初中化学教材中实验功能的深层次解读

颜标峰

以实验为基础是中学化学教学的基本特征。化学实验现象直观具体、形象生动，既能帮助学生了解化学科学的基本事实，又能促进化学假设和理论的形成。化学实验在化学科学认识中所处的地位十分重要，具体表现在：“化学实验是联系认识主体和认识客体的中介；是沟通认识主体和化学科学认识的桥梁；是化学科学认识从一级上升到另一级的中间环节。”

在化学学习过程中，研究物质的性质及变化需要化学实验，学生观察实验现象并体验到变化的客观存在，进而由现象到本质进行分析和推理；对化学基本概念和基本理论的认识，学生更需要通过化学实验情境获取感性材料，概括出事物发展的规律和本质。

化学教材中选用的实验，设计得十分细腻和精巧，往往能将复杂条件进行简化和纯化，使需要认识的某种性质或关系以相对纯粹的形态表现出来。然而，在大多数时候，教师将教材中已有的实验弃之不用，或使用了实验却对其知之甚少，未能对教材中实验的功能进行充分挖掘，从而丧失了很多有意义的教学素材，这是非常令人惋惜的。

质量守恒定律是初中化学里为数不多的基本定律之一，教材在展开这部分内容时选择了四个实验，笔者对这四个实验进行了相对深入的分析。

一、质量守恒定律实验与化学史的关系

质量守恒定律在化学史的发展过程中经历了三个重要阶段：施塔尔以草木燃烧，燃素逸出，质量减小为例，认为化学反应后质量减小；波义耳煅烧金属后，发现质量增大，认为化学反应后质量增大；拉瓦锡在密闭容器内加热汞，发现化学反应前后质量不变。三位名家，三种不同的观点，穿越到现代课堂中，成了三种不同的假设。

教材中并未穿插化学史料，而是以实验的形式，将三种观点呈现在教材中。当然，教材在选择实验时，将三位科学家的复杂体系都简单化，在保留体现科学家实验设计思想的同时，简化了实验原理和体系，使得需要探究的质量关系以较为纯粹的方式得以呈现。代表施塔尔观点的实验是碳酸钠与稀盐酸反应的实验，是一个有物质逃逸的实验，与草木燃烧的实验异曲同工；代表波义耳观点的实验是镁带燃烧的实验，是一个有物质吸入的实验；代表拉瓦锡观点的实验有两个，一个是红磷在密闭体系中燃烧的实验，一个是铁钉和硫酸铜反应的实验。

教材中选择红磷燃烧的实验来做质量守恒定律的探究，还有另一个层面的考虑。拉瓦锡经典的“12天实验”，利用金属汞测定了空气中的氧气含量，教材中用红磷取代金属汞。质量守恒定律，其实是拉瓦锡在“12天实验”中的第二个发现，教材中選择之前使用过的红磷燃烧实验做模拟，更为流畅与自然，也隐含着两个发现之间的联系。

二、质量守恒定律实验与定律本体的关系

质量守恒定律是指“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”。

质量守恒定律中的关键词有化学“反应”“质量”“总和”“参加反应的”，这四个关键词的理解与突破，是教材中选择的四个实验承载的重要任务。

“化学反应”如何在四个实验中得以体现？教材中选择的四个实验，现象分别为红磷燃烧的火焰、镁带燃烧的发光、铁和硫酸铜反应的变色以及碳酸钠和稀盐酸反应的气泡。这些明显的现象都指向同一个结论，这些反应都是化学反应。

“质量”在四个实验中体现得十分明显。四个实验在进行前后，都要将仪器及药品在托盘天平上称量。

质量守恒定律中较难理解的是第三个关键词：“总和”，这个关键词在实验中主要通过探究的形式予以凸显。碳酸钠和稀盐酸反应的实验以及镁带燃烧的实验，实验前后，质量均不守恒，问题出在哪里？学生很快会发现，碳酸钠与稀盐酸实验产生的大量气体外溢，并未称量；镁带燃烧时，通过原理分析，学生会注意到，吸入的氧气未称量，造成反应前后质量不守恒。如何将“不守恒”的装置改进为能够证明质量守恒定律的装置？围绕这一问题，学生深入探究，设计实验，称量反应前后的质量总和。在探究过程中，“总和”的意识不断在指导学生进行设计和改进，从而突破认知难点。

“参加反应的”是质量守恒定律中最难理解的关键词，也是最容易被忽略的关键词。在改进装置后，四个实验反应前后的质量总和不变，由此，学生在思维深处已经形成了质量守恒的意识。然而，这只是实验表观的质量总和不变，质量守恒定律中强调的是参加反应的和反应生成的物质质量守恒。在这一难点的突破上，铁钉和硫酸铜反应实验的潜在作用得以充分发挥。将铁钉与硫酸铜溶液反应后的试管稍加振荡，观察到铁钉表面的红色固体脱落，露出银白色的金属。一个简单的举动，引出了深入的思考，列表式分析如下：

上述列表分析后，得出最终结论：质量守恒定律需要强调参加反应的和反应生成的物质的质量。

理解质量守恒定律，关键在理解这四个词上；理解这四个词，关键在实验功能的发挥上。由此可见，质量守恒定律实验对定律本体重难点的突破意义重大。

三、质量守恒定律实验的其他细节

细节一：铁钉和硫酸铜溶液反应时，教材中用作反应容器的锥形瓶上口配了橡胶塞。这一处理主要有两个目的：1.与红磷在密闭体系中燃烧的实验呼应，提示学生注意体系的密闭性，为后续的实验改进做铺垫；2.由于铜离子水解，硫酸铜溶液显酸性，铁钉加入硫酸铜溶液后，可能会产生少量的氢气。为了实验的严谨性，实验中做了密闭处理。

细节二：镁带燃烧是一个相对其他三个实验来说更为复杂的反应体系。镁带会消耗空气中的氧气，还会消耗空气中的氮气和二氧化碳，吸入的物质有多种可能，质量变化关系复杂；另外，镁带燃烧时产生大量白烟，白烟逸散到空气中，影响生成物的质量称量。多重因素同时影响，使得关于镁带燃烧前后的质量变化讨论更开放，但由于涉及的知识点太多，初中学生难免浅尝辄止。笔者认为，复杂体系的多因素讨论实验，在此处有一些超出范围，建议使用简单体系的金属实验，比如加热铜片等 。