，改用雙氧水與二氧化錳反應，能達到同樣的目的，同時也是學生所熟悉的。由于導入新課是以香煙燃燒引起的質量之爭的小故事引入的，與鎂條與氧氣的實驗所設計的意圖是重復的，因此將鎂條與氧氣反應這個實驗大膽舍棄了。

二、教學片段

1.情境導入

[故事引入]一天，神探福爾摩斯正在滋滋有味地抽著他的煙斗，房間里充滿了刺鼻的煙味。他的學生問道：“尊敬的先生，別人都說您很聰明，那么您能告訴我您吐出的這些煙有多重嗎？”福爾摩斯慢條斯理地說：“這個問題很簡單，我只要稱出抽煙前煙斗和煙絲的總重量，再減去抽完煙后煙斗和剩余煙灰的總重量，不就是我吐出煙的重量了么！”

師：神探的算法我們如何用等式表示呢？

師：神探的答案是否正確呢？我們通過這節課的學習就可揭曉了。

[設計意圖]香煙燃燒學生并不陌生，“吸煙時產生的煙到底有多重？”也許是每個學生曾經思考過但又沒有答案的問題。在這里以神探福爾摩斯的故事引入，點題、激趣；將福爾摩斯的回答用算式列出，直觀、簡潔，同時設置懸念。

2.實驗探究：化學反應前后物質質量的變化

[設問]神探認為反應前后物質的質量是不變的，依據你已有的知識和生活經驗，你認為反應前后物質的質量是否改變呢？

生1：總質量會減少。你看蠟燭在空氣中燃燒，最后什么都沒有了，蠟燭燃燒發生了化學變化，所以我認為化學反應后物質的總質量減少了。

生2：總質量會增加。我們都知道鐵生銹后就比原來重了。

生3：質量可能不變。因為水電解的微觀示意圖告訴我們，化學反應前后原子的種類、數目和質量都沒有改變。

[設計意圖]引導學生以生活中的事例為猜想的依據進行大膽猜想。學生根據自己的日常經驗，提出了三種假設，而且表述得有理有據。從學生“經驗證據”的表述中可以看出，他們對反應前后物質質量的變化的認識是“單一物質質量的變化”。此過程中，學生提出的假設具有了一定的“經驗證據”。在教學過程中，教師應有意識引導學生養成這種“有證據的猜測”的習慣。提出幾種有矛盾沖突的假設后，教學過程自然進入“設計實驗，驗證假設”階段。

[設計實驗方案并展示交流]師：同學們思維很敏捷，看法也不太一樣。到底是什么樣的關系呢？我們讓實驗來檢驗。請各小組的同學選擇你們桌面上的儀器及藥品，設計實驗方案，來探究這個問題。

小組1：我們設計的是稱量紅磷與氧氣反應前后質量的變化，為了引燃紅磷，我們將紅磷放在燃燒匙內放在酒精燈上加熱，如圖2，但是這樣做會使生成的部分五氧化二磷散失到空氣中，不嚴密，所以我們修改了方案，通過加熱玻璃棒引燃紅磷，如圖3，這樣可以避免五氧化二磷散失減少誤差，但是這個反應會放出大量的熱，使瓶內氣壓增大，可能會將膠塞沖開，所以我們又改用玻璃管引燃紅磷，如圖4，為了緩解瓶內氣壓并防止瓶內物質散失，我們在玻璃管上端套了一個小氣球，還在錐形瓶底放了一些細沙，以免瓶底受熱炸裂?！?/p>

圖2　　

圖3　

圖4　

小組2：我們設計的是稱量雙氧水和二氧化錳反應前后質量的變化，如圖5，將二氧化錳放在燒杯內，雙氧水放在小試管內，使兩者混合反應，觀察反應前后天平是否一直平衡。

圖5　

[設計意圖]提供可多種選擇的儀器和藥品給學生，讓他們設計實驗方案，紅磷與氧氣反應在測定空氣中氧氣含量時已經接觸過，對于整個反應過程學生比較熟悉，學生能夠預測可能出現的情況，并不斷進行實驗方案的修改和完善，在設計實驗方案的過程中，學生分析問題的能力和創新能力得到發展。

3.利用探究實驗，層析質量守恒的內涵

[分析實驗現象，得出結論]

師：同學們請描述一下你們的實驗現象吧

小組1：我們觀察到紅磷燃燒，產生大量白煙；氣球先膨脹后縮??；反應后天平仍然平衡。

師：由此可以得出什么結論呢？

生：反應前物質質量總和＝反應后物質質量總和。

師：我們來作進一步分析，反應前后分別有哪些物質或物體呢？

生：反應前有：錐形瓶、細沙、橡皮塞、玻璃管、氣球、紅磷、氧氣、氮氣、稀有氣體等；反應后有：錐形瓶、細沙、橡皮塞、玻璃管、氣球、五氧化二磷、氮氣、稀有氣體等。

師：現在，我們將反應前后都存在且沒有發生變化的物質都劃掉，劃掉之后，你有什么發現？

生：實質是：紅磷和氧氣的質量之和等于五氧化二磷的質量。

師：由此可以得出什么結論呢？

生1：化學反應中，反應物的總質量等于生成物質的總質量。

師：有不同意見嗎？

生2：有！我們組做的是鐵釘與硫酸銅溶液反應，天平一直平衡，反應后鐵釘還有剩余，沒有完全反應，我們組認為結論應該是：參加化學反應的物質總質量等于生成物質的總質量。

[設計意圖]描述實驗現象不難，難的是通過分析實驗現象得出質量守恒這一結論。要準確地得出質量守恒這一結論難度很大，需要逐步引導。根據紅磷在空氣中燃燒前后天平一直平衡，學生不難得出“反應前物質質量總和＝反應后物質質量總和”這一結論，通過分析紅磷在空氣中燃燒前后這一化學反應前后的物質（物體），將沒有發生變化的物質劃掉之后，可進一步得出“反應物的總質量等于生成物質的總質量”，比較接近了，只差質量守恒定律的內涵“參加”二字了。由于紅磷與氧氣反應會產生大量白煙，無法觀察兩者是否恰好完全反應，因此，通過此實驗無法發掘“參加”這一內涵。而鐵釘與硫酸銅溶液反應，學生可以清楚地看到鐵釘有剩余，由此可以進而得出“參加化學反應的物質總質量等于生成物質的總質量”這一結論，至此，利用探究實驗，通過層層剖析，挖掘出了質量守恒的內涵。這一過程不僅可以很好地培養學生的觀察能力、語言表達能力和總結歸納的能力，還讓學生在自主發現的過程中領會到了科學探究的一般方法。

4.反思評價，應用質量守恒定律解決實際問題

[反思評價，改進實驗裝置]

師：大家都贊同這個結論嗎？

生3：不贊同！我們組得出的結論是反應后物質總質量變小。

師：說說你們的實驗過程。

生3：我們將雙氧水與二氧化錳混合，結果發現產生了大量氣泡，指針向右偏轉，左盤質量變小了，也就是說生成物的總質量變小了。

師：我們剛才得出的結論錯了嗎？為什么呢？

生：他們這樣做實驗不嚴謹，因為裝置沒有密封，生成的氣體都逸散到空氣中了，生成物的總質量當然會變小啦！

師：非常好！那我們如何改進裝置呢？

生1：用錐形瓶代替燒杯，并用膠塞塞住瓶口。

生2：用錐形瓶代替燒杯，用氣球套住瓶口，二氧化錳放在氣球內。

生3：用錐形瓶代替燒杯，用帶膠塞的注射器裝雙氧水。

師：哪種改進方法更好呢？請同學們用改進后的裝置再做一次實驗。

[設計意圖]分析得出不同結論的原因，引導學生對實驗裝置進行改進，并比較三種改進方案的優劣。在這一過程中，學生自己不僅能感悟出“開放體系與密閉體系”選擇的依據，更加深了對質量守恒定律中“質量總和的變化”這一內涵的理解。

5.學以致用

[應用定律，解釋生活中的現象]

師：現在我們再來看看神探的解答是否正確？如果不對，錯在哪里呢？

生：他的解答不對，因為他沒有加上參加反應的氧氣的質量。

師：那應該如何列式呢？

師：那么，蠟燭燃燒后質量變小、鐵生銹后質量增加，這里所說的“質量”指的是誰的質量？符合質量守恒定律嗎？

生：符合。我們認為蠟燭燃燒后質量變小，只是蠟燭的質量變小，生成的二氧化碳和水蒸氣逸散到空中了，如果將生成物都收集起來，反應前后的總質量是不變的；我們認為鐵生銹后質量增加是因為沒有將參加反應的氧氣的質量算進去。

師：解釋得非常好！不要忽略了參加反應的氣體或是生成的但逸散到了空氣中的氣體！

[設計意圖]首尾呼應，學以致用，分析生活中的存在認知沖突的現象，至此，學生對反應前后物質質量的變化的認識已從“單一物質質量的變化”轉變到“質量總和的變化”，進一步理解質量的內涵，同時加深對質量守恒定律的理解。

三、教學反思

“課程標準”指出，義務教育階段化學課程中的科學探究，可以使“學生通過親身經歷和體驗科學探究活動理解科學的本質”[2]。在這節課的教學前，我反復問自己：探究實驗的作用是什么？學生分組實驗是照方抓藥好還是自主設計方案好？學生能設計出不同的方案嗎？學生自己設計實驗方案、走彎路出差錯的意義和價值何在？實驗之后能直接得出質量守恒定

律的結論嗎？要不要進行二次分析和推導？

確實，這節課的重點不在于讓學生設計實驗方案，這樣做會“浪費”很多時間，沒有實效性，沒有多少意義。突破對于質量守恒定律內涵的理解這一難點，不止設計探究實驗這一條途徑，學習質量守恒的文本內容之后，多加幾道練習似乎也可以解決。

然而，從學生們在分組實驗過程中的所思所想，我受到了震動，產生了頓悟：理性思維和實踐思維是不可相互替代的。實驗就是實驗，讓學生親自設計并實施實驗是不會沒有意義和價值的。如果我們認為這節課的目標就是認知質量守恒定律的條文，那么我們的教學充其量也就是個知識傳授的過程。如果我們創造條件鼓勵學生與客觀事物發生直接的接觸和相互作用，我們就有可能改變學生原有的認識方式，使學生的思維得到自動發展。當然不能“為了活動而活動”，組織探究實驗應該從問題出發，教師應該根據教學目標，依據學情，合理處理教材，整合教學資源。

參考文獻

[1]畢華林.走向生本的教科書設計[M].濟南：山東教育出版社，2006：10

[2]管建平.基于課程標準教學的實踐與探索[J].教育發展研究，2011，（12）：81-84

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.01.032

文章編號：1008-0546（2016）01-0085-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B