基于科学史实的质量守恒定律教学研究

杨封友

摘要：质量守恒定律是学生定量认识化学反应的起点，在科学观念、科学测量、科学知识等方面具有独特的教育价值；开展科技史体验指向的定律教学，让学生经历装置设计与史实品评，利于准确理解定律及测量体系，体会观念、技术对科学发展的影响，感受科学发现被公众接受的过程。

关键词：质量守恒；发现简史；科技史体验；教学实践

文章编号：1008-0546（2022）01-0002-04中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.001

*本文系杭州市西湖区教育科研规划课题“技术工程视角下的初中科学教学理论与实践研究”（课题号：2021QCG31）的阶段性成果。

质量守恒定律是自然界重要的客观规律，也是学生认识化学反应从定性迈向定量的起点。本文基于对质量守恒定律的史实梳理及教育价值剖析，开展科技史体验指向的定律教学，让学生亲历方案设计、科学测量、史实品评，以期准确理解测量体系，把握定律内涵及形成历程，完善对“实验与定律”“宏观与微观”的认识，发展科学学科关键能力，提升科学核心素养。

一、质量守恒定律的发现史及教育价值

1.质量守恒定律的发现简史

质量守恒思想源自唯物思想，质量守恒思想从产生到发展成理论定律，大致经历了如图1所示的几个阶段。

在经验定律的形成阶段，罗蒙诺索夫、拉瓦锡、朗道耳特、曼莱等化学家作出了杰出贡献。在他们之前，波义耳、斯塔尔等科学家也发现在密闭容器中煅烧金属后固体质量会增加。

1673年，英国科学家罗伯特·波义耳用密闭的曲颈瓶对金属煅烧进行了定量研究，结果发现质量增加了，其解释为火微粒与金属结合，并于1674年发表题为“固定火焰并使之可称量的新实验”的论文，提出以下公式：金属+火微粒=金属煅灰[1]。

1703年，乔治·恩斯特·施塔尔把金属的煅烧用如下公式解释：金属-燃素=金属煅灰，认为是金属内部的燃素逸出了。斯塔尔对金属煅烧的燃素说解释源于当时化学家的直觉，虽然发现了金属加热质量变大的事实，但他们只埋首于实际工作，对这样的理论问题不感兴趣，也不研究[2]。可见，从波义耳的微粒学说到施塔尔的燃素学说的发展不是范式的演进，而是旧范式被新范式取代的过程。

1740年，俄国科学家罗蒙诺索夫在密闭的玻璃容器中进行煅烧金属的实验，他认为反应产物的质量较原来的金属之所以会有所增加，是由于从瓶内空气中摄取了某些物质；1750年他提出了如下表述：“自然界发生的一切变化都是这样的情况：某一物体去掉了多少东西，另一物体就会被补充上多少东西”[3]。但罗蒙诺索夫的观点由于没有严格的实验根据，且由于俄国远离当时科学的中心，西方科学家对他的论述了解很少，所以没有产生什么实际影响。

法国化学家拉瓦锡早期就运用天平进行了一系列定量研究，例如：硫、磷、金属的燃烧，糖的发酵及水的分解等实验，得到与罗蒙诺索夫相同的结果，并在1789年出版的著作《化学概要》第一卷中郑重地陈述：“由于人工的或天然的加工不能无中生有地创造任何东西，所以每一次加工中，加工前后存在的物质总量相等，且其要素的质与量保持不变，只是发生更换和变态，这可以看成为公理。做化学实验的全部技艺基于这样一个原理：我们必须假定被检定物体的要素和分解产物的要素精确相等。[1]”但由于当时的测量技术小于0.2%的质量变化就觉察不出来，致使质量守恒定律虽为众人所知，但仍为人所质疑。

1908年德国化学家朗道耳特及1912年英国化学家曼莱做了精确度极高的实验，所用容器及反应物的质量为1000 g左右，反应前后质量之差小于0.0001 g，即化学反应前后体系质量的变化小于一千万分之一，这个差别在实验误差范围之内，质量守恒定律才被科学家们一致接受。

20世纪初以来，发现高速运动物体的质量随其运动速度而变化，又发现实物和场可以互相转化，因而应按质能关系考虑场的质量。于是，质量守恒和能量守恒两条定律通过质能关系合并为一条守恒定律，即质量和能量守恒定律（简称质能守恒定律）[4]。

2.发现史蕴含的教育价值

科学定律是对现象的理性认识，涉及预测与解释、设计与观测等行为，相互关系如图2所示。质量守恒定律是自然界的基本定律之一，发端于人们对燃烧后质量变化现象的解释，形成于精准的科学测量结果，发展于对质量等概念的认识。因此，学习质量守恒定律对学生的发展具有独特的教育价值。

（1）科学观念。面对金属煅烧后固体质量增加的现象，波义耳因信任微粒哲学用“火微粒”解释，斯塔尔源于直觉用“燃素说”解释，他们都错失了发现质量守恒定律的机会。可见，非科学观念会阻碍对事物的认识，科学观念才能助推认识的深化与发展。

（2）科学测量。反应前后质量是定量研究，需要进行科学测量。图3中波义耳的发生装置是一个开放体系，拉瓦锡的却是一个封闭体系，装置的差异导致了不同的实验结果；此外，定律需要高精度测量结果的支持，而这取决于测量工具的精密程度。可见，设计科学的测量方法、选择合适的测量工具，是进行科学测量的前提。

（3）科学知识。质量守恒定律表明质量既不会被创生，也不会被消灭，而只会从一种物质转移到为另一种物质，总量保持不变。在化学反应中，质量守恒包含原子守恒、电荷守恒、元素守恒等几个方面，“参加反应的”不是各物质的简单相加，而是真正参加了反应的那一部分质量，反应物中可能有一部分没有参加反应。因此，由定律可得到推论：化学反应中，反应前各物质的总质量等于反应后各物质的总质量；一个系统质量的改变总是等于该系統输入和输出质量的差值。

二、科技史体验指向的质量守恒定律教学实践

1.任务分析

《初中科学课程标准》中关于原子结构模型的内容描述为：通过实验认识质量守恒定律，并能用它来解释常见的现象。浙教版科学教材由木炭燃烧、蜡烛燃烧、H2O2制取O2的质量变化提出问题，通过图4所示实验测定反应前后质量变化得出质量守恒定律，同时穿插了对装置特点与好处的探讨，最后从微观角度解释守恒的原因。可见，学习重点是建立“实验→定律”“宏观→微观”的认识思维，理解装置是一封闭孤立的弹性体系。

但是，锥形瓶容积按250 mL计算，参加化学反应的氧气与白磷的总质量约为0.1143 g，少于实验室普通天平的0.2克感量，无法测出参加反应与反应后生成的物质总质量，即使化学反应前后天平指针没有偏转，也难以证实质量守恒，显示的只是“虚假的守恒”。因此，突破“虚假守恒”的实验事实，理解测量体系在定量研究中的作用，感受严谨、求真、实证等科学精神，是本课学习的难点，这也是开展科技史体验指向定律教学的出发点。

2.学习目标

（1）识别定律关键词并建立模型等式，提升依据文字建立模型的能力。

（2）设计验证质量守恒的测量方案，理解测量体系的特点及定律的内涵。

（3）推测质量守恒定律发现史实的成因，体会观念、技术对科学发展的影响。

（4）解释燃烧前后质量变化，形成“宏观→微观”的认识思维。

3.教学过程

科技史体验指向的质量守恒定律教学流程如图5所示，具体过程阐述如下：

（1）情境展示，认识任务

教师先出示红磷，让学生回忆红磷在空气中燃烧的现象，并写出反应文字表达式。然后，呈现质量守恒定律，让学生在阅读中找出“化学反应”“参加反应的”“反应生成的”“质量”“总和”等关键词，并用数学等式表示。学生讨论后，教师板书“m反应物总=m生成物总”，并提出任务：以磷在空气中燃烧为例，设计测量方案，验证质量守恒定律。至此，实现由现象呈现定律、建构等式，并揭示任务，旨在聚焦问题，渗透科学具有可重复性的观念。

（2）引导推进，形成方案

设计红磷燃烧前后质量的测量方案，主要包含原理构想、装置设计、工具选择等任务，教师需引导学生将设计任务进行分解，组织学生进行头脑风暴，在不断的质疑与改进中完成方案的设计，具体实施过程如下：

原理构想时，教师提出问题：“如何判断反应物质量总和与生成物质量总和相等？”学生提出两种思路：一是用天平分别测出两者的总质量，二是用天平比较反应前后质量总和是否变化。接着，让学生从科学性、可行性等角度对两种思路进行讨论；最后，大家一致认为第二种思路操作更简便。在这一过程中，学生对测量对象进行了仔细分析，对定律的4个关键词也有了更深的体悟。

装置设计时，教师揭示任务：为测出磷在空气中燃烧前后的总质量，让磷在哪儿燃烧呢？需要设计一个磷燃烧反应装置。若装置如图6-①，会有什么问题？学生讨论后形成共识：“生成的部分P2O5会随气体从集气瓶中向外逸。”教师追问：“怎么办呢？”有学生提出加塞子，教师板画如图6-②。同样，让学生预测后果，并提出新的解决方案，教师则总是追问：“会有什么问题？”“怎么办？”学生设计磷燃烧装置的演变过程如图6，其中②加瓶塞是为了防止物质外逸，③插管是为了防止瓶塞冲出，④罩集气瓶是为了回收外逸物质，⑤以气球代替集气瓶是为了梳缓膨胀，⑥加水或沙是防止局部温度过高导致瓶破裂。至此，学生设计的燃烧装置已与教材实验相同。在这一过程，燃烧装置由开放体系变为密闭体系，由刚性体系变为弹性体系，学生既领悟了燃烧装置的设计奥秘，也加深了对定律关键词“参加反应的”“反应生成的”的理解。

工具选择时，出示如图6所示装置，并再问“还有问题吗？”引导学生提出：参加反应的总质量若少于天平的感量，则不能判断。于是，教师再问：“怎么办？”学生认为应该用感量更小的测量工具或者增大反应的容器。这样，再次加深学生对“参加反应的”的理解，也知道了测量工具精度对实验的影响。

（3）巡视组织，测量质疑

实验由教师与学生共同完成，化学反应前后的体系质量用感量为0.2 g的托盘天平判断是否变化，并用感量为0.001 g的电子天平进行测量。实验后，教师问：“能否据此得出质量守恒定律？”学生展开讨论，认为既需大量实验事实才能得出具有普遍性的规律，还需采用精度更高的工具进行测量，使学生懂得化学反应前后总质量守恒是在此感量下的守恒。

（4）呈现史实，推测解释

教师展示图7，先介绍罗蒙诺索夫、拉瓦锡、朗道耳特、曼莱等人的实验、观点及影响，让学生讨论：当时的人们对三人观点的态度为什么會不同？教师适时介绍拉瓦锡、朗道耳特和曼莱时的测量技术精度，并与课堂所用的电子天平进行比较。接着，教师介绍波义耳、斯塔尔的发现与观点，让学生推测：他们为什么未能进行深入研究、提出质量守恒观点？最后，让学生用质量守恒定律的观点解释汞煅烧后质量增加、草木燃烧后质量减小的原因，并推测：宏观上表现出来的质量守恒现象，背后所隐藏着的微观原因。

在这一阶段，介绍定律发现简史，展现了先哲们的智慧光芒、技术与科学的互动关系；让学生“回到”过去，推测当时人们的观点，了解科学概念被大众接受的过程；推测科学家未能深入研究的原因，感受科学家观念对科学发展的影响。同时，也锻炼了用守恒观点从宏观、微观两角度对现象进行科学解释的能力。

4.教学反思

（1）科技史体验利于素养的发展

科学是为了发现，技术是为了发明，两者相互推动，且都具有特定的背景与历程，在课程中融入科学技术史，被当今各国科学教育界所提倡。科技史体验旨在科学课程中融入技术与史实，让学生经历技术设计、史实品评，进而学习科学、体会本质，是科学教学发展学生核心素养的重要抓手。本案例以测量设计、史实比较为核心，通过装置设计体会技术魅力、理解定律本质，通过比较史实领悟技术对科学的推动、定量实验对科学研究的价值。

（2）技术设计要以学生为中心

设计是一个提出问题、解决问题的循环过程，目标是发明新方法、新手段、新设备，教学要努力让学生成为设计的问题发现者与方案改进者，在相互吹毛求疵的质疑中完善设计。本案例在装置设计过程中，教师以“还有问题吗？怎么解决呢”来组织讨论，学生在不断地质疑、改进中完善装置设计，充分体现了学生的主体地位，有效地促进了学生问题解决与创新设计能力的发展。

（3）用教材教而不拘泥于教材

教材是课程标准的具体化，反映了面向全体学生的学习基本要求。教学设计要参照课程标准，但不能拘泥于标准，也可超越标准；要以教材为依托，但不能按照教材教，而应视教材为素材，博采众长，创造性地运用教材。本案例围绕学生核心素养发展，重设教学目标，增删教学内容，教学以终为始，实施时以测量原理构想、燃烧装置设计为突破点，增加史实的比较与推测，做到了超越标准、活用教材。

参考文献

[1]赵匡华.化学通史[M].北京：高等教育出版社，1990：67.

[2]袁翰青，应礼文.化学重要史实[M].北京：人民教育出版社，1989：23，28.

[3]蔡邦宏，艾尚华.罗蒙诺索夫——俄国科学史上的彼得大帝[J].科学大众（科学教育），2015（8）：21.

[4]姜鹏，郑长龙，袁绪富.关于“质量守恒定律”化学史教学的几个问题的讨论[J].化学教育，2008（9）：77-78.