守恒思想在化学教学中的应用

杨静芸，任苏文，林 珩

（闽南师范大学化学化工与环境学院，福建漳州363000）

爱因斯坦曾说：“教育无非是将一切已学过的东西都遗忘后所剩下的东西”.遗忘掉的东西就是我们所学的知识与内容，而剩下的便是我们所具备的必备品格与关键能力.在不同的学科领域中，其具体表现又有所不同.着眼于学生未来的发展，中学化学教学的目的为提高学生的科学素养，造就学生的化学学科思维和提高化学学科素养，是当今化学教育教学的一个重要目标.学科思想是学科素养的重要组成部分之一，它对化学的特性以及价值有着根本的认识，并且在学生的化学学科的科学素养的发展与提升中发挥着关键性的作用.学科思想是学科的主体和灵魂，因此在教学中培养学生的学科思想是尤其重要的.学生充分掌握学科思想不仅有利于学生构建系统的知识体系、提升学生的科学素养而且有助于学生的终身学习与发展[1-2]；学生对化学学科思想的把握与应用，不仅有助于学生形成合理明确的学习目标，并且能更好地理解化学的本质，促进学生对学科知识的掌握与应用，加强学生学习的信心[3-4].守恒思想方法是化学学科思想方法的一种，是初高中学生都要掌握的重要思想方法，它可以帮助学生解决化学中的很多“疑难杂症”.本文例分析守恒思想在解题中的应用，设计并实施了在新知识教学中应用守恒思想的教学案例.

1 守恒思想的概述

1.1 守恒思想方法的涵义

守恒思想方法毋庸置疑是化学学科体系中的一个重要思想方法，是化学学科的奠基石之一.化学反应是原子或者离子重新排列组合组成新物质的过程，在此过程中物质的原子个数及其质量自始至终是保持不变的，即保持守恒[5].所谓的守恒思想，是指以质量守恒定律为基础，利用其中某种变量建立关系式，以此作为解题依据来解决实际化学问题，这是一种较为系统、层次、概括的化学解题思维方法[6].守恒思想即只考虑始态与终态的量保持不变的思想.质量守恒定律与元素守恒定律也是化学学科守恒思想的基础.守恒思想的核心观点除了最基础的质量守恒以外，还包括原子守恒、电荷守恒、能量守恒等.

1.2 守恒思想在化学学科中的作用

化学学科思想作为化学学科体系的一个基本要素，是化学学科的核心与灵魂.其中守恒思想是化学学科思想一个相对独特的思想，守恒思想也是学生在学习化学时最开始接触的第一个具有实质性意义的化学学科思想.在化学这门自然科学从无到有，自理论学习至实验操作，从宏观辨识到微观探析等探究过程中，它都扮演着不可或缺的角色，这不仅对学生思维的发展产生深远影响，也对其学好基础化学奠定了坚实的基础[6]，在整个化学学习过程中都发挥着重要的作用.基于学生认知发展的特点，化学守恒思想在整个化学学科教学中扮演着不可替代的作用，学生运用守恒思想可以更深层次的理解化学本质，提高他们解决问题的能力，促进他们思维水平的发展，逐步形成化学学科核心概念.化学教师在教学的过程中，采取与守恒思想相关联的教学形式，不但能够使学生轻松的学到知识，简明扼要的掌握化学规律，还能够全面提升学生的学科能力以及核心素养[7].

2 运用守恒思想解决化学教学问题的案例

2.1 守恒思想的具体应用分析

初中生第一次真正接触化学守恒思想是在质量不变的情况的下，也就是说质量守恒定律.随后在学习化学反应方程式中，又再次学习了元素守恒定律，并且根据元素守恒定律，进行对化学反应方程式最基础的配平.

进入高中，在化学物质及其变化所涉及的氧化还原反应相关知识点和离子反应相关知识点，守恒思想主要体现电子守恒、电荷守恒；化学反应中常常伴随着各种能量的相互转化，此时守恒的思想主要体现在化学反应中的能量守恒.在教学设计中运用守恒思想的教学内容分析归纳梳理如下表1所示.

表1 教学内容分析归纳梳理Tab.1 Analysis and induction of teaching content

2.2 守恒思想在解题中的应用

运用守恒的方法，其实质就是在一个化学变化中，对于高中化学一些问题的计算与分析，经常会涉及到物质的守恒问题，即守恒思想的应用，教师在这方面教学中以物质或能量守恒为切入点，根据反应前后或者是变化前后物质之间具体保持不变的量为着手点，将学生引入其中并深刻理解学科思想的作用[8-10].运用守恒思想来分析问题可以使题目化难为易，进而提高解题效率.

2.2.1 氧化还原反应的例题分析

例题1 将6.4 g的铜片投入到一定浓度的硝酸溶液中，恰好完全反应，并且产生二氧化氮和一氧化氮的混合气体共0.16 mol，求原溶液中硝酸的物质的量是多少？

硝酸的强氧化性是高考的重点也是一个难点，同时也是热门考点，备受高考的青睐.而对于例题1，学生大多会认为所涉及到的知识点不止是硝酸的强氧化性还涉及到硝酸的浓度问题，过量与少量问题等.如果按照常规的解法，将整个题目的反应过程都考虑一遍的话，那这个题目是相当复杂的.面对这类问题时，教师大可以引导学生建立守恒思想，即从元素守恒入手，根据氮原子守恒可知硝酸物质的量等于两倍的硝酸铜的物质的量加上氮氧化物总的物质的量，追踪氮元素的踪迹来解这道题.

2.2.2 化学反应中质量比的求取

例题2 在反应2X+Y=2Z+G 中，Z 与G 的摩尔质量之比为1∶4，其中已知3.2 g 的Y 与X 完全反应后，生成4 g的G，则在此反应中X和Z的质量之比为多少？

由例题2，我们知道Z与G的摩尔质量之比，并且已知当消耗3.2 g的Y时生成4 g的G，利用已知的信息我们可以求出Z的生成量.在得到Z的生成量后，最后由质量守恒定律可以求出X 的质量.这个题目难度系数不高，重点在于求出Z的质量后，运用质量守恒思想来求X的质量，这个思想转化的过程.

2.2.3 应用守恒思想求解看似较难的计算题

例题3 在空气中搁置了一段时间的氢氧化钠，经过分析测量得知其含水量为3%，含有碳酸钠的量为37%.现取该样品投入到20 m，2 moL/L 的盐酸中后，多余的盐酸用1.3 moL/L 的氢氧化钠溶液22 mL 恰好完全中和，蒸发中和后的溶液可以得到的固体质量有多少？

对于例题3，看似难度较大，信息量较多，所给的数据内容也相对较多，学生在面对这种问题时不免会有畏难情绪.教师在讲解这类问题时可以忽略掉具体的变换过程，找到不变的或者相等的量来求解.我们知道不管是氢氧化钠与盐酸反应还是碳酸钠与之反应，反应后，氯元素最终都汇聚到了产物氯化钠中.根据氯元素守恒，追踪氯元素的去踪，我们可以发现氯元素物质的量等于所消耗掉的盐酸的物质的量，同时又等于最终析出的产物氯化钠的物质的量，根据这个等式关系，我们只要算出所消耗掉的盐酸的物质的量，就可以求出产物的量，进而转化为要求解的质量.从元素守恒这个角度来思考问题，大大化简了题目的难度.

以上三个例题，都是从守恒思想的角度出发来解决看似复杂的问题，只是起抛砖引玉的作用.化学计算能力不仅对学生的基本知识要求比较高，而且对学生的化学学科思想方法的要求也比较高，用守恒思想来解决化学计算题也是极其有效的.

2.3 守恒思想在新知识教学中应用的教学案例

若想真正掌握或者正确运用守恒法，学生不仅需要具备一定的阅读能力、分析能力以及观察能力，正确找到物质在变化前后，依然保持守恒的关系和保持守恒的量，而且还需要回归课本教材，掌握课本中的基础知识，才有可能将课本中的知识点很好的发散出去，挖掘出课本外的知识进而具备良好的发散思维.这些能力都是掌握守恒法所不可或缺的[11].以苏教版必修2“化学能转化为电能”为例探讨守恒思想运用的化教学设计与实践.

2.3.1 教学案例

学生进入到化学能与电能的转化之前，已经学习了化学能与热能的转化，因此学生对于化学能转化为其他形式的能并不陌生.但是电化学的内容是每年高考的热点，同时也是高考内容的一个难点.学生要学好电化学，除了在概念上掌握之外，还要熟练掌握电极反应方程式的书写，这也是历年高考的难点.为突破这个难点教师在教学时可以根据守恒思想做好以下教学设计，见表2.

表2 化学能转化为电能教学设计（片段）Tab.2 Teaching design of transforming chemical energy into electric energy(fragment)

2.3.2 教学反思

守恒思想不仅可以帮助学生对电化学关于能量转化方面的概念的理解，学生还可以借助得失电子守恒的思想正确书写出电极反应的方程式.在遇到看似陌生的电池反应，以不变应万变找到突破口.

在习题与单元考试中，2个班的75%学生遇到陌生的电池反应能写出正确的电极反应方程式，20%不能完全写出正确的电极反应方程式.但仍然有5%无从下手.

在运用守恒思想的方法时，要求学生善于对问题的整体分析，其守恒的实质就是对于在一个已知的，具体的化学变化中，根据从反应前后这个整体过程，各物质之间具体保持不变的量为着手点，这种整体思想，免去过程的繁杂，可以提高解题效率；并且在解决一些看似困难的问题，以及难以理解的知识点，提供了有效的解决方法.守恒思想是解决化学问题、突破化学学科知识中的重难点的有效途径，也是学生手中的一把金钥匙[12].

3 思考

化学变化是一个连续的动态的变化过程，如果在研究这个变化的过程，我们究其细节步步分析，则在一定的条件下，我们往往会陷入死循环，找不到解决问题的途径，为了突破这个变化过程，避免陷入死循环，我们可以舍弃分析复杂的变换过程，利用整体思维来寻求不变的量，这使得整个问题解决的过程更加简洁明了，所运用到的思维方法更加具有系统性、层次性和概括性.比如在复杂的电化学问题中，涉及到求取阴极或者阳极析出产物的多少的问题中，可以根据阴阳两极得失电子守恒的角度，来建立联系，列出关系式，进而求出问题的答案.除此之外，守恒思想还有运用在解决离子方程式以及离子共存的问题中，在这里主要利用的思想是元素守恒思想以及电荷守恒思想.如果学生不能准确地把握所运用的化学思想，当面临这些问题时便会失去方向，无法高效的解决问题.

因此教师在日常教学过程中要巧妙运用守恒法来讲授新旧知识，引导学生在解题中培养学科思想方法.要在根本上让学生理解并掌握化学学科思想，提升学生学习化学学科知识的能力，进而，提升中学生的化学核心素养.只有当学生从根本上能运用化学学科思想，并善于运用知识和善于迁移知识到日常实际生活中来，真正做到将学习到的知识为人所用，为己所用时，教师的教学过程才是最大程度的成功.