基于科學(xué)史實(shí)的質(zhì)量守恒定律教學(xué)研究

基于科學(xué)史實(shí)的質(zhì)量守恒定律教學(xué)研究

楊封友Summary：質(zhì)量守恒定律是學(xué)生定量認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的起點(diǎn)，在科學(xué)觀念、科學(xué)測(cè)量、科學(xué)知識(shí)等方面具有獨(dú)特的教育價(jià)值；開(kāi)展科技史體驗(yàn)指向的定律教學(xué)，讓學(xué)生經(jīng)歷裝置設(shè)計(jì)與史實(shí)品評(píng)，利于準(zhǔn)確理解定律及測(cè)量體系，體會(huì)觀念、技術(shù)對(duì)科學(xué)發(fā)展的影響，感受科學(xué)發(fā)現(xiàn)被公眾接受的過(guò)程。Key：質(zhì)量守恒；發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)史；科技史體驗(yàn)；教學(xué)實(shí)踐：1008-0546（2022）01-0002-04：G632.41：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.001*本文系杭州市西湖區(qū)教育科研規(guī)劃課題“技術(shù)工程視角下的初中科學(xué)教學(xué)理論與實(shí)踐研究”（課題號(hào)：2021QCG31）的階段性成果。質(zhì)量守恒定律是自然界重要的客觀規(guī)律，也是學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)從定性邁向定量的起點(diǎn)。本文基于對(duì)質(zhì)量守恒定律的史實(shí)梳理及教育價(jià)值剖析，開(kāi)展科技史體驗(yàn)指向的定律教學(xué)，讓學(xué)生親歷方案設(shè)計(jì)、科學(xué)測(cè)量、史實(shí)品評(píng)，以期準(zhǔn)確理解測(cè)量體系，把握定律內(nèi)涵及形成歷程，完善對(duì)“實(shí)驗(yàn)與定律”“宏觀與微觀”的認(rèn)識(shí)，發(fā)展科學(xué)學(xué)科關(guān)鍵能力，提升科學(xué)核心素養(yǎng)。一、質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)史及教育價(jià)值1.質(zhì)量守恒定律的發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)史質(zhì)量守恒思想源自唯物思想，質(zhì)量守恒思想從產(chǎn)生到發(fā)展成理論定律，大致經(jīng)歷了如圖1所示的幾個(gè)階段。在經(jīng)驗(yàn)定律的形成階段，羅蒙諾索夫、拉瓦錫、朗道耳特、曼萊等化學(xué)家作出了杰出貢獻(xiàn)。在他們之前，波義耳、斯塔爾等科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)在密閉容器中煅燒金屬后固體質(zhì)量會(huì)增加。1673年，英國(guó)科學(xué)家羅伯特·波義耳用密閉的曲頸瓶對(duì)金屬煅燒進(jìn)行了定量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)質(zhì)量增加了，其解釋為火微粒與金屬結(jié)合，并于1674年發(fā)表題為“固定火焰并使之可稱量的新實(shí)驗(yàn)”的論文，提出以下公式：金屬+火微粒=金屬煅灰[1]。1703年，喬治·恩斯特·施塔爾把金屬的煅燒用如下公式解釋：金屬-燃素=金屬煅灰，認(rèn)為是金屬內(nèi)部的燃素逸出了。斯塔爾對(duì)金屬煅燒的燃素說(shuō)解釋源于當(dāng)時(shí)化學(xué)家的直覺(jué)，雖然發(fā)現(xiàn)了金屬加熱質(zhì)量變大的事實(shí)，但他們只埋首于實(shí)際工作，對(duì)這樣的理論問(wèn)題不感興趣，也不研究[2]?？梢?jiàn)，從波義耳的微粒學(xué)說(shuō)到施塔爾的燃素學(xué)說(shuō)的發(fā)展不是范式的演進(jìn)，而是舊范式被新范式取代的過(guò)程。1740年，俄國(guó)科學(xué)家羅蒙諾索夫在密閉的玻璃容器中進(jìn)行煅燒金屬的實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量較原來(lái)的金屬之所以會(huì)有所增加，是由于從瓶?jī)?nèi)空氣中攝取了某些物質(zhì)；1750年他提出了如下表述：“自然界發(fā)生的一切變化都是這樣的情況：某一物體去掉了多少東西，另一物體就會(huì)被補(bǔ)充上多少東西”[3]。但羅蒙諾索夫的觀點(diǎn)由于沒(méi)有嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)根據(jù)，且由于俄國(guó)遠(yuǎn)離當(dāng)時(shí)科學(xué)的中心，西方科學(xué)家對(duì)他的論述了解很少，所以沒(méi)有產(chǎn)生什么實(shí)際影響。法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫早期就運(yùn)用天平進(jìn)行了一系列定量研究，例如：硫、磷、金屬的燃燒，糖的發(fā)酵及水的分解等實(shí)驗(yàn)，得到與羅蒙諾索夫相同的結(jié)果，并在1789年出版的著作《化學(xué)概要》第一卷中鄭重地陳述：“由于人工的或天然的加工不能無(wú)中生有地創(chuàng)造任何東西，所以每一次加工中，加工前后存在的物質(zhì)總量相等，且其要素的質(zhì)與量保持不變，只是發(fā)生更換和變態(tài)，這可以看成為公理。做化學(xué)實(shí)驗(yàn)的全部技藝基于這樣一個(gè)原理：我們必須假定被檢定物體的要素和分解產(chǎn)物的要素精確相等。[1]”但由于當(dāng)時(shí)的測(cè)量技術(shù)小于0.2%的質(zhì)量變化就覺(jué)察不出來(lái)，致使質(zhì)量守恒定律雖為眾人所知，但仍為人所質(zhì)疑。1908年德國(guó)化學(xué)家朗道耳特及1912年英國(guó)化學(xué)家曼萊做了精確度極高的實(shí)驗(yàn)，所用容器及反應(yīng)物的質(zhì)量為1000g左右，反應(yīng)前后質(zhì)量之差小于0.0001g，即化學(xué)反應(yīng)前后體系質(zhì)量的變化小于一千萬(wàn)分之一，這個(gè)差別在實(shí)驗(yàn)誤差范圍之內(nèi)，質(zhì)量守恒定律才被科學(xué)家們一致接受。20世紀(jì)初以來(lái)，發(fā)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量隨其運(yùn)動(dòng)速度而變化，又發(fā)現(xiàn)實(shí)物和場(chǎng)可以互相轉(zhuǎn)化，因而應(yīng)按質(zhì)能關(guān)系考慮場(chǎng)的質(zhì)量。于是，質(zhì)量守恒和能量守恒兩條定律通過(guò)質(zhì)能關(guān)系合并為一條守恒定律，即質(zhì)量和能量守恒定律（簡(jiǎn)稱質(zhì)能守恒定律）[4]。2.發(fā)現(xiàn)史蘊(yùn)含的教育價(jià)值科學(xué)定律是對(duì)現(xiàn)象的理性認(rèn)識(shí)，涉及預(yù)測(cè)與解釋、設(shè)計(jì)與觀測(cè)等行為，相互關(guān)系如圖2所示。質(zhì)量守恒定律是自然界的基本定律之一，發(fā)端于人們對(duì)燃燒后質(zhì)量變化現(xiàn)象的解釋，形成于精準(zhǔn)的科學(xué)測(cè)量結(jié)果，發(fā)展于對(duì)質(zhì)量等概念的認(rèn)識(shí)。因此，學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律對(duì)學(xué)生的發(fā)展具有獨(dú)特的教育價(jià)值。（1）科學(xué)觀念。面對(duì)金屬煅燒后固體質(zhì)量增加的現(xiàn)象，波義耳因信任微粒哲學(xué)用“火微?！苯忉?，斯塔爾源于直覺(jué)用“燃素說(shuō)”解釋，他們都錯(cuò)失了發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律的機(jī)會(huì)?？梢?jiàn)，非科學(xué)觀念會(huì)阻礙對(duì)事物的認(rèn)識(shí)，科學(xué)觀念才能助推認(rèn)識(shí)的深化與發(fā)展。（2）科學(xué)測(cè)量。反應(yīng)前后質(zhì)量是定量研究，需要進(jìn)行科學(xué)測(cè)量。圖3中波義耳的發(fā)生裝置是一個(gè)開(kāi)放體系，拉瓦錫的卻是一個(gè)封閉體系，裝置的差異導(dǎo)致了不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；此外，定律需要高精度測(cè)量結(jié)果的支持，而這取決于測(cè)量工具的精密程度?？梢?jiàn)，設(shè)計(jì)科學(xué)的測(cè)量方法、選擇合適的測(cè)量工具，是進(jìn)行科學(xué)測(cè)量的前提。（3）科學(xué)知識(shí)。質(zhì)量守恒定律表明質(zhì)量既不會(huì)被創(chuàng)生，也不會(huì)被消滅，而只會(huì)從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到為另一種物質(zhì)，總量保持不變。在化學(xué)反應(yīng)中，質(zhì)量守恒包含原子守恒、電荷守恒、元素守恒等幾個(gè)方面，“參加反應(yīng)的”不是各物質(zhì)的簡(jiǎn)單相加，而是真正參加了反應(yīng)的那一部分質(zhì)量，反應(yīng)物中可能有一部分沒(méi)有參加反應(yīng)。因此，由定律可得到推論：化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)前各物質(zhì)的總質(zhì)量等于反應(yīng)后各物質(zhì)的總質(zhì)量；一個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量的改變總是等于該系統(tǒng)輸入和輸出質(zhì)量的差值。二、科技史體驗(yàn)指向的質(zhì)量守恒定律教學(xué)實(shí)踐1.任務(wù)分析《初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于原子結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)容描述為：通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)質(zhì)量守恒定律，并能用它來(lái)解釋常見(jiàn)的現(xiàn)象。浙教版科學(xué)教材由木炭燃燒、蠟燭燃燒、H2O2制取O2的質(zhì)量變化提出問(wèn)題，通過(guò)圖4所示實(shí)驗(yàn)測(cè)定反應(yīng)前后質(zhì)量變化得出質(zhì)量守恒定律，同時(shí)穿插了對(duì)裝置特點(diǎn)與好處的探討，最后從微觀角度解釋守恒的原因?？梢?jiàn)，學(xué)習(xí)重點(diǎn)是建立“實(shí)驗(yàn)→定律”“宏觀→微觀”的認(rèn)識(shí)思維，理解裝置是一封閉孤立的彈性體系。但是，錐形瓶容積按250mL計(jì)算，參加化學(xué)反應(yīng)的氧氣與白磷的總質(zhì)量約為0.1143g，少于實(shí)驗(yàn)室普通天平的0.2克感量，無(wú)法測(cè)出參加反應(yīng)與反應(yīng)后生成的物質(zhì)總質(zhì)量，即使化學(xué)反應(yīng)前后天平指針沒(méi)有偏轉(zhuǎn)，也難以證實(shí)質(zhì)量守恒，顯示的只是“虛假的守恒”。因此，突破“虛假守恒”的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，理解測(cè)量體系在定量研究中的作用，感受?chē)?yán)謹(jǐn)、求真、實(shí)證等科學(xué)精神，是本課學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，這也是開(kāi)展科技史體驗(yàn)指向定律教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。2.學(xué)習(xí)目標(biāo)（1）識(shí)別定律Key并建立模型等式，提升依據(jù)文字建立模型的能力。（2）設(shè)計(jì)驗(yàn)證質(zhì)量守恒的測(cè)量方案，理解測(cè)量體系的特點(diǎn)及定律的內(nèi)涵。（3）推測(cè)質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)史實(shí)的成因，體會(huì)觀念、技術(shù)對(duì)科學(xué)發(fā)展的影響。（4）解釋燃燒前后質(zhì)量變化，形成“宏觀→微觀”的認(rèn)識(shí)思維。3.教學(xué)過(guò)程科技史體驗(yàn)指向的質(zhì)量守恒定律教學(xué)流程如圖5所示，具體過(guò)程闡述如下：（1）情境展示，認(rèn)識(shí)任務(wù)教師先出示紅磷，讓學(xué)生回憶紅磷在空氣中燃燒的現(xiàn)象，并寫(xiě)出反應(yīng)文字表達(dá)式。然后，呈現(xiàn)質(zhì)量守恒定律，讓學(xué)生在閱讀中找出“化學(xué)反應(yīng)”“參加反應(yīng)的”“反應(yīng)生成的”“質(zhì)量”“總和”等Key，并用數(shù)學(xué)等式表示。學(xué)生討論后，教師板書(shū)“m反應(yīng)物總=m生成物總”，并提出任務(wù)：以磷在空氣中燃燒為例，設(shè)計(jì)測(cè)量方案，驗(yàn)證質(zhì)量守恒定律。至此，實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)象呈現(xiàn)定律、建構(gòu)等式，并揭示任務(wù)，旨在聚焦問(wèn)題，滲透科學(xué)具有可重復(fù)性的觀念。（2）引導(dǎo)推進(jìn)，形成方案設(shè)計(jì)紅磷燃燒前后質(zhì)量的測(cè)量方案，主要包含原理構(gòu)想、裝置設(shè)計(jì)、工具選擇等任務(wù)，教師需引導(dǎo)學(xué)生將設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行分解，組織學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，在不斷的質(zhì)疑與改進(jìn)中完成方案的設(shè)計(jì)，具體實(shí)施過(guò)程如下：原理構(gòu)想時(shí)，教師提出問(wèn)題：“如何判斷反應(yīng)物質(zhì)量總和與生成物質(zhì)量總和相等？”學(xué)生提出兩種思路：一是用天平分別測(cè)出兩者的總質(zhì)量，二是用天平比較反應(yīng)前后質(zhì)量總和是否變化。接著，讓學(xué)生從科學(xué)性、可行性等角度對(duì)兩種思路進(jìn)行討論；最后，大家一致認(rèn)為第二種思路操作更簡(jiǎn)便。在這一過(guò)程中，學(xué)生對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行了仔細(xì)分析，對(duì)定律的4個(gè)Key也有了更深的體悟。裝置設(shè)計(jì)時(shí)，教師揭示任務(wù)：為測(cè)出磷在空氣中燃燒前后的總質(zhì)量，讓磷在哪兒燃燒呢？需要設(shè)計(jì)一個(gè)磷燃燒反應(yīng)裝置。若裝置如圖6-①，會(huì)有什么問(wèn)題？學(xué)生討論后形成共識(shí)：“生成的部分P2O5會(huì)隨氣體從集氣瓶中向外逸?！苯處熥穯?wèn)：“怎么辦呢？”有學(xué)生提出加塞子，教師板畫(huà)如圖6-②。同樣，讓學(xué)生預(yù)測(cè)后果，并提出新的解決方案，教師則總是追問(wèn)：“會(huì)有什么問(wèn)題？”“怎么辦？”學(xué)生設(shè)計(jì)磷燃燒裝置的演變過(guò)程如圖6，其中②加瓶塞是為了防止物質(zhì)外逸，③插管是為了防止瓶塞沖出，④罩集氣瓶是為了回收外逸物質(zhì)，⑤以氣球代替集氣瓶是為了梳緩膨脹，⑥加水或沙是防止局部溫度過(guò)高導(dǎo)致瓶破裂。至此，學(xué)生設(shè)計(jì)的燃燒裝置已與教材實(shí)驗(yàn)相同。在這一過(guò)程，燃燒裝置由開(kāi)放體系變?yōu)槊荛]體系，由剛性體系變?yōu)閺椥泽w系，學(xué)生既領(lǐng)悟了燃燒裝置的設(shè)計(jì)奧秘，也加深了對(duì)定律Key“參加反應(yīng)的”“反應(yīng)生成的”的理解。工具選擇時(shí)，出示如圖6所示裝置，并再問(wèn)“還有問(wèn)題嗎？”引導(dǎo)學(xué)生提出：參加反應(yīng)的總質(zhì)量若少于天平的感量，則不能判斷。于是，教師再問(wèn)：“怎么辦？”學(xué)生認(rèn)為應(yīng)該用感量更小的測(cè)量工具或者增大反應(yīng)的容器。這樣，再次加深學(xué)生對(duì)“參加反應(yīng)的”的理解，也知道了測(cè)量工具精度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。（3）巡視組織，測(cè)量質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)由教師與學(xué)生共同完成，化學(xué)反應(yīng)前后的體系質(zhì)量用感量為0.2g的托盤(pán)天平判斷是否變化，并用感量為0.001g的電子天平進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)后，教師問(wèn)：“能否據(jù)此得出質(zhì)量守恒定律？”學(xué)生展開(kāi)討論，認(rèn)為既需大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)才能得出具有普遍性的規(guī)律，還需采用精度更高的工具進(jìn)行測(cè)量，使學(xué)生懂得化學(xué)反應(yīng)前后總質(zhì)量守恒是在此感量下的守恒。（4）呈現(xiàn)史實(shí)，推測(cè)解釋教師展示圖7，先介紹羅蒙諾索夫、拉瓦錫、朗道耳特、曼萊等人的實(shí)驗(yàn)、觀點(diǎn)及影響，讓學(xué)生討論：當(dāng)時(shí)的人們對(duì)三人觀點(diǎn)的態(tài)度為什么會(huì)不同？教師適時(shí)介紹拉瓦錫、朗道耳特和曼萊時(shí)的測(cè)量技術(shù)精度，并與課堂所用的電子天平進(jìn)行比較。接著，教師介紹波義耳、斯塔爾的發(fā)現(xiàn)與觀點(diǎn)，讓學(xué)生推測(cè)：他們?yōu)槭裁次茨苓M(jìn)行深入研究、提出質(zhì)量守恒觀點(diǎn)？最后，讓學(xué)生用質(zhì)量守恒定律的觀點(diǎn)解釋汞煅燒后質(zhì)量增加、草木燃燒后質(zhì)量減小的原因，并推測(cè)：宏觀上表現(xiàn)出來(lái)的質(zhì)量守恒現(xiàn)象，背后所隱藏著的微觀原因。在這一階段，介紹定律發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)史，展現(xiàn)了先哲們的智慧光芒、技術(shù)與科學(xué)的互動(dòng)關(guān)系；讓學(xué)生“回到”過(guò)去，推測(cè)當(dāng)時(shí)人們的觀點(diǎn)，了解科學(xué)概念被大眾接受的過(guò)程；推測(cè)科學(xué)家未能深入研究的原因，感受科學(xué)家觀念對(duì)科學(xué)發(fā)展的影響。同時(shí)，也鍛煉了用守恒觀點(diǎn)從宏觀、微觀兩角度對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)解釋的能力。4.教學(xué)反思（1）科技史體驗(yàn)利于素養(yǎng)的發(fā)展科學(xué)是為了發(fā)現(xiàn)，技術(shù)是為了發(fā)明，兩者相互推動(dòng)，且都具有特定的背景與歷程，在課程中融入科學(xué)技術(shù)史，被當(dāng)今各國(guó)科學(xué)教育界所提倡?？萍际敷w驗(yàn)旨在科學(xué)課程中融入技術(shù)與史實(shí)，讓學(xué)生經(jīng)歷技術(shù)設(shè)計(jì)、史實(shí)品評(píng)，進(jìn)而學(xué)習(xí)科學(xué)、體會(huì)本質(zhì)，是科學(xué)教學(xué)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要抓手。本案例以測(cè)量設(shè)計(jì)、史實(shí)比較為核心，通過(guò)裝置設(shè)計(jì)體會(huì)技術(shù)魅力、理解定律本質(zhì)，通過(guò)比較史實(shí)領(lǐng)悟技術(shù)對(duì)科學(xué)的推動(dòng)、定量實(shí)驗(yàn)對(duì)科學(xué)研究的價(jià)值。（2）技術(shù)設(shè)計(jì)要以學(xué)生為中心設(shè)計(jì)是一個(gè)提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的循環(huán)過(guò)程，目標(biāo)是發(fā)明新方法、新手段、新設(shè)備，教學(xué)要努力讓學(xué)生成為設(shè)計(jì)的問(wèn)題發(fā)現(xiàn)者與方案改進(jìn)者，在相互吹毛求疵的質(zhì)疑中完善設(shè)計(jì)。本案例在裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師以“還有問(wèn)題嗎？怎么解決呢”來(lái)組織討論，學(xué)生在不斷地質(zhì)疑、改進(jìn)中完善裝置設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，有效地促進(jìn)了學(xué)生問(wèn)題解決與創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的發(fā)展。（3）用教材教而不拘泥于教材教材是課程標(biāo)準(zhǔn)的具體化，反映了面向全體學(xué)生的學(xué)習(xí)基本要求。教學(xué)設(shè)計(jì)要參照課程標(biāo)準(zhǔn)，但不能拘泥于標(biāo)準(zhǔn)，也可超越標(biāo)準(zhǔn)；要以教材為依托，但不能按照教材教，而應(yīng)視教材為素材，博采眾長(zhǎng)，創(chuàng)造性地運(yùn)用教材。本案例圍繞學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展，重設(shè)教學(xué)目標(biāo)，增刪教學(xué)內(nèi)容，教