巧用Vernier 1感器的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)片段

萬(wàn)詣

摘要：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)于化學(xué)教與學(xué)的價(jià)值越來(lái)越受到化學(xué)工作者的重視。借由一次市公開(kāi)課的機(jī)會(huì)，作者開(kāi)設(shè)了以電影《流浪地球》為素材的主題式復(fù)習(xí)課，其中設(shè)計(jì)了一個(gè)特色環(huán)節(jié)：給集氣瓶“穿上毛衣”，然后巧用Vernier傳感器創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景，先以宇航服材料的選擇引發(fā)認(rèn)知沖突，再通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究羊毛和化纖的隔熱及保溫效果，最終引導(dǎo)出“雖然性質(zhì)決定用途，但還需要考慮諸多因素”的思想。通過(guò)質(zhì)疑激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，質(zhì)疑并思考是促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展的重要方式，也是培養(yǎng)化學(xué)核心素養(yǎng)中“證據(jù)推理”的必要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究和分析討論，在解決問(wèn)題的過(guò)程中發(fā)展思維，內(nèi)化素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：Vemier傳感器;數(shù)字化實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)探究;發(fā)展思維

文章編號(hào)：1008-0546（ 2019）08-0085-03

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.08.027

一、案例背景

“化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)”指出：化學(xué)教學(xué)要“通過(guò)以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強(qiáng)化科學(xué)探究的意識(shí)，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。有趣又有意義的問(wèn)題提出和實(shí)驗(yàn)探究，有利于培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、探究、思考、總結(jié)的思維習(xí)慣[1，2]。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)量大，占用時(shí)間少，能完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段做不出的實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)于化學(xué)教學(xué)的價(jià)值越來(lái)越被廣大化學(xué)教育工作者重視，已成為創(chuàng)設(shè)探究性化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要助力[3]。

提高中學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)手段解決化學(xué)問(wèn)題的能力已是當(dāng)今實(shí)驗(yàn)改進(jìn)創(chuàng)新的重要方向之一，近三年南京中考化學(xué)試題均引入了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，在考查學(xué)生能力方面提出了新的要求，所以有必要在初中開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)能力和化學(xué)基本素養(yǎng)[4]。已有很多研究為運(yùn)用手持技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力找到理論依據(jù)，很多專家認(rèn)為手持技術(shù)是一種應(yīng)用先進(jìn)實(shí)用技術(shù)和教育理念、集數(shù)據(jù)采集與分析于一體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它對(duì)化學(xué)問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)有著傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性：（1）實(shí)時(shí)、生動(dòng)、直觀的特點(diǎn)激發(fā)學(xué)生解決問(wèn)題的興趣和動(dòng)機(jī);（2）利用計(jì)算機(jī)將圖形、圖像集成，利于學(xué)生建構(gòu)化學(xué)問(wèn)題解決活動(dòng)的原型，幫助學(xué)生建構(gòu)良好的問(wèn)題表征;（3）數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化使實(shí)驗(yàn)操作變得簡(jiǎn)單，可以使學(xué)生集中注意力于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等高級(jí)思維活動(dòng)，充分關(guān)注問(wèn)題解決策略的運(yùn)用;（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)、精確，縮短了數(shù)據(jù)分析的時(shí)間，提高了反饋的準(zhǔn)確性;（5）簡(jiǎn)便的數(shù)據(jù)采集，大容量的信息儲(chǔ)存，多種模式的顯示方式有利于培養(yǎng)學(xué)生信息采集、整理和分析的能力[5，6]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)還可以增加學(xué)生探究的廣度與深度，提高學(xué)生的課堂參與度，同時(shí)可以有效提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，利于培養(yǎng)科學(xué)精神[7]。

在2019年4月的一次市教研活動(dòng)中，筆者以電影《流浪地球》為情景素材開(kāi)設(shè)了一堂主題式的公開(kāi)課，在這節(jié)課的一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中利用Vemier傳感器和“穿毛衣”的集氣瓶巧妙創(chuàng)設(shè)了一個(gè)基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的探究情景，順利引導(dǎo)出想要得出的預(yù)設(shè)結(jié)論，并從中培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、探究、思考、總結(jié)的思維習(xí)慣。以此教學(xué)片段為例，提供教師在教學(xué)中利用手持技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生思維發(fā)展，并促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)形成的探究案例。

二、案例描述

本節(jié)課的總體構(gòu)架是先通過(guò)《流浪地球》中點(diǎn)燃木星的情節(jié)復(fù)習(xí)燃燒條件，進(jìn)而復(fù)習(xí)燃料，通過(guò)火箭燃料過(guò)渡到飛上太空需要穿宇航服，從而由宇航服的資料進(jìn)一步復(fù)習(xí)材料的分類，其中包含了學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)鑒別生活中常見(jiàn)的纖維和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究羊毛和化纖的保溫及隔熱效果。在一系列教學(xué)活動(dòng)中，不僅復(fù)習(xí)了主題4的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，并從中向?qū)W生滲透“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途，用途多方考慮”的化學(xué)思想。

在做數(shù)字化實(shí)驗(yàn)之前的教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過(guò)制造宇航服的拓展資料復(fù)習(xí)了材料的分類，并通過(guò)小組實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了三種不同顏色不同纖維材料制成的毛線，得出結(jié)論：紅色毛線是羊毛，黃色毛線是化纖，白色毛線是棉。此時(shí)筆者再拿出之前的資料提出問(wèn)題：“我們?cè)倏粗坝詈椒兴玫降牟牧?，宇航服保暖?nèi)層用的是羊毛材料，隔熱外層用的是化纖。但是保暖這個(gè)詞給我們的感覺(jué)是阻止熱量出去，隔熱是阻止熱量進(jìn)來(lái)，這兩個(gè)詞好像是一個(gè)意思呀？”學(xué)生紛紛點(diǎn)頭，隨后一臉疑惑。

繼續(xù)設(shè)疑：“難道需要保溫的時(shí)候羊毛效果更好，需要隔熱的時(shí)候就是化纖效果更好了嗎？”有的學(xué)生通過(guò)表情告訴我覺(jué)得可能是這樣，大多數(shù)學(xué)生們繼續(xù)一臉疑惑。這樣就自然而然導(dǎo)入到了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究的環(huán)節(jié)，當(dāng)學(xué)生們聽(tīng)到老師說(shuō)“通過(guò)一個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來(lái)探究一下吧”，全體都露出了興奮期待的表情。

過(guò)渡陳述：“同學(xué)們剛剛親手探究了紅色毛線是什么材料？黃色呢？老師現(xiàn)在拿出了兩件相同形狀厚度的毛衣，是由粗細(xì)一致的這兩種毛線用同樣的織法制成的。”學(xué)生們看著兩個(gè)護(hù)腕形狀的物件被老師說(shuō)成毛衣，哈哈大笑?！斑@是集氣瓶的毛衣，我們現(xiàn)在給集氣瓶穿上毛衣吧！”學(xué)生們看到教師把毛線護(hù)腕套在集氣瓶上之后露出恍然大悟的表情。

接下來(lái)開(kāi)始數(shù)字化實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)操作如圖1所示）：在距離太陽(yáng)燈的等距對(duì)稱位置放置兩個(gè)“穿毛衣”的集氣瓶，將兩個(gè)“穿毛衣”的集氣瓶（瓶?jī)?nèi)是空氣）與Vemier溫度傳感器相連，然后經(jīng)由數(shù)據(jù)采集器連接筆記本電腦上的配套軟件，打開(kāi)太陽(yáng)燈對(duì)“穿毛衣”的集氣瓶進(jìn)行等效加熱，點(diǎn)擊軟件上的采集數(shù)據(jù)，以曲線形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。為方便學(xué)生觀察，調(diào)整縱坐標(biāo)的范圍，讓學(xué)生更早的觀察到兩個(gè)樣品升溫速率的差距。在公開(kāi)課上實(shí)際采集3分鐘看到明顯的溫差后停止操作，在課件上展示課前采集2000秒以上的數(shù)據(jù)（如圖2所示），讓學(xué)生手摸“毛衣”并提問(wèn)學(xué)生隔熱效果好的材料是？通過(guò)觀察對(duì)比分析，雖然手摸感覺(jué)升溫差距不明顯，但通過(guò)數(shù)字化對(duì)比實(shí)驗(yàn)的溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)羊毛的隔熱效果更好。

保溫實(shí)驗(yàn)也在課前完成（實(shí)驗(yàn)操作如圖3所示）：將兩瓶空氣樣品通過(guò)太陽(yáng)燈照射加熱到相同溫度（通過(guò)連接溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控，加熱到約40℃），然后給兩個(gè)集氣瓶穿上不同的毛衣，自然放置冷卻，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集器將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦上的配套軟件，采集約1000秒的數(shù)據(jù)（如圖4所示）。讓學(xué)生觀察數(shù)據(jù)并提問(wèn)保溫效果好的材料是？學(xué)生發(fā)現(xiàn)也是羊毛。得出結(jié)論：羊毛保溫和隔熱效果都比化纖好。

筆者繼續(xù)追問(wèn)：“既然隔熱效果和保溫效果都是羊毛優(yōu)于化纖，那么為什么宇航服的保溫內(nèi)層使用羊毛！但隔熱外層卻使用化纖呢？”學(xué)生小組交流討論一會(huì)兒提出一些猜想之后，提示學(xué)生去看人教版下冊(cè)課本的第105頁(yè)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)教材上寫有“合成纖維強(qiáng)度高、彈性好、耐磨和耐化學(xué)腐蝕，但它的吸水性和透氣性較差?！痹瓉?lái)是因?yàn)閮?nèi)層材料不僅要考慮保溫還要考慮舒適，而外層材料不僅要考慮隔熱還要考慮耐磨等因素。聯(lián)系學(xué)生的生活實(shí)際，回憶生活中羊毛衫總是穿在里面，而外套大衣使用化纖材料居多。再提問(wèn)：“第8單元學(xué)習(xí)金屬材料時(shí)我們知道銅和銀導(dǎo)電性差距不大，但銀更優(yōu)越，為何使用銅作導(dǎo)線？”結(jié)合剛剛羊毛和化纖在宇航服制造中的使用討論，引導(dǎo)學(xué)生回答出“雖然性質(zhì)決定用途，但實(shí)際使用時(shí)要考慮諸多因素”。

此時(shí)用結(jié)構(gòu)化板書(shū)小結(jié)：“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途，用途多方考慮?！保ㄔ谥暗慕虒W(xué)中通過(guò)纖維材料的介紹已經(jīng)提出結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。）于此完成基于數(shù)字化傳感器和“穿毛衣”集氣瓶的教學(xué)環(huán)節(jié)。

三、教學(xué)反思

本堂課筆者嘗試將熱門電影素材融人教學(xué)進(jìn)行初中化學(xué)主題4的復(fù)習(xí)，圍繞復(fù)習(xí)的知識(shí)費(fèi)心整理資料素材，精心設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題鏈。以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為亮點(diǎn)，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究創(chuàng)設(shè)情景激發(fā)學(xué)生的思考分析，分析得到的結(jié)論依然回歸教材。學(xué)生活動(dòng)豐富，在各式各樣的活動(dòng)中提升了學(xué)生資料閱讀、信息提取、證據(jù)推理、分析歸納、實(shí)驗(yàn)探究等能力，并體會(huì)化學(xué)與社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)，感受學(xué)好化學(xué)可以創(chuàng)造更好的未來(lái)。

基于Vemier傳感器探究不同纖維材料隔熱保溫效果的探究實(shí)驗(yàn)片段，始于課堂情景素材給學(xué)生產(chǎn)生的認(rèn)知沖突，質(zhì)疑是培養(yǎng)化學(xué)核心素養(yǎng)中“證據(jù)推理”的必要環(huán)節(jié)[8]。Vernier傳感器將學(xué)生無(wú)法感知的細(xì)微溫度變化以精確曲線的形式表征，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)直觀的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，培養(yǎng)了學(xué)生從定性探究到定量探究的思維方式，也提高了學(xué)生的證據(jù)推理能力，學(xué)生從中深刻體會(huì)到“物質(zhì)的性質(zhì)決定用途，但仍要考慮諸多因素”。以宇航服的材料選擇為背景，激發(fā)了學(xué)生解決問(wèn)題的渴望，在此種環(huán)境的營(yíng)造下，課堂討論氛圍濃烈，學(xué)生興趣盎然，結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究，共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

學(xué)習(xí)認(rèn)知是從思維開(kāi)始，有了思維，才會(huì)提出問(wèn)題;有了思維，才會(huì)有解決問(wèn)題的猜想;有了思維，才會(huì)解決問(wèn)題。因此探究教學(xué)是在思維探究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，離開(kāi)了思維探究，探究教學(xué)就成無(wú)本之木。“滿堂灌”“炒冷飯”固然能使學(xué)生掌握化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理、基本技能，但是缺乏新鮮、動(dòng)機(jī)的教學(xué)模式使課堂成為一潭死水，學(xué)生無(wú)興趣，教師無(wú)動(dòng)力。喪失活力的課堂，學(xué)習(xí)的有效性、高效性自然無(wú)從談起[9]。

“化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)”把“全面發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)”作為未來(lái)教學(xué)最重要的培養(yǎng)目標(biāo)?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包含“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”這一內(nèi)容，在解讀中提到“能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題，能從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)[10]”。我們一線教師應(yīng)在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中切實(shí)踐行新理念，開(kāi)展以實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，有目的、有計(jì)劃地進(jìn)行指向核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)化，不斷促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，培養(yǎng)新時(shí)代全面發(fā)展的人。

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