基于5E模式的化學探究性教學設計*
——以“茶垢清潔劑成分探究”為例

余 靜，王小兵，邱書文，曾懋華

(韶關學院 化學與土木工程學院，廣東 韶關 512005)

5E教學法最早起源于生物學科的教學，是由美國生物學課程研究(BSCS)開發(fā)出的一種建構主義教學模式，其強調“以學生為主”及讓學生進行科學探究，是一種有效的探究性教學模式[1-2]。五個“E”具體為參與(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、遷移(Elaboration)、評價(Evaluation)，因為5個學習階段都以“E”開頭，所以又被稱為“5E”教學模式。5E教學模式的每個教學環(huán)節(jié)充分發(fā)掘了學生的主體地位，激發(fā)學生的認知興趣和思維，注重學習的過程，突出知識的創(chuàng)新和應用，與深度學習的理念如出一轍，不僅對我國的科學教育有一定的啟示作用，還對我國科學教育的實施與實踐、促進科學教育改革、科學素養(yǎng)的培養(yǎng)具有重要意義[3]。

手持技術數(shù)字化實驗是一種基于“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+分析軟件”的數(shù)字化實驗手段。手持技術應用傳感器測定實驗過程中的數(shù)據(jù)，依據(jù)對現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的關聯(lián)分析獲得實驗結論，從而達到實驗研究的目的[4]。手持技術具有便攜性、實時性、準確性、直觀性和綜合性等特點，可以實時、精確地測量實驗過程中涉及的各類物理量，并通過計算機呈現(xiàn)可視的圖像信息。因此，手持技術在化學研究和教學中的應用越來越廣泛。

本研究利用手持技術數(shù)字化實驗探究茶垢清潔劑的成分，基于5E模式，以“教師為主導，學生為主體”的教學原則設計了以茶垢清潔劑為主題的中學化學探究性教學設計。

1 教學設計

1.1 教學與評價目標

1)通過實驗探究茶垢清潔劑的成分，回顧碳酸鈉和過氧化氫的化學性質，培養(yǎng)學生證據(jù)推理、宏觀辨識的化學學科核心素養(yǎng)。

2)通過設計實驗探究茶垢清潔劑在熱水中所產生的氣體成分，回顧氧氣和二氧化碳的檢驗的相關知識，培養(yǎng)學生科學探究與創(chuàng)新意識的化學學科核心素養(yǎng)。

3)通過認識茶垢清潔劑和手持技術數(shù)字化實驗，讓學生體會到化學與科學、技術、社會、生活之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學生科學態(tài)度與社會責任的化學學科核心素養(yǎng)。

1.2 教學重難點

1)重點：氧氣與二氧化碳的檢驗。

2)難點：碳酸鈉與過氧化氫的化學性質。

1.3 教法與學法

1)教法：情景引入法、實驗探究法、手持技術法。

2)學法：以科學探究為主線，堅持以“教師為主導，學生為主體”的教學原則，引導學生在課堂上進行合作探究、小組討論、遷移應用，完成本節(jié)課的學習。

1.4 教學與評價思路

1)參與環(huán)節(jié)

創(chuàng)設問題情境，激發(fā)學生學習興趣。在充分了解學生前概念的基礎上，從學生的生活入手，以茶垢清潔劑為主題創(chuàng)設問題情境，引發(fā)學生認知沖突，激發(fā)學生探索欲望，診斷并發(fā)展學生對生活中化學現(xiàn)象的認知水平。

2)探究環(huán)節(jié)

探究是“5E”教學模式的中心環(huán)節(jié)。教師引導學生逐一探究茶垢清潔劑的成分，充分發(fā)揮學生的主體作用，培養(yǎng)學生觀察、思考以及探究的能力，診斷并發(fā)展學生的證據(jù)推理和實驗探究能力。

3)解釋環(huán)節(jié)

學生對探究結果進行解釋，初步建構相應的概念。教師在此基礎上給出科學的解釋，讓學生真正理解和內化初步建構的概念，進一步了解茶垢清潔劑以及其中蘊含的化學知識，并初步認識手持技術，診斷并發(fā)展學生的化學定量思維。

4)遷移環(huán)節(jié)

教師通過創(chuàng)設新的問題情境，鼓勵學生在新情境中應用或擴展所學的概念，改進傳統(tǒng)實驗，加強對新知識、新技術的理解和應用，并提高解決問題的能力，診斷并發(fā)展學生的創(chuàng)新意識。

5)評價環(huán)節(jié)

評價過程貫穿于整個教學活動的始終，采用教師點評、學生自評等多種評價方式，以此來檢測學生的知識掌握情況。并在課堂最后通過評價茶垢清潔劑這一物質的其他用途，診斷并發(fā)展學生的社會價值視角。

1.5 教學過程

1.5.1 參與環(huán)節(jié)

【學習任務1】：通過情景引入法讓學生了解“茶垢清潔劑”這一物質。

【評價任務1】：診斷并發(fā)展學生對生活中化學現(xiàn)象的認知水平。

【師】同學們在生活中有沒有見過茶垢呀？你們知道茶垢究竟是什么嗎？

【生】見過！用久了的茶壺和茶杯中有茶垢，但是不知道茶垢是什么。

【師】茶垢是茶中的有機物經系列變化所形成的。長時間沒有清洗茶垢的茶具在濕潤環(huán)境中有可能滋生霉菌，從而危害人體健康。那同學們有沒有清洗過茶垢？

【生】清洗過，但是很難把茶垢清洗干凈。

【師】隨著當今科學技術的進步，現(xiàn)在市場上出現(xiàn)一種名為“茶垢清潔劑”的產品，我們來看看它的清潔效果如何(播放視頻)。

【師】今天讓我們一起來了解這種能把茶垢清洗得干干凈凈的神奇物質——茶垢清潔劑。

首先教師通過生活中的現(xiàn)象引起學生的注意，激發(fā)學生興趣。其次，通過學生的親身經歷引出茶垢清潔劑這一物質。最后教師播放用“茶垢清潔劑”清洗茶垢視頻，通過視頻讓學生初步了解茶垢清潔劑，讓學生體會到化學與科技、生活的聯(lián)系。

1.5.2 探究環(huán)節(jié)

【學習任務2】：通過實驗探究茶垢清潔劑在熱水中產生的氣體成分。

【評價任務2】：通過實驗探究，診斷并發(fā)展學生的證據(jù)推理和實驗探究能力。

【師】展示“茶垢清潔劑”的資料卡片。

【生】閱讀資料卡片。

【師】“茶垢清潔劑”的主要成分為過碳酸鈉，該物質兼具有碳酸鈉和過氧化氫的化學性質。通過茶垢清潔劑的使用說明我們了解到它遇到熱水會迅速產生氣體，同學們認為這種氣體可能是什么呢？

【生】氧氣！

【師】為什么是氧氣呢？你的依據(jù)是什么？

【生】茶垢清潔劑中含有過氧化氫，過氧化氫受熱分解會產生氧氣。

【師】同學們還有沒有其他的不同答案呢？

【生】產生的氣體還有可能是二氧化碳！

【師】為什么還可能是二氧化碳呢？

【生】茶垢清潔劑中還含有碳酸鈉，碳酸鈉受熱也會分解，產生二氧化碳。

【師】但是通過查閱資料我們知道碳酸鈉要在 1744 ℃ 以上才能分解，故說明碳酸鈉在目前的實驗條件下是不能產生二氧化碳的。那么碳酸鹽能在什么情況下產生二氧化碳呢？

【生】與酸反應！

【師】而反應體系中并沒有酸，顯然不能產生二氧化碳，究竟有沒有二氧化碳產生呢？我們可以通過實驗來驗證，我們該如何檢驗二氧化碳這種氣體呢？

【生】將產生的氣體通入澄清石灰水。

【師】那氧氣又該用什么檢驗？

【生】帶火星的木條。

【師】接下來請同學們進行分組實驗來探究產生的氣體究竟是什么。

【布置任務】向茶垢清潔劑中加入熱水后產生的氣體可能是什么？如何檢驗？

若學生不能順利地完成實驗，教師通過圖片和文字給予一定的指導：

1)取少量樣品于試管中，再加入熱水(沒過固體即可)，塞上單孔塞；

2)將試管浸于熱水??；

3)將生成的氣體通入澄清石灰水；

4)撤去單孔塞，深入帶火星的木條。

【師】第一小組的同學觀察到了什么現(xiàn)象？結論是什么呢？

【生】反應產生了氣泡，但澄清石灰水沒有變渾濁，說明該氣體不是二氧化碳；而帶火星的木條復燃，說明該氣體為氧氣。

【師】其他組的實驗現(xiàn)象也和這組的一樣嗎？

【生】一樣。

通過查閱資料讓學生進一步了解茶垢清潔劑的成分及相關性質。讓學生根據(jù)資料卡片中的信息推測茶垢清潔劑遇熱水產生的氣體成分。通過茶垢清潔劑的使用說明具體情況設問“茶垢清潔劑遇到熱水會迅速產生氣體，同學們認為這種氣體可能是什么呢？”了解學生的推理思路，培養(yǎng)學生證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。接著“為什么是氧氣呢？你的依據(jù)是什么？”“為什么還可能是二氧化碳呢？”雙重追問，讓學生能夠表達出推理的依據(jù)。糾正學生推理中的不妥之處，并讓學生從碳酸鈉的性質出發(fā)尋找其產生二氧化碳的方法。同時也復習二氧化碳和氧氣的檢驗方法。此環(huán)節(jié)，發(fā)揮教師的主導作用，學生的主體作用，培養(yǎng)學生的動手能力和科學探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。

1.5.3 解釋環(huán)節(jié)

【學習任務3】：通過手持技術實驗進一步學習“茶垢清潔劑”這一物質。

【評價任務3】：通過手持技術數(shù)字化實驗，診斷并發(fā)展學生的化學定量思維。

【師】現(xiàn)在我們可以得出的結論是茶垢清潔劑遇熱水產生的氣體為氧氣，即過碳酸鈉遇熱水迅速釋放出氧氣，而正是由于其過程中產生的氧具有很強的氧化性且可以深入微小的縫隙，從而使茶垢分解、剝離和脫落。這就是茶垢清潔劑的作用原理。

【生】認真聽講。

【師】為什么茶垢清潔劑需要配合熱水使用，而不用冷水呢？

【生】在冷水中反應比較慢，在熱水中反應比較快。

【師】你的依據(jù)是什么？

【生】溫度越高，過氧化氫的分解速率越快。

【師】為了增強實驗的可視性，現(xiàn)在老師運用一種新興的數(shù)字化技術——手持技術，利用氧氣傳感器來探究茶垢清潔劑分別在冷水和熱水中產生氧氣的速率，請同學們注意觀察實驗現(xiàn)象。

【師】同學們，通過觀察圖1、圖2，你們發(fā)現(xiàn)了什么？對此你們能得出什么結論呢？

圖1 冷水中氧氣質量分數(shù)隨時間的變化曲線

圖2 熱水中氧氣質量分數(shù)隨時間的變化曲線

【生】單位時間內圖1氧氣含量上升的幅度遠遠小于圖2，表明溫度越高茶垢清潔劑反應速率越快。

【師】對于茶垢清潔劑也就是過碳酸鈉而言，溫度越高，反應速率越快，但在溫度低的時候并不是不反應，而是反應速率太緩慢，以至于需要很長時間才能看得到效果，這也是我們在使用茶垢清潔劑時為了保證溫度足夠高，需要及時補充熱水的原因。

【生】認真聽講。

本環(huán)節(jié)解釋茶垢清潔劑的作用原理，讓學生加深對茶垢清潔劑的了解。通過提出新問題“茶垢清潔劑需要配合熱水使用，而不用冷水呢？”，為下一步實驗探究做準備。引入手持數(shù)字化技術實驗，通過曲線表征解釋了茶垢清潔劑的使用與溫度之間的關系，開拓學生視野，培養(yǎng)學生觀察、分析圖表的能力和證據(jù)推理的能力。

1.5.4 遷移環(huán)節(jié)

【學習任務4】：通過手持技術實驗改進傳統(tǒng)實驗。

【評價任務4】：通過實驗改進，診斷并發(fā)展學生的創(chuàng)新意識。

【師】我們剛剛了解到了手持技術實驗，而這種技術的應用范圍非常廣，例如我們在探究茶垢清潔劑在熱水中產生的氣體成分時就可以通過手持技術來檢驗是氧氣傳感器，那可不可以用它檢驗產生氣體中有沒有二氧化碳呢？

【生】學生看到桌面上放置一個二氧化碳傳感器，紛紛猜想可以。

【師】演示基于氧氣(圖3)和二氧化碳(圖4)連用的手持技術裝置。

圖3 氧氣質量分數(shù)隨時間的變化曲線

圖4 二氧化碳質量分數(shù)隨時間的變化曲線

【師】同學們，通過觀察圖3、圖4能夠得出什么結論呢？

【生】跟剛剛做的實驗一樣，茶垢清潔劑在熱水中產生的氣體為氧氣，而不是二氧化碳。

【師】對比兩個實驗，同學們有沒有發(fā)現(xiàn)運用手持技術數(shù)字化實驗，有什么優(yōu)點？

【生】手持技術數(shù)字化實驗更加實時、準確和快捷。

【師】手持技術作為一種利用現(xiàn)代電子數(shù)碼科技進行實驗的新興測量技術，具有便攜性、實時性、準確性、直觀性和綜合性等特點，可以實時、精準地測量實驗過程中涉及的各類物理量，并通過計算機呈現(xiàn)可視的圖像信息。同學們可以多多在網上了解一下這門新興技術。

【師】到目前為止我們基本都圍繞著茶垢清潔劑中過氧化氫產生的氧氣在探究，但是茶垢清潔劑中還有一種物質也就是碳酸鈉我們該如何證明它的存在呢？

【生】檢驗碳酸鈉中的碳酸根離子。

【師】那么茶垢清潔劑中的碳酸根離子該怎么檢驗呢？

【生】將茶垢清潔劑在熱水中溶解后，滴加稀鹽酸，若有氣泡產生且產生的氣體能使澄清石灰水變渾濁，則證明該溶液中含有碳酸根離子。

【師】同樣在這里我們也引入手持技術，通過二氧化碳傳感器來檢測是否有二氧化碳的生成。

【師】同學們通過觀察實驗現(xiàn)象和圖5能得出什么結論？

圖5 二氧化碳質量分數(shù)隨時間的變化曲線

【生】由圖5可以得出向溶液中滴加鹽酸后產生了二氧化碳氣體，因此表明溶液中含有碳酸根離子。

將手持技術數(shù)字化實驗遷移至實驗課堂中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗步驟，讓學生了解手持技術實驗與傳統(tǒng)實驗的區(qū)別，讓學生體會到科技與化學之間的聯(lián)系。詳細介紹手持技術，增強學生對手持技術的興趣。從茶垢清潔劑中過氧化氫過渡到碳酸鈉，進一步探究茶垢清潔劑的成分。遷移應用手持技術，培養(yǎng)學生觀察分析圖表的能力。

1.5.5 評價環(huán)節(jié)

【學習任務5】：通過茶垢清潔劑的成分探究茶垢清潔劑的其他用途。

【評價任務5】：通過運用所學知識解決生活實際問題，診斷并發(fā)展學生的社會價值視角。

【師】這節(jié)課我們學習了茶垢清潔劑這一種物質，現(xiàn)在請同學們動動腦筋，根據(jù)這一節(jié)課所學的知識，想一想茶垢清潔劑除了清洗茶垢以外還能有其他的妙用嗎？

【生】在一些緊急的時刻制取氧氣！

【師】非常好，這利用了茶垢清潔劑所具有的過氧化氫的性質。

【師】假如同學們在做實驗時突然發(fā)現(xiàn)缺少碳酸鈉這一試劑，可以怎么辦呢？

【生】如果身邊有茶垢清潔劑的話可以用茶垢清潔劑來代替！

【師】很棒！老師之前為了清洗茶垢，決定在網上購買茶垢清潔劑，然后發(fā)現(xiàn)茶垢清潔劑的種類五花八門且價格不一，你們認為該產品價格是由什么決定的呢？

【生】產品的質量。

【師】該產品的質量又由什么決定呢？

【生】茶垢清潔劑中有效成分即過碳酸鈉的含量。

【師】請同學們課后在網上了解一下工業(yè)制備過碳酸鈉的流程，并根據(jù)所學內容嘗試設計實驗測定茶垢清潔劑中過碳酸鈉的含量，實驗可引入手持技術。

通過猜想茶垢清潔劑的其他用途，發(fā)散學生的思維，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。進一步通過茶垢清潔劑的成分來引導學生思考茶垢清潔劑的妙用。讓學生體會化學與科學、技術、社會、生活之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和社會責任感。

2 總結

本文通過對茶垢清潔劑的成分以及其相關性質的探究，找到了茶垢清潔劑與中學化學教學的融合點，基于5E教學模式，設計了以茶垢清潔劑為主題的化學探究性教學，且其中以教師為主導，學生為主體的教學過程中引入了新興的數(shù)字化手持技術，有利于學生的全面發(fā)展以及化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。