借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 賦能化學(xué)觀念建構(gòu)

林 萍 張賢金

福建省福州第四十中學(xué)(350007) 福建教育學(xué)院化學(xué)教育研究所(350025)

人類社會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的高度不確定的時(shí)代,應(yīng)對(duì)不確定性成為教育改革發(fā)展的重要內(nèi)容和目標(biāo)。馮·勞厄說過:“教育所給予人們的,無非是當(dāng)一切已學(xué)過的東西都忘記后所剩下來的東西。”[1]對(duì)于化學(xué)教育而言,“剩下來的東西”就是根植于學(xué)生頭腦里的化學(xué)觀念?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》明確“化學(xué)觀念”是化學(xué)四大核心素養(yǎng)之一,并指出:化學(xué)觀念是化學(xué)概念、原理和規(guī)律的提煉與升華,是認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化,以及解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)[2]。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)著課堂教學(xué)的改革,在“互聯(lián)網(wǎng)+”的新形勢(shì)下,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)成為培育學(xué)生化學(xué)觀念的有效手段之一?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》指出:建議教師利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生借助可視化的數(shù)據(jù)認(rèn)識(shí)化學(xué)問題的本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生多視角收集證據(jù)解決化學(xué)問題的能力[2]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及配套軟件組成,以其便攜、自動(dòng)、實(shí)時(shí)、直觀、定量、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),與用玻璃儀器和反應(yīng)現(xiàn)象觀察為主的傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比,更有利于培育學(xué)生素養(yǎng)。筆者從本體論、方法論、認(rèn)識(shí)論及價(jià)值論等哲學(xué)范疇視角,分析數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生化學(xué)觀念建構(gòu)。

1 揭示本質(zhì),促進(jìn)微粒觀的形成

本體論視角下的化學(xué)教學(xué),是從描述具體物質(zhì)及其屬性來著眼于化學(xué)學(xué)科的研究,即研究物質(zhì)是什么,側(cè)重從直接感知的宏觀層面與構(gòu)成物質(zhì)的微觀方面來分析物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)并解決與化學(xué)相關(guān)的實(shí)際問題。本體論視角下的基本觀念有微粒觀、元素觀、能量觀等。微粒觀的基本內(nèi)涵有:物質(zhì)是由分子、原子、離子等基本粒子構(gòu)成;微粒在不斷運(yùn)動(dòng),微粒的能量和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān);微粒之間有間隙存在著相互作用;結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),構(gòu)成的微粒及其結(jié)合方式?jīng)Q定了物質(zhì)的多樣性等。微粒觀的建立能幫助學(xué)生理解與解釋化學(xué)宏觀現(xiàn)象,揭示化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì),認(rèn)識(shí)化學(xué)符號(hào)的意義。微粒觀的形成,是學(xué)生開啟化學(xué)之門的基礎(chǔ)。

2 突破迷思,加深變化觀的認(rèn)識(shí)

認(rèn)識(shí)論視角下的化學(xué)教學(xué),是對(duì)物質(zhì)認(rèn)識(shí)策略及思維模式的觀照,著眼于化學(xué)學(xué)科的研究對(duì)象——物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化。物質(zhì)是在變化中被人類所認(rèn)識(shí),變化觀是認(rèn)識(shí)論視角下的重要觀念之一,是指從化學(xué)過程、物質(zhì)守恒、動(dòng)態(tài)平衡等角度對(duì)化學(xué)物質(zhì)變化本質(zhì)的總體看法。變化觀的基本思想是物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化遵循“強(qiáng)制弱”的規(guī)律,涵蓋了化學(xué)變化是通過舊鍵斷裂與新鍵形成的原子重新組合,遵循質(zhì)量守恒定律;體現(xiàn)了物質(zhì)是變化的和運(yùn)動(dòng)的,變化是有層次的有條件的,人們可以從不同視角對(duì)紛繁復(fù)雜的化學(xué)變化進(jìn)行分類研究,從而揭示各類變化的特征和規(guī)律。科學(xué)的變化觀對(duì)于正確認(rèn)識(shí)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與過程,尋找最佳途徑具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。教學(xué)實(shí)踐中有些實(shí)驗(yàn)缺乏有利的證據(jù)支撐,致使學(xué)生形成認(rèn)知沖突,聚積疑點(diǎn)難點(diǎn),逐漸產(chǎn)生迷思。

“酸堿中和反應(yīng)”是初中化學(xué)的重難點(diǎn)內(nèi)容,氫氧化鈉溶液和稀鹽酸反應(yīng)無明顯現(xiàn)象,多數(shù)教師采取分析微觀示意圖,得出反應(yīng)本質(zhì),缺少說服力。筆者嘗試融合pH傳感器和溫度傳感器測(cè)溶液混合后的pH及溫度變化,屏幕上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出反應(yīng)過程的曲線圖,如圖1所示。直觀的曲線體現(xiàn)出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和魅力,解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中恰好完全反應(yīng)及能量變化不易觀察的困惑,推測(cè)酸堿反應(yīng)特點(diǎn),探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)原理之間的關(guān)聯(lián),形成“宏觀-微觀-符號(hào)-曲線”四重表征的特定思維模式。pH傳感器和溫度傳感器產(chǎn)生的變化曲線從不同維度表征化學(xué)變化,多視角可視化的數(shù)據(jù)信息互相佐證,成為疑難問題辨析的利器,使模糊問題清晰化、復(fù)雜問題簡(jiǎn)約化、定性問題定量化。

圖1 氫氧化鈉溶液和稀鹽酸反應(yīng)溫度、pH變化曲線①溶液溫度;②溶液pH值

3 主觀感知,發(fā)展實(shí)驗(yàn)觀的理解

方法論視角下的化學(xué)教學(xué),是從認(rèn)識(shí)物質(zhì)總結(jié)規(guī)律的方法來觀照,著眼于化學(xué)學(xué)科的認(rèn)識(shí)活動(dòng)與研究方法,即怎么研究物質(zhì),用什么樣的方式、手段、方法來觀察物質(zhì)及處理實(shí)際問題?；瘜W(xué)家利用實(shí)驗(yàn)、分類、定量等研究方法探索“物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”,所以方法論視角下的基本觀念包含實(shí)驗(yàn)觀、分類觀及定量觀等。實(shí)踐是人類活動(dòng)的本質(zhì),實(shí)驗(yàn)觀為自然科學(xué)的共性,化學(xué)實(shí)驗(yàn)是人類實(shí)踐活動(dòng)的基本形式之一,是學(xué)習(xí)科學(xué)探究培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)的重要方法和主要途徑?！耙詫?shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)”是實(shí)驗(yàn)觀的基本思想,化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)感知物質(zhì)性質(zhì)、感悟反應(yīng)原理、理解抽象概念、培養(yǎng)善于合作、實(shí)踐創(chuàng)新的科學(xué)精神都有著獨(dú)特的價(jià)值。實(shí)驗(yàn)過程浸潤(rùn)著的學(xué)科思想和科學(xué)方法,如思辨性的猜想假設(shè)、規(guī)范性的操作技能、認(rèn)真縝密的觀察分析、富有邏輯的推理論證,敢于質(zhì)疑與勇于創(chuàng)新的精神,無不體現(xiàn)著實(shí)驗(yàn)功能和學(xué)科素養(yǎng)。然而傳統(tǒng)的教師演示實(shí)驗(yàn)多為照本宣科,側(cè)重于從現(xiàn)象角度理解,認(rèn)識(shí)多停留在定性層面,也時(shí)常陷入現(xiàn)象不明顯及原理難理解的困境,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)沒有達(dá)到概念感知和知識(shí)建構(gòu)的預(yù)期效果。

“測(cè)定空氣里的氧氣含量”實(shí)驗(yàn),教材中利用集氣瓶外點(diǎn)燃紅磷的方法,因氧氣看不見,無法體現(xiàn)氧氣含量變化的具體情況,且紅磷熄滅后氧氣是否耗盡無法知曉,集氣瓶外引燃紅磷再迅速伸入裝置也存在誤差。教師可以將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)裝置有機(jī)融合,在裝置內(nèi)接入壓強(qiáng)傳感器、溫度傳感器、氧氣濃度傳感器后,迅速用強(qiáng)光手電筒聚焦集氣瓶?jī)?nèi)的紅磷使其引燃。改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)把紅磷燃燒過程中壓強(qiáng)、溫度及氧氣濃度的變化呈現(xiàn)出來,如圖2所示。用數(shù)字化搭建橋梁,清晰感知到燃燒時(shí)氧氣被消耗,將反應(yīng)中無法被有效觀測(cè)的現(xiàn)象可視化,化隱為顯,方法新穎、操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)清晰、突破教學(xué)難點(diǎn),從定性到定量,還原反應(yīng)本質(zhì),促進(jìn)學(xué)生理解。引燃方式的改進(jìn)及手持技術(shù)的引入使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確更直觀,此外紅磷熄滅后氧氣沒有耗盡,含量在6%～7%左右,為后續(xù)“燃燒與滅火”埋下伏筆。

圖2 紅磷燃燒“測(cè)空氣里氧氣含量”實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部溫度、壓強(qiáng)、氧氣濃度變化曲線①溫度;②壓強(qiáng);③氧氣濃度

4 定量探究,深化價(jià)值觀的應(yīng)用

價(jià)值論視角下的化學(xué)教學(xué),是人們研究化學(xué)所彰顯出的價(jià)值追求的觀照,著眼于化學(xué)學(xué)科的研究目的,即物質(zhì)所具有的效益意義的一種判斷(有什么用)。作為科學(xué)、技術(shù)與工業(yè)基石的化學(xué),對(duì)人類探索物質(zhì)、有效控制和實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化,促進(jìn)人類社會(huì)進(jìn)步及可持續(xù)發(fā)展具有著不可替代的方法指導(dǎo)和思維啟迪作用?；瘜W(xué)價(jià)值觀倡導(dǎo)人們逐步樹立科學(xué)的物質(zhì)觀,認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在滿足人民日益增長(zhǎng)的生活需要及促進(jìn)社會(huì)文明進(jìn)步與資源綜合利用中的重要價(jià)值。當(dāng)學(xué)生體會(huì)到知識(shí)的個(gè)人價(jià)值與社會(huì)意義時(shí)最樂意學(xué)習(xí),中學(xué)化學(xué)課程學(xué)習(xí)應(yīng)該讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到:對(duì)個(gè)體而言,化學(xué)與每個(gè)人的生活生命息息相關(guān),從文化發(fā)展角度來看,化學(xué)對(duì)現(xiàn)代文明的突出貢獻(xiàn)不容忽視,就可持續(xù)發(fā)展來說,綠色化學(xué)能為“碳達(dá)峰”“碳中和”提供必要的保障。通過學(xué)習(xí),學(xué)生能運(yùn)用科學(xué)觀正確分析和化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題并做出合理的判斷與選擇,增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和參與意識(shí),形成簡(jiǎn)約適度綠色發(fā)展的生活方式。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)符合綠色化學(xué)理念,其一般藥品用量較少,滿足可觀測(cè),能顯示相關(guān)化學(xué)量的數(shù)字和曲線即可[3]。在日常生活中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)胃酸過多時(shí),醫(yī)生會(huì)開不同的抗酸藥,常見的有碳酸氫鈉片和鋁碳酸鎂片?治療胃酸哪個(gè)更佳?可以嘗試模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比兩者中和酸能力強(qiáng)弱與生成二氧化碳速率的快慢,定量探究鋁碳酸鎂片和碳酸氫鈉片治療“胃酸”的效果。在盛有pH=1的稀鹽酸的三頸瓶中分別連接pH傳感器及二氧化碳傳感器,初測(cè)模擬“胃內(nèi)”酸堿度和二氧化碳濃度,分別加入等質(zhì)量的鋁碳酸鎂片和碳酸氫鈉片,攪拌,觀測(cè)反應(yīng)過程中曲線變化,收集證據(jù),分析判斷最優(yōu)的抗酸藥為療效快且副作用小的鋁碳酸鎂片。以生活情境為載體,借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn),模擬對(duì)比,激趣釋疑,運(yùn)用酸堿鹽相關(guān)知識(shí)解決生活中的問題。

化學(xué)觀念是學(xué)科特征和素養(yǎng)發(fā)展的基礎(chǔ),是內(nèi)隱于課程體系并隨著學(xué)生知識(shí)層次的推進(jìn)而主動(dòng)建構(gòu)的,數(shù)字化實(shí)驗(yàn)既能為教師的“教”提供量化證據(jù)又能為學(xué)生的“學(xué)”提供認(rèn)知支持,在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法、更新化學(xué)知識(shí)、促進(jìn)學(xué)科理解、提升認(rèn)知方式、創(chuàng)新教學(xué)模式等方面的應(yīng)用價(jià)值日趨重要,依托數(shù)字化實(shí)驗(yàn)培育學(xué)生素養(yǎng)探索的廣度和深度也將不斷得到拓展。