“质量守恒定律”探究实验的衍变与作用剖析

张冰峰

摘要：通过对义务教育教科书（人教版）不同时期三个版本关于“质量守恒定律”课题中探究实验的对比分析，寻找实验改进的衍变轨迹，剖析实验的导学作用。建议在实验教学中要目的清，让学生在核心中学；要动手做，让学生在体验中学；要变式导，让学生在比较中学。

关键词：质量守恒定律；实验衍变；导学功能；教学建议

文章编号：1005 - 6629（2015）5 - 0075 - 04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 教材分析

“质量守恒定律”是初中化学的核心知识，是学生从定性到定量认识化学的转折点，是学生学习化学方程式和进行化学计算的理论基石，更是学生理解化学反应实质，形成质量观、守恒观的阶梯。课程标准单独设立了“质量守恒定律”主题，详细阐明其学习的内容标准[1]，各种版本的教科书也十分重视此课题的内容编著，尤其是一线教师特别重视此课题的教学导学设计，视其为学好化学的分水岭。

近十年来，我们学校所在地区初中化学先后使用过“人教版”的三个版本教科书，分别是以“教学大纲”为背景，由程名荣、胡美玲主编的“九年制义务教育三年制初级中学化学教科书（全一册）”[2]（以下简称“大纲版”），以“课程标准”为背景，由胡美玲、何少华、王晶主编的“义务教育课程标准九年级化学实验教科书”[3]（以下简称“课标实验版”），以及以2011年“新课程标准”为背景，由王品，郑长龙主编的“义务教育九年级化学教科书”[4]（以下简称“新课标版”）。通过比较发现，不同背景下的“人教版”教科书的主编关于“质量守恒定律”的章节编写却传承着相同的编写导学思路，见图1。

遵循这个思路，教科书充分发挥实验的导学功能，设计了一系列探究活动，引导学生从宏观事实角度分析“平衡现象”，从微观粒子角度分析理解“守恒的实质”，引导学生用定量分析的方法对化学现象以及内在反应的实质进行探究和归纳，从而得出“质量守恒”这一化学反应基本规律。

在教学中，一线教师需从多角度研究每个实验的目的和意义，力求发挥实验的作用以利于教学。每次新版教科书也有相应改编体现，并呈现出一定的衍变规律。下面结合具体的实验谈谈自己的一些认识。

2 实验的衍变分析

宋心琦教授认为：“一个化学实验，不论是演示实验还是教学实验，都可以归纳为：作为实验对象的物质体系；适当的仪器装置和必要的安全措施；合理的实验步骤和规范的操作技能等三个方面。[5]”比较发现，不同背景下的教科书在实验选择上都具有代表性，但在物质体系、实验装置等多方面存在差异，且呈现“衍生渐变”过程。为了便于陈述和比较，现将三个版本教科书中“质量守恒定律”章节中选择的实验汇集如下（见表1）。

2.1 实验试剂选用呈现渐变

比较对照实验图2、图4与图8，“课标实验版”沿用了与“大纲版”相同的白磷，而“新课标版”将白磷改成了红磷。这种改变是基于安全性的考虑[6]。2007年“课标实验版”教学参考书特别指出：白磷是一种易白燃而义有剧毒的物质，通常储存在水中，切割白磷也应该在水中进行。取白磷要用镊子，不可用手接触，表面的水分要用滤纸吸干，需快速放置在锥形瓶底中间位置，再用玻璃导管引燃。在实验时还要特别注意接触过白磷的工具上往往残留白磷的碎片，不能随意乱放，残留的白磷的碎片和吸过白磷表面水分的滤纸一定要烧掉以保证安全。可见使用白磷进行实验操作要求高、安全注意点多，而红磷着火点高，不易自燃，且无毒，在实验中操作相对简便、从容，安全性高。

比较对照实验图3、图5与图9，实验试剂的变化是将硫酸铜与氢氧化钠的反应改为硫酸铜与铁钉的反应。这种试剂的改变可以使实验中称量和操作更方便，因为原实验中将盛有氢氧化钠溶液的试管取出并倒人硫酸铜溶液，易导致液体外滴在烧杯外，而将铁钉放入硫酸铜溶液就很方便，这种试剂的改变还可以避免“氢氧化钠溶液会不会吸收空气中的二氧化碳”等问题的争论，使引导分析更简明。

2.2 实验装置设计呈现渐变

比较对照实验图2与图4，实验装置中将“导热引燃”的玻璃棒改为玻璃管，并在玻璃管上端增加了一个气球，其修改意图是基于“万一燃烧产生热量引起橡皮塞蹦出或使玻璃容器破裂导致危险”的安全性考虑，对实验做了“缓冲受热膨胀”的改进，使实验更安全。

比较对照实验图5与图9，“新课标版”实验装置变化是将原来的敞口实验体系改为密闭实验体系，原因是该实验中出现了其他反应，酸性的硫酸铜溶液与铁反应产生了氢气，虽然极其微量，在准确度为O.lg的托盘天平也会产生“平衡”，但是将装置改成密闭实验体系，使实验更科学严谨。笔者认为，探究质量守恒定律的“平衡类”实验应该使用密闭体系装置，因为不管与外界是否发生物质的交换或反应，实验过程中水分的挥发总是客观存在的。

以上为防止受热膨胀爆炸所增加的气球装置改进以及由敞口体系装置渐变到封闭体系装置的改进，体现了教科书中的实验在不断进行科学衍变的过程。

2.3 实验的数目与类型发生变化

“大纲版”教科书关于“质量守恒定律”的探究实验只有两个：白磷的燃烧（见图2）、氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应（见图3）。这两个实验现象都是“平衡”的。实验体系呈现两种情况：一个是封闭的，一个是敞口的，没有关于实验“不平衡现象”以及实验体系密封性的讨论等。选择这两个实验的目的就是用既简单义具代表性的实验来阐明“化学反应前后总质量相等”的结论，再用“无数实验证明”一段文字以及教师引导下通过演绎推理的方法得出了质量守恒定理。

为什么“课标实验版”教科书的实验在原“大纲版”的实验基础上要增加两个实验？分析认为，这样通过对不同类型实验的比较与判断，能不断地揭示矛盾和解决矛盾，有利于激发学生强烈的求知欲，也有利于学生知识体系的建构。以“新课标版”为例，学生通过前两个“平衡”实验现象的观察与教师导学分析，已经初步认可了化学反应“质量守恒”的事实。在此认知基础上，“课标版”教科书增加了两个实验，采用敞口的实验体系，出现“实验不平衡”的现象，让学生产生“化学反应难道不守恒吗”的疑问，激发学生更强烈的求知欲和探究意识，使学生透过不同情况下实验结果的表象，思考“是否平衡”与实验体系密封性的内在关系，强化反应物和生成物“一个都不能少”的思维分析方法，构建“守恒是必然的，不平衡是有原因的”的问题分析思想。

3 教学建议

通过对三个版本教科书中实验的衍变分析，可以体会到教科书编著者的用心和智慧。叶圣陶认为：“教材即使编得非常详尽，也不过是某一学科的提要，加上一些必要的范例罢了；因此，教材只能作为教课的依据，要教得好，使学生受到实益，还靠教师的善于运用。”所以教师充分遵循教科书实验选编的意图，发挥实验资源的作用，创新导学方式，既有利于教师的导教，更有利于学生的学习。

3.1 目的清，让学生抓住核心学

在不同的学习情境下，每个实验的意图和导学作用是不同的。根据“质量守恒定律”章节编写的导学思路可以看到，此节四个实验的作用是“验证与修正，体验与运用”；是运用天平等“衡”仪器，用定量化学实验研究的方法作为学生学习过程的体验，从而达到掌握质量守恒定律的目的，并不是从定性的角度引导学生学习新物质的化学性质。所以在进行实验演示或探究导学时，应该重点引导学生关注实验中“质量如何”的现象，如第1～2个实验观察的关键是“前后质量是否平衡”，目的是帮助学生初步形成化学反应中“质量守恒”的思维定势。第3～4个实验观察的重点是“反应前后质量是否发生变化？变化的原因是什么”等，让学生在认知冲突中加深对守恒定律的理解与同化，不能让学生过多地观察分析一些物质化学变化中的性质类现象。例如在红磷燃烧的实验中，不应该让学生把观察注意力放在物质的“放热、发光、白烟、变色”等现象上；在铁钉与硫酸铜的反应实验中，也无需引导学生关注因硫酸铜水解所导致的“是否还有气泡产生”的问题发现；而在碳酸钠与盐酸反应的实验中，却要引导学生观察涉及质量变化因素的现象，如“是否有气体的外泄”等；同样在镁条燃烧的实验中，则要重点引导学生观察“白烟的散逸”等现象。这样教师引导学生观察的重点准，问题分析的目的清，才能集中学生思维注意力，围绕关键问题进行探究，有利于学生核心知识的建构。

3.2 动手做，让学生在体验中学

化学作为一门以物质为研究对象的实验性科学，具有着重实际体验和基于事实进行合乎逻辑地简单推理的特点[7]。而体验是通过实践和亲身参与、亲身经历的一种特殊认知方式，是一种先行而后知的认知方式。化学的体验学习特别强调“做中学”的理念，正如古语说“吾听吾忘，吾见吾记，吾做吾悟”，让学生在实验体验中去感悟。

在教学中，一些教师为图方便，采取全部播放“实验视频”的方式进行教学，如此“快餐式”导学方式虽然增加课堂容量，加快了教学节奏，但是学生会“食而不化”，必然会导致学习效果差。所以我们在“质量守恒定律”的学习过程中，一定要通过教师动手做演示实验或让学生动手做实验的方式使学生或见或做，构建知识，感悟实质。其实教师认真演示实验的“慢过程”，或者学生亲自动手实验的“体验过程”，就是激发学生动脑思维的过程，也是学生不断产生困惑并逐步解决问题的过程。

例如在教科书安排的四个实验中，红磷燃烧实验是最令教师心忧的一个实验，因为该实验准备繁琐，操作繁琐而且耗时，还会因装置气密性等问题导致实验失败。但教师一定要进行实验演示，就是实验失败了也是一个很好的“意外”教学素材，教师可以引导学生对照教科书中的实验步骤以及要求分析失败的原因，在认知冲突中再次体验，一定会有许多感悟。

3.3 变式导，让学生在比较中学

在网络时代的当下，学生观察化学实验视频已成为一个随时性的行为，在课前就可以通过网络观看到教科书中的实验视频，使实验不再具有新颖性和探索性。又由于对自主学习的倡导，许多学生养成了课前预习的好习惯，加之教科书本身可自学的特点，学生通过预习，对教科书的知识包括实验的现象、结论等都已经基本了解，若教师还是按图索骥式地进行实验，课堂教学就会如嚼蜡无味一般，教师唯有变式导学，才能再次激发学生学习的激情和动力。

如红磷燃烧的实验，教师可以在安全操作的前提下，改用白磷并用微热烘烤锥形瓶的方式进行演示实验，通过改变引导学生进行对比分析，感悟实验虽有差异而原理相同的内涵实质。

又如教师在引导学生分析碳酸钠与盐酸反应的“不平衡”实验后，向学生提出一定要设计一个“平衡”的实验要求，引导学生设计出在密闭容器中进行碳酸盐与盐酸反应的实验装置（见图12），让学生在对比分析的基础上，感受实验方案设计的科学性，提升学生思维分析的严谨性。

再如镁条燃烧，其实验结果会因为操作方式和镁条长度不同而产生三种结果，即反应后的物质质量会小于、等于、大于原镁条的质量[8]。但是在课堂上通过一次或几次实验是无法获得三种实验现象的。我们可以采取让学生先根据镁与氧气反应生成氧化镁的原理做一个实验的现象预判，教师再演示或让学生完成一个“质量变小”的实验体验[9、10]（实验时一定要戴护目镜，防止“光性视网膜损伤”发生）[11]，观看一个“质量变大”的“优酷”实验视频（“优酷”中都是“质量变大”的视频），思考一个“质量相等”的客观现实，通过这样不同的方式引导学生积极推理，深入探究分析，寻找分析影响实验质量差异的因素，以期达到提升分析问题解决问题的能力。

总之，教科书上每一处修改必有缘由，任何细微变化都是编写者认真思虑的结晶。无数教学一线的教师也在孜孜研渎一本教科书，年年都会对“质量守恒定律”课题进行重新备课，创新设让教学感悟会不断深入，实验的衍变也会继续进行着。让我们倾心于教学中改革实验，在实践中品味实验，让实验发挥最佳功效。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准（2011版）[s].北京：北京师范大学出版社，2012

[2]程名荣，胡美玲主编.九年义务教育三年制初级中学教科书·化学[M].北京：人民教育出版社，2001

[3]胡美玲，何少华，王晶主编.义务教育课程标准实验教科书·化学[M].北京：人民教育出版社，2006

[4]王晶，郑长龙主编.义务教育课程标准教科书·化学[M]北京：人民教育出版社，2012

[5]宋心琦.化学实验教学改革建议之一[J].化学教学，2012，（4）：3～4

[6]课程教材研究所化学课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书教师教学用书（化学九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2007

[7]于鹰，宋心琦.关于课堂实验与探究性学习的一点看法[J].化学教学，2008，（5）：1～5

[8]人民教育出版社，课程教材研究所化学课程教材研究开发中心.义务教育教科书教师教学用书·化学（九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012

[9]王大华.镁燃烧实验在质量守恒定律教学中的设计[J]化学教与学，2012，（8）：95

[10]宋汉明.对初中化学《质量守恒定律》“实验5-2”操作问题的探讨[J].中小学教学研究，2013，（zl）：32

[11]黄炎.镁条燃烧试验致双眼视力下降一例[J].眼科研究，1997，（1）：14