基于學科核心素養的初中化學教學設計

摘要： 嘗試基于高中化學“核心素養”視角，對比、分析并整合3個版本教科書的內容，設計了“質量守恒定律”教學活動，從解讀質量守恒定律發現史、創新實驗設計、評價實驗體系，分析實驗結果、三重表征與定性定量相結合等方面培育并落實學生發展核心素養的目標。

關鍵詞： 核心素養； 初中化學； 質量守恒定律； 實驗探究； 教學設計

文章編號： 10056629（2018）2004505中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1問題的提出

高中化學核心素養包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學精神與社會責任。是學生在接受相應學段的教育過程中，逐步形成的適應個人終生發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力[1]。這些核心素養，既適合高中化學，又涵蓋初中化學。質量守恒定律基于元素守恒，原子種類、數目不變，能定量計算參加反應的各物質間的質量比，在生產實踐中，能有意識地控制投料、產出；是化學反應中質量關系問題解決的理論依據，也是培養學生化學學科核心素養的重要載體。

針對質量守恒定律主題，已有一些相關研究，如錢海如、趙華歸納了初中階段5個層次的“進階模型”，提出教學中注意的4個問題[2]。郭建虹將對比教學法運用于史料知識、實驗探究、數據分析中，構建物質變化觀[3]。還有老師從不同的角度進行了不同的教學設計，不過，較少從發展學生化學學科核心素養的角度進行思考。

筆者對比、分析3個版本教科書[4][5][6]中“質量守恒定律”的內容設計，嘗試基于高中化學“核心素養”視角，借助化學史料、科技發展、實驗設計等情境和真實問題的解決，通過小組討論、合作探究，實現學生對宏微結合、定性與定量結合、以實驗為基礎等化學學科思想的理解和知識的意義建構，設計出以“問題鏈、環節、探究”為抓手，化學史資源為支撐的教學設計，以充分挖掘質量守恒定律內容中包含的基本觀念和方法，著力探索學生在初中化學課程學習中形成的關鍵能力和必備品格（圖1）。

2教學流程與情境設計

[師]在一定條件下，反應物之間發生化學反應生成新物質，如鎂條燃燒生成氧化鎂，乙醇燃燒生成二氧化碳和水，等等。參加反應的各物質質量總和與反應生成的各物質質量總和相比較，是否發生了變化？你的猜想是什么？

[生]可能不變、可能偏大、可能偏小。

2.1解讀質量守恒定律發現史——提升“科學精神與社會責任”等學科核心素養

“科學精神與社會責任”是化學學科實踐能力，是對化學學科價值很好的詮釋。化學史是讓學生切實體驗嚴謹的科學態度、科學精神的一種很好的形式。宋心琦教授指出，“以史為鑒”的應有之意不應該僅限于勵志，更應當著眼于科學素質的培育和提高。

[師]好的，讓我們先來了解一下質量守恒定律的發現史： 兩位科學家的實驗貌似相同（圖2），但實驗結論卻截然不同： 波義耳在一個敞口的容器中加熱金屬，結果發現反應后容器中物質的質量增加了。

而拉瓦錫用較精確的定量實驗法，在密封容器中研究氧化汞的分解與生成中各物質質量之間的關系。

[師]沒有標準答案的科學家是怎么看待這一問題的？你對此有什么想法？你能得到什么結論？你的依據是什么？

[生]……

[師]讓我們來共同賞析拉瓦錫的經典實驗！1776年，拉瓦錫采用常溫下呈液態的汞作為藥品，除用作反應物，還可以通過連通器直接用于測定反應器（曲頸甑）內空氣體積的變化。

步驟1： 2Hg+O2△2HgO（加熱條件下，汞汽化，與氧氣發生氣相反應，氧氣可以完全耗盡，還可以通過連通器測量反應器內氣體體積的變化）。

步驟2： 他把制得的浮在汞液面上的“紅色沉淀”加熱至500℃左右，2HgO△2Hg+O2↑，得到等質量的汞。他收集這些失而復得的氣體，發現與之前曲頸甑里消失的空氣一樣多，他將此氣體稱為“純粹空氣”或“真實空氣”。

步驟3： 將步驟2得到的O2和步驟1剩余的氣體混合，得到“原來”的空氣。

隨后，拉瓦錫繼續進行相關實驗： 氧化汞的分解，分解后再化合……實現了氧氣的吸收與生成——氧的循環，使氧氣的形態更加清楚了。可以看到這個實驗設計的完美，可謂是一箭三雕： 證明了質量守恒定律；提出了“氧化學說”；驗證了空氣是混合物[7]。

拉瓦錫能夠通過實驗證明質量守恒定律，并提出“氧化學說”，最重要的原因在于他明確了反應體系，并在密閉體系中測量體系在反應前后的質量變化。因此，教學重心是如何讓學生通過對不同類型實驗的分析，感受、認識到明確“體系”與“環境”這一對重要的化學概念，對于化學研究具有重要的意義。從而明確，研究化學變化時需要有“體系”意識。

值得一提的是，波義耳和拉瓦錫都是化學史上的“教父級”人物，絕不能因為波義耳與質量守恒定律的失之交臂，而認為其對化學科學的貢獻遠比拉瓦錫小。在“燃素說”理論根深蒂固的影響下，波義耳認為金屬焙燒增重是由于燃燒時產生的“火粒子”（火素）穿過玻璃后被金屬吸收所致[8]。其結論的錯誤，應是對理論框架的突破和實驗手段（化學體系的選擇、實驗裝置的設計等）的選擇問題。

[生]學生沉浸于科學發現的過程，形成強調證據推理的嚴謹求真的科學態度。

[師]以上我們賞析了拉瓦錫的實驗，我們將重溫“質量守恒定律”的科學發現之旅，你將如何設計實驗呢？

[生]設計的核心思想就是要形成密閉體系。

設計意圖： 利用“波義耳的失誤，拉瓦錫的成功”的真實史料，讓學生了解、感受科學家的科學發現的過程，學習科學家敢于質疑、嚴謹求實的科學態度，并從中挖掘出實驗驗證質量守恒定律的思路和方法，形成通過證據和推理進行證實或證偽來建立觀念。從而，培養學生“科學精神與社會責任”和證據推理等化學學科核心素養。

2.2創新實驗設計——提升“科學探究與創新意識”等學科核心素養

用實驗驗證“質量守恒定律”是《義務教育化學課程標準（2011版）》規定的重要探究活動[9]。3個版本教科書都注重利用實驗探究來幫助學生理解質量守恒定律，但實驗內容的選擇及開放性等的差異明顯（表1）。

不同的實驗呈現方式蘊含不同的學科教育價值。設計實驗時，應引導學生明確研究的目標與對象，尋找影響因素最少的化學體系，以確定實驗原理、步驟，并選取適當的儀器。從而，有計劃、有步驟、有針對性地挖掘實驗在培養學生實驗探究與創新意識方面的功能。因此，筆者借鑒3個版本教科書的實驗設計，嘗試改進并設計兩大類探究實驗： 有氣體參與（或生成）的反應；沒有氣體參與（或生成），只涉及液態、固態物質的反應，以實現從教材實驗到探究實驗的轉變。值得一提的是，對于有氣體產生的實驗，一般不宜采用氣球形成密封裝置[10]。

[視頻]2013年我國宇航員王亞萍在太空實驗室稱量質量。

[師]王亞萍在太空實驗室里稱量物質質量的方法與地球實驗室相同嗎？

[生]不同，無法通過重力來稱物體的質量了。

[師]因此，我們設計實驗時，應充分考慮科學實驗的環境因素。接下來我們來設計實驗加以驗證（圖3）。

[學生實驗1]硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應前后質量的測定。

儀器及藥品： 錐形瓶（盛放氫氧化鈉溶液）、試劑瓶（盛放硫酸銅溶液）、膠頭滴管、電子天平（精度0.01g）

[學生實驗2]石灰石與稀鹽酸反應前后質量的測定。

儀器及藥品： 錐形瓶（少量石灰石）、試劑瓶（鹽酸）、注射器、電子天平（精度0.01g）

[視頻實驗3]紅磷燃燒前后質量的測定

儀器及藥品： 錐形瓶（底部鋪有細沙）、紅磷、玻璃管、酒精燈、電子天平（精度0.1g、 0.01g）各一臺、氣球

[提問]敞口裝置有大量白煙沖出，精度0.1g的電子天平稱量后仍然相等，為什么？

[討論]引出儀器精度問題。

[提問]換用精度0.01g的電子天平，天平示數先減小，待錐形瓶冷卻后示數又增大，為什么？

設計意圖： 通過“等”與“不等”的實驗設計，讓學生明確設計適當的密閉體系、選取合適精度的儀器設備對定量實驗的重要性，以幫助學生建立解決化學問題的基本框架。從而，培養學生基于證據分析做出推理判斷和解決實際化學問題的能力，提升學生的“科學探究與創新意識”等化學學科核心素養。

2.3評價實驗體系，分析實驗結果——提升“證據推理與模型認知”等學科核心素養

“證據推理與模型認知”是運用證據推理和模型化思想解決相關化學問題的能力和品質。是化學科學探究形成結論的思維方法，是化學特征的思維方法[11]。因此，筆者利用“思維框架圖”對實驗結果進行分析。從而，提升學生建立模型并學會用模型思想認識物質及其變化的一般規律。

[師]通過以上幾個實驗，你認為實驗探究質量守恒定律成功的關鍵有哪些？

[生]是否采用“封閉裝置”，使實驗裝置封閉的方法有很多，如使用注射器、塞子等。

[師]請小組討論，你認為在化學反應過程中，反應物和生成物的質量是如何變化的呢？

[生]反應前后，反應物和生成物的質量相等。

[師]原因是什么？

[生]反應前后天平示數仍然相等。

[師]同學們只看到了實驗的表面，而未看請化學反應的實質。事實上，我們看到的只是“m（儀器）+m（剩余物）+m（反應物）=m（儀器）+m（剩余物）+m（生成物）”。因此，需對稱得的質量進行去偽存真的分析。下面，我們以硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應為例，分析“整個體系”內物質質量，思維框架如圖4。

[板書]質量守恒定律： 參加化學反應的各物質的質量總和，等于反應后生成的各物質的質量總和。

設計意圖： 利用“整個體系”內物質質量的思維框架圖，對實驗結果進行了去偽存真的分析，突出對“參加化學反應”內涵的理解，實現了從“整個體系”到“具體反應”的思維轉換。從而，厘清了“證據”與“結論”的關系。

2.4三重表征與定性定量相結合——提升“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”等學科核心素養

銅片在空氣中灼燒后固體質量的變化、電解水實驗及其微觀解釋是課程標準新增的情景素材[12]，為充分發展學生的“三重表征”思想和能力，人教版、滬教版和魯教版教科書分別以氫氣燃燒、鎂條燃燒和過氧化氫分解為例，從微觀視角分析質量守恒定律的實質。這些素材既能培養學生通過辨識宏觀現象預測物質的微觀結構，又能從分子、原子層次分析宏觀現象，還能培養學生用動態的視角看待紛繁復雜的化學變化，從化學變化中元素守恒和質量轉化守恒的視角考察分析化學反應和解決化學問題。從而，有效提升學生“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”等化學學科核心素養。

[師]分析電解水的示意圖（圖5），談談你對物質的化學變化的認識？

[生]化學反應中，參加反應的各物質的原子，重新組合而生成其他物質。

[生]參加反應的H2O與反應后生成的H2、 O2的分子數目比為2∶1∶2，反應前后氫、氧原子的種類和數目都不變。

[師]很好。接下來，請同學們通過計算分析反應物和生成物的相對質量的變化情況。

[生]反應前為： 2×（2+16）=36，反應后為： 2×1×2+2×16=36，故質量相等。

[師]參加反應的水和生成的氫氣、氧氣的質量比是多少呢？若要得到16g氧氣，需要電解多少水？

[生]學生計算得出： 9∶1∶8，需要電解16g水。

[師]由此可以得出，質量守恒定律的實質是： 在化學變化中，反應前后原子種類和數目不變、原子的質量不變。

[練習]略。

設計意圖： 學生化學核心素養的形成過程與化學基本觀念的形成過程密不可分。探析電解水的微觀本質，從定性、定量兩個視角分析化學反應的本質，既發展了學生的“三重表征”思

想，又幫助學生構建并形成了化學變化中物質的質量比恒定的觀念和質量守恒定律的一般理論模型。為解釋“水不能變成油”等原本未知的問題、化學方程式和利用化學方程式的定量計算等奠定基礎。從而逐步建立起物質變化觀、微粒觀、元素觀等化學基本觀念，最終形成“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”等化學學科核心素養。

3教學反思

質量守恒定律是學生從對化學反應定性認識開始到定量認識化學變化的轉折點，蘊含著豐富的發展學生核心素養的素材。可在教學過程中結合情境的設置、問題的設計、教學資源的開發、評價方式的選擇等潛移默化地引導學生去積極建構，但應注意各教學環節都應與學生的認識進階、認知結構相適應，精心設計教學內容，努力幫助學生解決好相關的思維轉換，組織有效的學習活動。既要培養學生對宏觀守恒的微觀解釋，又要培養學生從微觀的角度認識、解釋宏觀現象的思維方式，形成“化學變化過程中元素不變”的觀念。

參考文獻：

[1]周業虹.基于發展化學學科核心素養的教學設計案例分析[J].化學教學， 2016，（8）： 36～39.

[2]錢海如，趙華.初中階段守恒觀的“進階模型”研究[J].化學教學， 2017，（8）： 25～29.

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[4]王晶，鄭長龍.全日制義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].北京： 人民教育出版社， 2012： 92～98.

[5]王祖浩，王磊.全日制義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].上海： 上海教育出版社， 2012： 100～103.

[6]畢華林，盧巍.全日制義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].濟南： 山東教育出版社， 2013： 100～104.

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[9][12]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準[S].北京： 北京師范大學出版社， 2012： 15～16，27.

[10]胡巢生.例談氣球在化學實驗中的使用[J].化學教學， 2017，（4）： 71～73.

[11]吳星.對高中化學核心素養的認識[J].化學教學， 2017，（5）： 3～7.