基于具身認(rèn)知理論的定量探究思維模型構(gòu)建

鄢斌 黃琦 陳前龍

摘要：基于“中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定”定量實驗的教學(xué)價值，以具身認(rèn)知理論為基礎(chǔ)，在大腦信息加工、身體實踐體驗及教學(xué)資源輔助的共同作用下，結(jié)合蘇格拉底的“產(chǎn)婆術(shù)”，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建定量探究思維模型，促進(jìn)學(xué)生高級認(rèn)知發(fā)展，發(fā)展學(xué)生發(fā)散性思維和探究精神。

關(guān)鍵詞：具身認(rèn)知理論；中和反應(yīng)反應(yīng)熱；定量探究；模型構(gòu)建

1 教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

“中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定”選自新人教版高中化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》第一章“化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”第一節(jié)“反應(yīng)熱”，是培養(yǎng)定量探究思維的重要載體，是認(rèn)識化學(xué)能與熱能相互轉(zhuǎn)化，體驗化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的基礎(chǔ)實驗，授課對象為高二學(xué)生。本課時的主要內(nèi)容包括：（1）反應(yīng)熱測定的原理和方法，（2）定量實驗探究的思維模型。

以往文獻(xiàn)報道中多關(guān)注傳統(tǒng)實驗的不足，采用改進(jìn)實驗裝置[1，2]、引入溫度傳感器[3，4]等方式提高測量的精確度，較少關(guān)注到“中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定”教學(xué)設(shè)計的優(yōu)化和學(xué)科價值的提煉。

2 教學(xué)思想

2.1 具身認(rèn)知學(xué)習(xí)理論

具身認(rèn)知源于20世紀(jì)70年代以來認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的重大變革，具身認(rèn)知理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)過程不僅是大腦進(jìn)行符號加工的過程，也是大腦與身體交織在一起的過程，這一過程表現(xiàn)為學(xué)科實踐活動[5]。其強(qiáng)調(diào)身體的實踐體驗對形成高級認(rèn)知的重要性（見圖1）。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》正文部分提及“實踐”一詞多達(dá)26次，如何在課堂教學(xué)中開展有效的實踐體驗活動，構(gòu)建身心交互發(fā)展的課堂，促進(jìn)學(xué)生產(chǎn)生高級認(rèn)知是課程改革中重點關(guān)注的問題。

2.2 具身認(rèn)知理論與中學(xué)化學(xué)教學(xué)

具身認(rèn)知理論在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中呈進(jìn)階式體現(xiàn)。以“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”為例，義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022版）中新增跨學(xué)科實踐活動，在“基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器”實踐項目中提出“綜合考慮原理（能量變化等）自主創(chuàng)意設(shè)計供氧器”。即在初中學(xué)段已要求學(xué)生將“能量變化”與環(huán)境互動以解決實際問題，是具身認(rèn)知學(xué)習(xí)在化學(xué)學(xué)科的初步體現(xiàn)。高中階段是具身認(rèn)知學(xué)習(xí)的深入體現(xiàn)，在必修階段要求學(xué)生“宏-微（物質(zhì)內(nèi)能和化學(xué)鍵）結(jié)合”理解化學(xué)反應(yīng)中的能量變化；在選擇性必修階段則上升到定量描述層面，最新的兩版人教版化學(xué)教科書更是明確指向“體驗化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”，要求學(xué)生能對反應(yīng)熱進(jìn)行測量和計算，以實現(xiàn)從能量觀的角度深層理解化學(xué)反應(yīng)的能量變化。綜上，高中階段更關(guān)注“能量變化”的本質(zhì)，注重知識顯性與隱性的結(jié)合以及身體行動與大腦活動的協(xié)同作用。

2.3 具身認(rèn)知理論與定量探究思維模型

具身認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)認(rèn)知是內(nèi)外統(tǒng)一協(xié)調(diào)的過程，認(rèn)知、身體和環(huán)境組成動態(tài)統(tǒng)一體。故以具身認(rèn)知理論為基礎(chǔ)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建化學(xué)學(xué)科實驗學(xué)習(xí)的思維模型，不僅符合新課標(biāo)基于學(xué)科本質(zhì)從哲學(xué)層面揭示的“實踐—認(rèn)識—再實踐（應(yīng)用）”的學(xué)科核心素養(yǎng)認(rèn)知邏輯[6]，更是將身體、心智和環(huán)境視為一個整體，將教師、學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源、教學(xué)環(huán)境等要素聚合在一起，共同促進(jìn)教學(xué)發(fā)展。本文以“中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定”實驗為載體，學(xué)生通過真實體驗和自省完善，自主構(gòu)建定量探究思維模型：明確目的-分析原理-設(shè)計裝置-擬定方案-實踐探究-分析優(yōu)化-再次實踐-平行測定（見圖2）。

3 教學(xué)目標(biāo)

（1）通過對吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)的宏觀感知，觀察并感受化學(xué)反應(yīng)中的能量變化，結(jié)合體系與環(huán)境理解反應(yīng)熱的概念，并從能量觀的角度對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分類。

（2）通過對中和反應(yīng)反應(yīng)熱測定的實驗探究過程，理解反應(yīng)熱測定的原理和方法，定量描述能量變化。分析產(chǎn)生誤差的原因，完善和改進(jìn)測定方法，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

（3）通過構(gòu)建、完善和應(yīng)用定量探究思維模型，發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

4 教學(xué)流程

從熱成像視頻和自主實驗入手，讓學(xué)生從視覺和觸覺層面感知化學(xué)反應(yīng)的能量變化，促進(jìn)對反應(yīng)熱概念的理解。定量探究過程中，引導(dǎo)學(xué)生從跨學(xué)科視角進(jìn)行原理分析，到裝置設(shè)計、方案規(guī)劃、初次實驗、反思優(yōu)化、再次實驗、思維提升、裝置迭代、提取模型，注重師生、生生啟發(fā)式互動，為學(xué)生打造身心交互的學(xué)習(xí)環(huán)境（見表1）。

5 教學(xué)實錄

5.1 任務(wù)一：概念理解，原理分析

【引入】播放鹽酸與NaOH溶液反應(yīng)的熱成像視頻（見圖3）。

【師】從視頻中能感知到反應(yīng)放出的熱量。接下來，我們來觸摸化學(xué)反應(yīng)帶來的“冰涼”。

【學(xué)生實驗】將Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl固體混合反應(yīng)。

【師】化學(xué)反應(yīng)除了有物質(zhì)變化，還伴隨能量變化。向環(huán)境中放出能量的反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，反之為吸熱反應(yīng)。請大家列舉常見的吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)。

【學(xué)生活動】回憶，列舉，從能量觀的角度對化學(xué)反應(yīng)分類。

【過渡】如何定量描述化學(xué)反應(yīng)過程中的熱量呢？請閱讀教材。

【生】可以用“反應(yīng)熱”來定量描述：在等溫條件下，化學(xué)反應(yīng)體系向環(huán)境釋放或吸收的熱量，稱為反應(yīng)的熱效應(yīng)，簡稱反應(yīng)熱。

【追問】如何理解體系、環(huán)境以及等溫條件呢？

【生】體系指反應(yīng)混合物，環(huán)境是與體系相互影響的其他部分（見圖4），等溫條件指反應(yīng)前后體系的溫度相等。

【問】可利用什么原理測定化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱呢？

【生】用初中物理所學(xué)的公式：Q=cmΔt，測反應(yīng)前后環(huán)境的溫度變化和反應(yīng)體系的質(zhì)量，再結(jié)合比熱容計算出熱量。

【師】很好，反應(yīng)體系的質(zhì)量可以稱量獲取，也可以通過體積和密度求算。

5.2 任務(wù)二：同伴互助，裝置設(shè)計

【驅(qū)動問題】如果要測定中和反應(yīng)的反應(yīng)熱，需要一個測量溫度變化（Δt）的量熱計。那么，為了減小誤差，量熱計在設(shè)計時應(yīng)考慮哪些問題？

【生1】用保溫材料減少熱量損失。

【生2】從之前熱成像視頻可以看出，溶液的擴(kuò)散是需要時間的，為了減少熱量散失，需要充分?jǐn)嚢琛?/p>

【師】同學(xué)們從保溫和反應(yīng)速率的角度考慮，很不錯。請選擇合適的材料（見表2）設(shè)計量熱計，儀器可自選，將你的設(shè)計畫在學(xué)案上。

【學(xué)生活動】討論、展示（見圖5）。

【問】比較兩組作品，從材料選擇上，同學(xué)們有什么看法？

【生】塑料的導(dǎo)熱系數(shù)更低，外面的大燒杯最好選擇塑料杯，然后加個塑料蓋，既可以隔熱又可以固定玻璃棒和溫度計。

【師】很好。從可操作性的角度，這兩套裝置有一個相同的問題，請大家再思考。

【生】玻璃棒和溫度計平行放置，攪拌的時候很容易損壞溫度計，我們組設(shè)計了一根“L型”的玻璃棒，上下攪拌。

【師】很有創(chuàng)意，為提高攪拌效率，我們把“L型”的底部改成圓形，得到環(huán)形玻璃攪拌棒，上下勻速攪拌（見圖6）。

5.3 任務(wù)三：方案預(yù)設(shè)，初次實驗

【驅(qū)動問題】選用均為0.5 mol/L的稀HCl和NaOH溶液各50 mL，應(yīng)該按怎樣的步驟進(jìn)行實驗?zāi)兀?/p>

【生】將NaOH溶液加入HCl，迅速測量起始溫度t1，不停攪拌，讀取充分反應(yīng)后的溫度t2。

【師】從反應(yīng)速率的角度，該同學(xué)提出的方案是否具有可操作性？

【生1】中和反應(yīng)速率很快，將二者混合后測量的溫度應(yīng)該比起始溫度高，應(yīng)測混合前其中一份溶液的溫度。

【生2】從熱成像圖像來看，HCl與NaOH的起始溫度還是略有差異，所以最好以二者溫度的平均值作為起始溫度。

【師】觀察得很仔細(xì)。空氣的流動可能導(dǎo)致同一環(huán)境中的物質(zhì)溫度不同。為了提高數(shù)據(jù)的可信度，在混合前分別測NaOH溶液和稀HCl的溫度，將二者的平均值作為起始溫度。

【學(xué)生活動】進(jìn)行中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定實驗，展示數(shù)據(jù)（如表3）

5.4 任務(wù)四：反思優(yōu)化，再次實驗

【驅(qū)動問題】資料顯示，中和反應(yīng)若生成1 mol水放出的熱量為57.3 kJ，則理想的Δt≈3.4℃。有三組同學(xué)的數(shù)據(jù)明顯偏小，是什么原因呢？

【生-第3組】應(yīng)該是溫度計在測量NaOH時沒有洗凈并擦干，而且用的同一個量筒量取溶液，導(dǎo)致起始溫度偏高。

【生-第6組】我們加堿時不夠快，熱量散失較多，而且可能沒有充分?jǐn)嚢琛?/p>

【生-第7組】我們應(yīng)該是沒有測得反應(yīng)完全時的溫度。

【追問】如何才能準(zhǔn)確讀取到最終的溫度呢？

【生】我認(rèn)為：溫度會先逐漸上升，然后保持不變，此時反應(yīng)結(jié)束。隨后熱量散失，溫度會下降，所以應(yīng)該留意最高點的溫度。

【師】根據(jù)剛才的反思，請優(yōu)化方案，再次進(jìn)行實驗。

【學(xué)生活動】優(yōu)化方案，小組實驗（見表4）。

【師】定量實驗最好測三次及以上平行數(shù)據(jù)，由于時間關(guān)系，我們測兩組數(shù)據(jù)。但是，假設(shè)第二組同學(xué)第三次測得數(shù)據(jù)Δt=2.2℃，計算時應(yīng)該如何處理？

【生1】舍棄該數(shù)據(jù)，因為與前兩次實驗偏離太大，應(yīng)該是異常數(shù)據(jù)。

【生2】從數(shù)學(xué)的角度，在不知道真實數(shù)據(jù)的情況下，我覺得應(yīng)該再測一次數(shù)據(jù)，如果它與第三次測得的數(shù)據(jù)2.2℃接近，則四個數(shù)據(jù)均無意義，但如果它與之前兩個數(shù)據(jù)接近，則應(yīng)該舍棄2.2℃這個數(shù)據(jù)。

【師】非常嚴(yán)謹(jǐn)！在你們當(dāng)前認(rèn)知下，兩位同學(xué)的思考都有一定的道理。為了追求實驗數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度、可信度，需要做多次平行實驗，利用分析化學(xué)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)取舍，大學(xué)里會進(jìn)一步學(xué)習(xí)。請同學(xué)們用自己的兩組數(shù)據(jù)，算出若生成1 mol水時的反應(yīng)熱。

注意：稀溶液的密度與水近似相等，為1 g/cm3。

【生】分析，計算（見圖7）。

5.5 任務(wù)五：抽提模型，裝置迭代

【驅(qū)動問題】大家能否用簡潔的語言提煉出進(jìn)行定量實驗的共性步驟呢？比如，第一步往往需要理解概念、明確目的。

【學(xué)生活動】討論，提煉。

【生】首先是明確目的，再分析原理，然后要根據(jù)需要和原理設(shè)計實驗裝置，接下來擬定方案，最后進(jìn)行實驗，可能會遇到一些問題，就需要我們總結(jié)經(jīng)驗再實驗。

【追問】很好，還有補(bǔ)充嗎？

【生】最終實驗方案確定后，定量實驗需平行測定3次及以上。

【師】梳理很到位。定量探究時，需遵循一個思維模型：明確目的-分析原理-設(shè)計裝置-擬定方案-進(jìn)行實踐-分析優(yōu)化-實踐探究-平行測定。

【過渡】第二次實驗，同學(xué)們的操作很規(guī)范，最后的計算也很準(zhǔn)確。但是，得到的結(jié)果在數(shù)值上仍然小于該反應(yīng)的真實反應(yīng)熱。請同學(xué)們再深入分析？

【學(xué)生活動】小組討論。

【生1】儀器不可能100%保溫，加堿后蓋蓋子的過程再快也需要時間，熱損失不可避免。

【生2】忽略了量熱計材料吸收的熱量。

【生3】我們用的等量的酸和堿，但空氣中含有CO2，會消耗NaOH，故NaOH應(yīng)稍過量。

【追問】稍過量是體積增大一些還是濃度提高一些？

【生3】濃度！因為體積增大的話，多出來的水要吸熱。

【師】很好。上一個問題還有補(bǔ)充嗎？

【生4】其實，酸和堿的比熱容c>4.18，且密度也大于1，所以計算結(jié)果偏小。

【生5】讀取數(shù)據(jù)時，很難把握最高值，容易“差一點點”。

【追問】那么如何再優(yōu)化試劑、儀器或是操作呢？

【生1】用保溫杯保溫，用針筒加堿，這樣可以不開蓋子；NaOH的濃度稍大于HCl；為了減少計算誤差，可以用更稀的酸堿。

【生2】溫度計讀數(shù)不連貫，可以用溫度傳感器。

【師】很好。但是酸堿太稀放出的熱量太少，不利于測量，我們?nèi)匀贿x用0.5 mol/L的稀HCl和0.55 mol/L的NaOH溶液各50 mL。

【演示】優(yōu)化裝置，再次實驗（見圖8）。

【師】這次的Δt=3.1℃，更接近于該反應(yīng)的理想溫差。本次實驗改進(jìn)的體驗對同學(xué)們以后的學(xué)習(xí)有何啟示呢？

【生】雖然本次結(jié)果仍不完全等于理想溫差，但比之前都要更接近，這說明真理就是在不斷的反思、認(rèn)識和實踐中慢慢浮現(xiàn)的，對待科學(xué)探究應(yīng)該嚴(yán)謹(jǐn)求實，勇于鉆研。

【師】為探求真知，我們要重視實踐體驗的過程，用科學(xué)的思路和方法身腦并用，不斷實踐，把握“異?，F(xiàn)象”，反思、優(yōu)化再實踐，樹立嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度！

6 教學(xué)創(chuàng)新與反思

6.1 關(guān)注學(xué)生認(rèn)知活動

具身認(rèn)知活動分為即時性和結(jié)構(gòu)性兩種，前者是學(xué)習(xí)者具有隨機(jī)性的直覺性反應(yīng)，而后者強(qiáng)調(diào)回顧、反思，是學(xué)習(xí)者循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)活動[7]。在該課時教學(xué)中，學(xué)生觀看熱成像視頻、體驗吸熱反應(yīng)、小組實驗等過程為即時性具身認(rèn)知活動，有助于對知識產(chǎn)生生成性的直覺反應(yīng)；學(xué)生結(jié)合具體實驗操作開展小組討論、反思內(nèi)化再實踐等，實現(xiàn)認(rèn)知提升，這和結(jié)構(gòu)性具身認(rèn)知活動的特點相符，加深了對內(nèi)容本質(zhì)的理解。

6.2 注重學(xué)生自主探究過程

本課時教學(xué)以學(xué)為本，注重學(xué)生的自主探究體驗，激發(fā)了學(xué)生的發(fā)散性思維。如：（1）播放熱成像視頻的初衷是讓學(xué)生感知溫度變化，但學(xué)生捕捉到了溶液擴(kuò)散的速率，由此想到了實驗過程中需要攪拌；（2）學(xué)生在設(shè)計量熱計時，創(chuàng)造性地設(shè)計了“L型”的攪拌棒，雖不是最佳答案，但這種創(chuàng)新思維值得鼓勵；（3）方案的設(shè)計、反思和優(yōu)化均主要由學(xué)生自主思考或小組討論完成，學(xué)生變被動接受為主動學(xué)習(xí)，提升了自主探究能力。教學(xué)中還注重了對學(xué)生易錯點的引導(dǎo)，例如該實驗起始溫度的界定是難點，通過學(xué)生主動暴露問題，教師予以解疑、引導(dǎo)，使學(xué)生的思維二次提升。

6.3 引導(dǎo)構(gòu)建思維模型

“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是學(xué)生在化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)乃至科學(xué)探究中必須建立的學(xué)科特色思想和方法。本課時教學(xué)中，教師很好地起到了穿針引線的作用，通過關(guān)鍵問題導(dǎo)向和學(xué)習(xí)環(huán)境營造，引導(dǎo)學(xué)生具身體驗并構(gòu)建定量探究思維模型。無論是模型本身還是構(gòu)建模型的過程，對于學(xué)生學(xué)科能力發(fā)展都有正向促進(jìn)作用。

基于具身認(rèn)知的化學(xué)課堂教學(xué)，能夠?qū)C(jī)械的靜態(tài)課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩尚缘膭討B(tài)課堂[8]。無論是實驗性內(nèi)容的教學(xué)還是概念性、理論性內(nèi)容的教學(xué)，化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)都特別強(qiáng)調(diào)“觀”“動”“思”等結(jié)合，這與具身認(rèn)知強(qiáng)調(diào)身心合一的主張不謀而合。因此，在化學(xué)常態(tài)課堂中實踐具身型教學(xué)具有重要的意義。

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