基于“探究與創(chuàng)新”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教
——以“空氣中氧氣含量的測定”為例學(xué)

羅柳珊

（深圳市新安中學(xué)（集團(tuán)）外國語學(xué)校 廣東 深圳 518101）

一、問題的提出

義務(wù)教育化學(xué)課程以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生對物質(zhì)世界的好奇心；使學(xué)生初步形成物質(zhì)及其變化等基本化學(xué)觀念，發(fā)展科學(xué)思維、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)的探究過程是化學(xué)學(xué)科探索物質(zhì)及其變化的方法，是化學(xué)家發(fā)現(xiàn)和構(gòu)建學(xué)科知識(shí)、應(yīng)用學(xué)科知識(shí)創(chuàng)造物質(zhì)的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。我國《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》的不同版本的教材中將實(shí)驗(yàn)活動(dòng)分為兩類:一類是應(yīng)用類活動(dòng)，包含物質(zhì)制備、物質(zhì)分離、物質(zhì)檢驗(yàn)；另一類是探究類活動(dòng)，包含組成探究、反應(yīng)規(guī)律探究、物質(zhì)性質(zhì)探究。［1］本課題是利用物質(zhì)分離的思路來測定物質(zhì)含量，是應(yīng)用已知物質(zhì)的性質(zhì)和規(guī)律設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡囊活愄骄炕顒?dòng)。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是基于已有的實(shí)驗(yàn)步驟，讓學(xué)生重復(fù)性地進(jìn)行驗(yàn)證，以達(dá)到教材中既有的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，而創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)過程，就是解決問題、培養(yǎng)科學(xué)思維的過程，這其中包括提出問題—分析問題—解決問題—拓展問題的過程。［2］

在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師參與學(xué)生的交流與互動(dòng)，并適時(shí)引導(dǎo)，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，尋找能體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科思維的科學(xué)探究方法，并創(chuàng)新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)過程中注重過程性評價(jià)與總結(jié)性評價(jià)，通過評價(jià)與反饋，回流提升，促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的“自我監(jiān)督”。

二、教學(xué)內(nèi)容分析

1.課標(biāo)分析

本課題屬于學(xué)習(xí)主題1“科學(xué)探究與化學(xué)實(shí)驗(yàn)”，又屬于學(xué)習(xí)主題2“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”，要求了解科學(xué)探究過程包括提出問題、形成假設(shè)、設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)或調(diào)查方案、獲取證據(jù)、分析解釋數(shù)據(jù)、形成結(jié)論及建構(gòu)模型、反思評價(jià)及表達(dá)交流等要素，分析物質(zhì)性質(zhì)并形成利用物質(zhì)分離思路來測定物質(zhì)含量的一般思路與方法。

2.教材分析

本單元在教材中被安排在第二單元課題1“空氣”第一課時(shí)，本單元作為學(xué)生接觸具體化學(xué)物質(zhì)的學(xué)習(xí)開端，其功能價(jià)值體現(xiàn)在:

（1）第一個(gè)研究看不見的氣體的實(shí)驗(yàn)；

（2）第一個(gè)在密閉體系中利用氣壓變化研究氣體的定性實(shí)驗(yàn)；

（3）第一個(gè)測定混合物中某成分含量的定量實(shí)驗(yàn)。

本課題將空氣研究史、測定空氣里氧氣含量的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)定性和定量探究有機(jī)融合，以問題導(dǎo)向的形式從物質(zhì)性質(zhì)和變化的學(xué)科視角認(rèn)識(shí)和研究空氣，為接下來研究氧氣制取、二氧化碳性質(zhì)等做了鋪墊。

表1 重構(gòu)了教學(xué)內(nèi)容，重在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的態(tài)度以及實(shí)驗(yàn)技能，特別是實(shí)驗(yàn)存在誤差或數(shù)據(jù)分析時(shí)，更可以通過誤差的分析、數(shù)據(jù)的處理，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力以及數(shù)據(jù)處理分析和歸納的能力。［4］

表1 教學(xué)建議

3.學(xué)習(xí)者分析

（1）知識(shí)起點(diǎn)。對氣壓、空氣的成分有一定的感性認(rèn)知，會(huì)用一些簡單的儀器，對蠟燭的燃燒原理和產(chǎn)物類別有一定的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)。

（2）認(rèn)知障礙點(diǎn)。沒有經(jīng)歷過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探究過程:提出問題、形成假設(shè)、設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)、獲取證據(jù)、分析解釋數(shù)據(jù)、形成結(jié)論及反思與評價(jià)。沒有構(gòu)建從定性分析走向定量分析的化學(xué)思維。

（3）發(fā)展進(jìn)階點(diǎn)。

圖1 思維進(jìn)階

三、教學(xué)目標(biāo)

1.大單元教學(xué)目標(biāo)

本課題屬于“性質(zhì)與應(yīng)用”這一單元主題，是學(xué)生第一次接觸具體物質(zhì)性質(zhì)學(xué)習(xí)，表2羅列了該主題單元在不同階段物質(zhì)性質(zhì)教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)學(xué)生探究與創(chuàng)新能力的進(jìn)階規(guī)劃，學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)是從具體物質(zhì)到類別物質(zhì)、混合體系的過程，從單一角度到多角度、從定性到定量的層級發(fā)展過程。［5］

表2 性質(zhì)與應(yīng)用單元主題水平進(jìn)階表

表3 學(xué)生交流討論記錄

表4 實(shí)驗(yàn)記錄單

2.課時(shí)教學(xué)目標(biāo)

（1）通過蠟燭燃燒、紅磷燃燒、木炭燃燒的分組實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)空氣是一種混合物，知道空氣中氧氣的含量及其測定方法，進(jìn)而建立世界是物質(zhì)的、物質(zhì)是可分的科學(xué)的物質(zhì)觀和分類觀。

（2）通過測定空氣里氧氣的含量定性和定量探究活動(dòng)，培養(yǎng)小組合作的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，并初步學(xué)會(huì)運(yùn)用觀察、實(shí)驗(yàn)等途徑獲取證據(jù)，得出科學(xué)結(jié)論的方法，培養(yǎng)科學(xué)探究能力和創(chuàng)新意識(shí)。

（3）通過紅磷燃燒產(chǎn)物的處理分析和“空氣成分發(fā)現(xiàn)”的化學(xué)史實(shí)，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任意識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和勇于探索的科學(xué)精神。

3.教學(xué)流程

圖2 教學(xué)流程

四、教學(xué)過程

1.前測與導(dǎo)學(xué)

【問題1】集氣瓶是空的嗎？

【教師】布置課前任務(wù)。

任務(wù)1:課前知識(shí)、能力、素養(yǎng)測評。

任務(wù)2:錄制能證明空氣存在的生活小實(shí)驗(yàn)。

【設(shè)問】集氣瓶是空的嗎？如何通過已有知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證你的想法。

【學(xué)生】播放課前自編自導(dǎo)的小視頻，通過氣密性檢查辯論集氣瓶是否是空的。

【交流匯總】①含有空氣；②倒流的水的體積=減少的氣體的體積。

2.跨學(xué)科定性分析，搭建認(rèn)知臺(tái)階

【問題2】空氣是單一物質(zhì)嗎？

【交流討論】已有的小學(xué)科學(xué)、生物、物理知識(shí)能否得出空氣的成分？并說明猜想理由。

3.“定性分析”走向“半定量分析”

【問題3】空氣中氧氣含量是多少？

【教師】可否通過消耗氧氣的方法測定氧氣含量呢？

【交流討論】根據(jù)已經(jīng)學(xué)過的氧氣的性質(zhì)，尋找適合用于測定氧氣含量的試劑。

【設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)單】

①試劑:蠟燭、木炭、紅磷、硫磺、鐵絲、鎂帶。

②你選的試劑是_____，選用的依據(jù)是_____。

【教師】播放視頻:密閉塑料瓶內(nèi)的蠟燭燃燒后，將塑料瓶放入水中，水倒流。

引發(fā)學(xué)生思考:倒流回的水的體積是否等于消耗的氧氣體積呢？

【分組交流并實(shí)驗(yàn)】

【發(fā)現(xiàn)差異，尋找合適方案】

圖3

【求同存異，再探究】

小組合作，進(jìn)行紅磷燃燒測定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行誤差分析。

【學(xué)生】原因:①“紅磷不足”；②“氣密性不好”；③“沒有冷卻至室溫就打開止水夾”；④“燃燒匙伸入集氣瓶的速度太慢”；⑤“燃燒匙伸入集氣瓶后，集氣瓶的塞子沒有塞好”。

4.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)助力“半定量分析”走向“定量分析”

【問題4】如何定量測量空氣中氧氣含量。

【學(xué)生】畫出紅磷燃燒過程中氧氣含量、壓強(qiáng)的曲線變化過程。

【教師】通過手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，利用圖4的實(shí)驗(yàn)裝置，測定紅磷燃燒過程中的壓強(qiáng)、氧氣含量的變化過程。

圖4 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置圖

【成果分析】

電腦終端顯示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下圖5 和圖6 所示，可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的氧氣含量降至5%左右，此時(shí)壓強(qiáng)降至83.0 kpa左右，分析數(shù)據(jù)可知壓強(qiáng)下降了約17%，氧氣含量下降了約16%，二者的差值接近。

圖5 氧氣含量隨時(shí)間的變化

圖6 壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化

圖7 研究物質(zhì)成分的一般思路與方法

5.以史為鑒，學(xué)評結(jié)合

【問題5】歷史上是如何測定氧氣含量的？

【教師】回顧拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生思考如下幾個(gè)問題:

①拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)原理與本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理有何差異？

②拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)為何不能作為課堂上的探究實(shí)驗(yàn)？

③對比分析如何利用物質(zhì)分離測定某成分含量。

【交流與評價(jià)】

任務(wù)1:角色扮演，談?wù)勛约罕竟?jié)課的收獲。

任務(wù)2:完成課后知識(shí)、能力、素養(yǎng)測評。

任務(wù)3:完成五點(diǎn)量化評價(jià)表。

6.方法提煉

師生共同提煉研究物質(zhì)成分的一般思路與方法:

五、教學(xué)反思

1.先學(xué)后教，以學(xué)定教

學(xué)生從“學(xué)會(huì)知識(shí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皶?huì)用知識(shí)”，同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)有不同功能，比如檢查氣密性的實(shí)驗(yàn)在本課例中可以作為判斷空氣存在的證據(jù)，也可以將看不見的氣體的體積轉(zhuǎn)化為看得見的水的體積，化無形為有形。多角度認(rèn)識(shí)學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，診斷出學(xué)生對實(shí)驗(yàn)證據(jù)意識(shí)的認(rèn)識(shí)水平。進(jìn)而從跨學(xué)科的角度尋找空氣成分的存在證據(jù)，將“已知”轉(zhuǎn)化為“素材”，幫助學(xué)生在新情景下運(yùn)用舊知識(shí)，通過分析建構(gòu)出新知識(shí)（空氣成分），增強(qiáng)開放性與融合性，拓寬學(xué)生思維的廣度，也幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)是物質(zhì)的，物質(zhì)是有類別的，初步建立物質(zhì)類別觀。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)顯化教學(xué)成果

從“感性認(rèn)知—定性分析—半定量分析—定量測定”等多角度辨析空氣的成分及氧氣含量，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維。本節(jié)課中，筆者采用手持技術(shù)定量測定紅磷燃燒過程中氧氣含量、壓強(qiáng)的變化過程，帶領(lǐng)學(xué)生直觀地觀察實(shí)驗(yàn)曲線，培養(yǎng)學(xué)生宏觀實(shí)驗(yàn)、符號(hào)、曲線相結(jié)合的多重表征的思維能力。

為了綜合評價(jià)探究性實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，本節(jié)課采用表現(xiàn)性評價(jià)與總結(jié)性評價(jià)相結(jié)合的評價(jià)方式，從物質(zhì)組成、性質(zhì)、變化以及探究思路、操作方法等角度進(jìn)行評價(jià)，依托核心的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，確定具體的評價(jià)內(nèi)容，并通過學(xué)生的行為表現(xiàn)來描述不同層次學(xué)生的不同水平［6］。

筆者通過紙筆測試法，采用課前+課后知識(shí)、能力、素養(yǎng)等角度進(jìn)行綜合測評，并采用課后五點(diǎn)量化表評價(jià)，選取深圳市某中學(xué)參加探究與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生，共發(fā)放調(diào)查測評98 份，收回有效答卷95 份，約占測評人數(shù)的97%測評結(jié)果顯示具體數(shù)據(jù)分析如下表5，可見，學(xué)生的知識(shí)、能力、素養(yǎng)三個(gè)模塊的檢測結(jié)果均有提升，本節(jié)課的教學(xué)具有一定的效果。

表5 前后測得分率對比分析

教學(xué)完成后，采用問卷調(diào)查法調(diào)查學(xué)生對本節(jié)課的反饋與評價(jià)，調(diào)查問卷共有8道題，采用李克特式五點(diǎn)量化計(jì)分表，選項(xiàng)包括:非常同意、同意、一般、不同意、非常不同意，分別記為5、4、3、2、1分，最后兩道題為反向問答。從本次調(diào)查問卷的結(jié)果來看，學(xué)生對本節(jié)課的滿意度較高，正向得分均分在4.5以上，反向得分均分在1.4 以下，其中關(guān)于多角度探究空氣中氧氣含量的題目均分達(dá)到4.8以上，說明通過本研究，學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、定量化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力均有所提高，初步達(dá)到基于經(jīng)驗(yàn)遷移到推理論證的探究水平。但是，問卷數(shù)據(jù)也體現(xiàn)了學(xué)生定量分析氧氣含量和壓強(qiáng)的變化曲線的能力較弱，在今后的教學(xué)中仍需要加強(qiáng)從宏觀現(xiàn)象到定量分析的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理的能力培養(yǎng)。

3.探究中體驗(yàn)，體驗(yàn)中創(chuàng)新

傳統(tǒng)的探究性教學(xué)容易走向兩個(gè)極端。一是在教師的嚴(yán)密布局下展開的，造成教師放手的假象。二是將課堂全部交給學(xué)生，沒有任何情景的預(yù)設(shè)，造成課堂效率低下，教學(xué)處于無序的狀態(tài)［7］。筆者認(rèn)為，開展有效的探究與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課堂，教師要把握好“放手”與“引導(dǎo)”的關(guān)系，例如可強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，教師只是引導(dǎo)學(xué)生選擇合適的實(shí)驗(yàn)試劑、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法、進(jìn)行交流評判、指導(dǎo)歸納總結(jié)等。

在新課標(biāo)的引領(lǐng)下，筆者通過5 個(gè)問題導(dǎo)向步步深入:“集氣瓶是空的嗎”→“空氣是單一的嗎”→“空氣中氧氣含量是多少”→“如何精確定量測定氧氣含量”→“歷史上是如何測定氧氣含量的”，一步步引導(dǎo)學(xué)生從自己所學(xué)過的物質(zhì)中尋找能消耗空氣中氧氣的試劑探究空氣中氧氣含量，并自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證?；诮處煹囊龑?dǎo)，學(xué)生的研究方向更加明確，探究實(shí)驗(yàn)更加有針對性。