学科核心素养视域下的“质量守恒定律”教学再思考

福建省泉州市城东中学(362000) 郑秀明

为落实教育部《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》的要求，高中化学课程修订组根据教育部课标修订的要求，根据“中国学生发展核心素养”和高中化学课程特点，提出包含“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”等5个高中化学核心素养。初中化学课程与高中课程一脉相承，理念相通。教师如果能在义务教育阶段善于用核心素养的理念指导教学，那么对后续的高中阶段学科素养的形成将起到重要作用。现以义务教育沪教版九年级化学教材第4章第2节“化学反应中的质量关系”为例，结合笔者的教学实践，从学科核心素养视角反思教学中存在的问题、解读教材内容，分析并设计教学过程，提出教学建议，促进学生深度学习，培养学生学科核心素养。

1 “质量守恒定律”教学中存在的问题反思

“质量守恒定律”这节课无论在公开教学还是比赛活动中，使用频率都很高，但我们在教学观察中发现部分教师在教学中存在一些问题。

1.1 对化学史教学重视不够

教学中不能简单停留在波义尔和拉瓦锡进行不同实验得出不同结论的对比上，分析哪个科学家在实验设计上更具有科学性。而是应抓住化学史教育契机，以知识传授为载体，从质量守恒定律的发现，科学家不屈不挠、坚持不懈地追求真理等素材中提炼教学片段，进行教学渗透，培养学生的学科核心素养。

1.2 对实验探究方式有误读

质量守恒定律是科学家经过长期的探索、无数的实验才得出的结论。最后通过精密的仪器测出反应前后质量相差极小，在误差允许的范围内，才得到一致公认。我们学习的目的是认识质量守恒定律，说明化学反应中的质量关系。在时间有限、仪器简陋、学生实验探究能力还处于初级水平的情况下，课堂教学更适合于验证性的实验。而有的教师要组织学生去探究得出质量守恒定律。这已经超越了学生当前的认知水平和心理发展特征。当然课堂教学时间也不允许，而且也没必要去探究前人已经得出的结论。

1.3 对宏观认识教学有误差

质量守恒定律关注的重点是化学反应中反应物与生成物间的质量关系。由于反应在实验装置中进行，称量的是整个体系的质量，因而教师还要及时引导学生进行思维转换，认识研究的核心，不能通过反应前后天平两边仍保持平衡，就匆忙得出结论。这将导致学生产生认知误差，以为反应前的各物质质量简单相加就会等于生成物的质量(如2 g氢气在8 g氧气中燃烧能生成10 g水)，对后续定比定律的学习认知将造成不利影响。

1.4 对微观解释有误解

质量守恒的微观解读是建立在分子、原子的基础上去分析化学变化的。学生的前知识是水电解本质上是水分子分解成氢原子和氧原子，每两个氢原子结合成一个氢分子，每两个氧原子结合成一个氧分子。因而教学上以水电解为例进行微观分析比较符合学生的认知发展规律，尽量不以教材中金属镁和氧气的反应为例与学生进行讨论。因为学生会认为氧化镁中只有镁离子和氧离子，没有镁原子和氧原子。在学生认识水平和知识容量有限的情况下很容易造成误解。

2 基于学科核心素养视角的教材理解

化学从定性研究发展到定量研究，才真正成为一门科学。质量守恒定律是学习定量研究化学反应的起点，属于化学核心知识，是初中化学学习阶段唯一的定律，也是书写化学方程式和根据化学方程式计算的必备知识，在生活、生产、科研中运用广泛。它研究的对象是一切的化学反应；本质是在原子、分子的基础上揭示宏观的质量守恒；学习方式是科学探究；教育情感是激发学生学习化学的兴趣；教育价值是树立学科观念和科学精神，教学终极目标是培养学科核心素养。

在新课改理念的指引下，沪教版教材设计思路以“化学反应中的质量关系”为主题，改变了旧教材以“质量守恒定律”为章节主题，目的是设计悬念，不预先设定结果，通过科学探究得出结论。由于学习方法是科学探究，所以教材编排顺序是在学习了第1章镁条性质实验探究、第2章氧气和二氧化碳制取和性质实验以及第4章第1节物质燃烧条件探究之后，学生具备了基本的实验操作技能，对实验探究方法步骤有一定了解的基础上进行的，符合学生的认知发展规律。由于研究的对象是化学变化，学生对化学反应要有一定的认知，教材以学生已有知识“化学变化产生新物质”为引子，提出学习的内容；设计“火柴燃烧后只余下少许灰烬，薄铜片加热后表面变黑”的实验现象，让学生思考化学变化中物质质量是否改变为问题情境，激发学生的好奇心和探究欲望；通过探究得出结论引导学生分析和解决情境设计中的化学问题，培养学生的分析推理、解决问题的实际能力。对于质量守恒定律的微观解释也是建立在学习了微观粒子的基础上，用微粒的观点解释纯净物和混合物、物理变化和化学变化。引领学生从“宏观”到“微观”的认识逐渐扩展到对变化中“质”到“量”的研究。为后续化学方程式的书写和计算作教学铺垫。因而教学中教师应关注课标、研究教材，深刻理解课程的设计思路和意图，重视学生核心素养的培养，引导学生深度学习。

高中化学学科通过5个方面来培养学生的学科核心素养，而义务教育沪教版“化学反应中的质量关系”的内容全部涉及到，这在初中的教材章节中是很少见的，说明了本节课在全面培养学生学科素养方面的地位和作用。其内容主要体现4个方面：

(1)了解定律。从历史发展的角度认知，培养学生严谨求学的科学态度，探索未知、崇尚真理的意识。

(2)验证定律。从实验探究的角度验证，培养学生证据意识、实验动手能力、科学探究方法、合作精神、创新意识。

(3)解释定律。从微观探析的角度揭示水分解过程，加上符合表征，相对分子质量的计算，诠释化学变化的本质和质量守恒的原因，帮助学生树立微粒观、元素观、变化观、守恒观，培养学生证据推理和模型认知的意识。

(4)运用定律。从实际应用的角度感知定律，能多角度、动态地分析化学变化，运用“变化观念与平衡思想”解决实际问题。教学内容、认识角度和学科素养的具体关系如图1所示。

图1 教学内容、认识角度和学科核心素养三者的关系

3 基于学科核心素养的教学设计思路

按照《义务教育化学课程标准(2011年版)》的要求，本节课要让学生认识质量守恒定律，能说明化学反应中的质量关系；认识定量研究对于化学科学发展的重要作用。因而,笔者在教学实践中根据课程标准、教材的编写意图，结合学生的实际，在学科核心素养理念的指引下，设计以问题为导向的教学思路：即创设情境提出问题，激发学生的好奇心和求知欲；设计活动探究问题，构建质量守恒定律的概念；引导学生分析问题，从微观的角度揭开定律的神秘面纱；运用知识解决问题，在实践中检验真理，认识定量研究的意义。教学设计具体思路见图2。

图2 教学设计思路

4 基于学科核心素养的教学过程设计

4.1 创设情境提出问题环节

教师演示木条燃烧、铜片加热变黑的实验，并提出问题：上述两种变化属于什么变化？

学生活动：观察描述现象，回答问题。

教师提出问题：物质发生化学变化时都有新物质的生成，同时也伴随能量的吸收或释放。那么在化学变化中物质的质量变化与否？

设计意图：通过以上两个实验创设真实、直观的学习情境，激发学习兴趣，帮助学生更好地理解和运用化学知识。让学生知道研究的对象是化学变化，化学变化的判断依据是什么？对未知的变化(如铜片的加热)也要会根据所学的知识进行识别，为后面学习硫酸铜溶液与氢氧化钠溶液的实验埋下伏笔。

4.2 寻找证据作出假设环节

学生活动：通过课本、电脑、手机等查询资料、交流讨论，作出初步的判断。

教师活动：播放视频，介绍科学家通过科学探究认识化学反应中各物质质量之间关系的历程。从不同时间节点介绍波义尔和施塔尔在敞口容器中研究金属汞和木炭燃烧的实验；罗蒙诺索夫在密闭的容器中燃烧锡发现总质量不变；拉瓦锡在研究空气的成分后用较精确的定量实验法验证了罗蒙诺索夫的猜想。

学生活动：观看视频，体会化学科学发展史，感受科学家对真理的探究精神和艰辛历程，并收集证据，作出假设。

设计意图：质量守恒定律是科学家的一个伟大发现，是科学理论不断完善的过程，也是几代科学家艰苦奋斗、执着追求的结果。通过视频资料引导学生学习体会质量守恒定律的发展史，培养学生的科学态度和社会责任感。

4.3 交流讨论设计方案环节

教师活动：让学生发表观看视频后的感受，并引导分析科学家在不同历史条件和技术水平不同的情况下得出不同结论的原因，最终确定自己的假设。鼓励学生按照科学家的思路在敞口的容器中设计实验(如课前教师做的火柴燃烧和铜片加热实验)；也可参照科学家的思路在密闭的容器中进行。结合教材、已有知识经验或查阅的资料，进行方案设计，验证自己的猜想。

学生活动：交流讨论，设计方案。

设计意图：通过交流讨论，引导学生从质量守恒定律的发现中，分析科学家成败的原因。明确实验应该在密闭的容器中进行才科学合理。

4.4 动手实验实施方案环节

学生活动：在教师的指导下,根据提供的药品仪器分组进行实验,收集证据。

教师活动：引导学生进行规范操作，观察现象。尤其把观察点聚焦在电子天平在反应前后的质量显示上，推测是否发生化学变化，质量是否发生改变？记录实验结果，收集实验数据。

设计意图：让学生在科学探究的过程中感受乐趣，在知识的形成过程中养成严谨的科学态度。

4.5 获取证据得出结论环节

学生活动：各组分析实验数据，交流讨论，汇报实验结果。

教师活动：根据学生汇报的结果，教师以“氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应”“碳酸钙与盐酸反应”为例，分析在密闭的装置中参加化学反应的各物质质量与反应后生成的各物质质量的关系，如图3和图4所示。明确指出实验的装置只是反应的载体，没参加反应和反应剩余的物质都不是我们研究的对象。然后让学生以“火柴燃烧”和“铜片加热”为例分析为什么反应前后质量会不相等？进行对比，从而得出正确的结论。

图3 氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应

图4 碳酸钙与盐酸反应

设计意图：通过引导学生对数据进行细化处理，分析从反应前后体系的质量相等到具体反应前后质量相等的思维过程，凸显本节课研究的重点，然后通过数学归纳法确定最后的结论。

4.6 微观探析揭示定律环节

教师提出问题：为什么化学反应会遵守质量守恒定律？以水电解为例，组织学生观看水电解的微观动画视频，让学生从微观的角度感知化学变化的过程是分子分裂成原子，原子重新组合成新分子的过程。然后展示水分子分解的微观示意图(见图5)，让学生计算反应前后相对质量的变化关系，由此揭示出质量守恒的微观本质。

图5 水分子分解的微观示意图

学生活动：学生观看视频，通过计算，从微观的角度分析原因。

教师活动：组织学生分别从宏观和微观两个方面讨论化学变化中存在的变与不变的关系。

学生活动：在师生讨论的基础上总结出宏观方面的“一变两不变”，即“物质种类改变”“反应前后总质量不变”“元素种类不变”；微观方面的“一变三不变”，即“分子种类改变”“原子个数不变”“原子种类不变”“原子质量不变”。

设计意图：这个环节的设计既是在引导学生从微观的角度认识事物的变化与规律，又是在帮助学生从“物质变化”到“元素守恒”的认识转化；培养学生宏微结合认识事物及变化的思维方式，形成宏观现象微观解释的思维方法。从“物质——原子——元素”到“宏观——微观——宏观”多角度变换理解，常会给学生带来思维上的冲突；各种“变”与“不变”的关系转换，常会给学生带来理解上的障碍，这些都是教学的难点。

4.7 运用知识解决实际问题环节

教师活动:让探索碳酸钙与盐酸反应的同学打开橡皮塞，观察电子天平屏幕上显示数据的变化，并让学生运用所学的知识分析变化的原因。

学生活动:学生动手实验，观察数据变化，运用所学知识解释实验现象。

教师活动:通过PPT介绍拉瓦锡利用质量守恒定律研究了葡萄汁加酵母产生酒精和二氧化碳的实验,阐述拉瓦锡发现质量守恒定律时就已经清楚地认识到定律的应用价值。

学生活动:继续学习质量守恒定律的发展史，感受化学与生活生产的密切联系，化学对社会发展的巨大贡献。

设计意图：通过课本实验进行适当的延伸，进一步探究，让学生利用所学的知识解决实际问题，学以致用；并通过拉瓦锡研究葡萄汁加酵母的实验，感受化学的实用性，树立为科学发展、社会进步而勤奋学习的志向，培养社会责任感。

5 教学建议

本节课的教学设计在教学实践中，得到听课教师一致好评。他们认为教学无论从认识的广度上，还是认识的深度上都能促进学生的认知发展，达到全面培养学生学科核心素养的目的，对教师深度教学研究有较大借鉴意义。在此，笔者对教学中应注意的问题提几点建议：

(1)从拓宽认识的角度帮助学生了解知识。如创设燃烧、葡萄汁加酵母的实验等，让学生在已有知识的基础上认识化学反应中质的变化和量的关系；在学科域方面如通过历史认知、实验探究、微观探析，从不同角度了解、确认、分析质量守恒定律，不断丰富学生的认知；在社会域方面体会知识在生活、生产、科研的实际应用，为人类的发展服务，让学生认识定量研究对化学学科发展的重大意义。

(2)应拓展认识的深度促进学生认知发展。从历史记载(古)到实验探究(今)的学习、从宏观辨析(宏)到微观探析(微)的学习、从定性研究(性)到定量研究(量)的学习，从孤立静止的模型认知(静)到系统动态的观察(动)学习，让学生的认识水平由浅入深，逐步提高，学科素养也在认识中逐步地形成。

(3)应在理清认识思路的基础上构建认知模型。从了解定律、探究定律、分析定律到运用定律的认知过程中，帮助学生理顺思路，使学习线索更加清晰。在此基础上，教师还应帮助学生构建“科学探究认识物质与变化”的思维模式，“三重表征认识物质与变化”的思维模式，“从感性认识到理性认识，又从理性认识到实践”的思维模式，使学生的认识发展得到全面地提升，学科素养得到全面发展。