质量守恒定律实验课堂生成的探讨

赖永威 胡小平

摘 要：质量守恒定律是初中科学中的一个重要内容。文章从实验设计效度、实验教学中实验目标“既定”、实验探究停留在承认“守恒”上、微观解释停留在“确认守恒”上等几个方面阐述教学生成的缺失。

关键词：质量守恒定律；教学生成；缺失

质量守恒定律是初中科学中的一个重要内容。根据课程标准，质量守恒定律的教学目标是：通过实验认识质量守恒定律，并能用它解釋常见现象。浙江省2014年中考说明中列出了三条质量守恒定律的考试内容：①描述质量守恒定律；②从分子、原子角度解释质量守恒定律；③应用质量守恒定律解释常见的现象。

2006年北京市初中化学课堂教学大赛的一个课题是质量守恒定律，北京师范大学王磊教授是比赛的评委之一，她观察了20节不同参赛选手的课。根据王磊的观察，比赛有许多亮点，但也存在一些问题。上课之前王磊了解到，学生已经知道质量守恒定律。学生认为：木炭燃烧后生成的二氧化碳质量和燃烧前木炭质量相等。课后王磊又询问同样的学生同样的问题，其中一个学生的回答和课前完全一样，另一个学生回答：“木炭的质量等于生成的二氧化碳的质量与剩余的木炭的质量之和。”

生成的课堂在于把“既定的”目标变成“将成的”目标，课堂成为师生创造生命意义的动态生成的生活过程。要充分认识科学知识的形成过程，强调从学生的纠结点入手，引导学生探究解决问题。笔者根据平常的教学实际情况与有关文献资料，试论质量守恒定律教学生成缺失。

一、教科书中实验设计效度不利生成

浙教版教科书有两个关于质量守恒定律的实验，第一个是白磷燃烧，第二个是氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液。具体装置如2014年浙教版科学教科书（八年级下册）第88页所示。上述两个实验中，白磷燃烧实验更重要，该实验现象和学生的日常观念不一致，容易引起学生的认知冲突。白磷燃烧实验运用得好，有助于学生克服错误概念，建立科学概念。第二个实验没有燃烧现象，但有沉淀生成，是在一个封闭系统内进行，不管里面发生了什么，质量都不会变化，这与学生原有经验一致，不易引起学生的认知冲突。笔者在教学实践中认为，编者在实验设计上存在实验效度问题，不利于教学中有效地激发探究，生成知识，得出结论。

（1）教科书中的实验装置无法显示反应中的质量变化。标准状态下，氧气密度为1.43×10-3克/毫升，空气中氧气的体积含量为21%。根据化学反应方程式可以算出，仅仅使0.124克磷和0.16克氧气（反应物总质量为0.284克）完全反应，就需要大约533毫升的空气。但是实验时使用的锥形瓶是150毫升或250毫升。假定实验中使用250毫升的锥形瓶，氧气质量约为0.072克，根据化学反应方程式可以算出磷的质量约为0.054克，那么反应物总质量是0.126克。假设化学反应过程中质量变化了百分之十，就认为质量不守恒，质量变化小于百分之十，则认为质量是守恒的，那么0.126克的反应物发生了百分之十的变化，相当于增加或减少了0.0126克。0.0126克的变化在托盘天平（感量为0.2克）上观察不到。也就是说，即使化学反应中质量有明显的变化，利用教科书的实验装置也显示不出来，实验是无效的。

因此，使用托盘天平，至少能够提供2000毫升的空气，才可以说如果反应物的总质量发生了百分之十的变化，天平的指针就会有明显偏转。但是整个装置的总质量不能超过200克。经过实验探究，我们将1.75升的塑料饮料瓶与250毫升的平底烧瓶相连（篇幅所限，图略），两根玻璃管穿过两个橡皮塞，其中一根从饮料瓶底到烧瓶内口，另一根从烧瓶底到饮料瓶内口，使烧瓶里的热空气与饮料瓶里的冷空气充分对流。烧瓶底部的一侧放一小块导热性能好的金属片，以避免燃烧直接在瓶底发生，白磷放在金属片上，用酒精灯加热瓶底以点燃白磷。如图（篇幅所限，图略），瓶外的气球只是防止燃烧开始的时候体积稍有膨胀，但压强并不大，不会冲开瓶塞。因为燃烧过程中，消耗氧气的体积远大于热膨胀（标准状态下气体的热膨胀系数为1/273）的体积，瓶内的气压小于大气压。所以，瓶外也可以不设气球。

第二个实验也存在效度问题。氢氧化钠溶液或硫酸铜溶液“储存”在胶头滴管内，挤压胶头滴管，里面的溶液滴入锥形瓶，两种液体混合发生反应。胶头滴管里溶液数量很少，溶质质量更小。即使化学反应前后质量有变化，从托盘天平上也观察不出来。第二个实验装置的目的是使反应物和生成物处在一个封闭的环境内，避免学生产生“也许有看不见的物质进来或出去”的疑问。因此，可以将滴管取下，把装有烧碱溶液的试管放在锥形瓶内，倾斜锥形瓶，试管内的烧碱溶液与锥形瓶内的硫酸铜溶液混合而发生反应。

（2）实验操作难以保证。在“白磷燃烧”实验中，白磷放在锥形瓶里，一根玻璃管穿过橡皮塞，露在瓶外的一端套上气球，将处于瓶内的铁丝一端加热后准确地戳到瓶里的磷，同时橡皮塞又要刚好盖住瓶口，使锥形瓶密封，实验中常常出现“白烟”泄漏。

二、实验教学中实验目标“既定”不利生成

为了和现有科学结论一致，将没有办法确定质量是否变化的实验结果当成质量不变，这是非常可怕的。不能使用没有效度的证据来验证现有的科学理论。实验方法错误导致实验数据无效，最终无法确定质量是否变化。有的老师可能会说，因为化学反应中质量肯定是守恒的，即使使用更精确的称量仪器，只要操作正确，工具显示的质量就不会变化，与教科书中的结论恰好吻合。所以，只要化学反应的现象明显，让学生看到反应前后天平依然保持平衡就可以了。

（1）科学态度问题。学生怀疑的是教师用于说明科学结论的实验。他们认为：教师为了让他们接受教科书里的结论，就千方百计地运用各种手段说服他们，实验就是科学教师最常用的一种手段。有时教师会用假的东西欺骗他们。学生的观点不是没有道理，有时候教师的确用不正确的实验现象说明正确的科学原理，有时是教学态度问题，有时是实验技能或教学方法问题。例如：紫色石蕊试液遇到碱性溶液变成蓝色，由于配置的石蕊试液没有经过处理，显示的是蓝色或接近蓝色，不是紫色，但教师告诉学生是紫色。石蕊试液滴入烧碱溶液后，很难看出颜色的变化。学生说没有变，依然是“紫色”，老师就说：你们所看到的紫色实际上就是蓝色。

（2）实验目标问题。实验的主要目的是让学生经历获得科学结论的过程，认识科学知识的形成过程。同时，也是改变过度依赖接受学习的一种方式。学习科学不是接受最终结论的活动，而是探究科学结论的过程，不能将实验简单地看成是收集证据与验证结论的一种手段。

虽然许多学生早就知道质量守恒定律，但是他们的理解并不正确、不深刻，更没有探索质量守恒定律的经历与体验。教学要以学生的认知为起点，让学生在探究中理解科学原理。不能假定学生看不出实验漏洞而用错误的实验应付。大部分老师的目的是通过实验让学生确信质量守恒定律，这样的实验目标是不合理的。学生不是不相信教科书的结论，他们一般不会怀疑现有科学理论。假如学生怀疑现有的科学结论，很可能他们对科学具有好奇心，感到迷惑，或者具有质疑意识，这是有助于科学探究的一种品质。反之，学生往往将现有的科学结论看成是毋庸置疑的真理，只要记住结论就可以了。朱清时院士在七年级科学教科书前言中提出：“科学并不是简单地对自然规律加以揭示，更重要的是找到研究自然规律的方法。”实验就是研究自然规律的重要方法，要一丝不苟，以科学严谨的态度对待实验过程的每一个细节，要用确信有力的数据来证明相应的科学结论。

三、实验探究停留在承认“守恒”上不利生成

学生对质量守恒定律的理解不能停留在承认“反应前后物质总质量保持不变”上，实际上很多学生在课前就知道质量守恒定律。问题在于不会运用质量守恒定律解释具体的现象，不会分析具体化学反应中不同物质的质量关系。

首先，要明确有什么物质参加反应、生成什么物质、反应物有没有全部参加反应。研究质量是否守恒时，是把剩余的反应物质计算在内还是不计算？如果反应物有两种，两种反应物的质量比例关系有没有限制？这些问题都要在实验时考虑到。否则，质量守恒定律的学习和配平化学反应方程式，以及根据化学反应方程式的计算就变得没有内在关联。这是平常质量守恒定律教学的一个缺陷。没有正确理解质量守恒定律，学习根据化学反应方程式进行计算会遇到更大的困难。虽然会模仿例题解答已知一种物质的质量求其余物质的质量，如果给出两种物质质量，学生不知道选择哪一种进行计算。遇到溶液问题，不理解为什么不能直接用溶液的质量计算。

其次，不仅要做反应前后质量不变的实验，也做质量“变化”的实验，如镁带燃烧后质量“增加”、木炭燃烧后质量“减少”，分析质量增加或减少的原因。这里可以融入科学史，教师用燃素说解释燃烧中的质量变化，让学生分析、判断解释的合理性，进一步理解燃烧的本质与质量守恒定律。

四、微观解释停留在“确认守恒”不利于生成

微观解释的教学活动环节所起的作用，停留在进一步确认质量守恒定律，质量守恒定律确实是真的，有根据的。微观层次上对质量守恒定律的理解并没有迁移到运用化学反应方程式的计算上。因此，微观解释活动没有收到应该具有的教学效果，可以尝试通过学生的动手活动来模拟化学反应，让学生拆、拼模型以表示化学变化。

质量守恒定律的微观解释通常采用两种方法。有些教师在得出质量守恒定律之前利用分子和原子模型示意图说明化学反应的微观机制，启发学生对化学反应中质量关系提出猜测。有的教学则在得出质量守恒定律之后，再做出微观解释，帮助学生从物质微观结构层次上理解质量守恒定律。微观解释时一般配合使用模型图或动画演示，很少动手操作，而且两种反应物的分子数或原子数恰好用完，没有“过量”情况出现。

使用模型在微观层次上解释质量守恒定律，与宏观实验结论相互印证，掌握質量守恒定律似乎不成问题。但是，微观层次上对质量守恒定律的理解并没有迁移到运用化学反应方程式的计算上。微观解释的教学活动环节所起的作用，停留在进一步确认质量守恒定律，质量守恒定律确实是真的，有根据的。如前所述，没有必要担忧学生不相信质量守恒定律。因此，微观解释活动没有收到应该具有的教学效果。可以尝试通过学生的动手活动来模拟化学反应，让学生拆、拼模型以表示化学变化。计算反应前后各种原子与分子的数目和种类，得出反应前后的质量关系，同时认识不同反应物的比例关系。需要注意的是，给学生的分子、原子模型数目是随意的，不要刚好与真实反应数目相等，在活动中就会遇到某种模型不够用或太多的情况。如果学生一定把模型使用完，可能会拼出与正确模型不同的模型，编造出实际不存在的物质。然后学生之间互相讨论、比较，为什么有的没有用完模型？为什么有的不够用？这样有助于学生理解化学反应中的不同物质有确定的比例关系，理解配平化学反应方程式的过程，就是根据质量守恒定律确定正确的比例关系的过程。

参考文献：

[1]教育部.义务教育初中科学课程标准[S].北京：北京师范大学

出版社，2011.

[2]王磊.多角度透析“质量守恒定律”课堂教学——从“质量守

恒定律”看新理念怎样进课堂[N].中国教育报，2007-1-19.

（浙江省泰顺县第四中学）