謝敬琴
本文以初中化學(xué)“質(zhì)量守恒定律”為例,提出基于思維模型建構(gòu)的概念教學(xué)方式,通過情境不斷地設(shè)置認知沖突,引發(fā)思維碰撞,引導(dǎo)學(xué)生不斷修正,最終形成其對化學(xué)概念的理解。
一、模型初構(gòu):探尋歷史過程,初識質(zhì)量守恒
本節(jié)課的導(dǎo)入環(huán)節(jié),通過探尋科學(xué)家探索化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒關(guān)系的化學(xué)史料,引領(lǐng)學(xué)生初步構(gòu)建質(zhì)量守恒模型。
【問題引導(dǎo)】請大家閱讀導(dǎo)學(xué)案內(nèi)容,下面我們一起對照科學(xué)家研究的化學(xué)史料(見表1),思考以下幾個問題:(1)波義耳和施塔爾這兩位科學(xué)家對物質(zhì)燃燒時質(zhì)量變化的假說有什么不同?(2)羅蒙諾索夫的實驗結(jié)果對波義耳的火素假說有哪些修正?(3)對比施塔爾的燃素假說,請你說一說拉瓦錫實驗有什么重要意義?
表1 質(zhì)量守恒定律發(fā)展史
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續(xù)表
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【學(xué)生活動】學(xué)生以小組為單位,自主搜集材料,對四位科學(xué)家的理論進行深入思考與探究:羅蒙諾索夫在波義耳假說的基礎(chǔ)上,排除外界環(huán)境對實驗影響,利用密閉裝置找到了參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)——氧氣,并提出化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量不變的結(jié)論,這是質(zhì)量守恒定律的最早模型;拉瓦錫更注重實驗的科學(xué)性和嚴謹性,并通過汞和氧氣加熱、氧化汞加熱分解兩個實驗多角度地驗證了質(zhì)量守恒定律,并確立了質(zhì)量守恒定律的重要地位。
二、模型強化:實驗探究分析,建構(gòu)守恒模型
通過前面化學(xué)史的學(xué)習(xí),學(xué)生深刻意識到得出正確的結(jié)論必須經(jīng)過大量的實驗證明。因此,在本環(huán)節(jié)教學(xué)中重點通過實驗來探究化學(xué)反應(yīng)前后各物質(zhì)的總量是否相等,從而幫助學(xué)生建構(gòu)質(zhì)量守恒模型。
活動一:白磷燃燒實驗的演示與探究
師:跟著科學(xué)家的步伐,今天我們也來設(shè)計實驗驗證一下白磷燃燒前后質(zhì)量是否不變。如何判斷反應(yīng)物白磷、氧氣的質(zhì)量總和與生成物五氧化二磷質(zhì)量總和相等?
生1:可以用天平分別測出白磷、氧氣、五氧化二磷的總質(zhì)量。
生2:我們可以用天平比較實驗前后物質(zhì)的總量,然后判斷總量是否發(fā)生變化。
師:從實驗的科學(xué)性、可行性等角度對以上兩種思路進行思考,哪一種方法會更好?
生:第二種。
師:拉瓦錫是在密閉容器內(nèi)進行驗證,那么為了精準測出白磷在空氣中燃燒前后的總質(zhì)量,我們首先需要設(shè)計一個磷燃燒的反應(yīng)裝置。
【學(xué)生活動】學(xué)生小組討論,并畫出實驗裝置草稿,根據(jù)對學(xué)生圖紙的匯總,發(fā)現(xiàn)學(xué)生主要存在以下兩個問題(圖1):
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圖1(a) 圖1(b)
【問題引導(dǎo)】利用電子白板拍照展示圖1,并組織討論:若裝置如圖1,會產(chǎn)生什么問題,引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測可能產(chǎn)生的后果,圖1(a)中,由于反應(yīng)系統(tǒng)是一個開放的狀態(tài),所以可能會有部分生成物跑出,無法正確比較反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量;圖1(b)是一個完全密閉的裝置,但由于白磷燃燒時會產(chǎn)生氣體,當氣體膨脹時會沖開瓶塞,甚至?xí)?dǎo)致玻璃瓶爆炸。教師追問解決辦法,逐步引導(dǎo)學(xué)生得到最優(yōu)方案(見圖2)。
然后,教師根據(jù)學(xué)生的方案進行實驗演示,在此過程中要求學(xué)生認真觀察,并思考以下問題:(1)如何引燃白磷?玻璃管、細沙、小氣球的作用是什么?(2)實驗中你觀察到了哪些現(xiàn)象?(3)白磷燃燒前后需要稱量的物質(zhì)有哪些?什么時候稱量?怎么稱量?(4)請你對白磷燃燒這一化學(xué)反應(yīng)的總質(zhì)量變化情況進行分析,并建立該反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量思維框架圖。
【學(xué)生活動】學(xué)生觀察教師演示實驗,并記錄實驗流程及相關(guān)數(shù)據(jù),通過小組交流和討論完成以上問題。其中,問題1:在錐形瓶口的橡皮塞上安裝一根玻璃管,在玻璃管上端系牢一個癟氣球,可以防止白磷燃燒使瓶內(nèi)的氣體膨脹而溢散到瓶外;問題2:白磷燃燒后,整個裝置內(nèi)產(chǎn)生了大量白煙,小氣球鼓起來,但是當溫度下降后,白煙也沉降下來,氣球慢慢癟掉;問題3:在燃燒前把錐形瓶放在天平的左盤,右盤放砝碼,通過移動游碼來調(diào)節(jié)天平平衡,然后取下錐形瓶,將瓶塞上的鐵絲在酒精燈上燒紅后接觸,引燃白磷,立刻塞緊瓶塞,待反應(yīng)結(jié)束并冷卻到室溫后重新放在天平上,測量錐形瓶的總物質(zhì)量。問題4:學(xué)生畫出白磷燃燒前后物質(zhì)質(zhì)量變化的思維框架圖,并進行展示(見圖3)。
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圖3
結(jié)合該思維框架圖,引導(dǎo)學(xué)生提取質(zhì)量守恒的關(guān)鍵詞,并構(gòu)建模型圖,如圖4所示。
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圖4
活動二:對比分析實驗差異
【問題引導(dǎo)】用如圖5所示裝置驗證質(zhì)量守恒定律,反應(yīng)前天平平衡,取下左盤的裝置,使稀鹽酸和大理石充分接觸,待充分反應(yīng)后氣球膨脹,再將其放回到天平左盤,此時天平的指針向右偏轉(zhuǎn),這一現(xiàn)象是否符合質(zhì)量守恒定律?請說明理由。
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圖5
組1:我們發(fā)現(xiàn)在利用白磷燃燒來驗證質(zhì)量守恒定律時,由于白磷燃燒產(chǎn)生了大量的白煙,同時使得錐形瓶溫度升高,此時小氣球會鼓起來,但當溫度下降后,白煙逐漸下沉,此時小氣球慢慢地變癟,所以它不會再受到空氣的浮力作用。
師:不錯,所以這也啟示我們在用白磷燃燒來驗證質(zhì)量守恒定律時,一定要等待完全反應(yīng)之后且錐形瓶的溫度恢復(fù)到室溫后才能將其放回到天平上,這樣就能避免空氣浮力造成的偏差。
組2:大理石和稀鹽酸反應(yīng)過程中會產(chǎn)生二氧化碳氣體,它始終能夠讓小氣球膨脹,所以它的體積變大之后不會癟掉,因此,空氣浮力造成的偏差始終無法消除,就會出現(xiàn)天平無法再次平衡的現(xiàn)象。
師:是的,這個實驗同樣帶給我們一個啟示:在驗證質(zhì)量守恒定律時,針對封閉體系也會存在多種情況,要做到具體問題具體分析。
三、模型深化:實驗探究創(chuàng)新,強化守恒模型
在本環(huán)節(jié)中,重點結(jié)合教材實驗,引導(dǎo)學(xué)生小組自主探究,強化學(xué)生對質(zhì)量守恒定律的理解。
學(xué)生實驗一:鐵釘和硫酸銅溶液化學(xué)反應(yīng)的實驗探究
儀器及藥品:硫酸銅溶液(放在50 mL燒杯中)、鐵釘1個(放在50 mL錐形瓶中)、鑷子、天平(帶砝碼)。
學(xué)生實驗二:碳酸氫鈉粉末和稀鹽酸溶液化學(xué)反應(yīng)的實驗探究
儀器及藥品:碳酸鈉粉末分別放在50 mL錐形瓶中,小試管(放有少量稀鹽酸)放在試管架,天平(帶砝碼)。
小組合作,自主設(shè)計實驗方案,分別進行三組實驗,認真觀察記錄,并完成表格內(nèi)容(見表2)。接下來各小組有序匯報,交流,分享實驗經(jīng)歷。
【問題引導(dǎo)】請小組代表匯報兩個實驗的現(xiàn)象和結(jié)論。
組1:在第一個實驗中,鐵釘和硫酸銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后,鐵釘表面變成紅色,硫酸銅溶液變成綠色。在錐形瓶中仍然有鐵釘和硫酸銅,其化學(xué)反應(yīng)方程為:Fe+CuSO4=FeSO4+Cu。
師:這個實驗中哪些物質(zhì)參加了反應(yīng)?反應(yīng)后錐形瓶內(nèi)又有哪些物質(zhì)?哪些物質(zhì)的量發(fā)生了變化?哪些物質(zhì)的量沒有改變?
組1:通過對比分析發(fā)現(xiàn),燒杯的質(zhì)量、水的質(zhì)量未參加反應(yīng),沒有參加反應(yīng)的鐵與硫酸銅的質(zhì)量不變。因此,參加反應(yīng)的鐵與硫酸銅的質(zhì)量總和等于參加反應(yīng)后銅與硫酸亞鐵質(zhì)量的總和。
組2:在第二個實驗中,碳酸氫鈉粉末和稀鹽酸溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),其化學(xué)方程式為:NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O。在反應(yīng)過程中,碳酸氫鈉粉末質(zhì)量減少,并產(chǎn)生大量氣泡。最后我們發(fā)現(xiàn)天平平衡,這說明了化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量相等。
組3:我們小組最后發(fā)現(xiàn)天平不平衡,這是怎么回事呢?
師:碳酸氫鈉粉末和稀鹽酸反應(yīng)后質(zhì)量為什么減少?
組4:我們猜測可能是實驗裝置不密閉,二氧化碳逸出,導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)后質(zhì)量減少。
師:不錯,在有氣體參加或生成的反應(yīng)中,驗證質(zhì)量守恒定律的實驗裝置一定做到密閉。
表2
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四、總結(jié)
質(zhì)量守恒定律是初中化學(xué)的重要概念,其應(yīng)用貫穿于整個化學(xué)學(xué)習(xí)過程。為了讓學(xué)生能夠充分理解質(zhì)量守恒定律,在本節(jié)課教學(xué)中,筆者將啟發(fā)引導(dǎo)法與探究實驗法相結(jié)合,設(shè)計了多樣化的學(xué)習(xí)任務(wù),讓學(xué)生從熟悉的化學(xué)反應(yīng)入手,通過層層深入,引導(dǎo)學(xué)生從探究實驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題,從而自主構(gòu)建知識體系,掌握質(zhì)量守恒定律的主要內(nèi)容。這樣有利于學(xué)生實驗探究能力和學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng),最終達到學(xué)科育人的目的。
(作者單位:泗洪縣第二實驗學(xué)校)
編輯:陳鮮艷