基于手持技術“3×n”教學模式的“金屬鈉與氧氣反應”教學設計

陳德成 錢揚義 黃倩瑩

摘要： 在分析“金屬鈉與氧氣反應”已有教學研究和教學現(xiàn)狀的基礎上，立足問題解決理念，基于手持技術“3×n”教學模式對“金屬鈉與氧氣反應”進行教學設計。通過“3×5”教學模式梳理出情境線、問題鏈、活動線、方法鏈、形式線和方式鏈，驅(qū)動學生在真實問題解決過程中，基于實驗曲線分析金屬鈉與氧氣的反應，形成對金屬鈉與氧氣反應實質(zhì)的認知，培養(yǎng)定量思維和曲線分析的能力。

關鍵詞： 手持技術; “3×n”教學模式; 金屬鈉與氧氣反應; 曲線分析; 教學設計

文章編號： 10056629（2022）02003607

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

1.1 問題解決教學

問題解決教學是以問題為出發(fā)點和教學中心來展開的課堂教學樣態(tài)，是在真實或模擬真實的問題情境中，由開放性的問題而引發(fā)，有明確的學習目標，需要學習者在“問題空間”內(nèi)通過個體探究、協(xié)作共享、平等對話、批判創(chuàng)新來認知和理解，以實現(xiàn)問題的分析與解決[1]。在實際的課堂教學中，要實現(xiàn)學生積極參與其中，需要通過設置問題和情境為他們提供進入化學世界的“鑰匙”。問題解決教學有助于培養(yǎng)學生的自主學習能力、協(xié)作探究能力、實踐創(chuàng)新能力和終身學習能力[2]。鑒于此，有必要基于問題解決理念進行教學設計和實施。

1.2 已有教學研究進展

在中國知網(wǎng)以“金屬鈉與氧氣”和“教學”為關鍵詞，檢索2016～2021近6年中學教學研究文獻，共得57篇相關文獻。對這些文獻進一步分析，發(fā)現(xiàn)“金屬鈉與氧氣反應”教學研究主要呈現(xiàn)以下特點： （1）從教學目的看，大部分研究均聚焦核心素養(yǎng)和化學課程標準以促進學生對“金屬鈉及其化合物”的認識思路結(jié)構(gòu)化;（2）從教學方式看，主要表現(xiàn)為通過傳統(tǒng)的實驗教學的形式。

綜合分析已有研究，“金屬鈉與氧氣反應”教學尚有改進之處： 第一，在教學理念上，問題解決理念滲透不夠深入，基于問題解決模式的課例有所欠缺;第二，在教學方式上，以傳統(tǒng)實驗教學為主，尚無運用手持技術進行主題教學，數(shù)字化實驗與該主題整合的課例基本空白。

1.3 本研究解決的問題

基于錢揚義提出的“手持技術數(shù)字化實驗‘3×n’教學模式”[3]，對“金屬鈉與氧氣反應”內(nèi)容進行教學設計。與傳統(tǒng)實驗相比，手持技術數(shù)字化實驗能夠快速、便捷、可視和精確地采集各種數(shù)據(jù)，更好地認識物質(zhì)在化學反應中變化的事實[4]。因此，本研究旨在利用手持技術改進傳統(tǒng)教學，通過“3×n”教學模式開展教學，幫助學生認知“金屬鈉與氧氣反應”的實質(zhì)，培養(yǎng)學生收集、分析數(shù)據(jù)和綜合解決實際問題的能力，發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。

2 基于手持技術數(shù)字化實驗“3×n”教學模式

2.1 “3×n”教學模式的框架

手持技術數(shù)字化實驗“3×n”模式是基于問題解決理念“教學評一體化”和情境教學理念以實現(xiàn)“素養(yǎng)為本”的教學[5]?！?×n”模式框架的縱向維度為教學環(huán)節(jié)，橫向維度為教學板塊，見圖1。在“3×n”模式中，課堂被劃分為n個教學環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)均由三個板塊構(gòu)成，分別是“在情境中提出問題”“在活動中解決問題”“在應用中評價問題”。

2.2 “3×n”教學模式的具體內(nèi)容

在“3×n”模式中，在情境中提出問題分為情境線和問題鏈，在活動中解決問題分為活動線和方法鏈，在應用中評價問題分為形式線和方式鏈，構(gòu)成“三線三鏈”[6]，具體見表1。

3 基于“3×n”教學模式的教學實踐

3.1 教學內(nèi)容分析

本節(jié)課為高一化學新授課，選自人教版高中化學必修第一冊第二章第一節(jié)“鈉及其化合物”的“活潑的金屬單質(zhì)——鈉”。教材主要內(nèi)容包括： （1）鈉的物理性質(zhì);（2）鈉在室溫和加熱條件下與氧氣反應;（3）鈉與水反應。本節(jié)課著重探究、分析金屬鈉與氧氣在不同條件下的反應;金屬鈉與水的反應主要作為拓展提升，不作重點分析。

本節(jié)內(nèi)容在高中元素化合物的學習中有承上啟下的作用。主要體現(xiàn)在： 第一，學生在初中已基本掌握Fe、 Mg、 Al的化學性質(zhì)以及金屬活動性順序表;第二，學生已學習物質(zhì)分類、氧化還原反應，為進一步認識金屬鈉的化學性質(zhì)打下基礎;第三，金屬鈉作為活潑金屬的代表，有助于形成學習活潑金屬單質(zhì)的思路。

3.2 教學現(xiàn)狀分析

結(jié)合教材和文獻研究發(fā)現(xiàn)如下問題： 第一，教材實驗概念存在片面性，教材根據(jù)金屬鈉在空氣中失去金屬光澤，默認其僅與空氣中的氧氣反應[7]，忽略了空氣中的水蒸氣、二氧化碳等氣體對金屬鈉的影響。第二，鮮有改進實驗和課例對金屬鈉與氧氣的反應進行定量研究，學生對此反應的認識僅限于定性層面。

3.3 教學思想和創(chuàng)新點

（1） 證據(jù)推理式教學理念。以驅(qū)動式問題為載體，學生借助手持技術從實驗曲線上獲取定量證據(jù)，認識鈉與氧氣反應。

（2） 問題解決式教學模式。本節(jié)課以遞進式問題為核心規(guī)劃教學活動，使學生在真實的情境中解決實際問題。

（3） 四重表征教學策略[8]。本節(jié)課依照“宏觀—曲線—符號—微觀”的表征順序，幫助學生建立“金屬鈉與氧氣反應”實質(zhì)的認知。

（4） 手持技術實驗教學方式。本節(jié)課引入手持技術實驗改進教材實驗，由定性到定量研究，體現(xiàn)信息技術與化學課程的有效融合。

3.4 教學目標

（1） 基于金屬鈉儲存在煤油中的情境，通過分析金屬鈉的原子結(jié)構(gòu)預測化學性質(zhì)，培養(yǎng)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的思維。

（2） 通過小組討論的形式，基于手持技術實驗觀察現(xiàn)象、分析室溫和加熱條件下金屬鈉與氧氣反應的異同。能書寫化學方程式;繪制并分析氧氣含量變化曲線，培養(yǎng)收集實驗數(shù)據(jù)、分析實驗圖像的能力。

（3） 通過小組討論的形式，設計實驗方案，分析曲線和現(xiàn)象，認識金屬鈉能與空氣中的H2O、 CO2發(fā)生反應，完善對“金屬鈉與空氣中氧氣反應”的認知，發(fā)展“科學探究與創(chuàng)新意識”的素養(yǎng)。

3.5 教學流程——“3×n”教學模式

手持技術“3×n”教學流程見圖2。在本節(jié)課中，學生通過解決四個核心問題更科學地認識“金屬鈉與空氣中氧氣反應”的實質(zhì)。

3.6 教學實錄

環(huán)節(jié)一： 預測金屬鈉的化學性質(zhì)

[情境1]金屬鈉儲存在煤油中。

[核心問題1]為什么鈉須保存在煤油中？觀察鈉在煤油中的位置，得出什么結(jié)論？

[學生]分組討論，預測可能會與空氣中的氧氣反應;金屬鈉的密度比煤油大，煤油可以隔絕空氣。

[教師]請說明依據(jù)。

[學生活動1]分組討論： 從物質(zhì)分類、元素價態(tài)和原子結(jié)構(gòu)解釋。

[點評]評價學生做出的解釋，診斷學生“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的意識。

環(huán)節(jié)二： 手持實驗探究金屬鈉在室溫條件下與氧氣反應

[核心問題2]如何證明室溫條件下鈉與氧氣發(fā)生化學反應？

[學生]切割金屬鈉，觀察切面顏色的變化。

[教師]空氣中不僅含有氧氣，金屬鈉的切面失去金屬光澤一定說明其與氧氣反應嗎？

[學生]不一定。

[教師]有何方法精確證明？需要什么樣的儀器和條件？

[學生]可以測氧氣含量是否減少來證明;需要密閉條件和能檢測氧氣含量變化的儀器。

[點評]可以用氧氣傳感器實現(xiàn)，引入手持技術實驗。介紹實驗裝置組成和氧氣測定工作原理。反應裝置見圖3。

[情境2]金屬鈉在室溫下于T形管中反應。

[教師]請在實驗記錄表上繪制室溫下氧氣含量變化曲線A（注意： 為確保實驗安全和氧氣過量，取用一顆黃豆大小的金屬鈉進行實驗探究）。

[學生活動2①]繪制室溫下氧氣含量變化曲線A（見圖4）。

[點評]曲線A主要有4種情形： （1）直線快速下降后不變（圖4a）;（2）曲線平緩下降后不變（圖4b）;（3）直線平緩下降（圖4c）;（4）曲線快速下降后不變（圖4d）。

[教師演示實驗1]真實的曲線應該是怎樣的？我們

需要通過實驗來證明。進行實驗1，在電腦端用Logger Pro軟件實時呈現(xiàn)曲線圖（見圖5）。

[學生]描述現(xiàn)象： 金屬鈉表面由銀白色變成灰白色。

[教師]請標出曲線A的起點、終點、突變點等特殊點并讀取各點數(shù)據(jù)。

[學生]記錄氧氣含量變化，見表2。

[學生活動2②]結(jié)合實驗現(xiàn)象分析實驗曲線，表3為曲線分析作答記錄表。

[教師]請寫出室溫下反應的化學方程式。

[學生活動2③]4Na+O22Na2O。

環(huán)節(jié)三： 手持實驗探究金屬鈉在加熱條件下與氧氣反應

[核心問題3]加熱時鈉與氧氣反應會有什么不同？

[情境3]金屬鈉在T形管中加熱（裝置見圖3）。

[教師]請畫出氧氣含量變化曲線B。

[學生活動3①]繪制氧氣含量變化曲線B（見上圖4）。

[點評]曲線B主要有4種情形，與A相比： （1）直線下降速度更快后不變，消耗氧氣量相同（圖4a）;（2）下降更快后不變，相同時間內(nèi)氧氣消耗更多（圖4b）;（3）下降先慢后快，氧氣消耗更多（圖4c）;（4）下降更快后不變，氧氣消耗更多（圖4d）。

[教師演示實驗2]進行實驗2，曲線見圖5。

[學生]描述現(xiàn)象： 劇烈反應，發(fā)出黃色火焰，固體由銀白色變黑色后又轉(zhuǎn)變成淡黃色。

[教師]請標出曲線B的起點、終點、突變點等特殊點并讀取各點數(shù)據(jù)。

[學生]記錄氧氣含量的變化，見表4。

[學生活動3②]結(jié)合實驗現(xiàn)象分析實驗曲線，表5為曲線分析作答記錄表。

[教師]請寫出加熱時反應的化學方程式。

[學生活動3③]2Na+O2△Na2O2。

[教師]為什么在燃燒過程中有黑色固體出現(xiàn)，最后又消失？試分析原因。

[學生]原因可能是： 煤油未完全吸干，一開始不充分燃燒生成炭黑。隨著溫度的升高，其完全反應變成CO2。

[點評]另一原因是過氧化鈉在高溫下呈現(xiàn)黑色的過渡色，溫度越高顏色越深[9]。

[教師]對比兩個反應，能得出什么結(jié)論？

[學生]加熱時反應更劇烈，產(chǎn)物也不同。相同物質(zhì)的量的金屬鈉在加熱條件下消耗氧氣更多。

環(huán)節(jié)四： 手持實驗探究金屬鈉與空氣中的H2O、 CO2反應

[情境4]金屬鈉在T形管中放置一段時間。

[核心問題4]鈉在空氣中是否會和H2O、 CO2反應？

[學生]鈉會和空氣中的H2O反應。

[教師]請設計實驗證明。

[學生]小組討論： 使用相應傳感器在T形管中測定H2O、 CO2的濃度變化。

[教師演示實驗3]進行實驗3，裝置見圖6。

[學生]H2O、 CO2的含量也減少了（實驗曲線見圖7）。

[教師]課后請試著解釋H2O、 CO2的含量減少的原因，并寫出反應的化學方程式。請問課本中金屬鈉的切割實驗能否說明其僅與氧氣反應呢？

[學生]不能，還可能是與H2O、 CO2發(fā)生反應導致的。

環(huán)節(jié)五： 課堂小結(jié)（略）

3.7 教學反思

（1） 幫助學生形成對“鈉與空氣中氧氣的反應”的科學認知。學生通過氧氣、水蒸氣和二氧化碳的含量變化數(shù)據(jù)認識到： 金屬鈉在空氣中不僅會與氧氣反

應，還會發(fā)生其他反應。手持技術的引入彌補了教材實驗的不足，有利于發(fā)展學生的證據(jù)意識和科學素養(yǎng)。

（2） 推動學生完善解決問題的思路和深度思考。本節(jié)課基于“3×n”的教學模式，設計四個核心問題，引發(fā)學生認知沖突。學生基于情境和問題思考： 金屬鈉在空氣中可能發(fā)生的所有反應，并設計實驗方案，獲取定性證據(jù)與定量數(shù)據(jù)有效解決問題。

（3） 促進學生定量思維發(fā)展和提高數(shù)據(jù)、圖像分析的能力。在本節(jié)課中，學生基本能畫出曲線大致趨勢，但無法較為準確地捕獲曲線上的關鍵點，尚不能對曲線進行有效的分段分析。教師通過引導與學生一起具體分析圖像和曲線的特殊點，并將數(shù)據(jù)變化與宏觀現(xiàn)象一一對應。

4 研究價值

4.1 為教師拓展學生思維深度、發(fā)展核心素養(yǎng)提供有效手段

“3×n”教學模式中的核心問題鏈驅(qū)動學生積極思考，推動學生在解決問題的過程中逐步形成清晰的分析

思路、提高思維容量。手持技術的運用有助于攻克學生的認知難點和誤區(qū)，改進教與學的方式，促進了信息技術與化學課程的整合，為發(fā)展學生基于證據(jù)合理推理、解決問題的核心素養(yǎng)提供了有效手段。

4.2 為教師深度鉆研教材內(nèi)容、優(yōu)化教學設計提供方法指引

“3×n”教學模式中的“三線三鏈”有助于教師快速確定一堂課的核心知識與核心問題，進一步挖掘教學素材，精心設計教學活動和梳理教學過程。此外，“3×n”教學模式要求教師在教學設計的過程中充分體現(xiàn)“以學生為中心”，促進教師在備課的過程中更加關注學生情況?！?×n”教學模式為教師深度鉆研教材內(nèi)容、優(yōu)化教學設計提供了方法指引，并為教師運用手持技術進行課堂教學提供了行動智慧。

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