楊封友

摘要：質(zhì)量守恒定律是學(xué)生定量認識化學(xué)反應(yīng)的起點，在科學(xué)觀念、科學(xué)測量、科學(xué)知識等方面具有獨特的教育價值；開展科技史體驗指向的定律教學(xué)，讓學(xué)生經(jīng)歷裝置設(shè)計與史實品評，利于準確理解定律及測量體系，體會觀念、技術(shù)對科學(xué)發(fā)展的影響，感受科學(xué)發(fā)現(xiàn)被公眾接受的過程。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量守恒；發(fā)現(xiàn)簡史；科技史體驗；教學(xué)實踐

文章編號：1008-0546（2022）01-0002-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.001

*本文系杭州市西湖區(qū)教育科研規(guī)劃課題“技術(shù)工程視角下的初中科學(xué)教學(xué)理論與實踐研究”（課題號：2021QCG31）的階段性成果。

質(zhì)量守恒定律是自然界重要的客觀規(guī)律，也是學(xué)生認識化學(xué)反應(yīng)從定性邁向定量的起點。本文基于對質(zhì)量守恒定律的史實梳理及教育價值剖析，開展科技史體驗指向的定律教學(xué)，讓學(xué)生親歷方案設(shè)計、科學(xué)測量、史實品評，以期準確理解測量體系，把握定律內(nèi)涵及形成歷程，完善對“實驗與定律”“宏觀與微觀”的認識，發(fā)展科學(xué)學(xué)科關(guān)鍵能力，提升科學(xué)核心素養(yǎng)。

一、質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)史及教育價值

1.質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)簡史

質(zhì)量守恒思想源自唯物思想，質(zhì)量守恒思想從產(chǎn)生到發(fā)展成理論定律，大致經(jīng)歷了如圖1所示的幾個階段。

在經(jīng)驗定律的形成階段，羅蒙諾索夫、拉瓦錫、朗道耳特、曼萊等化學(xué)家作出了杰出貢獻。在他們之前，波義耳、斯塔爾等科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)在密閉容器中煅燒金屬后固體質(zhì)量會增加。

1673年，英國科學(xué)家羅伯特·波義耳用密閉的曲頸瓶對金屬煅燒進行了定量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)質(zhì)量增加了，其解釋為火微粒與金屬結(jié)合，并于1674年發(fā)表題為“固定火焰并使之可稱量的新實驗”的論文，提出以下公式：金屬+火微粒=金屬煅灰[1]。

1703年，喬治·恩斯特·施塔爾把金屬的煅燒用如下公式解釋：金屬-燃素=金屬煅灰，認為是金屬內(nèi)部的燃素逸出了。斯塔爾對金屬煅燒的燃素說解釋源于當(dāng)時化學(xué)家的直覺，雖然發(fā)現(xiàn)了金屬加熱質(zhì)量變大的事實，但他們只埋首于實際工作，對這樣的理論問題不感興趣，也不研究[2]?？梢?，從波義耳的微粒學(xué)說到施塔爾的燃素學(xué)說的發(fā)展不是范式的演進，而是舊范式被新范式取代的過程。

1740年，俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫在密閉的玻璃容器中進行煅燒金屬的實驗，他認為反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量較原來的金屬之所以會有所增加，是由于從瓶內(nèi)空氣中攝取了某些物質(zhì)；1750年他提出了如下表述：“自然界發(fā)生的一切變化都是這樣的情況：某一物體去掉了多少東西，另一物體就會被補充上多少東西”[3]。但羅蒙諾索夫的觀點由于沒有嚴格的實驗根據(jù)，且由于俄國遠離當(dāng)時科學(xué)的中心，西方科學(xué)家對他的論述了解很少，所以沒有產(chǎn)生什么實際影響。

法國化學(xué)家拉瓦錫早期就運用天平進行了一系列定量研究，例如：硫、磷、金屬的燃燒，糖的發(fā)酵及水的分解等實驗，得到與羅蒙諾索夫相同的結(jié)果，并在1789年出版的著作《化學(xué)概要》第一卷中鄭重地陳述：“由于人工的或天然的加工不能無中生有地創(chuàng)造任何東西，所以每一次加工中，加工前后存在的物質(zhì)總量相等，且其要素的質(zhì)與量保持不變，只是發(fā)生更換和變態(tài)，這可以看成為公理。做化學(xué)實驗的全部技藝基于這樣一個原理：我們必須假定被檢定物體的要素和分解產(chǎn)物的要素精確相等。[1]”但由于當(dāng)時的測量技術(shù)小于0.2%的質(zhì)量變化就覺察不出來，致使質(zhì)量守恒定律雖為眾人所知，但仍為人所質(zhì)疑。

1908年德國化學(xué)家朗道耳特及1912年英國化學(xué)家曼萊做了精確度極高的實驗，所用容器及反應(yīng)物的質(zhì)量為1000 g左右，反應(yīng)前后質(zhì)量之差小于0.0001 g，即化學(xué)反應(yīng)前后體系質(zhì)量的變化小于一千萬分之一，這個差別在實驗誤差范圍之內(nèi)，質(zhì)量守恒定律才被科學(xué)家們一致接受。

20世紀初以來，發(fā)現(xiàn)高速運動物體的質(zhì)量隨其運動速度而變化，又發(fā)現(xiàn)實物和場可以互相轉(zhuǎn)化，因而應(yīng)按質(zhì)能關(guān)系考慮場的質(zhì)量。于是，質(zhì)量守恒和能量守恒兩條定律通過質(zhì)能關(guān)系合并為一條守恒定律，即質(zhì)量和能量守恒定律（簡稱質(zhì)能守恒定律）[4]。

2.發(fā)現(xiàn)史蘊含的教育價值

科學(xué)定律是對現(xiàn)象的理性認識，涉及預(yù)測與解釋、設(shè)計與觀測等行為，相互關(guān)系如圖2所示。質(zhì)量守恒定律是自然界的基本定律之一，發(fā)端于人們對燃燒后質(zhì)量變化現(xiàn)象的解釋，形成于精準的科學(xué)測量結(jié)果，發(fā)展于對質(zhì)量等概念的認識。因此，學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律對學(xué)生的發(fā)展具有獨特的教育價值。

（1）科學(xué)觀念。面對金屬煅燒后固體質(zhì)量增加的現(xiàn)象，波義耳因信任微粒哲學(xué)用“火微粒”解釋，斯塔爾源于直覺用“燃素說”解釋，他們都錯失了發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律的機會?？梢?，非科學(xué)觀念會阻礙對事物的認識，科學(xué)觀念才能助推認識的深化與發(fā)展。

（2）科學(xué)測量。反應(yīng)前后質(zhì)量是定量研究，需要進行科學(xué)測量。圖3中波義耳的發(fā)生裝置是一個開放體系，拉瓦錫的卻是一個封閉體系，裝置的差異導(dǎo)致了不同的實驗結(jié)果；此外，定律需要高精度測量結(jié)果的支持，而這取決于測量工具的精密程度。可見，設(shè)計科學(xué)的測量方法、選擇合適的測量工具，是進行科學(xué)測量的前提。

（3）科學(xué)知識。質(zhì)量守恒定律表明質(zhì)量既不會被創(chuàng)生，也不會被消滅，而只會從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到為另一種物質(zhì)，總量保持不變。在化學(xué)反應(yīng)中，質(zhì)量守恒包含原子守恒、電荷守恒、元素守恒等幾個方面，“參加反應(yīng)的”不是各物質(zhì)的簡單相加，而是真正參加了反應(yīng)的那一部分質(zhì)量，反應(yīng)物中可能有一部分沒有參加反應(yīng)。因此，由定律可得到推論：化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)前各物質(zhì)的總質(zhì)量等于反應(yīng)后各物質(zhì)的總質(zhì)量；一個系統(tǒng)質(zhì)量的改變總是等于該系統(tǒng)輸入和輸出質(zhì)量的差值。

二、科技史體驗指向的質(zhì)量守恒定律教學(xué)實踐

1.任務(wù)分析

《初中科學(xué)課程標準》中關(guān)于原子結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)容描述為：通過實驗認識質(zhì)量守恒定律，并能用它來解釋常見的現(xiàn)象。浙教版科學(xué)教材由木炭燃燒、蠟燭燃燒、H2O2制取O2的質(zhì)量變化提出問題，通過圖4所示實驗測定反應(yīng)前后質(zhì)量變化得出質(zhì)量守恒定律，同時穿插了對裝置特點與好處的探討，最后從微觀角度解釋守恒的原因。可見，學(xué)習(xí)重點是建立“實驗→定律”“宏觀→微觀”的認識思維，理解裝置是一封閉孤立的彈性體系。

但是，錐形瓶容積按250 mL計算，參加化學(xué)反應(yīng)的氧氣與白磷的總質(zhì)量約為0.1143 g，少于實驗室普通天平的0.2克感量，無法測出參加反應(yīng)與反應(yīng)后生成的物質(zhì)總質(zhì)量，即使化學(xué)反應(yīng)前后天平指針沒有偏轉(zhuǎn)，也難以證實質(zhì)量守恒，顯示的只是“虛假的守恒”。因此，突破“虛假守恒”的實驗事實，理解測量體系在定量研究中的作用，感受嚴謹、求真、實證等科學(xué)精神，是本課學(xué)習(xí)的難點，這也是開展科技史體驗指向定律教學(xué)的出發(fā)點。

2.學(xué)習(xí)目標

（1）識別定律關(guān)鍵詞并建立模型等式，提升依據(jù)文字建立模型的能力。

（2）設(shè)計驗證質(zhì)量守恒的測量方案，理解測量體系的特點及定律的內(nèi)涵。

（3）推測質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)史實的成因，體會觀念、技術(shù)對科學(xué)發(fā)展的影響。

（4）解釋燃燒前后質(zhì)量變化，形成“宏觀→微觀”的認識思維。

3.教學(xué)過程

科技史體驗指向的質(zhì)量守恒定律教學(xué)流程如圖5所示，具體過程闡述如下：

（1）情境展示，認識任務(wù)

教師先出示紅磷，讓學(xué)生回憶紅磷在空氣中燃燒的現(xiàn)象，并寫出反應(yīng)文字表達式。然后，呈現(xiàn)質(zhì)量守恒定律，讓學(xué)生在閱讀中找出“化學(xué)反應(yīng)”“參加反應(yīng)的”“反應(yīng)生成的”“質(zhì)量”“總和”等關(guān)鍵詞，并用數(shù)學(xué)等式表示。學(xué)生討論后，教師板書“m反應(yīng)物總=m生成物總”，并提出任務(wù)：以磷在空氣中燃燒為例，設(shè)計測量方案，驗證質(zhì)量守恒定律。至此，實現(xiàn)由現(xiàn)象呈現(xiàn)定律、建構(gòu)等式，并揭示任務(wù)，旨在聚焦問題，滲透科學(xué)具有可重復(fù)性的觀念。

（2）引導(dǎo)推進，形成方案

設(shè)計紅磷燃燒前后質(zhì)量的測量方案，主要包含原理構(gòu)想、裝置設(shè)計、工具選擇等任務(wù)，教師需引導(dǎo)學(xué)生將設(shè)計任務(wù)進行分解，組織學(xué)生進行頭腦風(fēng)暴，在不斷的質(zhì)疑與改進中完成方案的設(shè)計，具體實施過程如下：

原理構(gòu)想時，教師提出問題：“如何判斷反應(yīng)物質(zhì)量總和與生成物質(zhì)量總和相等？”學(xué)生提出兩種思路：一是用天平分別測出兩者的總質(zhì)量，二是用天平比較反應(yīng)前后質(zhì)量總和是否變化。接著，讓學(xué)生從科學(xué)性、可行性等角度對兩種思路進行討論；最后，大家一致認為第二種思路操作更簡便。在這一過程中，學(xué)生對測量對象進行了仔細分析，對定律的4個關(guān)鍵詞也有了更深的體悟。

裝置設(shè)計時，教師揭示任務(wù)：為測出磷在空氣中燃燒前后的總質(zhì)量，讓磷在哪兒燃燒呢？需要設(shè)計一個磷燃燒反應(yīng)裝置。若裝置如圖6-①，會有什么問題？學(xué)生討論后形成共識：“生成的部分P2O5會隨氣體從集氣瓶中向外逸?！苯處熥穯枺骸霸趺崔k呢？”有學(xué)生提出加塞子，教師板畫如圖6-②。同樣，讓學(xué)生預(yù)測后果，并提出新的解決方案，教師則總是追問：“會有什么問題？”“怎么辦？”學(xué)生設(shè)計磷燃燒裝置的演變過程如圖6，其中②加瓶塞是為了防止物質(zhì)外逸，③插管是為了防止瓶塞沖出，④罩集氣瓶是為了回收外逸物質(zhì)，⑤以氣球代替集氣瓶是為了梳緩膨脹，⑥加水或沙是防止局部溫度過高導(dǎo)致瓶破裂。至此，學(xué)生設(shè)計的燃燒裝置已與教材實驗相同。在這一過程，燃燒裝置由開放體系變?yōu)槊荛]體系，由剛性體系變?yōu)閺椥泽w系，學(xué)生既領(lǐng)悟了燃燒裝置的設(shè)計奧秘，也加深了對定律關(guān)鍵詞“參加反應(yīng)的”“反應(yīng)生成的”的理解。

工具選擇時，出示如圖6所示裝置，并再問“還有問題嗎？”引導(dǎo)學(xué)生提出：參加反應(yīng)的總質(zhì)量若少于天平的感量，則不能判斷。于是，教師再問：“怎么辦？”學(xué)生認為應(yīng)該用感量更小的測量工具或者增大反應(yīng)的容器。這樣，再次加深學(xué)生對“參加反應(yīng)的”的理解，也知道了測量工具精度對實驗的影響。

（3）巡視組織，測量質(zhì)疑

實驗由教師與學(xué)生共同完成，化學(xué)反應(yīng)前后的體系質(zhì)量用感量為0.2 g的托盤天平判斷是否變化，并用感量為0.001 g的電子天平進行測量。實驗后，教師問：“能否據(jù)此得出質(zhì)量守恒定律？”學(xué)生展開討論，認為既需大量實驗事實才能得出具有普遍性的規(guī)律，還需采用精度更高的工具進行測量，使學(xué)生懂得化學(xué)反應(yīng)前后總質(zhì)量守恒是在此感量下的守恒。

（4）呈現(xiàn)史實，推測解釋

教師展示圖7，先介紹羅蒙諾索夫、拉瓦錫、朗道耳特、曼萊等人的實驗、觀點及影響，讓學(xué)生討論：當(dāng)時的人們對三人觀點的態(tài)度為什么會不同？教師適時介紹拉瓦錫、朗道耳特和曼萊時的測量技術(shù)精度，并與課堂所用的電子天平進行比較。接著，教師介紹波義耳、斯塔爾的發(fā)現(xiàn)與觀點，讓學(xué)生推測：他們?yōu)槭裁次茨苓M行深入研究、提出質(zhì)量守恒觀點？最后，讓學(xué)生用質(zhì)量守恒定律的觀點解釋汞煅燒后質(zhì)量增加、草木燃燒后質(zhì)量減小的原因，并推測：宏觀上表現(xiàn)出來的質(zhì)量守恒現(xiàn)象，背后所隱藏著的微觀原因。

在這一階段，介紹定律發(fā)現(xiàn)簡史，展現(xiàn)了先哲們的智慧光芒、技術(shù)與科學(xué)的互動關(guān)系；讓學(xué)生“回到”過去，推測當(dāng)時人們的觀點，了解科學(xué)概念被大眾接受的過程；推測科學(xué)家未能深入研究的原因，感受科學(xué)家觀念對科學(xué)發(fā)展的影響。同時，也鍛煉了用守恒觀點從宏觀、微觀兩角度對現(xiàn)象進行科學(xué)解釋的能力。

4.教學(xué)反思

（1）科技史體驗利于素養(yǎng)的發(fā)展

科學(xué)是為了發(fā)現(xiàn)，技術(shù)是為了發(fā)明，兩者相互推動，且都具有特定的背景與歷程，在課程中融入科學(xué)技術(shù)史，被當(dāng)今各國科學(xué)教育界所提倡?？萍际敷w驗旨在科學(xué)課程中融入技術(shù)與史實，讓學(xué)生經(jīng)歷技術(shù)設(shè)計、史實品評，進而學(xué)習(xí)科學(xué)、體會本質(zhì)，是科學(xué)教學(xué)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要抓手。本案例以測量設(shè)計、史實比較為核心，通過裝置設(shè)計體會技術(shù)魅力、理解定律本質(zhì)，通過比較史實領(lǐng)悟技術(shù)對科學(xué)的推動、定量實驗對科學(xué)研究的價值。

（2）技術(shù)設(shè)計要以學(xué)生為中心

設(shè)計是一個提出問題、解決問題的循環(huán)過程，目標是發(fā)明新方法、新手段、新設(shè)備，教學(xué)要努力讓學(xué)生成為設(shè)計的問題發(fā)現(xiàn)者與方案改進者，在相互吹毛求疵的質(zhì)疑中完善設(shè)計。本案例在裝置設(shè)計過程中，教師以“還有問題嗎？怎么解決呢”來組織討論，學(xué)生在不斷地質(zhì)疑、改進中完善裝置設(shè)計，充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，有效地促進了學(xué)生問題解決與創(chuàng)新設(shè)計能力的發(fā)展。

（3）用教材教而不拘泥于教材

教材是課程標準的具體化，反映了面向全體學(xué)生的學(xué)習(xí)基本要求。教學(xué)設(shè)計要參照課程標準，但不能拘泥于標準，也可超越標準；要以教材為依托，但不能按照教材教，而應(yīng)視教材為素材，博采眾長，創(chuàng)造性地運用教材。本案例圍繞學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展，重設(shè)教學(xué)目標，增刪教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)以終為始，實施時以測量原理構(gòu)想、燃燒裝置設(shè)計為突破點，增加史實的比較與推測，做到了超越標準、活用教材。

參考文獻

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