基于化学史与实验探究融合的教学实践

刘艳

摘要：以“质量守恒定律”的发现史为主线，串联实验验证和探究等活动，让学生体验科学家进行科学探索的智慧和方法，提高学生的实验分析和创新能力。

关键词：质量守恒定律；化学史；实验探究

文章编号：1008-0546（ 2022 ）11x-0023-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.llx.006

化学史承载着化学研究的思想，是科学探究史的重要组成部分，是不断发展的知识体系，化学史教育在化学教学中有着不可忽视的作用，在渗透学科情感价值观上发挥着不可替代的作用。化学是一门以实验为基础的学科，实验探究是培养、发展学生思维的重要途径，将化学史与实验探究融合，在教学实践中有着奇妙的效果。化学史与实验探究的融合重现了科学理论、知识的发现和发展，学生身临其境地体验科学家的经典实验，感受科学家克服困难的科学精神。在化学史教育中融合实验探究，学生像“化学家”一样进行实验猜想、验证、释疑来构建、完善自身的知识体系，形成自己的化学思维，这样的融合教学激发了学生探求化学本质的兴趣，体验了追求真理过程中的乐趣，感受与科学家“对话”的成就感，这样的融合教学力图让学生喜欢上化学，喜欢上实验探究。

一、教学主题内容

本教学案例选自人教版九年级化学上册第五单元“化学方程式”课题1“质量守恒定律”第一課时。质量守恒定律是化学学科的重要定律，也是初三化学学习的重要内容，是化学学习从定性学习到定量学习的转折点，是书写化学方程式的依据，是定量计算、分析的依据。

在本课时学习之前，学生已经接触了很多化学反应，知道了化学反应的基本特征是有新物质的生成，也就是说学生对化学变化有了一定的“定性”上的认识，并且初步掌握了元素符号、化学式的书写，这两项内容的掌握为化学方程式书写做好了一定的准备，通过“质量守恒定律”的学习，学生可以从量的角度了解化学变化，同也为掌握化学方程式做好定量的准备，从“宏观—微观—符号”出发，进一步完善“化学用语”体系。

课程评价要求：能认识化学反应中各物质间存在定量关系，认识化学反应遵守质量守恒定律，理解质量守恒定律的微观本质。[1]能选取实验证据说明、验证质量守恒定律，并能阐释微观本质。

基于以上分析，确定该内容的学习目标：

1．通过实验设计与探究，认识质量守恒定律的研究方法，体验科学家进行科学探索的智慧，更好地理解质量守恒定律及其内涵，并进行应用，能解释相关实验现象。

2．学习“整体称量法”，根据实验假设设计实验方法，使实验更有序高效。

二、教学思想与创新点

常规教学通常采取以下流程进行：首先导入新课，学生对“反应前后物质总质量是否改变？”进行猜想，并通过实验得出结论，接着对有气体参加的反应进行反应前后质量改变的原因解释，学习设计密闭体系，最后从微观角度解释质量守恒定律的本质。这样的教学，关注的是知识本位，常常忽略对质量守恒定律发展过程的认识，缺少科学本质上的理解。

笔者以质量守恒定律的发现史为主线，设计蕴含发现科学本质的探究活动，引导学生认识科学方法和探究步骤对建构科学理论的意义和作用，重视对探究结果发现过程的分析与评价。

三、教学流程

“质量守恒定律”一课的教学流程见表1。

四、教学过程

[引入]在一定条件下，物质之间可以发生化学反应生成新物质，如红磷燃烧，木炭燃烧，那么参加反应的各物质质量总和与反应生成的各物质质量总和相比较，是否发生了变化？火柴燃烧变成灰烬，质量变小了吗？树苗长成参天大树，质量变大了吗？

不仅我们有困惑，化学家们也早就开始关注这个问题。接下我们就回到科学家所处的年代，去探寻反应中质量关系的研究发展历程。

1．环节一，时空之旅，建立质量守恒定律的概念

[教师讲述]1673年，英国化学家波义耳将金属放在密闭容器里煅烧，煅烧结束后，发现产生了“金属灰”，然后打开容器盖称量，发现“金属灰”的质量比煅烧前金属的质量增加了。

[提出问题]如果你是波义耳，怎么解释这个现象呢？

[学生讨论]金属和氧气反应，生成了新的物质。

[教师解释]在波义耳所处的时代，氧气还没有被发现。

波义耳认为应该有一种“热素”，燃烧时与金属结合，导致金属灰的质量增加。但是这与当时的主流学说——“燃素学说”相矛盾。[2]当时，还没有发现“氧气”这一物质的存在，化学界普遍认为在燃烧的过程中，可燃物释放出“燃素”，留下灰烬，留下的灰烬比燃烧前可燃物的质量明显小了很多，这个学说能很好地解释很多物质燃烧后质量减小的变化。

[教师讲述]波义耳受到“燃素说”的影响，对自己的发现产生了怀疑，没有继续探索，错失了发现本质的机会。但是，还有很多化学家在前仆后继地探究。

[教师讲述]1774年，拉瓦锡利用当时比较精确的称量仪器，在密闭容器里进行实验，他研究了氧化汞的分解和合成反应中各物质质量之间的变化关系——著名的“十二天实验”，发现在密闭容器中加热金属使之转化为金属灰时，整个容器装置（反应前包括金属，反应后包括金属灰）的质量并未改变，并且随着研究的进行，拉瓦锡发现了空气由氧气与氮气组成。

后来，拉瓦锡又继续做了大量燃烧实验，比如红磷燃烧、木炭燃烧等等，归纳出一条规律，即反应前后物质的总质量不变。

[小结]随着科学技术的发展，科学家们用更先进的测量仪器做了大量精度更高的定量实验，确认拉瓦锡的结论是正确的，使这一结论得到公认——即质量守恒定律，我们来认识一下这条定律的内容——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。

[过渡]同学们，我们不能仅仅做“拿来主义者”，更要“实践出真知”，接下来，该我们出场了。

2．环节二，实验验证，初步认识质量守恒定律

[演示实验1]首先我们从一个非常熟悉的实验出发来验证——红磷燃烧。实验装置如图1所示，整套装置在托盘天平上称量，记录数据m1。然后，取下锥形瓶，将玻璃管在酒精灯火焰上灼烧至红热，立即伸入锥形瓶并塞紧橡胶塞，引燃红磷。待反应结束并冷却后，再次将整套装置放在托盘天平上，记录数据m：。

[学生总结]实验现象：红磷燃烧，产生大量白烟，气球先膨胀后变瘪，m1=m2。

[提出问题]我们来分析一下，反应前后所记录的質量各包含了哪些物质的质量。

[学生讨论]m1包括红磷、空气、锥形瓶、橡胶塞、玻璃管、气球、细沙的质量；m2包括五氧化二磷、剩余空气、锥形瓶、橡胶塞、玻璃管、气球、细沙的质量。去掉反应前后相同的量，得到m（红磷）+m（空气）=m（五氧化二磷）+m（剩余空气）。又因为反应前的空气可以看成参加反应的氧气和没有参加反应的剩余空气，也就是m（空气）=m（参加反应的氧气）+m（剩余空气），于是最终我们可以得到m（红磷）+m（参加反应的氧气）=m（五氧化二磷），符合拉瓦锡提出的质量守恒定律。

[教师小结]在实验前后称量过程中，我们并没有单独称量红磷的质量、参加反应的氧气的质量、生成的五氧化二磷的质量，而是运用了“整体称量”方法，也就是把所有的物质和仪器作为一个整体进行称量，包含了没有参与反应的物质的质量，但是并不影响实验分析，而且这样的称量方法使实验更高效有序。“整体称量”这个方法，与实验假设中的“质量总和”是相一致的，互相联系的。

[过渡]我们再用一组实验验证。首先给大家介绍一下反应原理。铁钉和硫酸铜溶液反应生成铜和硫酸亚铁溶液。由于这个实验完全反应所需的时间较长，老师提前进行了反应前的称量，（如图2所示），记录所称的质量m1，将铁钉浸没在硫酸铜溶液中。

[学生观察]经过一段时间的反应，我们发现，铁钉表面有红色物质覆盖，溶液由蓝色变成了浅绿色。

[教师]由实验现象可以说明铁钉已经完全跟硫酸铜反应，这时我们再次进行称量，记录数据m：，发现m1= m2.

[学生讨论]m1=m2，即m（参加反应的铁钉）+m（硫酸铜）=m（铜）+m（硫酸亚铁），再次验证了反应前后参加反应的各物质的质量总和不变。

[教师小结]结合刚才的实验，我们再来认识一下质量守恒定律，这里有几个关键词需要特别关注：化学反应、参加、质量总和。

[过渡]请同学们根据老师提供的实验药品和仪器，设计实验验证质量守恒定律。

3．环节三，实验探究，深入理解质量守恒定律

[学生讨论]小组充分讨论后设计方案，在实验过程中要测量哪些量？如何进行测量？主要步骤有哪些？学生小组合作进行实验探究（见表2）。

[实验展示]请各组派代表汇报小组的实验成果。

[学生]实验中观察到白色粉末逐渐消失，产生大量气泡，反应后天平不平衡。

[提出问题]通过实验，发现碳酸钠和稀盐酸反应时，发现天平指针向右（砝码端）偏移，即反应后物质的总质量减小了。为什么呢？

[学生]实验中产生了气体，而产生的气体逸散到空气中，没有称量到气体的质量。

[提出问题]生成的气体的质量如何称量？如何才能让生成的气体不散失？如何设计实验？

[学生1]用一个盖子将烧杯盖住。

[学生2]在烧杯上加个盖子，密封性不好，气体还是会跑走。

[学生3]可以用气球套在烧杯上。

[教师演示改进实验]气球套在烧杯上，不容易操作，老师将烧杯换成锥形瓶，在瓶口套一个气球（如图3所示），锥形瓶中盛有稀盐酸，碳酸钠粉末预先装在气球中，将整套装置放在托盘天平上称量，记录数据m1。将气球中的碳酸钠粉末倒入锥形瓶中，观察到气球膨胀，等不再产生气泡时，将整套装置放在托盘天平上再次称量，记录数据m2。

[学生讨论]发现反应后称量，天平指针还是向右偏转，这是为什么呢？

[学生]气球膨胀，明显受到空气浮力的影响，导致反应后称量数据减小。

[提出问题]请同学们继续思考，怎样克服这个浮力导致的问题？

[学生1]将气球换成橡皮塞。

[学生2]但是反应会产生大量气体，压力变大，使橡皮塞冲出，实验容易失败。

[教师展示]展示装置——硬质塑料瓶+小试管（如图4所示]。预先在塑料瓶中加入碳酸钠粉末，将稀盐酸倒入小试管中，将小试管中用细线固定在塑料瓶中。

[学生实验]学生用改进后的实验装置再次进行实验，将整套装置用托盘天平称量，记录m1，将塑料瓶倒置，立即发生反应，产生大量气泡，待不再产生气泡后，再次称量整套装置，记录m2，发现m1=m2，反应前后天平保持平衡，即反应前后物质总质量不变。

[前后呼应]让我们再次回到波义耳和拉瓦锡的研究中，请尝试评价两者的实验，为什么拉瓦锡得出了质量守恒定律，而波义耳却与之失之交臂。[3]

[学生讨论]波义耳称量的是反应前金属的质量和反应后的金属灰质量，装置没有密闭，对比拉瓦锡的实验，可知波义耳少称量了参加反应的氧气的质量。而拉瓦锡的实验装置是密闭的，他称量的是反应前所有物质的总质量和反应后所有物质的总质量。

4．环节四，追本溯源，阐释质量守恒定律本质

[教师讲述]无数实验证明，质量守恒定律是正确的。但在当时，人们还无法解释质量守恒定律。直到十九世纪初建立了“原子一分子论”，化学家才从本质上揭示了质量守恒的原因。

[提出问题]结合水分子分解的示意图（如图5所示），请阐述水分子分解的本质。

[学生]水分子破裂成氢原子和氧原子，每两个氢原子重新结合成一个氢分子，每两个氧原子重新结合成一个氧分子。

[追问]请继续思考，反应前后，原子的种类、数目、质量有没有发生改变？

[学生总结]反应前后，原子的种类、数目没有改变，原子的总质量也没有改变，所以化学反应前后物质的总质量不发生改变。

[承上启下]此外，拉瓦锡在研究中，不仅关注了反应物与生成物的总质量，还关注反应中各物质的质量。比如，氧化汞分解实验中，拉瓦锡发现每45.0份质量的氧化汞分解，总是得到41.5份质量的汞和3.5份质量的氧气。为什么各物质有固定的质量关系？与质量守恒定律有何联系？下一课时将继续探究。

五、教学反思

本节课以质量守恒定律的发现史为主线，串起多个探究实验，课堂上教师充分肯定学生的思考和实验改进，尽可能地扩大参与讨论的学生范围，进行实验装置的改进，从实践中发现问题、分析问题、解决问题，发展学生化学学科核心素养。质量守恒定律的发现史上，少不了化学家施塔尔、罗蒙诺索夫等人的努力，因为学生的认知能力有限，并受到课堂时间的限制，需要教师深入思考、精心研究，根据具体学情对化学史料斟酌选择。由于课堂时间的限制，教师的演示实验和学生的探究实验的选择也需要反复考证，合理分配时间，优化课堂安排，促进学生深度学习，发展思维。

参考文献

[1] 杨丽娜．基于初中化学课程标准的逆向教学设计研究[D]．天津：天津师范大学，2017.

[2]杨梓生，吴菊华．以化学史为课程资源促进学生对科学本质的理解——以“质量守恒定律”教学设计为例[J]．化学教与学，2015（3）：2-4.

[3]胡巢生，基于学科核心素养的初中化学教学设计——以“质量守恒定律”为例[J].化学教学，2018（2）：45-49．