以模型建構(gòu)統(tǒng)整初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略研究
——以氣體壓強(qiáng)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用為例

劉永茂 李少坤 朱授宇

湖北省武漢市第一初級(jí)中學(xué)(430024)

0 引言

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡(jiǎn)稱“2022版新課標(biāo)”)指出,基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行建構(gòu)模型并推測(cè)物質(zhì)及其變化的思維能力是科學(xué)思維核心素養(yǎng)包括的主要方面之一[1]。隨著初中化學(xué)教學(xué)改革的不斷推進(jìn),各類評(píng)價(jià)更傾向于考查學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力。在此背景之下,依然有部分教師在教學(xué)中存在著重分析講解,輕實(shí)踐探究;重習(xí)題訓(xùn)練,輕歸納總結(jié);重結(jié)論應(yīng)用,輕模型建構(gòu)的現(xiàn)象,這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)的輸出能力嚴(yán)重不足:不能靈活運(yùn)用,不能做到舉一反三,不能應(yīng)對(duì)陌生復(fù)雜情境的挑戰(zhàn)。進(jìn)行主題式的認(rèn)識(shí)模型建構(gòu)教學(xué)研究,能引導(dǎo)教師轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念,切實(shí)保證學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性。

幫助學(xué)生建構(gòu)化學(xué)認(rèn)識(shí)模型,是促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的重要教學(xué)方式;模型的概括作用可以幫助教師和學(xué)生在面對(duì)各種問題時(shí)都能選取核心認(rèn)識(shí)角度,調(diào)用相應(yīng)的推理模式,能夠以不變應(yīng)萬變地解決多種問題[2];建立認(rèn)識(shí)模型可使復(fù)習(xí)的認(rèn)識(shí)活動(dòng)得以簡(jiǎn)化,使同樣的認(rèn)識(shí)過程能夠重復(fù)出現(xiàn),便于認(rèn)識(shí)活動(dòng)的傳遞和推廣[3]。因此,基于化學(xué)認(rèn)識(shí)模型設(shè)計(jì)和實(shí)施教學(xué),有利于提高學(xué)生思維能力,促進(jìn)學(xué)生模型認(rèn)知素養(yǎng)的發(fā)展。

1 研究背景

初中化學(xué)教材中出現(xiàn)的與氣體壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置圖或其他圖片有16處之多,還有許多與壓強(qiáng)有關(guān)的化學(xué)知識(shí)與事實(shí),它們都“散布”在初中教材之中,使得學(xué)生對(duì)與氣體壓強(qiáng)有關(guān)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)“碎片化”比較嚴(yán)重,學(xué)生因?yàn)闋坎蛔　芭１亲印狈磸?fù)出錯(cuò)的現(xiàn)象屢見不鮮。從學(xué)生反饋的情況來看,最主要的錯(cuò)誤形式有:①對(duì)現(xiàn)象的形成因素認(rèn)識(shí)不到位;②對(duì)裝置的功能認(rèn)識(shí)不足(如緩沖氣壓、防止倒吸等);③不能清晰準(zhǔn)確地判斷流體流動(dòng)的方向;④做不到準(zhǔn)確、全面、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)孛枋鰧?shí)驗(yàn)現(xiàn)象。究其原因還是教師沒有引導(dǎo)學(xué)生對(duì)氣體壓強(qiáng)問題形成結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí),建構(gòu)認(rèn)識(shí)模型。

經(jīng)查閱國內(nèi)大量文獻(xiàn),目前基于壓強(qiáng)對(duì)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究主要集中在氣體壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)影響的功能性分類,如用于裝置氣密性檢驗(yàn)、氣體的制取與消耗、測(cè)定生成氣體的體積、對(duì)倒吸的防止和應(yīng)用等。何彩霞、仇永紅、余麗蓉[4]等通過壓強(qiáng)問題對(duì)初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重構(gòu)與整合,并以學(xué)科本質(zhì)與思維方法為統(tǒng)領(lǐng),就教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)和教學(xué)策略進(jìn)行了探討。但總體來講,從建構(gòu)認(rèn)識(shí)模型的角度開展的研究比較少。

通過對(duì)氣體壓強(qiáng)問題的概括與提取,形成解決問題的思路與方法。筆者通過模型建構(gòu)的方式進(jìn)行,達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

2 教學(xué)目標(biāo)

(1)通過對(duì)壓強(qiáng)問題相關(guān)知識(shí)的重構(gòu),引發(fā)對(duì)壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的現(xiàn)象及壓強(qiáng)變化因素的思考,初步形成分類歸納的意識(shí)。

(2)通過對(duì)不同因素導(dǎo)致壓強(qiáng)變化的探究,體會(huì)液體的流動(dòng)方向與壓強(qiáng)的關(guān)系,進(jìn)一步梳理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)問題的分析思路。

(3)通過兩種不同任務(wù)情景下壓強(qiáng)問題分析與預(yù)測(cè)流程的對(duì)比,建構(gòu)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)問題認(rèn)識(shí)模型。

(4)通過創(chuàng)設(shè)不同的問題情境,加強(qiáng)對(duì)壓強(qiáng)問題認(rèn)識(shí)模型的應(yīng)用,增強(qiáng)遷移創(chuàng)新能力。

3 教學(xué)思路

教學(xué)思路見圖1。

圖1 教學(xué)思路

4 教學(xué)實(shí)錄

4.1 分類概括壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象及壓強(qiáng)變化的因素

課前任務(wù):復(fù)習(xí)課本中與壓強(qiáng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn),填寫表1學(xué)習(xí)任務(wù)單。

師:這是我們班同學(xué)完成的課前任務(wù)單,結(jié)合你的思考,你覺得壓強(qiáng)問題在實(shí)驗(yàn)中主要涉及哪些應(yīng)用呢?

生1:可用于檢查裝置的氣密性、制取氣體、檢驗(yàn)氣體的性質(zhì),例如檢驗(yàn)二氧化碳能溶于水,還可用于測(cè)定空氣中氧氣的含量。

生2:我覺得還可以用于測(cè)量氣體的體積。

生3:我覺得還可以用于緩沖氣壓及防止液體倒吸。

師:大家總結(jié)得非常全面。接下來請(qǐng)大家繼續(xù)評(píng)價(jià)一下該同學(xué)所填寫的答案表述是否準(zhǔn)確。

生1:實(shí)驗(yàn)2的名稱應(yīng)準(zhǔn)確表達(dá)為探究二氧化碳能溶于水,實(shí)驗(yàn)3的現(xiàn)象應(yīng)表述為進(jìn)入集氣瓶中的水約占瓶中空氣體積的1/5。

生2:實(shí)驗(yàn)1中壓強(qiáng)變大的原因應(yīng)當(dāng)為反應(yīng)生成了二氧化碳使試管內(nèi)氣體量增多。

師:根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的現(xiàn)象,你能概括一下,由于壓強(qiáng)變化導(dǎo)致的主要現(xiàn)象有哪些類別嗎?

生:冒氣泡、液面升降、液體倒吸、裝置體積變小……

表1 課前學(xué)習(xí)任務(wù)單

4.2 形成壓強(qiáng)問題認(rèn)識(shí)思路

師:化學(xué)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的不同現(xiàn)象與壓強(qiáng)及導(dǎo)致壓強(qiáng)變化的因素之間有什么邏輯關(guān)系?我們應(yīng)如何利用壓強(qiáng)分析與解釋實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的現(xiàn)象呢?

問題情境:在圖2中[4],用注射器將液體X注入錐形瓶,和錐形瓶?jī)?nèi)物質(zhì)Y相遇,過一段時(shí)間,瓶外氣球膨脹。形成這一現(xiàn)象常見的物質(zhì)組合有哪些?

圖2 問題情境

師:請(qǐng)舉例說明,并按照一定的邏輯關(guān)系,以流程的方式分析氣球膨脹的原因。

生1:以水和氧化鈣的反應(yīng)為例,氣球膨脹是由于瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)增大,而瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)增大是由于反應(yīng)放熱導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)溫度升高,氣體受熱膨脹。

生2:以金屬鋅與稀硫酸的反應(yīng)為例,氣球膨脹是由于瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)增大,而瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)增大是由于反應(yīng)生成氣體,使得瓶?jī)?nèi)氣體的量增多。(隨著學(xué)生的表述,PPT呈現(xiàn)如圖3所示。)

師:第2個(gè)箭頭內(nèi)應(yīng)該填什么?

圖3 利用壓強(qiáng)分析氣球膨脹現(xiàn)象流程

生:應(yīng)填入氣體的流向,即瓶?jī)?nèi)氣體進(jìn)入氣球。

師:導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)溫度升高和氣體量增多的原因還可能有哪些?

生:溫度升高還有可能是溶解放熱,如氫氧化鈉溶于水。氣體的量增多,還有可能是固體和液體在常溫下反應(yīng)生成了氧氣或二氧化碳。

師:實(shí)驗(yàn)中氣體的流向由什么決定?其流向有何規(guī)律?能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)予以證明?

生:氣體之所以流動(dòng)是因?yàn)榇嬖趬簭?qiáng)差,并且會(huì)從高壓處流向低壓處,我們可以按如圖4所示裝置進(jìn)行驗(yàn)證。

師:如果推(或拉)注射器的活塞,請(qǐng)你預(yù)測(cè)一下可能會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象。

圖4 氣體的流向規(guī)律驗(yàn)證裝置

生1:若推動(dòng)活塞,由于注射器內(nèi)氣體體積減小,導(dǎo)致注射器內(nèi)壓強(qiáng)增大,注射器內(nèi)氣體進(jìn)入集氣瓶中,導(dǎo)致集氣瓶?jī)?nèi)長導(dǎo)管口有氣泡冒出。

生2:若往外拉注射器的活塞,注射器內(nèi)氣體體積變大,壓強(qiáng)變小,液體向注射器內(nèi)部方向流動(dòng),導(dǎo)致集氣瓶?jī)?nèi)長導(dǎo)管內(nèi)液面會(huì)上升。

師:請(qǐng)大家連接桌面上的儀器,對(duì)剛才的預(yù)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

學(xué)生實(shí)驗(yàn):分別推或拉注射器活塞,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,感受氣體流向與壓強(qiáng)的關(guān)系。

學(xué)生小結(jié):氣體流動(dòng)是因?yàn)榇嬖趬簭?qiáng)差,且氣體由壓強(qiáng)高處向壓強(qiáng)低處流動(dòng)。

師:此實(shí)驗(yàn)還說明了壓強(qiáng)變化與什么因素有關(guān)?

生:氣體的體積變化。

4.3 建構(gòu)壓強(qiáng)問題認(rèn)識(shí)模型

師:通過前面的學(xué)習(xí),我們對(duì)與壓強(qiáng)有關(guān)的不同實(shí)驗(yàn)做了一些流程化的分析與預(yù)測(cè),我們能否進(jìn)一步將它們歸納一下,最好能形成一個(gè)分析同類問題的框架,以便我們?cè)谟龅叫碌耐悊栴}時(shí),能以這個(gè)框架或模型為依據(jù),有方向、有步驟地進(jìn)行條理化的分析與預(yù)測(cè),進(jìn)而有效地解決問題呢?

首先,我們以問題情境為例進(jìn)行分析(用電腦再現(xiàn)圖1)。

生:氣球膨脹是因?yàn)橛袣怏w進(jìn)入氣球,氣體之所以進(jìn)入氣球是由于瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)增大,而壓強(qiáng)增大主要是由于溫度升高和氣體的量增多所導(dǎo)致(PPT呈現(xiàn)分析流程,如圖5所示,從左至右4個(gè)方框顏色依次為黑、藍(lán)、黃、綠)。

圖5 不同現(xiàn)象產(chǎn)生原因分析流程

師:我們?cè)僖詺怏w的流向規(guī)律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為例,請(qǐng)大家回顧我們是如何預(yù)測(cè)在推注射器的活塞時(shí)所產(chǎn)生的現(xiàn)象的(用電腦再現(xiàn)圖4)。

生:推注射器的活塞,會(huì)使注射器內(nèi)氣體體積減小,增大了注射器內(nèi)的壓強(qiáng),氣體會(huì)向右流動(dòng),左側(cè)導(dǎo)管口有氣泡冒出(PPT呈現(xiàn)預(yù)測(cè)流程,如圖6所示,從左至右4個(gè)方框顏色依次為黑、藍(lán)、黃、綠)。

圖6 基于不同原因預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象思路流程

師:現(xiàn)在,將圖5和圖6進(jìn)行對(duì)照,并參考模塊的顏色,請(qǐng)你歸納出對(duì)壓強(qiáng)問題具有分析與預(yù)測(cè)功能的認(rèn)識(shí)模型。

生:通過對(duì)相同顏色的模塊所表示的內(nèi)容進(jìn)行概括,筆者認(rèn)為4個(gè)模塊所表達(dá)的內(nèi)容依次為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、物質(zhì)的流向、壓強(qiáng)變化與影響因素。其中,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象主要有冒氣泡、倒吸、液面升降和裝置體積的變化。影響因素主要有氣體溫度、氣體的量以及氣體體積的變化?？山?gòu)出如圖7所示壓強(qiáng)問題認(rèn)識(shí)模型。

圖7 初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)問題認(rèn)識(shí)模型

4.4 應(yīng)用模型解決實(shí)際問題

師:有了這個(gè)認(rèn)識(shí)模型,就拿到了解決壓強(qiáng)問題的鑰匙,現(xiàn)在我們就來用一用。

課堂評(píng)價(jià)1:若利用圖8所示裝置控制反應(yīng)停止,請(qǐng)回答下列問題。

問題1:如何讓氣泡不再繼續(xù)產(chǎn)生?

圖8 課堂評(píng)價(jià)1

生:使固體與液體分離,反應(yīng)停止。

問題2:稀鹽酸如何流動(dòng)才能達(dá)到固液分離的目的?

生:稀鹽酸向左端流動(dòng)。

問題3:如何使稀鹽酸向左端流動(dòng)?

生:增大裝置內(nèi)氣壓。

問題4:如何增大裝置內(nèi)氣壓?

生:使裝置內(nèi)氣體量增多,關(guān)閉活塞即可。

課堂評(píng)價(jià)2:在圖9中[4],用注射器將液體X注入錐形瓶,和錐形瓶?jī)?nèi)物質(zhì)Y相遇,過一段時(shí)間,瓶?jī)?nèi)氣球膨脹。形成該現(xiàn)象常見的物質(zhì)組合有哪些?

生:瓶?jī)?nèi)氣球膨脹,說明空氣進(jìn)入氣球中,瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小。從壓強(qiáng)減小的三大因素:氣體的量減少、溫度降低和氣體體積變小來看,氣體的量減少類的組合可以為堿溶液與二氧化碳或氯化氫氣體;水與可溶性氣體;酸溶液與氨氣。溫度降低類的組合可以為固體溶解吸熱,如水與硝酸銨反應(yīng)。由于錐形瓶體積一定,氣體體積減小這一因素不可能。

圖9 課堂評(píng)價(jià)2

5 教學(xué)反思

5.1 建構(gòu)“微型模型”,積小勝為大勝

模型建構(gòu)并不是一個(gè)新鮮的詞匯,之所以在當(dāng)下成為一個(gè)熱詞,最主要的原因還是在初高中兩版新課標(biāo)的指導(dǎo)下,大家對(duì)模型建構(gòu)這個(gè)詞有了新的而且是非常重要的認(rèn)識(shí),采用模型建構(gòu)的方式能有效凝練認(rèn)識(shí)思路,進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力這一觀念已得到廣大教師的一致認(rèn)同。本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)的本意并不在于建立一個(gè)體系完善、要件齊備“大而全”的理想模型,而是嘗試在學(xué)習(xí)過程中建構(gòu)一種“微型模型”,或者說是“小專題模型”,這樣“積小勝為大勝”,不斷積累經(jīng)驗(yàn),為建構(gòu)內(nèi)容更多、體系更復(fù)雜的主題認(rèn)識(shí)模型打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5.2 外顯分析思路,促進(jìn)模型建構(gòu)與應(yīng)用

通過教學(xué)實(shí)踐證明,采用思路外顯方法,能有力促進(jìn)壓強(qiáng)問題認(rèn)識(shí)模型的建構(gòu)與應(yīng)用。本課例外顯思路的做法主要有三處:一是對(duì)問題情境的分析與解決中,用箭頭顯示分析流程,從心理學(xué)的角度,“流程感”強(qiáng)。空格部分流體的流動(dòng)方向?yàn)楝F(xiàn)象與壓強(qiáng)變化的銜接點(diǎn),采用填空的方式予以強(qiáng)化,以凸顯其“橋梁”與“紐帶”作用,使邏輯鏈條更加清晰,同時(shí)為回答流體的流動(dòng)方向與壓強(qiáng)的關(guān)系作好鋪墊。二是在建構(gòu)模型環(huán)節(jié),通過PPT展示,將上下兩個(gè)流程按從左到右的順序各分為4個(gè)填充顏色不同(如黑、藍(lán)、黃、綠)的“模塊”,使上下對(duì)應(yīng)的2個(gè)“模塊”顏色相同,這樣通過顏色將8個(gè)“模塊”分成了4類,以此引導(dǎo)學(xué)生分類歸納,建構(gòu)認(rèn)識(shí)模型。三是在模型應(yīng)用環(huán)節(jié),通過以問題為導(dǎo)向,用PPT將認(rèn)識(shí)模型中的4個(gè)方面采用與圖3相同的方式,用箭頭以縱向的方式與4個(gè)問題逐一匹配,并隨著問題的解決,將4個(gè)箭頭同步依次呈現(xiàn),進(jìn)一步將認(rèn)識(shí)思路“外顯”,強(qiáng)化學(xué)生利用模型分析問題的意識(shí),提升模型應(yīng)用能力。

5.3 建構(gòu)模型應(yīng)具有一定的靈活性

教師在進(jìn)行模型建構(gòu)教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具有一定的靈活性。就壓強(qiáng)問題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言,所建構(gòu)的模型并不是唯一的,可以根據(jù)不同的需要建構(gòu)不同的模型。如學(xué)習(xí)第1單元裝置氣密性的檢查時(shí),便可以建構(gòu)裝置氣密性檢查的模型,再用模型去預(yù)測(cè)并解決陌生情景的問題;學(xué)習(xí)第2單元空氣中氧氣含量測(cè)定時(shí),也可以建構(gòu)測(cè)定氣體混合物中各組分體積分?jǐn)?shù)的模型以解決相似的問題。在上復(fù)習(xí)課時(shí),可以針對(duì)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象描述不全面、不準(zhǔn)確等問題,建構(gòu)如本課例所示的壓強(qiáng)問題認(rèn)識(shí)模型,找到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生的根源。總之,模型的建構(gòu)教學(xué)從教授時(shí)間安排上可早可晚;從組織內(nèi)容范圍上可大可小,可以是“大模塊”,如一個(gè)單元的總結(jié),也可以是某一類有共性而又不易突破的問題;從課型上可以是新授課,也可以是復(fù)習(xí)課。關(guān)鍵是要使學(xué)生形成自覺的模型建構(gòu)意識(shí),增強(qiáng)對(duì)知識(shí)的遷移應(yīng)用能力,學(xué)會(huì)解決實(shí)際問題的“本事”,發(fā)展科學(xué)思維核心素養(yǎng)。