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