游梅

從“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”課例談教師學(xué)科素養(yǎng)*

游梅

（迎春中學(xué)江蘇蘇州215128）

分析了在滬教版九年級(jí)化學(xué)“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”的課堂教學(xué)中，多數(shù)教師存在錯(cuò)解化學(xué)史知識(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不夠全面細(xì)致、課堂例題脫離實(shí)驗(yàn)實(shí)際等三個(gè)問(wèn)題。借此說(shuō)明初中化學(xué)教師研究化學(xué)史、實(shí)驗(yàn)和習(xí)題的重要性。

化學(xué)史；實(shí)驗(yàn)；題例

初中化學(xué)教學(xué)是化學(xué)教育的啟蒙階段，這個(gè)階段的化學(xué)知識(shí)和技能水平要求不高，一般的本科生甚至專(zhuān)科生就可以擔(dān)任初中化學(xué)教學(xué)的工作。然而，大量事實(shí)證明即使在初中化學(xué)教學(xué)的小小天地中，能做到深刻把握教材內(nèi)涵、思想見(jiàn)解獨(dú)到、致力于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，把工作做得風(fēng)生水起的專(zhuān)家型教師并不多。本文以近期蘇州市吳中區(qū)名師展示課“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系（滬教版）”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明教師的化學(xué)史知識(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)水平和編制例題的能力有待提高。

一、想當(dāng)然解讀化學(xué)史知識(shí)，缺少歷史觀智慧

滬教版九年級(jí)上冊(cè)第4章第2節(jié)“化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系”中有這樣3段文字（教材配插圖）：

早在300多年前，化學(xué)家們就對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行定量研究。1673年，英國(guó)化學(xué)家波義耳（RobertBoyle，1627-1691）在一個(gè)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。

1777年，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫用較精確的定量實(shí)驗(yàn)法，在密封容器中研究氧化汞的分解與生成物中各物質(zhì)質(zhì)量之間的關(guān)系，得到的結(jié)論是：參加化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量等于反應(yīng)后生成的各物質(zhì)的質(zhì)量總和。

后來(lái)，人們利用先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器做了大量精度極高的實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)拉瓦錫的結(jié)論是正確的。從此，質(zhì)量守恒定律被人們所認(rèn)識(shí)。［1］

大多數(shù)教師在講這節(jié)內(nèi)容時(shí)都會(huì)用到上述3段材料，然后得出結(jié)論：在空氣中加熱金屬，金屬與空氣中的氧氣發(fā)生化合反應(yīng)，生成的金屬氧化物比金屬質(zhì)量大了。然而，波義耳在敞口容器中實(shí)驗(yàn)，他沒(méi)考慮到金屬消耗了氧氣，冷卻時(shí)外界的空氣會(huì)進(jìn)入曲頸甑，導(dǎo)致質(zhì)量增加。拉瓦錫在密封容器中實(shí)驗(yàn)可以防止金屬與氧氣反應(yīng)時(shí)外界氣體補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，也可以防止金屬氧化物分解時(shí)氧氣逸出到容器外。因此，波義耳的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是錯(cuò)誤的，拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)才是正確的。在我所聽(tīng)的這一節(jié)公開(kāi)課中（不少于二十節(jié)），幾乎所有教師都是這么講的。

恩格斯：波義耳——把化學(xué)確立為科學(xué)。為什么這樣一位偉大的化學(xué)家沒(méi)有在密閉的容器中而在敞口容器中加熱金屬？現(xiàn)在連一個(gè)剛學(xué)化學(xué)的初中學(xué)生都懂的道理，他不知道嗎？如果仔細(xì)研究這段化學(xué)史會(huì)發(fā)現(xiàn)，1673年前后，波義耳做了煅燒金屬的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金屬煅燒后的煅灰總比金屬本身重。當(dāng)時(shí)人們還不清楚空氣的成分，不知道空氣中有氧氣，當(dāng)然也不清楚在加熱金屬時(shí)，金屬會(huì)與氧氣反應(yīng)的事實(shí)。他的解釋是：在煅燒過(guò)程中，“火微粒”穿過(guò)容器壁與金屬結(jié)合，形成比金屬本身還重的煅灰。直到1774年，拉瓦錫用錫和鉛做了著名的金屬燃燒實(shí)驗(yàn)：將錫和鉛分別密封在曲頸瓶中，在加熱前后都精確地進(jìn)行了稱(chēng)量，發(fā)現(xiàn)煅燒后瓶中的金屬已變成煅灰，但瓶和煅灰的總質(zhì)量沒(méi)有改變。當(dāng)他把瓶子打開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)有空氣沖進(jìn)瓶?jī)?nèi)，這時(shí)瓶和煅灰的總質(zhì)量增加了。拉瓦錫加熱汞煅灰時(shí)，逸出的氣體質(zhì)量與將汞煅燒成煅灰時(shí)所增加的質(zhì)量相等。后來(lái)，拉瓦錫又做了大量的燃燒實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到空氣是兩種氣體的混合物，一種是能助燃，有助于呼吸的氣體，拉瓦錫將它命名為“氧”；另一種是不助燃，無(wú)助于生命的氣體，命名為“氮”，意思是“無(wú)益于生命”。同時(shí)，拉瓦錫得出了化學(xué)變化前后總質(zhì)量不變的結(jié)論即質(zhì)量守恒定律。［2］

在這里，還有一位應(yīng)該提到的科學(xué)家——俄國(guó)的羅蒙諾索夫，他在密閉的玻璃瓶?jī)?nèi)燃燒金屬，不開(kāi)啟玻璃瓶就稱(chēng)量，發(fā)現(xiàn)盡管金屬經(jīng)過(guò)煅燒已經(jīng)變成了煅灰，但重量并無(wú)變化。他斷定金屬在敞開(kāi)的容器中煅燒增重是由于金屬與空氣結(jié)合的緣故，從而否定了波義耳的“火微?！焙汀叭妓亍钡拇嬖?。1756年，他從大量實(shí)驗(yàn)中概括出質(zhì)量守恒定律：參加反應(yīng)的全部物質(zhì)的重量等于全部產(chǎn)物的重量。［3］羅蒙諾索夫得出質(zhì)量守恒定律比拉瓦錫還早18年。

值得一提的是，質(zhì)量守恒定律的建立與物質(zhì)微粒觀也有很大關(guān)系。直到19世紀(jì)、20世紀(jì)，分子原子的發(fā)現(xiàn)及概念的確立，以及它們?cè)诨瘜W(xué)反應(yīng)中的變化規(guī)律逐漸被人們認(rèn)識(shí)，質(zhì)量守恒定律才真正被人們接受。

一些教師可能就沒(méi)有去讀化學(xué)史，談不上“解讀”和“認(rèn)識(shí)不夠全面深入”，導(dǎo)致在講課時(shí)簡(jiǎn)單說(shuō)成：波義耳的實(shí)驗(yàn)是錯(cuò)誤的。這樣的結(jié)論不利于學(xué)生了解質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)史，也談不上用化學(xué)史知識(shí)啟迪學(xué)生的智慧。其實(shí)，每一位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)都是在前人的認(rèn)識(shí)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，都有他的創(chuàng)新性和局限性，對(duì)他們的貢獻(xiàn)，我們應(yīng)該把他放在他所處的具體歷史環(huán)境中分析、解讀，才會(huì)有正確的認(rèn)識(shí)。我國(guó)化學(xué)教育家傅鷹先生提出：化學(xué)給人以知識(shí)，化學(xué)史給人以智慧?；瘜W(xué)教師要正確用化學(xué)史知識(shí)促進(jìn)學(xué)生智慧增長(zhǎng)。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不夠深刻細(xì)致，缺少說(shuō)服力

多數(shù)教師只做了教材上的2個(gè)實(shí)驗(yàn)：氫氧化鈉溶液和硫酸銅溶液混合，大理石與稀鹽酸混合后將產(chǎn)生的氣體用澄清石灰水吸收。沒(méi)有分類(lèi)實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有對(duì)比說(shuō)明，對(duì)沒(méi)有做的實(shí)驗(yàn)，一概用講實(shí)驗(yàn)的方法代替做實(shí)驗(yàn)。對(duì)驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)為以下兩個(gè)方面很重要。

1.藥品的選取

拉瓦錫加熱金屬汞的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，汞易蒸發(fā)，受熱后蒸發(fā)加快，汞蒸氣與空氣中氧氣接觸充分，可以將密封容器內(nèi)的氧氣消耗較徹底。但是，由于汞蒸氣有毒，演示和分組實(shí)驗(yàn)一般不用，而大多會(huì)選用白磷。白磷的用量不宜過(guò)多，否則在密封容器中受熱會(huì)將瓶塞頂出，在敞口容器中產(chǎn)生白煙逸出，危害師生健康。因此，藥品的用量有時(shí)也能影響實(shí)驗(yàn)的成敗優(yōu)劣。再比如大理石與稀鹽酸的反應(yīng)，兩者的用量也不宜多，否則密封容器的瓶塞會(huì)迸出，甚至有容器爆裂的危險(xiǎn)。

2.方案的設(shè)計(jì)

質(zhì)量守恒定律是經(jīng)過(guò)“無(wú)數(shù)”實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的，一堂課不可能做“無(wú)數(shù)”實(shí)驗(yàn)，但可以把實(shí)驗(yàn)分為在敞口容器中總質(zhì)量“不變”“增大”“減少”等三種情況分別舉例說(shuō)明。在敞口容器中，反應(yīng)前后總質(zhì)量改變不能證明質(zhì)量守恒，對(duì)于有氣體參與或有氣體產(chǎn)生的反應(yīng)，稱(chēng)量反應(yīng)前后的物質(zhì)總質(zhì)量有沒(méi)有變化，跟裝置是否密封有關(guān)，因此，在每次實(shí)驗(yàn)都需要設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是敞口容器，另一個(gè)是密封容器，例如下表。

表1　驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

三、例題編制背離實(shí)驗(yàn)情境，缺少真實(shí)來(lái)源

題例1：把6.1g干燥純凈氯酸鉀和二氧化錳的混合物放在試管中加熱，直至氯酸鉀完全分解為止。冷卻后，稱(chēng)得剩余固體的質(zhì)量為4.2g。根據(jù)_______定律，制得氧氣的質(zhì)量是_______。二氧化錳在反應(yīng)中起的作用是________。

分析：命題者或認(rèn)為氯酸鉀會(huì)完全分解為氯化鉀和氧氣，或認(rèn)為對(duì)初中生而言不必考慮過(guò)多，故氧氣質(zhì)量的答案為1.9g。然而，氯酸鉀和二氧化錳的反應(yīng)機(jī)理有多種解釋?zhuān)容^常見(jiàn)的一種解釋是分為三步：①二氧化錳和氯酸鉀反應(yīng)先生成高錳酸鉀、氯氣和氧氣：2MnO2+2KClO32KMnO4+Cl2↑+O2↑；②高錳酸鉀分解生成錳酸鉀、二氧化錳和氧氣：2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑；③錳酸鉀再和氯氣反應(yīng)生成氯化鉀、二氧化錳和氧氣：K2MnO4+Cl22KCl+MnO2+O2。第一步反應(yīng)產(chǎn)生氯氣，這也是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中常常聞到刺激性氣味的原因。無(wú)論出于何種原因，嚴(yán)謹(jǐn)是命題者應(yīng)該追求的，如果將“制得氧氣的質(zhì)量是________?！备臑椤翱芍疃嗄苤频醚鯕獾馁|(zhì)量是________?！本屯桩?dāng)多了。

題例2：將A、B、C各10g的混合物加熱后，A全部參加反應(yīng)，生成4gD，同時(shí)增加了8gC，則反應(yīng)中A與B的質(zhì)量比是（）

分析：根據(jù)質(zhì)量守恒定律不難得出，反應(yīng)中A與B的質(zhì)量比是5︰1。然而，題目中的10gA和2gB反應(yīng)產(chǎn)生了8gC和4gD，符合哪個(gè)具體反應(yīng)？不清楚。在學(xué)生學(xué)過(guò)和將要學(xué)習(xí)的化學(xué)反應(yīng)中，沒(méi)有這種質(zhì)量關(guān)系。這樣虛構(gòu)的A、B、C、D的反應(yīng)脫離了真實(shí)的化學(xué)反應(yīng)情境，就類(lèi)似于數(shù)學(xué)題了。質(zhì)量守恒定律的相關(guān)例題的作用是將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、質(zhì)量數(shù)據(jù)和定律聯(lián)系起來(lái)，以便加深對(duì)化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的理解，而不是純粹的根據(jù)數(shù)學(xué)公式的計(jì)算。

題例3：在一個(gè)密閉容器內(nèi)有X、Y、Z、Q，在一定條件下充分反應(yīng)，測(cè)得反應(yīng)前后各物質(zhì)的質(zhì)量如下：

試推斷該密閉容器中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)基本類(lèi)型為（）

A.分解反應(yīng)B.化合反應(yīng)

C.置換反應(yīng)D.復(fù)分解反應(yīng)

分析：這道題在一些教輔材料中非常常見(jiàn)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，反應(yīng)前物質(zhì)的總質(zhì)量是93g，反應(yīng)后X的質(zhì)量＝93g-24g-14g＝55g。反應(yīng)前后質(zhì)量對(duì)比可知，Z為反應(yīng)物，X、Y、Q為生成物，即反應(yīng)為分解反應(yīng)。題目用X、Y、Z、Q代替真實(shí)物質(zhì)，防止學(xué)生用真實(shí)物質(zhì)推知反應(yīng)類(lèi)型，但是反應(yīng)后它們?cè)诿荛]容器中的質(zhì)量是如何測(cè)得的？題目中涉及的幾種物質(zhì)混合在一起，要稱(chēng)量質(zhì)量必須先分離、提純，如果有氣態(tài)物質(zhì)，打開(kāi)密閉容器時(shí)氣體逸出，質(zhì)量無(wú)法稱(chēng)量。這些實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)在題目中沒(méi)有說(shuō)明，連一筆帶過(guò)的交代也沒(méi)有。此題也成了一道真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境缺失的純數(shù)學(xué)計(jì)算，學(xué)科品味不夠。

化學(xué)家波義耳：人之所以能效力于世界，莫過(guò)于勤在實(shí)驗(yàn)上下功夫。這句話(huà)不僅道出了他之所以取得偉大成就的原因，也說(shuō)明了化學(xué)是實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的科學(xué)。尊重實(shí)驗(yàn)、基于實(shí)驗(yàn)是研究一切有關(guān)化學(xué)問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)。

思考本課堂教學(xué)中暴露的問(wèn)題，我們不難發(fā)現(xiàn)一些教師講解化學(xué)史、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、編制例題的水平亟待提高。我們不但需要大樓，而且需要大師，對(duì)教育的投入不僅僅是硬件條件的改善，更重要的是教師水平軟實(shí)力的提高。國(guó)家教育部門(mén)已經(jīng)非常重視師資的培訓(xùn)問(wèn)題，廣大教師應(yīng)該順應(yīng)時(shí)代、抓住機(jī)遇提高自己。

［1］王祖浩.九年制義務(wù)教育教科書(shū)（滬教版）·化學(xué)上冊(cè)［M］.上海：上海教育出版社，2013：103-104

［2］［3］袁翰青，應(yīng)禮文.化學(xué)重要史實(shí)［M］.北京：人民教育出版社，1989：10-13

1008-0546（2016）11-0070-03

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10.3969/j.issn.1008-0546.2016.11.023

*本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題《專(zhuān)家型中學(xué)化學(xué)教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的實(shí)踐研究》的階段性研究成果（項(xiàng)目編號(hào)：D/2015/02/178）。