基于认知逻辑的“历史重演”教学法

李文良 许白恩 洪永健

摘要：化学史作为重要的课程资源融入课堂教学，需要兼顾历史发生过程与学生的认知心理发生过程之间的协调，解决-化学发展历史与教学情境问题之间的转化，让问题解决的过程中能真正促进学生能力的不断提升和认知内容的逐步深化。以化学反应中的质量关系为例，扼要以认知逻辑的严格形式，探讨了基于“历史重演”的化学教学实施。

关键词：化学史;重演法;化学反应中质量关系

文章编号：1008-0546（2020）01-0072-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.020

一、设计背景

教育理论研究认为，科学史应该成为教师教学设计的重要资源。生物学中“重演律”：个体的发展史，是系统发展史简单而迅速的重演。学生学习科学的过程和人类研究科学的过程存在一定的相似性，即学生学习科学的过程“重演”着人类研究科学的过程。本文以化学反应中的质量关系为例，扼要以认知逻辑的严格形式，重复化学发展的道路，探讨基于“历史重演”的化学教学实施。

二、设计理念

“历史重演法”既要揭示历史发生原理的内容和特征，更要考虑学生已有的认知水平。为了真正促进学生能力的不断提升和认知内容的逐步深化，将人类认识“化学反应中的质量关系”的历史划成一个时间轴，分析时间轴上学生已有的认知水平，将其巧妙地设计到课堂教学中，具体分析如下：

1.科学历史维度的分析

化学教学中无法把科学发现的过程详细且全面展开，教师应该对历史事件中“重要问题的解决过程”重新诠释编排，避免学生对质量守恒定律的发现过程认识简单化。基于物质不灭定律的假设，1673年波义耳用敞口容器研究金属汞的燃烧实验，意外发现固体的质量比原来汞的质量增加了。1703年，德国科学家施塔尔在敞口容器中燃烧木炭，发现质量减少。1756年，俄国化学家罗蒙诺索夫将锡放在密闭容器中煅烧生成氧化锡，容器的总质量不变。由于对空气成分认识的局限性，这一成果并没有得到承认，直到1789年，法国化学家拉瓦锡通过大量的实验研究，基于空气成分的发现以普遍命题的形式把质量守恒定律清晰地表述出来。1803年，道尔顿提出原子学说。正是质量守恒定律以及定比定律和倍比定律的发现，原子学说才得到人们的承认。1908年，德国化学家朗道尔特通过精确度0.001kg的实验，质量守恒定律的正确性才得到承认。20世纪初，爱因斯坦提出质能方程，质量守恒定律才发展成理论定律。

2.学生认知维度的分析

当前的教材编写顺序，是学生先有原子、分子概念、化学变化的微观本质和空气成分等前认知，再学习质量守恒定律，显然与科学家在历史事件顺序中的认知逻辑关系是颠倒的。学生已有守恒思想，学习障碍不会停留在“质量是否守恒”的逻辑推理上。学习的重点和难点在于，一是缺乏从表面现象观察到微观实质解释的化学思想，很难主动应用“分子一原子”理论解释质量守恒定律;二是对物质反应体系分析的缺陷，造成学生做出错误的解释，这与科学家错误理论的来源极其相似。错误观念缘起学生对“守恒概念”建构中“质量指向的迷失”，无法定位守恒的是“参加反应的反应物和生成物的总质量”，尤其是缺乏关注参与反应或者生成的气体导致无法完整分析反应体系内的物质，这是学生学习的最大障碍。概念转变的策略是学生在“重演历史”过程中对比分析科学家及课堂的实验，从中感悟“实验体系”，把握守恒的“质量”，促进认知能力的发展。

三、教学实施

环节1：介绍天平，创设具体问题情境

【史料】桌面仪器，增加了“天平”——托盘天平和电子天平。化学家们利用“天平”建立了不少化学基本定律。拉瓦锡认为“必须用天平进行精确测定来确定真理”。天平的使用让化学研究进入了定量时代，那化学反应中将有怎样的质量关系？正是这一关系的发现，为道尔顿原子学说的提出打下了基础。

设计意图：天平的引入，改变学生对化学实验、化学研究方法的认识，推动学生化学观念从“质”到“量”的发展。化学史料，让学生明确分析物质变化角度与方法的改变，感受问题的价值和探究的意义。

环节2：模型建构，复习化学变化本质

【演示】学生合作用氢原子和氧原子的模型模拟电解水的微观过程。

【提问】在水电解这一分子拆分和原子组合的变化过程中，什么变了？什么不变？

学生说出电解水过程中分子的种类变了，原子的种类、个数和质量不变。

【追问】从质量的角度看化学变化，你能预测出什么结论？

学生基本上回答说化学反应前后的质量不变。

设计意图：重建认知顺序和方式，引导学生以“静”到“动”的微观表征感受化学研究的多样化，以“质”到“量”的宏观表征自我构建质量守恒认识的雏形。

环节3：实验探究，感知质量守恒定律

【史料】1777年法国科学家拉瓦锡用定量的方法研究氧化汞的分解，发现生成的氧气和汞的质量总和，恰好等于氧化汞的质量。这是不是巧合？让我们踏着科学家的足迹探究化学反应前后物质质量的变化关系。

【问题】要完成氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应前后质量的测定，需要进行几次称量？每次称量的方法有什么不同？

经过师生讨论，学生明白本次实验要采用整体称量，操作中只需要两次称量，且只要保持第一次称量时砝码和游码不动，观察天平的平衡情况。两次称量的不同在于是否反应。

【实验一】学生分组完成氢氧化钠溶液与硫酸铜溶液反应前后质量的测定，观察现象，汇报结论。

【史料】不仅这个实验，拉瓦锡通过大量实验都得到了反应前后物质的总质量相等，并在1789年用清晰的语言把质量守恒定律表达出来。

设计意图：学生准确把握实验目的，理解定量实验方法，在设计时使用整体称量而无需烦琐的分步称量。结合课堂的实驗及化学史料让学生明白定律的得出依赖于严密的实验基础，培养科学严谨的思维习惯。

环节4：数据分析，本质认识质量守恒定律

【问题】反应前后总质量相等的本质是什么呢？哪位学生来分析反应前后各称到了哪些物质？

通过共同讨论，尤其注意引导学生观察没有参加反应的物质，分析结果如图1所示。

【小结】学生利用等量关系描述质量守恒定律的内容，并认识到等量关系的本质是两边物质种类不同但质量总和相等，即定律的适用范围。

【问题】根据质量守恒定律，5g冰可以熔化成5 g水，对吗？

【问题】12 g碳与32 g氧气完全反应生成44 g二氧化碳。那么12g的碳与40 g氧气反应生成多少克二氧化碳？

【问题】245 g氯酸钾与5g的二氧化锰完全反应生成了149 g氯化钾和多少克的氧气？

基于问题解决，学生明白了质量守恒定律只适用于化学变化和“参加反应”的重要性。

【史料】①罗马诗人路克莱修在《物性论》中提出物质不灭思想。

②古希腊人们从万物循环中体会了物质生生不灭的观念，并认为万物都是由化学变化中不变的最小的微粒构成。

【问题】你能透过化学反应的表象，从反应本质上认识质量为什么会守恒吗？

学生结合过去人们的自然观点，解释质量守恒定"律的本质原因。

设计意图：反应体系夹杂着各物质的质量，如何用物质的质量，是定量的难点。通过引导学生对数据细化处理，让学生理解“守恒”表象是两边物质种类不同但质量总和相等，本质是“物质变化”中的等量关系，认识定律的适用范围;问题链的呈现，有利于学生对关键词“参加反应”的理解;历史上的科学抽象思维，用于启发学生思考的方向，促使他们进一步认识质量守恒的原因。

环节5：历史回眸，内化质量守恒定律

【史料】1673年英国科学家波义耳将金属汞放在敞口容器中加热，一段时间后，取出固体进行称量，結果他发现固体的质量比原来汞的质量增加了。什么原因导致固体质量增加呢？

对比反应前后所称量的物质，学生发现固体质量增加的原因是反应前没有称量参加反应氧气的质量。

【史料】1703年德意志化学家施塔尔在敞口容器中燃烧木炭，发现反应后固体的质量减少。质量为什么减轻了？

学生很快说出，原因在于生成的二氧化碳逸散。

【追问】这是不严密的答案，假设把生成的二氧化碳全部收集起来，其质量会等于参加反应木炭的质量吗？

学生容易明白这是不相等的，因此质量减少原因是逸散二氧化碳的质量大于参加反应氧气的质量。

【史料】1756年俄国科学家罗蒙诺索夫，他反复重复了波义耳的实验，确实发现反应后固体质量增加了。后来，他改进了实验：在密闭状态完成煅烧金属实验，发现反应前后的质量总和是相等的。但是罗蒙诺索夫时代，人们并不知道空气的成分，他的研究并没有得到认可。直到拉瓦锡发现空气的成分，质量守恒定律在1789年才真正被清晰地描述出来。

【问题】对比表1的实验，同样是敞口容器，为什么实验结果不一样，有些实验不遵守质量守恒定律吗？

通过敞口体系不同实验的对比，学生体会到“质量相等”“质量增加”和“质量减少”都源于“质量守恒”，也正因为遵守质量守恒定律，才会出现“质量改变”假象。

设计意图：相同体系不同实验的对比，以“质量改变”的假象，培养学生运用定律解决问题的能力，进而深入理解定律。化学史料的引入，让学生沉浸于化学发现的重要时刻、化学概念不断进步的变迁过程，体验化学家们严谨的论证推理、激烈的思想碰撞和丰富的学科思维，以批判的眼光感受科学发现的过程性和复杂性。

环节6：问题解决，应用质量守恒定律

【实验二】学生分组采用敞口体系完成实验：大理石与稀盐酸反应前后质量的测定，观察现象，汇报结论。

【问题】质量为什么变小？

学生根据质量守恒定律，发现反应后少称了生成二氧化碳的质量，所以质量减少。学生猜想将产生的二氧化碳全部收集起来和这些物质一起称量，质量应该是相等。

【问题】如何让二氧化碳不逸散到空气中呢？

【实验三】设计思想是形成密闭体系，方法一是教师基于矿泉水瓶采用密闭体系完成实验：利用电子天平测定大理石与稀盐酸反应前后的质量，学生观察现象，汇报结论。方法二是学生轻捏塑料瓶感受其中的气体，再打开瓶盖，放到电子天平上称量，观察现象。

【问题】“嘶”的一声感受到气体的逸散，质量减少的原因是少称二氧化碳的质量。那你知道产生二氧化碳的质量吗？质量不再减轻意味着什么？

学生容易理解质量不再减轻的含义是化学反应已经结束，产生二氧化碳的质量就是反应前后的质量差。

【问题】观察表2和表3，你有什么发现？

通过表2和表3，学生总结得出，若用有气体参与或生成的反应来验证质量守恒定律，要采用密闭的实验体系。

【实验四】教师采用敞口体系完成实验：镁条燃烧前后质量的测定

【问题】在称量反应后物质的总质量之前，学生预测反应后总质量会怎么变化。

【预测】学生一：质量减少，因为燃烧产生了白烟逸散到空气中

学生二：质量增加，因为反应前没有称到参加反应氧气的质量。

【问题】教师称量反应后物质的总质量，发现质量减少了。刚才的两种想法其实都是合理的，为什么最终质量会减少呢？

通过分析与讨论，学生认为飘走的白烟的质量比参加反应氧气的质量多，导致质量减少。而且实验还可能存在两种情况：若飘走的白烟的质量比参加反应氧气的质量少，质量会增大;若飘走的白烟的质量等于参加反应氧气的质量，质量会相等。

【史料】微课视频回顾人类发现质量守恒定律的漫长过程。其中，“燃素说”虽然是错误的理论，牵绊了科学家前进的步伐，但是在那个时代或多或少包含着某些有价值的成分;质量守恒定律从提出到认可经历100多年，依赖于更精密实验仪器的发展。任何一项科学研究的发现，都离不开科学家辛勤的汗水，科学是永无止境的，还有更多的谜底，等着揭开。

设计意图：不同体系同一实验的对比结果，形成认知冲突;问题链的设计培养学生解决问题的能力，强化了定律中“各物质”“质量总和”等关键词。选择矿泉水瓶，因其质地可使学生体验到气体的存在与质量变化的关系，通过体系从密闭到敞口的对比，既体验“质量变化”的实质，又了解化学计算中气体质量的测定。镁条燃烧实验的处理，采用“POE策略”，即“预测一观察一解释”策略，学生根据对质量守恒定律的已有认识预测结论，再以猜想和实际结果对比，使对定律的理解、运用更上一个台阶。最后，在充分理解科学知识的基础上，形成科学技术的不断进步对人类社会发展的作用。

四、教学反思

“历史重演”主要是基于科学发展的过程与学生学习的过程具有一定的相似性，而不是以时间顺序完整地重复历史上科学家们研究的所有过程，这种重演应该从认识论的高度反映部分必然性的重演，同时注重学生已有的认知水平。具体到教学中，教师要从科学家对问题的现象分析、原理论证和思想观念等维度提炼出教学情境问题，在问题解决中充分挖掘研究过程的科学思维，让化学史不仅仅用于励志，更应着眼于学生科学素养的培养。