基于深度學(xué)習(xí)的慢回放式化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

李根薰 黃明浩

摘? ?要： 基于化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計了基于深度學(xué)習(xí)的慢回放式鈉與水反應(yīng)教學(xué)思路，以任務(wù)驅(qū)動、小組合作形式完成教學(xué)。系列任務(wù)為：由主鏡頭捕捉到分解鏡頭尋找，培養(yǎng)學(xué)生在腦海中慢回放實(shí)驗(yàn)的技能；通過在微觀視域下建立物質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)變化的動態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作及反應(yīng)過程深入分析；通過鈉塊移動假說探討，鈉與水反應(yīng)聲音的微觀來源探析，開展實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象深入分析。在任務(wù)完成過程中引導(dǎo)學(xué)生尋找新技術(shù)開發(fā)思路，凸顯化學(xué)學(xué)科價值。

關(guān)鍵詞：化學(xué)實(shí)驗(yàn)；慢回放式分析法；深度學(xué)習(xí)；化學(xué)核心素養(yǎng)

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提出普通高中化學(xué)課程目標(biāo)，要求學(xué)生能夠宏觀上辨識物質(zhì)形態(tài)變化，并能從微觀上理解其組成；能夠認(rèn)識到物質(zhì)是在不斷運(yùn)動的，物質(zhì)變化是有條件的；能夠發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學(xué)問題[ 1 ]。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要實(shí)現(xiàn)這些教學(xué)目標(biāo)就需要開展基于深度學(xué)習(xí)的教學(xué)。

深度學(xué)習(xí)是基于理解的學(xué)習(xí)，是指在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)[ 2-3 ]。將深度學(xué)習(xí)理念運(yùn)用于化學(xué)教學(xué)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一[ 4-6 ]。本文將介紹基于深度學(xué)習(xí)的慢回放式化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。即引導(dǎo)學(xué)生聚焦于化學(xué)實(shí)驗(yàn)中某一情境，培養(yǎng)從宏觀到微觀、靜態(tài)到動態(tài)、孤立到系統(tǒng)的認(rèn)知角度及從知識學(xué)習(xí)到運(yùn)用開展深入分析的教學(xué)過程。

1? 教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)流程

1.1? 制定深度學(xué)習(xí)教學(xué)目標(biāo)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度學(xué)習(xí)需要基于學(xué)生已有知識，充分利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)含的思維與方法從宏觀、微觀角度對實(shí)驗(yàn)問題進(jìn)行深入分析。這一深入分析過程也是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培育過程?；诖嗽O(shè)計本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)如下：（1）能夠?qū)⒑暧^現(xiàn)象與微觀變化建立對應(yīng)關(guān)系；（2）能從微觀、動態(tài)角度對化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作、化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行深入分析；（3）能從微觀分析中提出創(chuàng)新性、可操作性科學(xué)研究課題。

1.2? 教學(xué)設(shè)計

基于深度學(xué)習(xí)的慢回放式鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計思路見圖1所示。

2? 教學(xué)過程

選題依據(jù)：鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯——游、熔、響、紅。學(xué)生熟知這一系列實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并能從表層對這些現(xiàn)象進(jìn)行直觀地分析。選擇鈉與水這一平凡的實(shí)驗(yàn)，通過逐步引導(dǎo)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)其中不平凡之處，能形成強(qiáng)烈認(rèn)知反差，提高學(xué)生對深度學(xué)習(xí)的興趣。

2.1? 任務(wù)1：鈉與水反應(yīng)慢回放主鏡頭捕捉及分解鏡頭精選

[問題]請同學(xué)們思考如何像放電影一樣將鈉與水反應(yīng)的主要過程一幀一幀的在腦中重現(xiàn)？能否選取該實(shí)驗(yàn)一些主要鏡頭進(jìn)一步慢放，選取依據(jù)是什么？

[學(xué)生活動1]? 對硫酸銅晶體圖片開展觀察討論活動。并對比高中生、大學(xué)生、博士生認(rèn)知差異。

[學(xué)生活動2]? 小組討論鈉與水反應(yīng)的主要步驟，并進(jìn)一步將這些步驟呈現(xiàn)在紙上，形成主鏡頭。

[學(xué)生活動3]? 小組討論將鈉與水反應(yīng)主鏡頭進(jìn)一步細(xì)化形成分鏡頭，并以框圖形式呈現(xiàn)。

[教師]? 組織學(xué)生討論、總結(jié)，并展示如圖2所示分鏡頭尋找結(jié)果，并與學(xué)生的選擇做對比。師生討論確定從三個角度選取如下四個鏡頭：

角度①實(shí)驗(yàn)操作：切割鈉塊；

角度②反應(yīng)過程：鈉與水接觸瞬間；

角度③實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鈉塊發(fā)生無規(guī)則快速移動，發(fā)出“嘶嘶”響聲。

任務(wù)1各活動設(shè)計意圖見表1。

2.2 任務(wù)2：鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作及反應(yīng)過程慢回放式深入學(xué)習(xí)

[問題]? 是否有一套分析方法可以用于精選鏡頭的深入分析？

[學(xué)生活動1]討論如何由淺入深分析切割鈉塊的實(shí)驗(yàn)過程？

教師引導(dǎo)學(xué)生按照圖3思路展開分析

[學(xué)生活動2]活動1討論中學(xué)生會產(chǎn)生一些疑問。問題1：切割過程是否會將原子切開？問題2：將小刀逐漸變細(xì)直至變?yōu)椤凹{米光刀” 通過光刀切割法是否可能得到極薄的鈉材料？納米級別的鈉材料活潑性如何？

[資料卡片]? 核反應(yīng)簡介及激光切割法。

資料1：化學(xué)反應(yīng)中原子不會發(fā)生改變，如果將原子發(fā)生改變（裂變、聚變）則屬于核反應(yīng)，核反應(yīng)需要巨大的能量才能引發(fā)。

資料2：激光切割是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高能量光束，以瞬間的高溫熔化或氣化被加工的材料，從而形成切口的一種加工手法。

[師]? 組織學(xué)生討論，并得出初步結(jié)論：小刀切割過程是擠開原子而非切開，如果將小刀變?yōu)楣獾?，入射光的高能量將會融化金屬鈉，形成極細(xì)的切口，多次切割有可能獲得較薄的鈉片。

[生]? 自主學(xué)習(xí)納米金屬的制備，理解通過控制合成過程的條件，讓金屬生成速率變慢從而獲得納米金屬的方法。并分析納米金屬鈉的高活潑性。

[師追問]? 較寬的小刀切割鈉塊，切面在微觀上凹凸不平，表面的鈉原子將很快被氧化，這些氧化鈉會脫落嗎？

[生]? 學(xué)生認(rèn)為金屬鈉、氧化鈉都是固體，兩者相互吸附力很小，因此有可能脫落。

[學(xué)生活動3]? 教師展示氧化鋁薄膜圖片如圖4，并引導(dǎo)學(xué)生自主閱讀鋁氧化膜對鋁單質(zhì)的保護(hù)作用。學(xué)生通過類比法分析鈉形成氧化膜是否會脫落，并說明原因。

[師]? 組織學(xué)生討論這里氧化膜是氧氣與金屬鈉在表面發(fā)生發(fā)應(yīng)過程中逐漸形成一定厚度的膜，這層膜緊緊吸附于鈉表面，與粉末狀金屬氧化物不同。

[學(xué)生活動4] 開展典型反應(yīng)過程：鈉塊入水瞬間的深入分析。引導(dǎo)學(xué)生將反應(yīng)物先放大（見圖5），并將水分子類比成海洋球，利用宏觀模型模擬鈉塊入水過程，并開展由淺入深，由靜態(tài)到動態(tài)深入分析。

[生]? ①宏觀：瞬間發(fā)生劇烈發(fā)應(yīng)，鈉塊開始熔化、游動；②微觀上：Na+H2O=NaOH+H2↑；③入水過程氧化膜先破壞。

[習(xí)題]? （2019新課標(biāo)Ⅰ改編） 固體界面上強(qiáng)酸的吸附和離解是多相化學(xué)在環(huán)境、催化、材料科學(xué)等領(lǐng)域研究的重要課題。圖6為少量HCl氣體分子在253 K冰表面吸附和溶解過程的示意圖。下列敘述錯誤的是

A．冰表面第一層破壞最嚴(yán)重

B．冰表面第二層中，氯化氫與水作用發(fā)生電離

C．冰表面第三層中，冰的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持不變

D．冰表面各層之間，均存在可逆反應(yīng)HCl ？壙 H++Cl-

參考答案：D （圖片來源于2019新課標(biāo)Ⅰ化學(xué)試卷）。

[學(xué)生活動5]? 小組活動討論HCl如何一層一層破壞冰表面？運(yùn)用類比遷移法分析鈉氧化膜被破壞的動態(tài)過程，可以讓學(xué)生參考軍隊攻城，水分子撲向鈉塊表面。

[生]? 水分子會先破壞氧化膜有缺陷或者膜比較薄的地方，氧化膜破壞后水接觸內(nèi)層鈉原子，發(fā)生劇烈的鈉與水反應(yīng)。

[師追問]? 如果在工業(yè)上給金屬鍍膜，要注意什么問題？

[生]? 膜的厚度，均勻度等。

[師]組織學(xué)生總結(jié)開展鈉與水反應(yīng)微觀動態(tài)分析的方法。

任務(wù)2各活動設(shè)計意圖見表2。

2.3? 任務(wù)3：鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象慢回放式深入學(xué)習(xí)

[問題]? 鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，對這些肉眼觀察到的表觀現(xiàn)象能否由淺入深，開展深入分析？

[生] 宏觀：鈉塊受力不均，鈉塊無規(guī)則運(yùn)動與鈉與水反應(yīng)放出氫氣以及反應(yīng)放熱有關(guān)。

微觀：氣體推動巨大鈉塊金屬球快速移動。

[學(xué)生活動1]? 金屬鈉快速運(yùn)動問題較為復(fù)雜，我國學(xué)者有提出一些假說如①“氣體推動說” [ 8-9 ]；②“表面張力說”[ 10 ]。請學(xué)生以小組討論形式設(shè)計實(shí)驗(yàn)證明這兩個學(xué)說是否正確。

[資料]? “氣體推動說”認(rèn)為鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的氣體推動鈉塊移動?！氨砻鎻埩φf”認(rèn)為鈉與水反應(yīng)的區(qū)域，氫氧化鈉濃度較大，這部分氫氧化鈉有向外擴(kuò)散的趨勢，從而帶動鈉塊移動。

[演示實(shí)驗(yàn)]? 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用嘴吹少量氣體很難推動金屬球快速運(yùn)動，氣體推動說不準(zhǔn)確。將鈉塊放入氫氧化鈉溶液中，鈉塊仍舊快速無規(guī)則運(yùn)動。證明表面張力并非鈉塊快速運(yùn)動主要動力。

[學(xué)生活動2]? 有關(guān)鈉塊無規(guī)則快速移動的解釋還有“氫氣墊說”，請學(xué)生自主學(xué)習(xí)“氫氣墊說”，并總結(jié)要點(diǎn)[ 11 ]。

[資料]? 2004年李振榮提出氫氣墊說。認(rèn)為鈉與水反應(yīng)在交界處產(chǎn)生一層連續(xù)不斷的氫氣泡沫——?dú)錃鈮|，鈉與水接觸后立刻在界面上發(fā)生反應(yīng)，這些氫氣泡沫將水與鈉隔開，氫氣泡沫不斷生成、破裂、發(fā)生振動。氫氣泡沫源源不斷將水分輸送到金屬表面從而維持化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。由于氫氣泡沫破裂方向不均勻，推動熔成小球的鈉塊在氫氣泡沫上朝某一方向運(yùn)動。

[生]? 氫氣鈉塊表面形成泡沫，并以“氫氣墊”形式將鈉與水隔開，但是氫氣泡沫源源不斷將水汽輸送到鈉表面，氫氣泡沫會破裂，從而造成鈉塊移動。

[師]? 引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)鈉塊移動的一些假說，并更綜合看待鈉塊移動的動力來源：氣體推動，氫氣墊、水等。

[學(xué)生活動3]? 請學(xué)生思考鈉與水反應(yīng)發(fā)出嘶嘶響聲的可能原因有哪些？教師投影展示曾顯林老師使用高清攝像機(jī)捕捉鈉與水反應(yīng)的各個流程的圖片（圖7）[ 12 ]。并讓學(xué)生分析這些圖片中哪些反應(yīng)過程會發(fā)出聲音？

[生]? a、e、f、g這幾個過程都有可能產(chǎn)生聲音，學(xué)生總結(jié)聲音主要來源：水汽揮發(fā)、氫氣泡破滅、燃燒、鈉塊炸裂等過程。

[學(xué)生活動4]? 請學(xué)生小組合作從微觀角度尋找“嘶嘶”響聲的主要來源，結(jié)果見表3。

[師] 指導(dǎo)學(xué)生總結(jié)鈉與水反應(yīng)的微觀聲音來源：原子、分子碰撞；分子的劇烈振動等。

[歸納整理]帶領(lǐng)學(xué)生歸納總結(jié)本節(jié)課所學(xué)實(shí)驗(yàn)分析方法。

[學(xué)生活動5]組織學(xué)生總結(jié)深度分析實(shí)驗(yàn)所用的分析流程如圖8所示。

任務(wù)3各活動設(shè)計意圖總結(jié)見表4。

3? 教學(xué)反思

3.1? 慢回放式化學(xué)實(shí)驗(yàn)深入分析構(gòu)建宏觀、微觀橋梁

本節(jié)課構(gòu)建了一套慢回放式化學(xué)分析方法，讓學(xué)生將發(fā)生變化的主體先在微觀層面放大，并結(jié)合物質(zhì)的模型實(shí)現(xiàn)在腦中重現(xiàn)反應(yīng)過程，接著再將化學(xué)變化過程慢放，形成一個個分鏡頭，選取并分析重要的鏡頭實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)過程的動態(tài)分析。這種分析方法潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生從宏觀現(xiàn)象走向微觀變化的認(rèn)知思路。慢回放式分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅可以運(yùn)用于鈉與水反應(yīng)，還可以遷移到大多數(shù)高中化學(xué)性質(zhì)類實(shí)驗(yàn)深入研究中。

3. 2? 微觀動態(tài)分析促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，創(chuàng)新意識提升

要科學(xué)捕捉微觀過程的分鏡頭首先要準(zhǔn)確了解物質(zhì)微觀組成、結(jié)構(gòu)，對于高一學(xué)生這方面的知識比較欠缺，教師可以直接展示；其次要建立微觀世界物質(zhì)發(fā)生物理變化、化學(xué)反應(yīng)的動態(tài)模型，可以引導(dǎo)學(xué)生利用類比遷移法進(jìn)行推理分析。通過微觀、動態(tài)分析，學(xué)生在潛移默化中發(fā)現(xiàn)一些具有運(yùn)用價值的信息，例如給金屬鍍膜的品控問題，鈉的堆積方式差異帶來性質(zhì)的差異等等。這種學(xué)習(xí)方式能夠激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情，加深對科學(xué)方法的理解。

4? 總結(jié)

新高考背景下，高一教師面臨吸引學(xué)生選化學(xué)以及提升化學(xué)教學(xué)質(zhì)量的雙重挑戰(zhàn)。深度學(xué)習(xí)提供了解決這一矛盾的方向。以教科書實(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，讓學(xué)生從平凡的實(shí)驗(yàn)中看到不平凡，利用書本實(shí)驗(yàn)的深度挖掘?qū)崿F(xiàn)深度學(xué)習(xí)，既能避免學(xué)生由于陌生素材產(chǎn)生畏難情緒，又能在任務(wù)完成中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，培育創(chuàng)新意識。

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