【中考改革！】指向科学本质的初中化学试题命制及教学建议！
科学是什么？科学的本质是什么？这些问题是当前发达国家科学教育改革的理论基石。科学本质是指对科学知识、科学研究过程、科学方法、科学的历史、科学的价值、科学的限度等方面最基本特点的认识，是一种对科学本身全面的、哲学性的基础认识。 美国科学促进协会在《面向全体美国人的科学》中概述科学本质包含三个方面：一是科学知识的本质。世界是可以被认识的；科学是一个产生知识的过程，这个过程依赖于对现象的细致观察以及由此提出的理论，但科学知识不是绝对真理；科学观点的变化通常不是彻底抛弃，而是修正，科学知识是有生命力的并会越来越接近事实真相；科学并不能对所有问题提供完全的答案。二是科学探究的本质。科学重视证据；科学揉合了逻辑与想象；科学用作解释并预测；科学尽量避免偏见；科学反对权威。三是科学事业的本质。科学具有个人、社会和公共机构三个维度，科学是复杂的社会活动；科学具有不同的研究领域；科学研究中具有普遍接受的道德原则；科学家既作为专家也作为公民参与公共事务。 因此帮助学生理解科学本质是科学教育的重要目标之一，也是培养学生科学素养的核心命题。浙江省2022年初中学业水平考试丽水卷科学试题第28题，以质量守恒定律的科学史为试题背景，重点考查“物质变化和化学反应”核心概念，以“密闭装置发现质量守恒定律”的关键信息贯穿整个试题，考查了学生知识的获取能力、科学解释现象能力和实验探究能力等。该试题材料不仅体现了知识的暂时性、可重复性等科学知识本质，也渗透了科学重视证据、对现象进行解释和预测的科学探究本质，还蕴含着科学家应具有创造力与想象力、质疑批判态度的科学事业本质。
1 试题和答案
1.1 试题
定律是对自然现象或关系的描述，通常可用数学方式加以表达。在学习“质量守恒定律”时，小丽查阅到以下材料：
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波义耳实验中，金属灰增加的质量是 ▲ ；
（2）质量守恒定律的发现过程，带给我们的启示有 ▲ ；
A.要善于总结前人的成果和经验
B.实验的成功与否，取决于药品的选择
C.定量方法是科学研究的重要方法
受上述研究启发，小丽对相关实验进行了深入研究。
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（3）在白磷燃烧前后质量测定实验中（图1），气球的作用是 ▲ ；
（4）小丽认为，蜡烛燃烧后剩下的固体质量比燃烧前减少了，因此该现象不符合质量守恒定律。请你设计一个能说服小丽的简明实验思路 ▲ 。
1.2 答案
（1）参加反应的氧气的质量（或氧化汞中氧元素的质量）
（2）AC
（3）形成密闭空间，使瓶内气压保持在一定范围内，防止瓶塞因气压过大而冲出
（4）在密闭装置内完成蜡烛燃烧，并测量蜡烛燃烧前后整个装置的质量，比较两者质量的大小
2 命题意图剖析
《义务教育化学课程标准（2022版）》中要求合理选择化学史素材，帮助学生理解科学本质，让学生体会实验探究、模型建构、定量研究等是化学研究的基本方法，培养学生证据辨识与选择、证据与推理、模型和解释等高阶思维，感悟科学家崇尚真理、严谨求实的科学态度，勇于质疑、批判创新的科学精神。
2.1 注重对科学知识本质的考查
质量守恒定律是化学学习的基石。本题以“质量守恒定律科学史”为试题情境，引导学生认识科学本质，领悟发现质量守恒定律的重要前提——密闭体系。从实验偶然发现——实验结论——科学假设——质量守恒定律提出的过程中，感受定量研究等实验方法对科学发展的重要作用，科学依赖于对现象的细致观察和探究，科学知识具有暂时性和可验证性等特点。
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科学是一个产生知识的过程，这个过程依赖于对现象的细致观察以及由此提出的理论。 波义耳实验和罗蒙诺索夫实验都是加热金属，但实验结论却不一样。对比后发现波义耳实验反应后打开容器称量，得出加热后金属质量增加的实验结论。而罗蒙诺索夫实验始终封闭，所以反应前后容器质量不变。实验的成果与否，并不取决于药品的选择，而在于构建封闭的体系，尤其是有气体参与或生成的化学变化。仅凭罗蒙诺索夫一次实验的结论或许仅仅是偶然发现，但科学知识具有可重复性和可验证性，拉瓦锡不仅用金属锡和铅做了实验，他还做了许多其他类似实验，也得到了相同的实验结论，并用一个代数式表示了该结论，然而不是所有科学假设都能成为定律。廊道尔特和曼莱总结了前人的经验后做了精准度极高的实验，发现误差极小，至此科学家才一致承认质量守恒定律。这期间不仅需要科学家们善于总结前人经验成果，还需要有一定的创造力和学会使用定量研究的研究方法。如果学生能对科学知识本质有一定的认识和理解，那么本题的第（2）小题便可迎刃而解。
2.2 注重对科学探究本质的考查
科学重视证据，反对权威，科学可用作解释并预测。 信息的获取能力、科学解释能力和实验探究能力是学科关键能力考查的重要落脚点。《义务教育化学课程标准（2022版）》中强调要通过证据辨识与选择、证据与推理、模型和解释等高阶思维活动，使学生初步养成注重实证、严谨求实的科学态度，同时还强调要运用化学观念解释与化学相关的现象和事实。
在对比波义耳和罗蒙诺索夫两次实验的差异，找到构建封闭体系的必要性，尤其是有气体参与或生成的实验。由于封闭体系中气压变化可能会破坏原封闭体系，从而引起实验失败。所以白磷燃烧前后质量测定实验中气球的作用不仅仅是构建封闭体系，还使瓶内气压保持在一定范围内，防止瓶塞因气压过大冲出造成实验失败。日常生活中铁生锈后质量增加、蜡烛燃烧后质量减少，这些现象对学生形成质量守恒的观念造成了前摄抑制，学生若能领悟波义耳和罗蒙诺索夫两次实验的差异，找到构建封闭体系和比较实验前后容器总质量两个关键操作，第（4）小题可迎刃而解。本题考查了学生从陌生资料中获取信息的能力、知识迁移能力、推理解释能力和实验探究能力。
2.3 注重对科学事业本质的考查
科学是人类共同的事业。许多科学家对质量守恒定律的发现和构建都做出了贡献，他们互相公开和分析各自的研究成果，当新证据的出现时，他们持批判质疑的态度对已有的理论进行修正和完善。罗蒙诺索夫重做了波义耳的实验，得出了不一样的结论。而拉瓦锡重做了罗蒙诺索夫实验，却得到一致的结论，并用代数式表示了这个结论。科学受到社会文化、科学团体的影响，也受当时的科技和仪器水平的影响。随着氧气的发现，拉瓦锡才能推翻“燃素说”，建立“氧化说”，进而得出质量守恒定律的数学表达式。随着精密测量方法的出现，廊道尔特和曼莱才能完成一系列精确度极高的化学实验，才使得质量守恒定律被科学家一致承认。若学生具备一定的科学本质观，那么第（2）小题便可轻松拿下。
3 学生答题情况统计及分析
3.1 各小题难度情况
L市2022年参加中考的考生总数为2.7万，全样本考生在本题各小题答题情况统计分析（见表1）。
从表1中数据可以看出，本题总难度0.43，属于较难题。特别是第（1）、（3）、（4）小题。
3.2 各小题考查的核心知识、参考答案及典型错误
为了解学生在本题解题过程中对每小题的具体回答，我们对本题的典型错误做分析（见表2）。
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根据表2中的内容可得出以下几点结论：
（1）学生缺乏对核心知识和基本原理的本质理解。第（1）小题错误答案中，回答氧气或氧元素的学生较多，没有指出是参加反应的氧气或氧化汞中氧元素的质量，说明学生对质量守恒定律的理解不到位或语言表述不准确。学生只简单的认为质量守恒定律就是“反应前物质的质量等于反应后物质的质量”。
（2）学生缺乏对相似实验的差异理解。第（3）小题考查气球的作用，很多学生回答“尾气处理”、“收集气体”或“提供氧气”等答案，说明学生缺乏对科学实验的本质理解。初中阶段利用气囊进行尾气处理属于教师强调、考试常考的试题，教学中若不注意相似问题的对比教学，不注重实验原理的本质理解，只进行反复机械训练，必然助长机械记忆，惰性思维。
（3）学生科学解释和科学论证能力较弱。第（4）小题要求学生设计简明实验思路证明蜡烛燃烧符合质量守恒定律，但学生设计的思路缺乏可行性，如“用烧杯直接盖住蜡烛”，烧杯覆盖并不能形成密闭空间；或答非所问的从元素组成角度进行理论解释，而不是按照要求设计实验方案验证。
4 教学建议
根据本试题考生得分和典型问题分析，我们对初中化学教学提出如下几点建议：
4.1 秉承能力立意，推进素养落地
《义务教育化学课程标准（2022版）》聚焦学科育人方式的转变，深化化学教学改革，重视开展核心素养导向的化学教学。重视对学科关键能力的考查是考查学生核心素养的重要抓手。
在平时教学中，教师要摒弃“碎片化知识点+机械重复训练”等应试化倾向严重的现象，在教学中不仅要重视核心知识的习得，也要重视学生知识获取能力、科学解释现象能力和实验探究能力等学科关键能力的培养，更要重视分析综合、抽象概括、推理论证等科学思维能力渗透，以及批判性思维、创新性思维和决策性思维能力的培养，从而推进核心素养的真正落地。
4.2 重视核心知识，推进深度教学
价值引领、素养导向、能力为重、知识为基是目前命题工作的重要理念。当前各地学业水平考试重视基础性，突出对基本概念、基本原理的考查，丰富对基础知识的深入理解和综合运用，引导学生重视对科学理论本质属性和内在联系的深刻理解，引导教学回归课标、回归教材。
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在平时教学中，教师要深入研读课标，理解教材编写意图，准确把握教学内容。浙教版《科学》教材用“白磷燃烧前后质量测定实验”(图1)和“氢氧化钠和硫酸铜反应前后质量测定实验”（图3）探究质量守恒定律，非常具有代表性。图1实验代表反应过程中有气压变化的化学反应（如有气体参与或生成等），而图3实验代表没有气压变化的化学反应。不仅如此，图1实验帮助学生破除“蜡烛燃烧后质量减小”的错误前概念，而图3实验帮助学生破除“铁生锈后质量增加”的错误前概念。教材中两个实验都构建了封闭体系，且质量守恒定律的科学史也体现封闭体系的必要性。但在平时教学中，大多数教师并没有领悟这一点，教学也仅仅处于直接灌输式教学，使知识碎片化、浅显化，缺乏思维深度。若教学中教师先从观察蜡烛燃烧，初步提出质量变化的假设。然后用过氧化氢制取氧气实验引导学生考虑氧气质量，从而让学生认识到原有假设可能存在的问题。接着让学生根据不同的假设设计实验来验证，再结合质量守恒定律的科学史，进行科学本质教学。最后联系生活实际，如钢铁生锈、蜡烛燃烧等熟悉的化学反应，讨论这些反应前后质量的变化情况，并设计实验进行验证或根据质量守恒定律进行科学解释。这不仅能加深学生对质量守恒定律的本质理解，还能培养学生实验探究能力和实证能力。
4.3 精选史实材料，促进本质理解
在化学教育中关注并重视化学史教育，已经成为化学教学中的发展趋势之一。化学史上每个科学发现与发明都是最真实的情境，合理选择化学史素材作为试题情境，不仅能让学生理解科学本质，体会科学思想，还能学会科学方法，形成科学态度。
在平时教学中，教师要主动接受科学史和科学哲学教育，提升自身科学本质观，规范自身的科学语言。尝试梳理教材中涉及的化学史素材，如波义耳发现指示剂的故事、元素周期表发展史、酸碱理论发展史等，将其与教学知识有机融合，不仅能调动学生学习化学的兴趣，还能加深学生对化学知识的理解，同时可以帮助学生拓宽知识领域，使其养成科学精神与科学方法，提升科学探究能力。利用化学史教育不局限于教材所提供的静态理论，还应该着重分析其发生与演变过程，才能领悟其科学思想和科学精神。
参 考 文 献
胡卫平 刘守印.义务教育科学课程标准（2022版）解读.高等教育出版社，2022:40-41
American association for advancement of science（AAAS）．Project2061，Science for all Americans．AAAS Publication，1989：25-31
中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022版）.北京：北京师范大学出社,2022:13
中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022版）.北京：北京师范大学出社,2022:45
尽快补订2023年《化学教育》！
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