賴永威 胡小平

摘 要：質(zhì)量守恒定律是初中科學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容。文章從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)效度、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)“既定”、實(shí)驗(yàn)探究停留在承認(rèn)“守恒”上、微觀解釋停留在“確認(rèn)守恒”上等幾個(gè)方面闡述教學(xué)生成的缺失。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量守恒定律；教學(xué)生成；缺失

質(zhì)量守恒定律是初中科學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量守恒定律的教學(xué)目標(biāo)是：通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)質(zhì)量守恒定律，并能用它解釋常見(jiàn)現(xiàn)象。浙江省2014年中考說(shuō)明中列出了三條質(zhì)量守恒定律的考試內(nèi)容：①描述質(zhì)量守恒定律；②從分子、原子角度解釋質(zhì)量守恒定律；③應(yīng)用質(zhì)量守恒定律解釋常見(jiàn)的現(xiàn)象。

2006年北京市初中化學(xué)課堂教學(xué)大賽的一個(gè)課題是質(zhì)量守恒定律，北京師范大學(xué)王磊教授是比賽的評(píng)委之一，她觀察了20節(jié)不同參賽選手的課。根據(jù)王磊的觀察，比賽有許多亮點(diǎn)，但也存在一些問(wèn)題。上課之前王磊了解到，學(xué)生已經(jīng)知道質(zhì)量守恒定律。學(xué)生認(rèn)為：木炭燃燒后生成的二氧化碳質(zhì)量和燃燒前木炭質(zhì)量相等。課后王磊又詢問(wèn)同樣的學(xué)生同樣的問(wèn)題，其中一個(gè)學(xué)生的回答和課前完全一樣，另一個(gè)學(xué)生回答：“木炭的質(zhì)量等于生成的二氧化碳的質(zhì)量與剩余的木炭的質(zhì)量之和。”

生成的課堂在于把“既定的”目標(biāo)變成“將成的”目標(biāo)，課堂成為師生創(chuàng)造生命意義的動(dòng)態(tài)生成的生活過(guò)程。要充分認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)的形成過(guò)程，強(qiáng)調(diào)從學(xué)生的糾結(jié)點(diǎn)入手，引導(dǎo)學(xué)生探究解決問(wèn)題。筆者根據(jù)平常的教學(xué)實(shí)際情況與有關(guān)文獻(xiàn)資料，試論質(zhì)量守恒定律教學(xué)生成缺失。

一、教科書中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)效度不利生成

浙教版教科書有兩個(gè)關(guān)于質(zhì)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)，第一個(gè)是白磷燃燒，第二個(gè)是氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液。具體裝置如2014年浙教版科學(xué)教科書（八年級(jí)下冊(cè)）第88頁(yè)所示。上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，白磷燃燒實(shí)驗(yàn)更重要，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和學(xué)生的日常觀念不一致，容易引起學(xué)生的認(rèn)知沖突。白磷燃燒實(shí)驗(yàn)運(yùn)用得好，有助于學(xué)生克服錯(cuò)誤概念，建立科學(xué)概念。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有燃燒現(xiàn)象，但有沉淀生成，是在一個(gè)封閉系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，不管里面發(fā)生了什么，質(zhì)量都不會(huì)變化，這與學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn)一致，不易引起學(xué)生的認(rèn)知沖突。筆者在教學(xué)實(shí)踐中認(rèn)為，編者在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上存在實(shí)驗(yàn)效度問(wèn)題，不利于教學(xué)中有效地激發(fā)探究，生成知識(shí)，得出結(jié)論。

（1）教科書中的實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法顯示反應(yīng)中的質(zhì)量變化。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氧氣密度為1.43×10-3克/毫升，空氣中氧氣的體積含量為21%。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式可以算出，僅僅使0.124克磷和0.16克氧氣（反應(yīng)物總質(zhì)量為0.284克）完全反應(yīng)，就需要大約533毫升的空氣。但是實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的錐形瓶是150毫升或250毫升。假定實(shí)驗(yàn)中使用250毫升的錐形瓶，氧氣質(zhì)量約為0.072克，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式可以算出磷的質(zhì)量約為0.054克，那么反應(yīng)物總質(zhì)量是0.126克。假設(shè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量變化了百分之十，就認(rèn)為質(zhì)量不守恒，質(zhì)量變化小于百分之十，則認(rèn)為質(zhì)量是守恒的，那么0.126克的反應(yīng)物發(fā)生了百分之十的變化，相當(dāng)于增加或減少了0.0126克。0.0126克的變化在托盤天平（感量為0.2克）上觀察不到。也就是說(shuō)，即使化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量有明顯的變化，利用教科書的實(shí)驗(yàn)裝置也顯示不出來(lái)，實(shí)驗(yàn)是無(wú)效的。

因此，使用托盤天平，至少能夠提供2000毫升的空氣，才可以說(shuō)如果反應(yīng)物的總質(zhì)量發(fā)生了百分之十的變化，天平的指針就會(huì)有明顯偏轉(zhuǎn)。但是整個(gè)裝置的總質(zhì)量不能超過(guò)200克。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，我們將1.75升的塑料飲料瓶與250毫升的平底燒瓶相連（篇幅所限，圖略），兩根玻璃管穿過(guò)兩個(gè)橡皮塞，其中一根從飲料瓶底到燒瓶?jī)?nèi)口，另一根從燒瓶底到飲料瓶?jī)?nèi)口，使燒瓶里的熱空氣與飲料瓶里的冷空氣充分對(duì)流。燒瓶底部的一側(cè)放一小塊導(dǎo)熱性能好的金屬片，以避免燃燒直接在瓶底發(fā)生，白磷放在金屬片上，用酒精燈加熱瓶底以點(diǎn)燃白磷。如圖（篇幅所限，圖略），瓶外的氣球只是防止燃燒開始的時(shí)候體積稍有膨脹，但壓強(qiáng)并不大，不會(huì)沖開瓶塞。因?yàn)槿紵^(guò)程中，消耗氧氣的體積遠(yuǎn)大于熱膨脹（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的熱膨脹系數(shù)為1/273）的體積，瓶?jī)?nèi)的氣壓小于大氣壓。所以，瓶外也可以不設(shè)氣球。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)也存在效度問(wèn)題。氫氧化鈉溶液或硫酸銅溶液“儲(chǔ)存”在膠頭滴管內(nèi)，擠壓膠頭滴管，里面的溶液滴入錐形瓶，兩種液體混合發(fā)生反應(yīng)。膠頭滴管里溶液數(shù)量很少，溶質(zhì)質(zhì)量更小。即使化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量有變化，從托盤天平上也觀察不出來(lái)。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的目的是使反應(yīng)物和生成物處在一個(gè)封閉的環(huán)境內(nèi)，避免學(xué)生產(chǎn)生“也許有看不見(jiàn)的物質(zhì)進(jìn)來(lái)或出去”的疑問(wèn)。因此，可以將滴管取下，把裝有燒堿溶液的試管放在錐形瓶?jī)?nèi)，傾斜錐形瓶，試管內(nèi)的燒堿溶液與錐形瓶?jī)?nèi)的硫酸銅溶液混合而發(fā)生反應(yīng)。

（2）實(shí)驗(yàn)操作難以保證。在“白磷燃燒”實(shí)驗(yàn)中，白磷放在錐形瓶里，一根玻璃管穿過(guò)橡皮塞，露在瓶外的一端套上氣球，將處于瓶?jī)?nèi)的鐵絲一端加熱后準(zhǔn)確地戳到瓶里的磷，同時(shí)橡皮塞又要?jiǎng)偤蒙w住瓶口，使錐形瓶密封，實(shí)驗(yàn)中常常出現(xiàn)“白煙”泄漏。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)“既定”不利生成

為了和現(xiàn)有科學(xué)結(jié)論一致，將沒(méi)有辦法確定質(zhì)量是否變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)成質(zhì)量不變，這是非常可怕的。不能使用沒(méi)有效度的證據(jù)來(lái)驗(yàn)證現(xiàn)有的科學(xué)理論。實(shí)驗(yàn)方法錯(cuò)誤導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效，最終無(wú)法確定質(zhì)量是否變化。有的老師可能會(huì)說(shuō)，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)中質(zhì)量肯定是守恒的，即使使用更精確的稱量?jī)x器，只要操作正確，工具顯示的質(zhì)量就不會(huì)變化，與教科書中的結(jié)論恰好吻合。所以，只要化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象明顯，讓學(xué)生看到反應(yīng)前后天平依然保持平衡就可以了。

（1）科學(xué)態(tài)度問(wèn)題。學(xué)生懷疑的是教師用于說(shuō)明科學(xué)結(jié)論的實(shí)驗(yàn)。他們認(rèn)為：教師為了讓他們接受教科書里的結(jié)論，就千方百計(jì)地運(yùn)用各種手段說(shuō)服他們，實(shí)驗(yàn)就是科學(xué)教師最常用的一種手段。有時(shí)教師會(huì)用假的東西欺騙他們。學(xué)生的觀點(diǎn)不是沒(méi)有道理，有時(shí)候教師的確用不正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明正確的科學(xué)原理，有時(shí)是教學(xué)態(tài)度問(wèn)題，有時(shí)是實(shí)驗(yàn)技能或教學(xué)方法問(wèn)題。例如：紫色石蕊試液遇到堿性溶液變成藍(lán)色，由于配置的石蕊試液沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理，顯示的是藍(lán)色或接近藍(lán)色，不是紫色，但教師告訴學(xué)生是紫色。石蕊試液滴入燒堿溶液后，很難看出顏色的變化。學(xué)生說(shuō)沒(méi)有變，依然是“紫色”，老師就說(shuō)：你們所看到的紫色實(shí)際上就是藍(lán)色。

（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)的主要目的是讓學(xué)生經(jīng)歷獲得科學(xué)結(jié)論的過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)的形成過(guò)程。同時(shí)，也是改變過(guò)度依賴接受學(xué)習(xí)的一種方式。學(xué)習(xí)科學(xué)不是接受最終結(jié)論的活動(dòng)，而是探究科學(xué)結(jié)論的過(guò)程，不能將實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單地看成是收集證據(jù)與驗(yàn)證結(jié)論的一種手段。

雖然許多學(xué)生早就知道質(zhì)量守恒定律，但是他們的理解并不正確、不深刻，更沒(méi)有探索質(zhì)量守恒定律的經(jīng)歷與體驗(yàn)。教學(xué)要以學(xué)生的認(rèn)知為起點(diǎn)，讓學(xué)生在探究中理解科學(xué)原理。不能假定學(xué)生看不出實(shí)驗(yàn)漏洞而用錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)應(yīng)付。大部分老師的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生確信質(zhì)量守恒定律，這樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是不合理的。學(xué)生不是不相信教科書的結(jié)論，他們一般不會(huì)懷疑現(xiàn)有科學(xué)理論。假如學(xué)生懷疑現(xiàn)有的科學(xué)結(jié)論，很可能他們對(duì)科學(xué)具有好奇心，感到迷惑，或者具有質(zhì)疑意識(shí)，這是有助于科學(xué)探究的一種品質(zhì)。反之，學(xué)生往往將現(xiàn)有的科學(xué)結(jié)論看成是毋庸置疑的真理，只要記住結(jié)論就可以了。朱清時(shí)院士在七年級(jí)科學(xué)教科書前言中提出：“科學(xué)并不是簡(jiǎn)單地對(duì)自然規(guī)律加以揭示，更重要的是找到研究自然規(guī)律的方法。”實(shí)驗(yàn)就是研究自然規(guī)律的重要方法，要一絲不茍，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待實(shí)驗(yàn)過(guò)程的每一個(gè)細(xì)節(jié)，要用確信有力的數(shù)據(jù)來(lái)證明相應(yīng)的科學(xué)結(jié)論。

三、實(shí)驗(yàn)探究停留在承認(rèn)“守恒”上不利生成

學(xué)生對(duì)質(zhì)量守恒定律的理解不能停留在承認(rèn)“反應(yīng)前后物質(zhì)總質(zhì)量保持不變”上，實(shí)際上很多學(xué)生在課前就知道質(zhì)量守恒定律。問(wèn)題在于不會(huì)運(yùn)用質(zhì)量守恒定律解釋具體的現(xiàn)象，不會(huì)分析具體化學(xué)反應(yīng)中不同物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系。

首先，要明確有什么物質(zhì)參加反應(yīng)、生成什么物質(zhì)、反應(yīng)物有沒(méi)有全部參加反應(yīng)。研究質(zhì)量是否守恒時(shí)，是把剩余的反應(yīng)物質(zhì)計(jì)算在內(nèi)還是不計(jì)算？如果反應(yīng)物有兩種，兩種反應(yīng)物的質(zhì)量比例關(guān)系有沒(méi)有限制？這些問(wèn)題都要在實(shí)驗(yàn)時(shí)考慮到。否則，質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)和配平化學(xué)反應(yīng)方程式，以及根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式的計(jì)算就變得沒(méi)有內(nèi)在關(guān)聯(lián)。這是平常質(zhì)量守恒定律教學(xué)的一個(gè)缺陷。沒(méi)有正確理解質(zhì)量守恒定律，學(xué)習(xí)根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行計(jì)算會(huì)遇到更大的困難。雖然會(huì)模仿例題解答已知一種物質(zhì)的質(zhì)量求其余物質(zhì)的質(zhì)量，如果給出兩種物質(zhì)質(zhì)量，學(xué)生不知道選擇哪一種進(jìn)行計(jì)算。遇到溶液?jiǎn)栴}，不理解為什么不能直接用溶液的質(zhì)量計(jì)算。

其次，不僅要做反應(yīng)前后質(zhì)量不變的實(shí)驗(yàn)，也做質(zhì)量“變化”的實(shí)驗(yàn)，如鎂帶燃燒后質(zhì)量“增加”、木炭燃燒后質(zhì)量“減少”，分析質(zhì)量增加或減少的原因。這里可以融入科學(xué)史，教師用燃素說(shuō)解釋燃燒中的質(zhì)量變化，讓學(xué)生分析、判斷解釋的合理性，進(jìn)一步理解燃燒的本質(zhì)與質(zhì)量守恒定律。

四、微觀解釋停留在“確認(rèn)守恒”不利于生成

微觀解釋的教學(xué)活動(dòng)環(huán)節(jié)所起的作用，停留在進(jìn)一步確認(rèn)質(zhì)量守恒定律，質(zhì)量守恒定律確實(shí)是真的，有根據(jù)的。微觀層次上對(duì)質(zhì)量守恒定律的理解并沒(méi)有遷移到運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)方程式的計(jì)算上。因此，微觀解釋活動(dòng)沒(méi)有收到應(yīng)該具有的教學(xué)效果，可以嘗試通過(guò)學(xué)生的動(dòng)手活動(dòng)來(lái)模擬化學(xué)反應(yīng)，讓學(xué)生拆、拼模型以表示化學(xué)變化。

質(zhì)量守恒定律的微觀解釋通常采用兩種方法。有些教師在得出質(zhì)量守恒定律之前利用分子和原子模型示意圖說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)制，啟發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量關(guān)系提出猜測(cè)。有的教學(xué)則在得出質(zhì)量守恒定律之后，再做出微觀解釋，幫助學(xué)生從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)層次上理解質(zhì)量守恒定律。微觀解釋時(shí)一般配合使用模型圖或動(dòng)畫演示，很少動(dòng)手操作，而且兩種反應(yīng)物的分子數(shù)或原子數(shù)恰好用完，沒(méi)有“過(guò)量”情況出現(xiàn)。

使用模型在微觀層次上解釋質(zhì)量守恒定律，與宏觀實(shí)驗(yàn)結(jié)論相互印證，掌握質(zhì)量守恒定律似乎不成問(wèn)題。但是，微觀層次上對(duì)質(zhì)量守恒定律的理解并沒(méi)有遷移到運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)方程式的計(jì)算上。微觀解釋的教學(xué)活動(dòng)環(huán)節(jié)所起的作用，停留在進(jìn)一步確認(rèn)質(zhì)量守恒定律，質(zhì)量守恒定律確實(shí)是真的，有根據(jù)的。如前所述，沒(méi)有必要擔(dān)憂學(xué)生不相信質(zhì)量守恒定律。因此，微觀解釋活動(dòng)沒(méi)有收到應(yīng)該具有的教學(xué)效果。可以嘗試通過(guò)學(xué)生的動(dòng)手活動(dòng)來(lái)模擬化學(xué)反應(yīng)，讓學(xué)生拆、拼模型以表示化學(xué)變化。計(jì)算反應(yīng)前后各種原子與分子的數(shù)目和種類，得出反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系，同時(shí)認(rèn)識(shí)不同反應(yīng)物的比例關(guān)系。需要注意的是，給學(xué)生的分子、原子模型數(shù)目是隨意的，不要?jiǎng)偤门c真實(shí)反應(yīng)數(shù)目相等，在活動(dòng)中就會(huì)遇到某種模型不夠用或太多的情況。如果學(xué)生一定把模型使用完，可能會(huì)拼出與正確模型不同的模型，編造出實(shí)際不存在的物質(zhì)。然后學(xué)生之間互相討論、比較，為什么有的沒(méi)有用完模型？為什么有的不夠用？這樣有助于學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)中的不同物質(zhì)有確定的比例關(guān)系，理解配平化學(xué)反應(yīng)方程式的過(guò)程，就是根據(jù)質(zhì)量守恒定律確定正確的比例關(guān)系的過(guò)程。

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（浙江省泰順縣第四中學(xué)）