基于学习进阶理论的化学概念教学实践

周盼盼 刘成国

［摘 要］文章以“质量守恒定律”的概念教学为例，基于学习进阶理论，深入挖掘教材资源，充分考虑学生认知起点，引导学生进行真实的科学探究，借助问题串引发学生深度思考，培养学生高阶思维，为化学概念性知识教学提供科学案例。

［关键词］学习进阶理论；质量守恒定律；概念教学

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）08-0053-04

一、进阶教学设计思路

质量守恒定律是分析物质在化学反应中的质量关系的重要理论依据，它的应用贯穿于整个中学化学。对质量守恒定律的学习，能帮助学生从“质”上升到“量”去认识化学反应，为之后化学方程式的书写和计算奠定重要的理论基础，并帮助学生逐步掌握宏观、微观、符号相结合的化学学科学习方式，构建变化观、守恒观、微粒观等化学观念，同时为高中学习元素化合物、化学平衡等知识做好理论铺垫。质量守恒定律是初中化学的教学重点之一，也是初高中化学衔接教学的重要内容之一 。

以往有关概念的教学多采用“给出概念的内涵→讲解概念中的关键词→通过练习题进行概念的应用及迷思概念的纠正”的教学方式。这种教学方式虽然可以节约时间，能够在较短时间内将概念灌输给学生，但对学生建构概念、理解概念、应用概念解决实际问题无法形成有效的帮助，学生很快便会忘记所学概念的准确定义，并产生更多的迷思概念。学习进阶理论是对学生在某一时间跨度内，学习和探究某一主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式的描述［1］。该理论认为，学生在学习科学核心概念的过程中存在一种潜在发展序列，对概念的学习是前后连贯的，教学要在以前学习的基础上进行发展和延伸［2］。不少教学案例［3-6］证明，该理念能有效地解决概念教学问题，培养学生的高阶思维能力。基于以上分析，笔者结合学习进阶理论，设计了一堂“质量守恒定律”概念教学课。

（一）基于课标的进阶分析

“质量守恒定律”是《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）中“物质的化学变化”主题下的基础概念，相关要求见表1［7］。从表1可以看出，对质量守恒定律的学习要求包括从定性和定量、宏观和微观多个方面去理解概念，多角度分析和解决生产生活问题等。基于对《课程标准》的分析，我们可以找到本课教学的锚定终点：多角度理解化学变化中的质量关系，应用质量守恒定律解决或解释实际问题。

（二）基于教材的进阶分析

“质量守恒定律”相关概念在上教版九年级上册教材中主要安排在第四章“认识化学变化”中。在此之前，学生已接触过少量与质量守恒定律概念相关的内容，具体见表2。从表2可以看出，教师在之前的教学中已对相关概念有所渗透，但未进行系统性的教学。根据教材分析，我们可以找到本课教学的锚定起点：知道一种物质可以通过化学变化变成其他物质，但反应物及生成物中应含有同种元素［8］；对分子、原子、离子及它们之间的关系有初步的认识；能够预测化学反应前后物质的质量不变。

（三）基于认知的进阶分析

根据儿童认知发展规律可知，九年级学生的思维已进入形式运算阶段，具有一定的演绎推理、组合分析能力，抽象思维已占优势地位，但逻辑思维发展还是经验型的，仍需要形象思维的支持［9］。海克尔及皮亚杰认为科学知识的发展史与学生的认知变化过程之间有高度的一致性。通过对化学史的学习可以知道，质量守恒定律的发现经历了漫长的过程，主要经过思考想象、实验证实、理论定律三个阶段（见图1）［10］。因学生已有元素守恒等前认知，几乎所有学生都能做出“质量守恒”的猜想，但实际生活经验却会使学生对“质量守恒”产生怀疑，并且学生对“质量守恒”中的“质量”一词会产生多种解释，这些都可能成为学生认知转变的关键点。学生在第三章刚接触微观世界，用微观视角解释质量守恒也是学生认知的转变点。根据认知分析，我们可以找到本课教学的中间台阶：设计正确的实验验证质量守恒定律，促进学生实现从“实验体系”到“具体反应”、从“宏观认识”到“微观解释”的思维转变。

基于以上分析，我们最终形成了“质量守恒定律”学习的进阶假设（见图2）。

二、教学片段

（一）L1到L2的进阶教学

师：科学实验有证实或证伪的作用，我们可以通过实验来证明猜想与假设是否正确。现在请大家一起来设计化学反应中的质量关系实验。

【学生活动】根据所给仪器和药品设计实验，并用简图的形式展现。

【教师活动】给各小组分配实验任务，为节约时间同时减少偶然性误差，安排每三组做相同的两个实验，并指导学生实验。

【学生活动】完成实验，记录现象，分享实验结果（具体见表3）。

师：这些实验中化学反应前后的质量有增、有减、有不变，即使是同一个化学反应，也会出现不同的结果，为什么会这样？

生：虽然是同一个化学反应，但它们是在不同的环境下进行的。比如，石灰石和稀盐酸的反应，如果在敞开环境中进行，实验结束后天平会右倾，而在密闭环境中，天平会保持平衡。

师：氢氧化钠和硫酸铜在敞开环境和密闭环境中反应，天平都会保持平衡，而铜和氧气在敞开环境中反应，天平倾斜的方向与石灰石和稀盐酸的反应相反，这又如何解释？

生：石灰石与稀盐酸的反应有气体产生，如果在敞开环境中进行，气体会逸散至空气中，气体产物的质量是称不到的，因此天平会右倾；如果在密闭环境中进行，气体不会逸散至空气中，可以被称量到，所以天平平衡。铜粉和氧气的反应有气体参与，在敞开环境中进行时，反应前只称量铜粉的质量，反应物氧气的质量没有计算在内，反应后固体产物质量增加，导致天平左倾。而氢氧化钠与硫酸铜反应不会产生气体也没有气体参与反应，因此在敞开环境与密闭环境中的结果是一样的。

师：根据刚才的分析，“化学反应前后的质量关系”实验的关键点是什么？

生：要在密闭环境中进行实验，尤其是有气体参加和有气体产生的实验。

师：同学们总结得很到位。过去有不少科学家对化学反应前后的质量关系很感兴趣，我们来看一下波义耳和拉瓦锡这两位科学家的实验以及他们各自得出的结论，并思考为什么看似非常相似的实验，得出的结论却不同。你认为谁的结论更有科学性？

生：波义耳的实验是在敞开环境中进行的，拉瓦锡的实验是在密闭环境中进行的。而实验中的反应是有气体参加的，需要在密闭环境中进行，因此拉瓦锡的实验更具科学性。

师：刚才在做石灰石与稀盐酸反应的实验时，有的小组出现了冲塞，导致实验结果不准确。我们可以对这个实验装置进行怎样的改进来避免这样的现象出现呢？

【学生活动】设计更多的密闭体系并思考其特点（见表4）。

反思评价：质量守恒定律是经过大量实验归纳总结得出的。在课堂上不可能做太多次实验，但有必要做一些有代表性的实验。基于全面性及实验现象须明显等方面的考虑，选择了具有代表性的三类课堂实验，即有气体参加的实验、有气体生成的实验、有沉淀生成的实验。分析相关化学史可知，在实验证实阶段初期，波义耳等人因实验设计缺陷导致未能得出正确结论。因此，本环节设计了敞开环境与密闭环境的对比实验，帮助学生找到实验的关键点。不少化学反应需在密闭环境中进行，如红磷燃烧、硫燃烧等。在学生已有一定实验基础的情况下，加入密闭实验装置的设计，不仅可丰富质量守恒定律实验的装置，还可培养学生的实验设计能力，开拓学生思维，培养学生的创新能力。适当添加化学史，让学生知道自己的想法与科学家的思想有很大的相似之处，从而获得成就感，建立起学习化学的信心。

（二）L2到L3的进阶教学

师：根据前面的这些实验，我们可以得出怎样的结论？

生：化学反应前后质量不变。

师：似乎这个结论还需要继续完善，因为不清楚这里的“质量”指的是谁的质量，反应物的？产物的？还是其他物质的？如何完善结论？

生1：反应前装置内物质的总质量=反应后装置内物质的总质量。

生2：不对，应该是参加化学反应的物质的总质量=反应后生成的物质的总质量。我们讨论的是化学反应中的质量关系，不参加反应的物质不能算在内，比如不参加化学反应的实验仪器、没反应完的石灰石、杂质等都不能算在里面。

师：学生2说得很有道理。可是我们在天平上称量的并不只有参加反应的物质及反应生成的物质，我们是如何得出它们相等的呢？以石灰石与稀盐酸的反应为例，请大家写出反应前后天平上具体有哪些物质再做分析。

【学生活动】思考分析，分析结果见表5。结论：参加反应的碳酸钙与参加反应的氯化氢的质量总和等于生成的氯化钙、水、二氧化碳的质量总和。

反思评价：本教学环节非常重要的一点是解决质量守恒中“质量”的范围这一问题，促使学生实现从“实验体系”到“具体反应”的思维转变。通过讨论分析，让学生明白这里的质量守恒不是整个实验体系的质量守恒，而是参加反应的物质的总质量与产物的总质量之间的守恒。在分析的过程中，学生不断发现问题、解决问题，完善和理解质量守恒定律，提升自我建构概念的能力。

（三）L3到L4的进阶教学

师：科学家通过无数的实验证明了质量守恒定律，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。化学的特征是从分子层次认识物质。现在，我们来看一看水电解的微观过程，也许能帮助大家理解质量守恒的本质。

生：水的电解反应前后，氢、氧原子的个数都没有发生变化。

师：请计算水的电解反应前后相对质量的变化，再从微观角度解释质量守恒定律的本质。

生：反应前：[2×（1×2+16）=36]，反应后：[2×2+16×2=36]。质量守恒定律的本质是化学反应中，原子的种类、数目、质量没有改变。

师：请尝试着用化学符号与数字表示这个过程。

【学生活动】书写：2H2O →  4H + 2O → 2H2 + O2。

师：刚才同学们用化学符号及数字表达的这个过程，如果除去中间的变化过程，再加上条件及气体符号，就是我们即将学习的化学方程式。化学方程式的依据之一就是质量守恒定律。

反思评价：借助水电解的微观过程理解质量守恒的本质，使学生的微粒观及新建立的守恒观有效融合，这有助于学生实现从“宏观认识”到“微观解释”的思维进阶，加深对质量守恒定律的理解。此外，引导学生从微观角度进行分析，初步认识微粒间的数目比例关系，可为后续学习化学方程式的书写及应用打下基础。

（四）L4到L5的进阶教学

师：请同学们利用刚才所学的知识解释生活中遇到的两个问题：①为什么蜡烛燃烧质量会减少？②为什么铁生锈质量会变大？

生：①蜡烛燃烧产生的水和二氧化碳都逸散到空气中，所以质量减少。②铁生锈会消耗空气中的水和氧气，所以质量变大。

师：学习质量守恒定律不仅能解释生活中的一些现象，还能帮助我们确定物质的元素组成。请思考：某物质在氧气中燃烧生成H2O和CO2，该物质的组成元素是什么？

生：一定含有氢元素和碳元素，可能含有氧元素。

师：质量守恒定律还能帮助我们计算反应物或生成物的质量。请思考：

①24 g镁与16 g氧气恰好完全反应，则生成的氧化镁的质量是多少？

②每4 g氢气恰好能在32 g氧气中燃烧生成36 g水。那么4 g氢气在50 g氧气中燃烧生成的水的质量是多少？

③1.6 g某物质在氧气中燃烧生成1.8 g H2O和4.4 g CO2，此时是否能确定该物质中含有氧元素？

【学生活动】作答并互批、互评。

反思评价：选择难度适中的典型练习题，让学生充分运用所学知识去解决之前的疑惑，激发学生学习化学的兴趣，培养学生解决实际问题的能力，体会学习化学的实用价值；让学生互批、互评，充分发挥“小先生制”的优势，培养学生的沟通交流能力；布置有关质量守恒定律的简单计算练习，为之后化学方程式的计算教学做好铺垫，有利于进行大概念统领下的单元教学。

三、教学反思

本教学设计从教材分析中找到进阶起点，从课程标准的要求中找到进阶终点，根据儿童认知发展规律找到进阶台阶，每一阶段的教学设计有理有据，各级进阶水平相对独立又紧密联系，实现进阶水平的螺旋上升。结合化学史设计探究实验，让学生感受科学发展的进阶过程，同时实现化学概念学习的依次进阶和逐级深化。概念的应用是概念学习的一次飞跃，合理挑选及整体编排习题，能有效促进学生从理论到应用的进阶。

从整体来看，本节课的进阶目标既是本节课的终点，也是后续教学内容的起点。本节课可作为“定量认识化学变化”大单元教学的台阶之一。该大单元教学可分成三个部分：化学反应中的质量关系、化学方程式的书写与应用、依据化学方程式的计算。学生依次完成这三个部分的学习，最终完成“符号定性表征反应阶段→符号定量表征反应阶段→宏微结合理解符号阶段→三重表征初步整合阶段”的认知进阶，实现更高更远层次的进阶学习。

［   参   考   文   献   ］

［1］［6］  符吉霞，占小红.基于学习进阶的化学概念教学内容整合研究：以“元素周期律和周期表”为例［J］.化学教学，2020 （6）：38-42，47.

［2］  张颖之. 理科课程设计新理念：“学习进阶”的本质、要素与理论溯源［J］.课程·教材·教法，2016（6）：115-120.

［3］  石乐义.递进式教学理念下的遗传平衡定律思维模型构建［J］.生物学教学，2022（9）：13-16.

［4］ 吕薇，王诗嘉，刘立华.基于学习进阶理论的教学设计：“闭合电路欧姆定律”［J］.教育教学论坛，2020 （13）：171-173.

［5］  钱海如，赵华.初中阶段守恒观构建的“进阶模型”研究：从“质量守恒定律”说起［J］.化学教学，2017（8）：25-29.

［7］  中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准：2022年版［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［8］  王祖浩.化学：九年级上册［M］.上海：上海教育出版社，2012.

［9］  李怀强，张军.以认知发展为核心的初高中化学衔接教学研究［J］.化学教育（中英文），2019 （7）：42-46.

［10］  孟献华，倪娟.基于“历史复演法”的化学教学设计研究：以“质量守恒定律”为例［J］.化学教育（中英文），2018（23）：31-36.

（责任编辑 罗 艳）