基于控制變量的科學思維在圖像認知中的教學設(shè)計
——以“金屬與酸反應(yīng)”為例

陳麗娟，毛彩霞，李亞婷

（中國科學院蘭州分院中學，甘肅蘭州 730000）

一、問題的提出

“金屬和酸的反應(yīng)”是九年級化學的重要組成內(nèi)容，它包含了金屬與酸反應(yīng)的條件、金屬活動性的強弱等方面的問題；且金屬和酸反應(yīng)的圖像題在這幾年的中考中出現(xiàn)的頻率也高，為了考察學生的科學思維，試題呈現(xiàn)的因變量和自變量也隨題境而變，但在教師教學過程中只能以最常見的教學問題來設(shè)問引導學生分析各變量的關(guān)系，缺少了對該知識點價值的深度挖掘，引領(lǐng)學生分析問題的邏輯起點也受到了局限。如何用一個有效的教學設(shè)計突破教學中的這個難點迫在眉睫。

二、設(shè)計思路

本教學案例的設(shè)計主要以金屬和酸反應(yīng)為知識載體，本節(jié)課的核心任務(wù)是解決金屬與酸反應(yīng)速率的影響因素和用圖像來表征因素中自變量和因變量的關(guān)系。故圍繞這個核心任務(wù)建立了教學設(shè)計。本教學設(shè)計依據(jù)“提出問題→證據(jù)推理→圖像構(gòu)建→問題解決”的思路，創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，以任務(wù)驅(qū)動的方式來展開實驗探究，運用控制變量的思想，從眾多知識要素中分析出影響金屬與酸反應(yīng)的速度及生成氫氣質(zhì)量的核心要素，并經(jīng)過學生對知識整合后，再以直觀的圖像輸出理解的信息，從而提升學生的提問能力、實驗探究能力、分析解決問題的能力、繪圖能力等，將提升學生的素養(yǎng)落到實處。

三、教學內(nèi)容分析

金屬與酸的反應(yīng)是人教版教材九年級化學第八章第二課題的重要內(nèi)容，課標中該部分內(nèi)容屬于二級主題，屬于身邊的化學物質(zhì)范疇，通過觀察、探究幫助學生理解它們對人類生活的影響，能增強學生對化學的好奇心和探究欲望，讓學生初步認識物質(zhì)的用途和性質(zhì)之間的關(guān)系。在教學中，金屬和酸的反應(yīng)既是金屬又是酸的核心知識，具有承上啟下的作用，對此金屬與酸反應(yīng)的速率中各要素之間的關(guān)系處理是否得當即為后期酸的學習埋下伏筆，又為學生繼質(zhì)量守恒定律學習后再次接觸到化學量的計算做到了補充，為形成化學學科的思維和化學觀念起到了非常重要的作用。

四、學情分析

1.知識的儲備及化學基本觀念。初三學生已經(jīng)完成了化合物、單質(zhì)、置換反應(yīng)等基本概念的學習，且掌握了質(zhì)量守恒定律及化學反應(yīng)前后反應(yīng)物、生成物之間的量的轉(zhuǎn)化關(guān)系。學生前期知識的儲備較為全面，微粒觀已經(jīng)形成，變化觀有待補充和完善，這些都對本節(jié)課的學習起到了很好的支撐作用。另外，學生已經(jīng)掌握了實驗探究的基本步驟，能完成簡單的驗證實驗，能完整地表述實驗現(xiàn)象，推理、歸納出實驗結(jié)論，分析實驗誤差影響因素，很好地樹立了科學的實證觀。

2.實驗的推理論證能力。學生已經(jīng)掌握了實驗探究的五個步驟，并對實驗設(shè)計思路比較清晰，另外對生成物的收集和驗證也較為熟悉，為實驗的推理論證以致顯性的輸出也有了基本的保障。但是在學習的過程中，學生對知識點之間的結(jié)構(gòu)化不太清晰，缺乏對知識點系統(tǒng)框架的凝練和內(nèi)化，缺乏內(nèi)化后知識轉(zhuǎn)化為能力的顯性化輸出環(huán)節(jié)。

3.學生心理特點。初三學生正處于思維由感性化轉(zhuǎn)化為理性化的階段，其思維敏銳，活躍，好奇心強，對知識的獲取方法和輸出途徑非常感興趣，不輕易接收某些觀點，喜歡自己探究得出結(jié)論的過程。另外，學生自尊心強，都希望通過自己的努力證實自己，同時得到同齡人的認可和教師的肯定。

五、《課程標準》的要求

基于《課程標準》中化學學科素養(yǎng)的相關(guān)要求，該教學設(shè)計可以從以下兩點切入：（1）“科學思維”，采用控制變量的思維處理影響金屬和酸反應(yīng)速率的影響因素。（2）“科學探究與實踐”，應(yīng)用分組探究的方式，通過實驗數(shù)據(jù)的分析和推理，在實驗中獲得結(jié)論，形成學科觀念和科學思維。

六、教學流程

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出問題。教師在教學中可用生活中的情境作為課堂引入，設(shè)問提出生活中的金屬和酸反應(yīng)的具體的例子，并從生活觀察著手，對照實驗室制備氫氣的反應(yīng)速度，親身感知金屬與酸反應(yīng)速率的不同。

2.實驗驗證，證據(jù)推理。初三的學生對探究世界中物質(zhì)的興趣是非常濃厚的，教師可在問題的驅(qū)動下引導學生依據(jù)已有的知識進行思考，列出影響反應(yīng)速度的多種可能因素：金屬的種類、金屬的質(zhì)量大小、金屬的純度、酸的種類、酸的濃度等。在此基礎(chǔ)上使用分組實驗探究的方法，不同的組領(lǐng)取不同的任務(wù)，完成不同的影響因素對金屬和酸反應(yīng)速率的影響實驗設(shè)計。教師首先引導學生采用控制變量的思維，提升分析解決問題的能力，然后學生完成儀器的組裝，操作實驗，完成實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的記錄，并依據(jù)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)驗證猜想。不同組的學生代表發(fā)言，說出自己組的觀點；多組將實驗結(jié)果匯總，整合歸納，分析要素，得出結(jié)論。教師再繼續(xù)設(shè)問：既然金屬與酸反應(yīng)的速度與上述因素有關(guān)，那這四個因素又是如何影響氫氣的生成量的？學生積極思考，分情況提出假設(shè)，設(shè)計實驗，并分解實驗的實施步驟，完成實驗。教師講述在實驗過程中影響氣體的生成量主要有兩個因素，一個是酸的質(zhì)量，另外一個是金屬的質(zhì)量。若酸的量足夠多，氫氣的生成量就只與金屬的量和種類有關(guān)系；若金屬的量足夠多，氫氣的生成量就與酸中溶質(zhì)的質(zhì)量有關(guān)系；再運用控制變量的思維來解決這部分內(nèi)容。

3.圖像構(gòu)建。教師提出問題：如何能更直觀地反映出氣體生產(chǎn)量和影響因素之間的關(guān)系？學生再次分組活動，針對不同組引領(lǐng)的不同任務(wù)仔細思考，區(qū)分各項任務(wù)中的變量問題。組內(nèi)成員可以合作交流，各抒己見，在能力范圍內(nèi)用圖像直觀展示。教師引導學生分析各組展示圖像中的自變量和因變量，將控制變量的科學思維方法貫穿于教學的整個活動中。學生再次活動，按自己對知識及因變量、自變量的理解，繪制出對應(yīng)圖像。教師引導學生分析各自繪制的圖像，達成共識，完成教學目標。

4.問題解決。學生在合作探究、推理的基礎(chǔ)上，掌握了在復(fù)雜因素中使用控制變量的思維，將問題整合后再確定自變量和因變量，挖掘知識的價值，并通過最直觀的圖像呈現(xiàn)出來，得到事半功倍的效果。

七、教學實錄

（一）課堂引入

教師：酸雨主要是化石燃料燃燒后的氣體擴散到空氣中和水作用形成的酸溶液，酸雨有什么危害？具體可以和哪些類別的物質(zhì)反應(yīng)？實驗室制備氫氣的原料是什么？酸雨與金屬的反應(yīng)和實驗室制備氫氣的反應(yīng)速度有什么不同？

設(shè)計意圖：從生活入手創(chuàng)設(shè)情境，產(chǎn)生驅(qū)動性任務(wù)，同時培養(yǎng)學生的環(huán)保意識。

（二）分析要素，聚焦論證過程

學生：依據(jù)生活經(jīng)驗和觀察，做出回答。

教師：同學們能從生活中細心觀察，是非常值得表揚的。另外通過同學們的回答，可以從中歸納出影響金屬和酸反應(yīng)速度的因素有溫度、金屬的性質(zhì)、酸的性質(zhì)、金屬的量、酸的量等。這些因素可以劃分為內(nèi)因和外因，外因諸如溫度等。對這部分內(nèi)容的學習我們主要考慮內(nèi)因?qū)饘俸退岱磻?yīng)速率的影響，如金屬的性質(zhì)、酸的性質(zhì)、金屬的量、酸的量等。如何證實？

學生：分組實驗探究，不同的組領(lǐng)取不同的任務(wù)，完成不同的影響因素的實驗設(shè)計。1 號組負責探究金屬的性質(zhì)對金屬和酸反應(yīng)速率的影響；2 號組負責探究酸的性質(zhì)對反應(yīng)速率的影響；3 號組負責金屬的量是如何影響金屬和酸反應(yīng)速率的；4 號組負責酸的量是如何影響金屬和酸反應(yīng)速率的。

學生：依據(jù)設(shè)計思路，選擇必要的儀器，完成儀器的組裝，操作實驗并完成實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的記錄任務(wù)。1 號組的學生設(shè)計中選取了不同種類的金屬，不同純度的鋅粒。金屬的顆粒大小，酸的種類，酸的濃度都是相同的。2 號組的學生設(shè)計中選取了不同濃度的酸，金屬的種類、金屬的純度、金屬的表面積都是相同的。3 號組的學生設(shè)計中選取了不同質(zhì)量的鋅粒，對鋅的純度、顆粒大小，酸的種類、濃度等的選取都是相同的。

設(shè)計意圖：以小組探究的形式，學生分工合作，明確探究內(nèi)容，設(shè)計實驗方案。培養(yǎng)學生的實驗操作能力、觀察能力，科學態(tài)度和控制變量的科學思維能力。

學生：描述現(xiàn)象，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，驗證猜想。

設(shè)計意圖：提升學生的語言表達能力，培養(yǎng)學生證據(jù)推理論證的能力，培養(yǎng)學生的科學探究和實踐能力。

學生：將多組實驗結(jié)果匯總，整合歸納，分析要素，得出結(jié)論：金屬與酸反應(yīng)的快慢主要有如下幾個影響因素：金屬的性質(zhì)、酸的性質(zhì)、金屬的純度和表面積、酸的濃度。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學生對信息的分析和處理能力。

教師：既然金屬與酸反應(yīng)的速度與上述因素有關(guān)，那這四個因素又是如何影響氫氣的生成量的了？

學生：分情況提出假設(shè)，分兩組設(shè)計實驗，并分解實驗的實施步驟。

設(shè)計意圖：提升學生分析解決問題的能力。

學生：完成實驗。第一組（1 號組和2 號組）采用質(zhì)量守恒定律，分別測定反應(yīng)前燒杯中的硫酸（酸足量）和托盤上的鋅粒、鐵的質(zhì)量總和，再將鋅和鐵分別投入酸中，待不再產(chǎn)生氣泡后，再次稱量，記錄數(shù)據(jù)；第二組（3 號組合4 號組）同操作，只是在操作中選用相同質(zhì)量（少量）和溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的硫酸，金屬過量，實驗完畢后稱量、記錄數(shù)據(jù)。學生分析同一個問題不同小組得到的數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

教師：我們通過對實驗過程中數(shù)據(jù)的分析，可以得出影響氣體的生成量主要有兩個因素，一個是酸的質(zhì)量，另外一個是金屬的質(zhì)量。若酸的量足夠多，氫氣的生成量就與金屬的量和種類有關(guān)系；若金屬（種類相同）的量足夠多，氫氣的生成量就與酸中溶質(zhì)的質(zhì)量有關(guān)系。由此可見，控制變量的科學思維法在這部分知識的學習中是非常重要的。在相同質(zhì)量的不同金屬被用完，酸足夠多的情況下，氫氣的生成量主要受哪些因素的影響？在考慮這個問題時，那些次要因素（如酸的濃度、酸的種類、金屬的表面積、金屬的純度等）又如何處理？

學生：積極思考，在主要任務(wù)的引領(lǐng)下取主去次，確定因變量和自變量的關(guān)系，靈活應(yīng)用控制變量思維解決實際問題。

設(shè)計意圖：提升學生分析解決問題的能力。

（三）圖像構(gòu)建

教師：如何能更直觀地反映出氣體生產(chǎn)量和影響因素之間的關(guān)系。

學生：用圖像來反應(yīng)更加直觀。1、2、3、4 號組分別引領(lǐng)了相同質(zhì)量不同種類的金屬和足量的酸反應(yīng)后，繪制氫氣的生成量—反應(yīng)時間的關(guān)系圖；相同質(zhì)量不同種類的足量金屬和相同質(zhì)量不足量的酸反應(yīng)后，繪制氫氣的生成量—反應(yīng)時間的變化關(guān)系圖；相同質(zhì)量不同種類的足量金屬和相同質(zhì)量不足量的酸反應(yīng)后，繪制氫氣的生成量—金屬消耗量的變化關(guān)系圖；相同質(zhì)量不同種類的足量金屬和相同質(zhì)量不足量的酸反應(yīng)后，繪制氫氣的生成量—反應(yīng)時間的變化關(guān)系圖；相同質(zhì)量不同種類的足量金屬在加入同質(zhì)量酸時，繪制氫氣的生成量—加入酸的質(zhì)量的變化關(guān)系圖。針對不同組引領(lǐng)的不同任務(wù)，學生仔細思考，區(qū)分各項任務(wù)中變量問題，組內(nèi)成員可以合作交流，各抒己見，繪制圖像。

教師：引導學生分析各組展示圖像中的變量問題，達成共識，強化控制變量思維在圖像題中的應(yīng)用，完成教學目標。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學生的圖像認知能力，提升學生的科學思維，培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)。

八、教學反思

本節(jié)課是圍繞著探究金屬與酸反應(yīng)速率與哪些因素有關(guān)這樣一個驅(qū)動性的問題展開的，把酸雨反應(yīng)的速率和實驗室制備氫氣的速率做對比引入問題，注重運用問題啟發(fā)學生思維。后基于采用控制變量等的實驗設(shè)計思路、分組探究、要素整合等多步環(huán)節(jié)，注重學生多角度分析解決問題能力的培養(yǎng)；注重學生分析處理信息的能力的培養(yǎng)；注重學生實驗探究和實驗操作能力的培養(yǎng)。對所學知識整合后，以教師的問題引入為契機，順理成章引入圖像分析和圖像的繪制。整個過程充分應(yīng)用了學生的自主學習、探究的能動性，加以教師的引導，很好地完成了核心素養(yǎng)落實在教學中的目的，并最大限度地提升了學生的科學思維。