培育科学探究与创新意识的教材分析与教学设计

【案例1】九年级化学（沪教版）第4章第2节“化学反应中的质量关系”教材分析

《义务教育化学课程标准（2011年版）》对科学探究主题的内容和学习目标提出了具体详尽的要求。为体现并落实科学探究的要求，教材编写时不仅重视科学方法教育，而且突出科学探究活动的设计。在探究活动的设计上，注重设置“提出问题”“猜想与假设”“制定计划”“进行实验”“收集证据”“解释与结论”“反思与评价”以及“表达与交流”等活动，引导学生了解科学探究要素，认识探究活动的基本思路与流程等，训练假说、模型、观察与实验等科学方法，提升证据获取、分析加工、解释论证、创造性思维等关键能力，养成独立思考、敢于质疑和勇于创新的精神，从而培育学生科学探究的水平与能力。

如沪教版九年级化学教材第4章第2节“化学反应中的质量关系”，教材开篇提出问题“化学变化中物质的质量会发生变化吗”，引导学生明确本课研究的内容。在此基础上，设计了“交流与讨论”栏目，引导学生结合“火柴燃烧后只余下少许灰烬”“薄铜片在火焰上加热，表面变黑，质量增大”的事实现象，要求学生对化学变化中质量变化情况作出猜想与假设。接着，教材指出，“对物质变化要进行定量研究”才能揭示化学变化的规律，以此渗透定量研究方法的认识与要求。为引导学生系统开展实验探究，安排了“活动与探究”栏目。本栏目呈现了“提出问题”“猜想与假设”“收集证据”“实验探究”“结论与反思”等相关内容与要求。在系统开展探究活动基础上，还安排了“交流与讨论”活动性栏目，进一步讨论相关反应中质量变化现象，立足微观视角讨论化学反应遵循质量守恒的原因。这样的教材编排，引导学生基于事实现象提出问题并作出猜想，通过实验、史料收集等活动获得与物质化学变化中质量变化情况的事实证据，并基于证据推论而得出结论，以及在交流研讨基础上立足于化学变化本质的微观视角论证结论的合理性。

特别值得强调的是，在“收集证据”环节中，教材引入了波义耳、拉瓦锡等定量研究化学反应的化学实验史实。这些化学实验史实的引入，不仅有助于学生感悟科学认识是经历“否定之否定”的过程，而且有助于学生感悟科学研究过程需要科研工作者具备尊重事实和证据、敢于质疑和勇于创新的精神。

【案例2】促进科学本质理解的“质量守恒定律”教学^[31]

1.教学内容与要求分析

人类对化学反应中质量关系的探究，源于18世纪冶金工业的发展。为解决冶金相关问题，科研工作者开展了探索。直到1774年，拉瓦锡发现并论证了质量守恒定律。“原子—分子学说”的建立，人们逐渐认识了化学反应的本质，理解了质量守恒的原因。随着原子核科学的发展，人们进一步认识到化学反应过程因有能量转化而存在质量亏损（数量级很小）。立足于增进学生科学本质理解的“质量守恒定律”教学，不仅要引导学生开展化学反应前后质量关系的探究，还应引导学生了解质量守恒定律研究背景、发展历程以及对社会影响等相关方面。

经过对化学史实的分析处理，提出在帮助学生认识质量守恒定律及其原因的基础上还应建立如下认识：①人类对化学反应质量关系的认识是分阶段的，而且后一阶段是对前一阶段的批判与继承；②对于各个阶段的认识，是特定条件下的产物，并在当时被认为与事实最为吻合（这就是“燃素说”统治化学界百余年的原因）；③人们对科学知识的认识会随着科学技术发展而逐步完善；④质量守恒定律是燃烧本质研究的“副产物”（人类在燃烧过程中认识了质量守恒定律）。

2.促进科学本质理解的教学策略

为解决目前教学仅关注质量守恒定律内容及其微观解释的问题，必须深入开展相关化学史实的研究与挖掘，从而将质量守恒定律与科学家探索化学反应中物质质量关系的创造性活动联系起来，并将其作为课程资源，帮助学生了解相关知识的产生和发展过程，学习定量的研究方法，体验科学态度和科学精神，从而掌握化学知识、理解科学本质。这正是课程标准和教材将“拉瓦锡与质量守恒定律的发现”作为情境素材列入“质量守恒定律”之中的意图。因此，本课教学可立足下述方面用好相关化学史实：

（1）用化学史实创设情境，帮助学生认识化学反应质量关系研究的历史背景，认识科学家如何开展化学反应中物质质量关系的研究。同时，结合化学史实等情境素材提出相关问题，激发学生在真实情境中开展化学反应前后物质质量关系探究的兴趣；

（2）结合化学史实，帮助学生认识人类对化学反应质量关系的探索历程，认识到化学研究需要观察、推理与定量研究，认识到科学观点受时代影响，认识到化学知识的暂时性（阶段性）和发展性；

（3）在建立化学反应质量守恒关系过程中，结合化学史实，让学生认识到早期人类对化学反应相关认知的局限性，并在微观本质揭示的基础上认识质量守恒定律的合理性与可靠性。

3.教学内容与活动规划

环节一　了解化学反应质量关系研究的起因与发展

情境与问题1　18世纪中叶，冶金工业快速发展，人们迫切需要解决某些问题，如炼铁时为何要往炉里鼓风、风速多大合适、炼1吨铁要鼓多少空气等。这涉及燃烧的条件、反应中物质间量的关系等知识。

请思考：物质燃烧必须具备哪些条件？燃烧时，哪些物质间发生了化学反应？

情境与问题2　氧气是18世纪70年代才被发现的。发现氧气之前，燃烧被认为是一定温度下可燃物释放燃素、留下灰烬的过程（可　燃物燃素+灰烬）。这一观点即为燃素说。由于燃素说能够解释木材、煤炭燃烧后余下灰烬的质量比木材、煤炭小等许多现象，主宰化学界百余年。

请思考：和上一节学习的燃烧理论相比较，燃素说有哪些不科学的地方？

情境与问题3　其实，早在1673年，波义耳在敞口容器中加热金属使之转化为金属灰实验中，发现金属灰质量比金属大。这与燃烧说相矛盾（因为金属加热后质量变大意味着燃素质量小于0）。可波义耳没能继续探索，错失了发现燃烧本质的机会。此后，不少科学家继续开展研究。法国科学家拉瓦锡在前人研究基础上，于1774年前后采用课本所示装置进行著名的“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，容器（含金属、金属灰）的质量并未改变。通过进一步研究，拉瓦锡证明了空气由氧气与氮气组成，并指出燃烧是可燃物与氧气发生的氧化反应。

请思考：两位学者对金属与金属灰质量关系研究的结果有何差异？为何有此差异？(www.xing528.com)

设计意图：让学生了解探索燃烧本质与化学反应质量关系的特定时代背景，感悟科学家的探索精神、实事求是的科学态度，认识到科学研究成果是以前人研究为基础的。

环节二　化学反应前后物质质量关系的探究

情境与问题4　不难发现，燃烧本质探索的过程也是化学反应中质量关系探索的过程，开展质量（定量）研究对化学科学发展具有重要意义。

请你猜想：化学反应过程中，反应前各物质的质量总和与反应后各物质的质量总和有怎样的关系？你猜想的依据是什么？

为证明猜想，须开展实验研究。请重温波义耳和拉瓦锡的金属转化为金属灰的实验，并思考：他们在实验过程中测量了哪些量？是如何进行测量的？实验过程关注什么结果？

设计意图：进一步认识化学反应质量关系研究的背景。利用两位化学家的研究作为情境并设问，不仅暗示实验研究需要注意条件，还为后续探究方案的设计起到定向作用。

情境与问题5　已知盐酸能与铁、碳酸钠反应，硫酸铜能与铁、氢氧化钠反应。现提供这些化学试剂和必要的器材，请各小组根据前述猜想与讨论，选择一个反应来探究。要求：在小组充分讨论后设计方案，方案经老师同意后开展实验，实验过程必须注意观察现象并做好记录。

在汇报实验结论基础上，引导学生讨论：（1）你认为自己得出的结论是否可靠？（2）你的结论和别人的结论是否一致？（3）如果和别人不一致，不一致的原因何在？（4）基于不一致，你将给自己或别人怎样的建议？给出建议的理由何在？

情境与问题6　在得出反应前与反应后体系质量保持不变的基础上，引导学生思考：（1）反应前后装置中包含哪些物质？是否都参加了反应？是否都完全反应？（2）能否根据“反应前后体系质量保持不变”，得出“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”的结论？（3）如果不能，还需如何分析？

设计意图：提供几个反应供选择，不仅增强自主性，而且有利于制造认知冲突，深化学生对实验条件与结果的认识；对实验结果的分析，促进学生对“参加化学反应”含义的理解，帮助学生建立对“质量守恒定律”的认识。

情景与问题7　无数实验证明，质量守恒定律是正确的。但在当时，人们还无法解释为何化学反应遵循质量守恒。直到19世纪初建立了“原子—分子论”，化学家才从本质上揭示了质量守恒的原因。“原子—分子”论指出：化学变化过程是不同物质的分子中各种原子重新结合的过程。

请结合教材第65页水分解为氢气和氧气、第98页镁与二氧化碳反应的微观示意图，思考下述问题：（1）两幅图片展示的反应，反应前后元素的种类、原子的种类与数目是否改变？（2）基于上述讨论，你能用微粒的观点对质量守恒定律作出解释吗？

设计意图：让学生感悟科学结论建立不是一蹴而就的，是随着科学发展而逐步深入的；感悟化学研究不仅总结化学规律，还需揭示规律背后的本质。

环节三　质量守恒定律的应用

情境与问题8　质量守恒定律在科研与生产中具有重要价值。请思考：（1）如果你是拉瓦锡，你将如何解释波义耳的实验现象（金属灰质量比金属大）？（2）2400年前，古希腊哲学家德谟克利特在一首诗中表达了物质不灭的观点：“无中不能生有，任何存在的东西也不会消失。看起来万物是死的，但实则犹生：正如一场春雨落地，瞬时失去踪影；可是草木却吸收了它，长出花叶果实——依然欣欣向荣。”请解释物质不灭的原因。

设计意图：回顾课前化学史料并引入新史实，引导学生像科学家一样分析思考不同的现象，深化对质量守恒内涵及微观本质的理解，提升分析、解决问题的能力。

环节四　对化学反应质量关系研究的发展与意义的认识

情境与问题9　大家都知道，化学反应会伴随着光和热等能量变化。能量由何而来？研究表明它由质量转化而来，而且这一转化遵循爱因斯坦提出的质能方程。因而，从最严格意义上说，化学反应存在质量亏损。但因亏损的质量非常小而可忽略不计，故质量守恒定律仍被认为是科学的。

此外，拉瓦锡的研究不仅关注反应物与生成物总质量，还关注各物质的质量。如HgO分解实验中，拉瓦锡发现每45份质量的HgO分解，都得到41.5份质量的Hg和3.5份质量的O2。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。

设计意图：补充化学反应存在质量亏损这一事实，进一步揭示化学知识的发展性；再次回顾拉瓦锡研究的史实，拓宽学生的研究视野。这一拓展，不仅是实验方法的拓展（真正意义上的定量研究），而且为全面认识化学反应质量关系及化学方程式计算打下伏笔。