基于實(shí)驗(yàn)和模型表征培育“科學(xué)思維”的教學(xué)實(shí)踐

陳培亮 張燕 許雪珠

摘要： 分析當(dāng)前“飽和溶液”概念教學(xué)的一般思路和存在問題。以問題為載體進(jìn)行探究設(shè)計(jì)，通過引導(dǎo)學(xué)生在探究活動(dòng)過程中利用實(shí)驗(yàn)和自制模型，建構(gòu)、修正并完善“飽和溶液”的概念，學(xué)會運(yùn)用類比、解釋、分析、預(yù)測、綜合和歸納等科學(xué)方法，形成證據(jù)意識和模型應(yīng)用能力，從而實(shí)現(xiàn)“科學(xué)思維”的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)思維； 飽和溶液； 實(shí)驗(yàn)； 模型

文章編號： 10056629（2023）05005406

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

科學(xué)思維是義務(wù)教育階段自然科學(xué)教育學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，小學(xué)科學(xué)、初中物理、初中化學(xué)、初中生物等課程標(biāo)準(zhǔn)均包含科學(xué)思維。初中化學(xué)“科學(xué)思維”核心素養(yǎng)的內(nèi)涵主要包括：在解決化學(xué)問題中所運(yùn)用的比較、分類、分析、綜合、歸納等科學(xué)方法，基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理、建構(gòu)模型并推測物質(zhì)及其變化的能力，在解決與化學(xué)相關(guān)的真實(shí)問題中形成的質(zhì)疑能力、批判能力與創(chuàng)新意識［1］。初中化學(xué)“科學(xué)思維”核心素養(yǎng)的形成將為高中化學(xué)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

概念教學(xué)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，它不僅注重結(jié)論的獲得，更注重讓學(xué)生去體驗(yàn)結(jié)論的獲得過程，感受化學(xué)的魅力［2］。教師在概念教學(xué)中通過問題引領(lǐng)、設(shè)置多樣化的探究活動(dòng)，讓學(xué)生在活動(dòng)過程中運(yùn)用科學(xué)方法自主建構(gòu)化學(xué)概念、體驗(yàn)概念的形成過程，有利于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的形成，從而落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)［3］。

1 教學(xué)主題與現(xiàn)狀分析

“飽和溶液”［4］是人教版化學(xué)九年級下冊第九單

元課題2第1課時(shí)的內(nèi)容，本課教學(xué)重點(diǎn)有兩個(gè)：一是通過對“飽和溶液”概念的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對溶液的認(rèn)識實(shí)現(xiàn)從定性到定量的發(fā)展；二是通過一系列實(shí)驗(yàn)和生活實(shí)例，總結(jié)一般情況下飽和溶液與不飽和溶液的轉(zhuǎn)化關(guān)系。目前“飽和溶液”概念教學(xué)一般都以生活情境引入新課，通過實(shí)驗(yàn)建構(gòu)概念并總結(jié)“飽和溶液與不飽和溶液”的轉(zhuǎn)化關(guān)系［5］。該教學(xué)思路有利于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、動(dòng)手能力和基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的證據(jù)建構(gòu)概念模型的能力，特別是個(gè)別創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)大大縮短了時(shí)間［6］，解決了課堂教學(xué)難以組織的問題，但該教學(xué)思路仍存在對概念的理解深度不夠（如“為什么飽和溶液與不飽和溶液在一定條件下能互相轉(zhuǎn)化”“飽和溶液為什么不一定是濃溶液”等）的不足。黃海燕［7］根據(jù)學(xué)生的前概念采取模型和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、用模型預(yù)測實(shí)驗(yàn)的方法幫助學(xué)生建構(gòu)并理解“飽和溶液”概念及其本質(zhì)，彌補(bǔ)了目前“飽和溶液”教學(xué)的不足。但實(shí)踐中，學(xué)生理解抽象的模型（特別是含有多種溶質(zhì)溶液模型表征）存在一定困難，這也影響了學(xué)生對概念的深度認(rèn)知。因此，借鑒以上各種教學(xué)思路的優(yōu)點(diǎn)，基于培育學(xué)生“科學(xué)思維”的目的，筆者對本節(jié)課進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 課堂教學(xué)設(shè)計(jì)思路

2.1 以活動(dòng)為載體發(fā)展學(xué)生的“科學(xué)思維”

具備像化學(xué)家一樣認(rèn)識、思考和解決問題的化學(xué)科學(xué)思維是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成的重要標(biāo)志。皮亞杰認(rèn)為，活動(dòng)既是感知的源泉，又是思維發(fā)展的基礎(chǔ)［8］。因此，筆者嘗試通過問題引領(lǐng)、設(shè)置不同類型的探究活動(dòng)，讓學(xué)生在活動(dòng)過程中運(yùn)用科學(xué)方法自主建構(gòu)、修正和完善飽和溶液的概念并表達(dá)自己的觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生“科學(xué)思維”的發(fā)展（見圖1）。

2.2 通過不同類型證據(jù)幫助學(xué)生理解概念本質(zhì)

化學(xué)理論的檢驗(yàn)必須遵循多樣性的原則。證據(jù)對

于理論的支持程度不僅取決于證據(jù)的數(shù)量，而且還取決于證據(jù)的種類［9］。為了更好地促進(jìn)學(xué)生高階思維的發(fā)展和對科學(xué)概念的理解，筆者設(shè)計(jì)了符合初中生認(rèn)知特點(diǎn)的有趣模型“水墩墩”，讓學(xué)生利用模型表征概念，將抽象的概念形象化，并解釋和預(yù)測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過實(shí)驗(yàn)的直觀解釋和模型的理性分析，使學(xué)生對“飽和溶液”相關(guān)概念形成多角度認(rèn)識，從而加深對概念本質(zhì)的理解。

2.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，保證教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

在保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、完整性和盡量少改動(dòng)教材的前提下，對“飽和溶液”相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。通過總用時(shí)少、成功率高并適用于學(xué)生分組的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，使課堂活動(dòng)能在一節(jié)課內(nèi)全部完成，保證教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)流程

3.1 教學(xué)目標(biāo)

（1） 能說出飽和溶液的定義和判斷方法，能歸納飽和溶液和不飽和溶液的轉(zhuǎn)化方式，并能說明飽和溶液、不飽和溶液和濃溶液、稀溶液之間的關(guān)系。

（2） 通過建構(gòu)、修正并完善“飽和溶液”的概念，體會科學(xué)概念的認(rèn)識過程，并學(xué)會運(yùn)用類比、解釋、分析、預(yù)測、綜合和歸納等科學(xué)方法解決科學(xué)探究過程中的問題。

（3） 通過合作和展示交流，在利用不同證據(jù)驗(yàn)證假設(shè)的過程中學(xué)會嘗試、分享、交流討論并達(dá)成共識，樹立證據(jù)意識和合作意識。

（4） 利用證據(jù)對“飽和溶液”的概念不斷完善，養(yǎng)成崇尚真理、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)敢于質(zhì)疑、批判的創(chuàng)新精神。

3.2 教學(xué)流程

基本教學(xué)流程見圖2。

4 教學(xué)實(shí)錄

4.1 環(huán)節(jié)一：“飽和溶液”概念的初步建構(gòu)

［教師］同學(xué)們，課前老師布置了一個(gè)家庭作業(yè)——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明蔗糖和食鹽能否無限地溶解在一定量的水中？接下來，請兩位同學(xué)展示一下作業(yè)。

［作業(yè)展示］播放家庭實(shí)驗(yàn)的視頻。視頻1：在盛有50mL水的玻璃杯中，逐勺加入蔗糖，攪拌，加至第10勺時(shí)有蔗糖沒有完全溶解。視頻2：在盛有50mL的玻璃杯中，逐勺加入食鹽，攪拌，加至第5勺時(shí)食鹽沒有完全溶解。

［教師］由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，蔗糖和食鹽都不能無限地溶解在一定量的水中。不能繼續(xù)溶解蔗糖的溶液叫做蔗糖的飽和溶液，不能繼續(xù)溶解食鹽的溶液叫做食鹽的飽和溶液。同學(xué)們，根據(jù)以上結(jié)果，你們認(rèn)為什么是飽和溶液？

［學(xué)生］不能再溶解溶質(zhì)的溶液叫做飽和溶液。

［追問］能夠繼續(xù)溶解呢？

［學(xué)生］不飽和溶液。

4.2 環(huán)節(jié)二：“飽和溶液”概念的修正

［教師］這支試管中裝有飽和硝酸鉀溶液，溶液中有未溶解的硝酸鉀固體，請同學(xué)們思考，如何使未溶解的硝酸鉀溶解？

（學(xué)生思考討論后，匯報(bào)）

［學(xué)生1］可以振蕩試管。

［學(xué)生2］可以往試管中加水。

［學(xué)生3］可以加熱溶液。

（教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)并匯報(bào)結(jié)果）

［學(xué)生1］我們小組振蕩試管后，發(fā)現(xiàn)硝酸鉀固體不能溶解，溶液仍是飽和溶液。

［學(xué)生2］我們小組在試管中加一定量水，振蕩后硝酸鉀固體全部溶解，溶液變?yōu)椴伙柡腿芤骸?/p>

［學(xué)生3］我們小組將試管加熱一段時(shí)間，固體全部溶解，溶液變?yōu)椴伙柡腿芤骸?/p>

［設(shè)疑］（展示固體完全溶解后得到的溶液）溶液中的固體全部溶解，一定是不飽和溶液嗎？

［學(xué)生］不一定，也可能是恰好飽和的溶液。

［追問］那要如何證明溶液是否為飽和溶液？

［學(xué)生］加溶質(zhì)，觀察溶質(zhì)能否繼續(xù)溶解。

［追問］加多少？

［學(xué)生］少量。假如溶液接近飽和的話，加入太多溶質(zhì)，固體無法全部溶解，現(xiàn)象不明顯，不好作判斷。

［教師］很好?，F(xiàn)在請你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證固體完全溶解后的溶液是否是飽和溶液？

（學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后匯報(bào)）

［學(xué)生2］在固體完全溶解的硝酸鉀溶液中加入少量硝酸鉀固體，如果固體能繼續(xù)溶解，說明該溶液是不飽和溶液；如果不能溶解，則說明該溶液是飽和溶液。

［學(xué)生3］對上述飽和溶液加熱，再加入少量硝酸鉀固體，發(fā)現(xiàn)固體能溶解，說明該溶液是不飽和溶液，也說明升高溫度，飽和溶液變?yōu)椴伙柡腿芤骸?/p>

［教師］基于以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同學(xué)們能否再次定義飽和溶液？

［學(xué)生］在一定溫度下和一定量的溶劑中，不能繼續(xù)溶解溶質(zhì)的溶液叫飽和溶液。

［教師］為什么對飽和溶液的定義要強(qiáng)調(diào)溫度和溶劑的量？

［學(xué)生］因?yàn)樯邷囟然蛟黾尤軇┠苁癸柡腿芤恨D(zhuǎn)化為不飽和溶液。

［教師］請同學(xué)們將剛才試管中加熱過的溶液放入冰水中冷卻，觀察有什么現(xiàn)象發(fā)生？

（學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)后匯報(bào)結(jié)果）

［學(xué)生］溶液中有針狀固體析出。

［教師］如何解釋？

［學(xué)生］降低溫度后，硝酸鉀在水中的溶解能力減小，不飽和溶液轉(zhuǎn)變成飽和溶液，繼續(xù)降低溫度溶解不了的硝酸鉀就以固體的形式析出。

［教師］從飽和溶液中析出固體的過程，稱為結(jié)晶。通過降低溫度的方法析出固體，叫做降溫結(jié)晶；通過蒸發(fā)溶劑的方法析出固體，叫做蒸發(fā)結(jié)晶。海水曬鹽就是利用蒸發(fā)結(jié)晶的方法得到氯化鈉。

［播放視頻］海水曬鹽。

4.3 環(huán)節(jié)三：“飽和溶液”和“不飽和溶液”轉(zhuǎn)化關(guān)系的建立

［教師］請根據(jù)實(shí)驗(yàn)和視頻，歸納飽和溶液與不飽和溶液的轉(zhuǎn)化方式，完成后展示。

［學(xué)生］總結(jié)歸納如下：

［教師］實(shí)驗(yàn)是建構(gòu)概念的重要方式，除此之外，我們還可以利用模型表征概念，模型表征能讓我們對概念的理解更深刻。圖3中兩個(gè)分別表示飽和溶液與不飽和溶液模型——“水墩墩”。請你指出哪一個(gè)表示飽和溶液，哪一個(gè)表示不飽和溶液？并說明理由。

（學(xué)生思考后回答）

［學(xué)生］經(jīng)過分析，我們得出以下結(jié)論：水墩墩表示溶劑，肚子中的漢堡表示溶質(zhì)，左邊水墩墩肚子還能繼續(xù)吃漢堡，相當(dāng)于溶劑能繼續(xù)溶解溶質(zhì)，是不飽和溶液；右邊的水墩墩不能繼續(xù)吃漢堡，相當(dāng)于無法繼續(xù)溶解溶質(zhì)，所以是飽和溶液。

［教師］很好。接下來老師用模型表征“增加溶質(zhì)，不飽和溶液變?yōu)轱柡腿芤骸钡倪^程。我們往表示不飽和溶液的水墩墩模型中增加漢堡，可以發(fā)現(xiàn)溶液濃度不斷變大，最終得到飽和溶液（見圖4）。

［教師］非常好。接下來請同學(xué)們嘗試用模型表征其他條件下，飽和溶液與不飽和溶液的轉(zhuǎn)化過程？

（教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型表征，學(xué)生分組交流討論后進(jìn)行匯報(bào)）

［學(xué)生1］我們小組展示的是“蒸發(fā)溶劑”條件下不飽和溶液轉(zhuǎn)化成飽和溶液的模型表征（見圖5）。左邊三個(gè)沒吃飽的水墩墩表示不飽和溶液，蒸發(fā)溶劑后，減少一個(gè)水墩墩，漢堡數(shù)量不變且均勻分散在剩下的兩個(gè)水墩墩上，這時(shí)候兩個(gè)水墩墩不能再吃漢堡，相當(dāng)于形成飽和溶液。繼續(xù)蒸發(fā)溶劑，又減少了一個(gè)水墩墩，這時(shí)候會有漢堡剩余，相當(dāng)于飽和溶液中出現(xiàn)結(jié)晶。

［教師］以上模型中，為什么增加的漢堡是均勻地分給水墩墩？

［學(xué)生1］因?yàn)槿芤壕哂芯恍裕苜|(zhì)均勻分散到溶劑中。

［學(xué)生2］我們小組展示的是“降低溫度”條件下不飽和溶液轉(zhuǎn)化成飽和溶液的模型表征。左邊沒吃飽的水墩墩表示不飽和溶液。本來水墩墩能吃三個(gè)漢堡，降低溫度后，水墩墩飯量變小，最多只能吃兩個(gè)漢堡，于是便形成飽和溶液。繼續(xù)降低溫度，水墩墩最多能吃下一個(gè)漢堡，由于漢堡數(shù)量不變，因此漢堡會有剩余，相當(dāng)于飽和溶液中出現(xiàn)結(jié)晶（見圖6）。

［學(xué)生3］我們小組展示的是“增加溶劑”條件下飽和溶液轉(zhuǎn)化成不飽和溶液的模型表征。左邊兩個(gè)水墩墩表示飽和溶液，增加溶劑，相當(dāng)于增加一個(gè)水墩墩，由于漢堡數(shù)量不變且會均勻分給三個(gè)表示溶劑的水墩墩，我們可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)水墩墩都沒吃飽，即變成不飽和溶液（見圖7）。

［學(xué)生4］我們小組展示的是“升高溫度”條件下飽和溶液轉(zhuǎn)化成不飽和溶液的模型表征。左邊最多只能吃兩個(gè)漢堡的水墩墩表示飽和溶液，升高溫度后，水墩墩飯量變大，最多能吃下三個(gè)漢堡，但由于漢堡數(shù)量不變，水墩墩就吃不飽了，相當(dāng)于形成不飽和溶液（見圖8）。

4.4 環(huán)節(jié)四：“飽和溶液”概念的完善

［教師］綜上，模型表征能解釋實(shí)驗(yàn)。除此之外，我們還能用模型預(yù)測實(shí)驗(yàn)。接下來請你結(jié)合模型變化（見圖9）思考某溶質(zhì)的飽和溶液能否溶解其他的溶質(zhì)？

［學(xué)生］左邊最多能吃三個(gè)漢堡的水墩墩表示只含一種溶質(zhì)的飽和溶液。此時(shí)的水墩墩雖然不能吃下漢堡，但吃幾顆櫻桃還是沒有問題的。櫻桃相當(dāng)于其他溶質(zhì)。因此根據(jù)模型可以推測，一種溶質(zhì)的飽和溶液雖然不能溶解這種溶質(zhì)，但是可以繼續(xù)溶解另一種溶質(zhì)。

［教師］非常好，接下來用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一下我們的假設(shè)。

［學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)］往有固體的硝酸鉀的飽和溶液中加入少量高錳酸鉀固體，振蕩，觀察到高錳酸鉀固體溶解，溶液呈紫紅色。

［教師］通過實(shí)驗(yàn)，我們知道某物質(zhì)的飽和溶液可以溶解其他溶質(zhì)。根據(jù)這個(gè)新的認(rèn)識，請你對飽和溶液進(jìn)行重新定義。

［學(xué)生］在一定溫度下，一定量的溶劑中，不能繼續(xù)溶解某溶質(zhì)的溶液叫飽和溶液。

［教師展示］（不同狀態(tài)的飽和溶液與不飽和溶液模型，見圖10）請同學(xué)們再次結(jié)合模型思考，飽和溶液一定是濃溶液嗎？不飽和溶液一定是稀溶液嗎？

［學(xué)生］左邊的水墩墩不能吃下漢堡，表示飽和溶液；右邊的水墩墩能繼續(xù)吃漢堡，表示不飽和溶液。但是右邊的水墩墩吃的漢堡比左邊的多，說明濃度比較大。因此，飽和溶液不一定是濃溶液，不飽和溶液也不一定是稀溶液。

［教師］由此，我們可以知道飽和溶液、不飽和溶液和濃溶液、稀溶液之間沒有必然關(guān)系。那請你根據(jù)對飽和溶液的再次認(rèn)識，完善飽和溶液的定義？

［學(xué)生］一定溫度下，一定溶劑中，不能繼續(xù)溶解某溶質(zhì)的溶液為飽和溶液。飽和溶液不一定為濃溶液。

5 教學(xué)效果及反思

5.1 教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成

（1） 從課后紙筆評價(jià)結(jié)果反饋，學(xué)生普遍能理解“飽和溶液定義”“飽和溶液和不飽和溶液的轉(zhuǎn)化方式”等核心知識，并能用所學(xué)知識解決實(shí)際問題。

（2） 課堂上學(xué)生積極參與分組實(shí)驗(yàn)和模型展示，在建構(gòu)、修正并完善“飽和溶液”的概念的過程中實(shí)現(xiàn)“科學(xué)思維”的發(fā)展。

（3） 在小組合作和展示交流的過程中，學(xué)生能將實(shí)驗(yàn)抽象為模型，也能用模型預(yù)測、解釋實(shí)驗(yàn)；同時(shí)能理性認(rèn)可或反對同伴的意見并達(dá)成共識，逐步形成證據(jù)意識和合作意識。

（4） 根據(jù)課后學(xué)生反饋，學(xué)生體會到利用證據(jù)不斷建構(gòu)和完善的概念比從課本上直接獲取的概念理解得更加深刻；明白嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和敢于質(zhì)疑的創(chuàng)新精神是學(xué)習(xí)化學(xué)的必備品質(zhì)。

5.2 教學(xué)實(shí)踐效果

本節(jié)課關(guān)于“飽和溶液”的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)總用時(shí)約6分鐘左右，保證了課堂教學(xué)內(nèi)容能在一節(jié)課內(nèi)全部完成，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。課堂教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建構(gòu)、修正并完善“飽和溶液”概念的過程自然流暢，但也有部分學(xué)生在有效利用實(shí)驗(yàn)證據(jù)確立“飽和溶液與不飽和溶液的轉(zhuǎn)化關(guān)系”時(shí)存在一定困難。利用教具“水墩墩”對概念進(jìn)行模型表征后，這部分學(xué)生不僅順利確立了“飽和溶液與不飽和溶液的轉(zhuǎn)化關(guān)系”的認(rèn)識，并且修正了有關(guān)“飽和溶液”和濃溶液、稀溶液的錯(cuò)誤概念。在表達(dá)交流過程中，學(xué)生思維活躍、積極互動(dòng)。學(xué)生用符合自身認(rèn)知特征的語言清晰表達(dá)觀點(diǎn)，使本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)順利突破。

在下一節(jié)課“溶解度”的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以結(jié)合溶解度曲線，利用模型表征氣體和氫氧化鈣等物質(zhì)溶解度隨溫度升高而減小的事實(shí)，進(jìn)一步了解溫度對不同類型物質(zhì)的溶解度的影響。

5.3 教學(xué)再優(yōu)化的思考

（1） 初中生利用實(shí)驗(yàn)證據(jù)建構(gòu)概念的能力比較薄弱，在利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果和視頻等證據(jù)建立“飽和溶液和不飽和溶液轉(zhuǎn)化關(guān)系”的過程中教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生如何有效收集和利用證據(jù)，讓學(xué)生形成證據(jù)意識，提升證據(jù)的收集、篩選和推理的能力。

（2） 在學(xué)生探究活動(dòng)和表達(dá)交流的過程中，教師可以設(shè)置合適的量表，通過教師評價(jià)、學(xué)生自評和生生互評等方式，檢驗(yàn)學(xué)生“科學(xué)思維”和“科學(xué)態(tài)度”的達(dá)成情況，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、評一體化”，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

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