“化学反应中的质量关系”的教学素材选择研究

陈欢

摘要：以“化学反应中的质量关系”为例，分析初中化学教学素材选择的研究方式，解读初中化学教学素材的选择策略，期望籍此为初中化学教学研究提供一些思考和帮助。

关键词：教学素材;化学反应中的质量关系;选择策略

文章编号：1008-0546（2020）11-0010-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.11.003

教学素材的合理选择能有效提升课堂的教学效率，有效促进核心素养的落地生根。在九年级化学教学阶段如何选择有效的教学素材，成为一个重要的议题。本文以“化学反应中的质量关系”为例，说明初中化学教学素材选择的研究方式，解读初中化学教学素材的选择策略。

一、化学反应中的质量关系

“化学反应中的质量关系”的核心内容是质量守恒定律，也即“参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和”。相关内容在教学中存在诸多特点：探究量大，可选择研究的实验丰富，相适切的实验装置多，需要合适的教学素材帮助学生梳理出清晰脉络;思维难度大，化学反应中的质量关系研究角度是从定性深入定量，从宏观深入微观，需要合适的教学素材帮助学生进行有效的思维切换;信息量大，化学反应中的质量关系实质的得出需要学生去伪存真、拨云见日，利用数学建模的思想进行必要的理解，需要合适的教学素材帮助学生进行深入的知识构建;考察点丰富，涉及化学反应质量变化的相关解释、化学反应的微观研究、信息方程式的书写、质量守恒定律的装置改进研究等，需要合适的教学素材帮助学生进行合理的知识点梳理;教学情境丰富，海尔蒙特、波义尔、拉瓦锡、罗蒙诺索夫、朗道耳、曼莱、爱因斯坦等多位知名科学家涉及质量守恒定律研究，需要合适的教学素材帮助学生构建好科学观与社会观。因而不难发现，合理的教学素材选择对学生深度学习“化学反应中的质量关系”意义重大。

二、“化学反应中的质量关系”教学素材选择的研究方式

1.参考课程标准，分析质量守恒定律的教学定位

《义务教育化学课程标准（2011年版）》中对于质量守恒定律的标准表述为：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大作用。活动与探究建议为：实验探究化学反应前后的质量关系;用微粒的观点对质量守恒定律做出解释。解读标准不难发现，其在教学中对于质量守恒定律的定位如下：利用质量守恒定律的研究让学生学习从定性向定量切换;利用科学探究研究质量守恒定律的宏观原因;从微粒的角度研究质量守恒定律成立的本质原因;拓展质量守恒定律的应用，认识定量研究对于化学学科发展的重大作用。质量守恒定律具备承前启后的作用，承担从定性到定量的转换，深化宏观微观间的学习。

2.剖析教材，确定“化学反应中的质量关系”教学内容的内涵与外延

“化学反应中的质量关系”也就是质量守恒定律，内涵为“参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和”，从宏观和微观两个角度理解质量守恒定律成立的原因。教学内容的外延为呈现方式是科学探究（包含研究过程、实验的选择、实验装置的搭建等）教学意义是让化学学习从定性走向定量。

3.分类分项，多渠道丰富教学素材

初中化学教学素材从内容上分为情境素材、实验素材和习题素材;从形式上分为活动素材、文本素材、音视频素材和信息化素材;从性质分为正面素材、反面素材和中性素材等。本研究不从素材的分类上着力，主要强调素材的多样性。“化学反应中的质量研究”的素材包含以下相关内容：化学史的相关素材、科学探究的相关素材（科学探究的过程、实验的选择、实验装置的选择等）、数学思维的素材、利用微粒观点研究宏观事实的案例选择、情境和习题素材的选择。

三、“化学反应中的质量关系”教学素材选择的具体研究

1.立足于化学发展，着眼于质量守恒定律的研究思路

学生的知识形成过程在一定程度与知识的发现过程相契合，化学史的使用能有效促進学生的深度学习。梳理科学家对质量守恒定律的研究，其研究内容见表1。

梳理上述化学史不难发现，质量守恒定律的发现历经很长时间，涉及多个历史事件，需要选择有代表性的事件进行整合加工。选择到的历史事件需要能激发学生兴趣、能引发学生思考、能呈现必要事实、能促进学生科学价值观形成。最终选择如下科学家的事例作为研究着力点，具体见表2。

2.立足于科学探究，确立质量守恒定律的研究方法

（1）确立探究质量守恒定律所用实验

化学史上所用和目前教材上使用的探究实验较多，具体见下表3。

梳理后发现探究质量守恒定律的化学实验有：汞与氧气反应、锡与氧气反应、大理石与稀盐酸反应、氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应、红磷燃烧实验、镁条燃烧实验、铁与硫酸铜溶液反应、白磷燃烧实验、蜡烛燃烧实验、碱式碳酸铜分解实验、无水硫酸铜吸水实验、铁粉与氧气反应实验。将上述实验按照基本反应类型、气体的参与或生成、是否产生污染、是否常见等类型进行简单分类，见表4。

从现象明显、条件简单、操作简便、涉及全四大基本反应、涉及全有无气体参与等角度人手，可选择如下五个实验：铁与硫酸铜反应、碱式碳酸铜分解实验、蜡烛燃烧、氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应、锡与氧气反应。

（2）确立探究质量守恒定律所用仪器及装置

按照学生的初始逻辑认知：称量需要两次操作，即反应前和反应后分别称量一次;实验装置也较为简单，烧杯和试管组成的简单敞口装置。依据教学的要求和深度学习的要求，需要进行如下转变：称量的次数从两次转为一次（反应前进行称量，保持砝码和游码不变，观察天平是否平衡）;装置的选择从敞口装置一简单密闭一气球密闭一胶头滴管或注射器加上锥形瓶的密闭（见下表5）。依据上述要求，可提供如下仪器进行科学探究：天平、锥形瓶、橡皮塞、气球、注射器、胶头滴管、单孔塞、注射器等。

3.立足于多学科思维，分析质量守恒定律的研究思路

（1）利用数学思维，推演质量守恒定律

质量守恒定律的表述为：参加化学反应的各物质的质量总和等于反应后生成的各物质的质量总和。但化学反应发生的环境往往复杂，存在着很多未参加反应的物质及实验仪器，在分析具体质量变化的时候需要进行取舍。这要求使用大量的数学思维，需要透过现象进行本质运算，利用整体和局部、相关和无关变量等数学思维。例如罗蒙诺索夫的质量守恒定律研究：用天平称量质量为m1的金属锡粉，将锡粉放在密闭容器中进行完全燃烧生成了白色的固体物质（氧化锡），称量容器的总质量为m2，打开容器，听到了空气进入容器发出“嘶嘶”的声响，待容器中空气恢复到初始状态，重新称量容器的总质量为m3，分析数据发现生成的氧化锡质量等于锡粉的质量（m1）加上容器内参与空气的质量（即最终容器的总质量m3减去打开容器前容器的总质量m2）。在整个研究中，涉及到容器的质量、空气的质量、锡粉的质量和进入空气的质量等，区分好容器和未参加反应的空气质量是整体中的无关变量，锡粉、氧化锡和参与反应的氧气质量是需要研究的相关变量，两者结合进行研究。

（2）利用物理思维，分析仪器改进

在质量守恒定律的实验研究中，若选择有气体参加的反应或放热的反应进行实验，会导致气压变大，这会使得装置的简单密闭较为困难，瓶塞易被弹出。选择使用气球，若气球因气体产生变大后会产生浮力，天平向右偏;若气球因温度升高变大最后会缩小，先有浮力后消失，天平先向右偏后恢复平衡。在一系列的研究中，需要学生充分准备好物理思维，涉及到浮力、气压等。

4.立足于宏微结合，深层剖析质量守恒定律的成立本质

质量守恒定律成立的本质原因是化学反应中原子的个数、种类和质量不变，原子的种类不变决定了元素的种类不变，原子的个数和质量不变决定了元素的质量不变，元素的种类和质量不变决定了物质的总质量不变。选择合适的素材进行合适的推演成为促进学生深度学习和理解的关键。山东教育出版社的九年级化学教材在研究质量守恒定律时没有提供具体的微观化学变化进行研究，但上海教育出版社和人民教育出版社分别提供了相关的微观研究素材（见表6）。从三个版本的教材来看，都不约而同地选择了水的分解或氢气燃烧作为研究化学变化中分子原子变化的素材。基于教学发展的一惯性和学生思维的连续性两个角度，应为选择水的电解作为研究质量守恒定律得以成立的微观实质为最佳。

5.立足于情境分析，增强质量守恒定律的迁移应用

质量守恒定律的考察方式多样化、问题情境的设置也极为丰富。应选择合适的有逻辑性的教学素材进行搭配，促进学生的深度学習。可设置出这样的逻辑：实验现象解释一化学式推断一化学反应定量推断一物质元素的组成确定，在练习的设置和搭配遵循微观与宏观相结合、定性与定量相结合、理论联系实际的原则。

实验现象解释练习：①高锰酸钾受热分解后，剩余固体的质量比原反应物的质量减少;②如图1，在锥形瓶中放入一小粒白磷，塞好瓶塞后玻璃管下端刚好能与白磷接触，将整套装置放在托盘天平上调节至平衡，取下橡皮塞，将玻璃管放在酒精灯火焰上灼烧至红热，迅速塞紧瓶塞，将白磷引燃，待锥形瓶冷却后观察天平是否平衡。实验时，气球的变化是——。实验前后天平保持平衡，实验后，松开橡皮塞，则天平指针

（填“向左偏”“向右偏”或“指向中间”）。

四、深度学习视域下初中化学教学素材的选择策略

1.多样性选择策略

在教学素材的选择时，需要关注与本节课相关的教学研究，以让素材的选择更加多样：确定好需要的化学素材种类，常见的初中化学素材有化学史素材、化学实验素材、化学思维素材、化学情境素材、化学习题素材，多样化教学素材的种类;利用好课程标准的标准定位和素材使用指导、通用的化学教材、教材的教师教学指导用书、期刊论文等相关文献，多样化教学素材的来源;进行必要的教育教学思考，串联好与各个学科之间的逻辑关联，多样化教学素材的思维，例如进行质量守恒定律研究时，需有适度的物理中的气压研究。

2.有效性选择策略

在大量的教学素材面前，需要选择出有效的教学素材：加强教学研究，研读课程标准，确定好教学内容的定位，研究教材，落实好教学内容在教材中作用和前后联系，研究学生，明确好学生的知识、技能、情感、价值观等的最近发展区;加强相似教学素材的比对研究，研究出教学素材间的同与异，摘选出符合学情适合教学的素材，例如质量守恒定律的相关研究中，出现大量的实验改进装置，需要确立好改进的角度和研究方向，其多是气体的参与或生成的角度入手，即可选择有代表性的素材进行研究;加强不同教学素材间的串联研究，寻找教学素材间的联系与区别，构建深度学习的多重维度，例如在质量守恒定律的相关研究中，将化学史素材、科学探究素材、学科思维素材、教学情境素材等紧密联系，共同推进质量守恒定律的深度学习。

3.前瞻性选择策略

在教学素材的选择时，关注当下的教育教学热点、新型教育技术、学生新的思维方式的发展方向，为教学素材的选择提供前瞻性的角度，例如在质量守恒定律导入素材的选择时，化学史导入、实验中质量变化的差异性导入均是优良素材，但在整合时最终发现网络上较为流行更易激发兴趣的趣味实验——移动火焰，即用一根铁钉穿过一支蜡烛，将铁钉搭在玻璃杯上，从两端点燃蜡烛，蜡烛一直处于旋转的状态。实验素材取自于学生的生活，实验简单易重复，实验内容的设置有梯度，让学生产生思维碰撞，最终可用质量守恒定律的观点进行解释。