基于深度學(xué)習(xí)的初中化學(xué)迷思實驗教學(xué)案例

陳懋　朱依鳳

摘要： 從迷思概念、認(rèn)知邏輯、深度學(xué)習(xí)三個角度，分析初中科學(xué)教材“傾倒二氧化碳使蠟燭熄滅”實驗存在的問題；基于深度學(xué)習(xí)理念，從學(xué)生認(rèn)知邏輯出發(fā)，遷移氧氣性質(zhì)的驗證方法，通過問題引導(dǎo)設(shè)置三個小實驗認(rèn)識二氧化碳的性質(zhì)；再讓學(xué)生設(shè)計傾倒二氧化碳滅火實驗，分析異常現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，點燃思維智慧火花，提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 初中化學(xué)； 深度學(xué)習(xí)； 迷思實驗； 二氧化碳； 實驗探究

文章編號： 10056629（2023）11006204 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 迷思實驗的界定

“迷思”一詞起源于希臘語單詞（mythos），泛指人們無法以科學(xué)方法驗證的領(lǐng)域或現(xiàn)象?！懊运几拍睢笔侵笇W(xué)生頭腦中存在的與科學(xué)概念不一致的認(rèn)識［1］。而“迷思實驗”源自“迷思概念”，“迷思實驗”是指與學(xué)生經(jīng)驗不一致的混沌實驗?！俺踔谢瘜W(xué)迷思實驗”是指在實驗教學(xué)中，因?qū)W生的經(jīng)驗與科學(xué)知識只有部分重合，而導(dǎo)致實驗現(xiàn)象不明確、實驗原理講不清、實驗結(jié)論不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)认瘛懊运肌币粯拥幕煦鐚嶒灐W(xué)生的“迷思”往往源自日常的生活經(jīng)驗，且在一定的范圍內(nèi)可能得到合理的解釋并為日常經(jīng)驗所證實。因此，學(xué)生往往對其深信不疑，比如液體是可以傾倒的，而氣體不行。教材中“傾倒二氧化碳使蠟燭熄滅”就是一個迷思實驗，而迷思實驗可以引發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)科學(xué)探究能力，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生，因此該實驗的教學(xué)價值不言而喻。

2 對教材實驗的分析

2.1 從學(xué)生迷思概念分析

對學(xué)生來說，人體呼出的氣體中含有二氧化碳，二氧化碳是一種非常熟悉的物質(zhì)。由于之前只體驗過傾倒液體，所以對于二氧化碳可以像水那樣在容器之間傾倒是缺乏感性認(rèn)識的；學(xué)生通常認(rèn)為物質(zhì)支持燃燒就是可以燃燒，所以對于二氧化碳不支持燃燒也不可以燃燒也缺乏理性認(rèn)識。

“傾倒二氧化碳使蠟燭熄滅”的實驗，在浙教版初中科學(xué)教材中以“活動”欄目的形式出現(xiàn)，教師按照教材方案演示時（見圖1），會出現(xiàn)“上面的蠟燭先熄滅”“兩支蠟燭同時熄滅”“兩支蠟燭都不熄滅”等多種異?，F(xiàn)象。導(dǎo)致這些“異?！钡脑蚝芏啵热缦灎T火焰的大小、蠟燭的高矮及位置、傾倒的快慢、傾倒的位置等等。此時，許多教師會重新實驗，或花費大量的時間解釋產(chǎn)生“異?！钡脑颍瑢W(xué)生往往聽得云里霧里，也由此產(chǎn)生“實驗不允許失敗”“實驗結(jié)論尤其重要”等“迷思概念”，從而失去一次點燃學(xué)生智慧火花的機(jī)會。

2.2 從學(xué)生認(rèn)知邏輯分析

人對事物的認(rèn)識通常是從簡單到復(fù)雜，從分解到綜合。二氧化碳的學(xué)習(xí)是基于氧氣性質(zhì)的基礎(chǔ)，浙教版初中科學(xué)教材中，將二氧化碳比空氣的密度大、二氧化碳不支持燃燒也不能燃燒三個性質(zhì)融合在一個實驗中，這樣的設(shè)計裝置比較簡潔。把兩支蠟燭固定在燒杯中的階梯鐵皮架上，向燒杯里傾倒二氧化碳，這個操作以二氧化碳?xì)怏w能像液體那樣在容器之間傾倒，說明它比空氣的密度大，可觀察到小蠟燭會從下往上熄滅，說明它不支持燃燒也不能燃燒。也有教師提出創(chuàng)新改進(jìn)，但往往裝置變得很復(fù)雜，學(xué)生看得眼花繚亂。演示實驗時，有些教師為了避免“異?！爆F(xiàn)象出現(xiàn)，在傾倒氣體時用漏斗進(jìn)行導(dǎo)流，這樣做，看似讓學(xué)生探究，實質(zhì)上仍然停留在“告知事實，驗證結(jié)論”的層次上。雖然教師都會反復(fù)強(qiáng)調(diào)，但在答題時仍發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生描述性質(zhì)不完整，這樣的裝置并不符合學(xué)生的認(rèn)知邏輯。所以我們應(yīng)該先設(shè)置三個小實驗認(rèn)識二氧化碳的性質(zhì)，再綜合設(shè)計“傾倒二氧化碳使蠟燭熄滅”的實驗。

2.3 從學(xué)生深度學(xué)習(xí)分析

深度學(xué)習(xí)是基于批判性理解的學(xué)習(xí)。深度學(xué)習(xí)應(yīng)在深度中求廣度，從深刻認(rèn)識中挖掘出更為豐富的內(nèi)涵，使知識在廣泛的范圍內(nèi)得到更好的遷移，從而衍生出更多的內(nèi)容［2］。在學(xué)生實驗中，教材方案如圖2所示，將蠟燭由兩支變成一支，觀察蠟燭火焰的變化。學(xué)生與教師的實驗裝置不同，學(xué)生不清楚究竟是一支還是兩支蠟燭效果好以及這樣設(shè)計的理由是什么，這樣的學(xué)習(xí)還是屬于淺層次認(rèn)知。所以我們應(yīng)該設(shè)置問題支架，不斷追問，通過對照實驗，引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)探究，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。

3 基于深度學(xué)習(xí)的教學(xué)改進(jìn)

環(huán)節(jié)1：二氧化碳與空氣的密度大小比較

教師設(shè)問：通常情況下，二氧化碳和空氣的密度哪個大？你怎么證明呢？學(xué)生想到，相同體積的二氧化碳和空氣的質(zhì)量應(yīng)該不同，在天平的左右盤分別放上裝滿空氣和二氧化碳的集氣瓶，觀察天平的指針偏轉(zhuǎn)情況。學(xué)生認(rèn)為，二氧化碳分子的組成中除了氧元素，還有碳元素，所以二氧化碳比空氣的密度大；也有學(xué)生認(rèn)為，一些地窖、溶洞中二氧化碳的含量高，所以二氧化碳比空氣的密度大；還有學(xué)生認(rèn)為，用向上排空氣法收集二氧化碳，所以二氧化碳比空氣的密度大。教師演示（見圖3），學(xué)生發(fā)現(xiàn)由于天平的精確度不夠，指針偏向變化不明顯。

教師追問：還有什么更好辦法比較二氧化碳和空氣的密度大小呢？教師提示，根據(jù)物體浮沉條件知識，將兩種不同密度互不反應(yīng)的液體倒在一起，密度大的沉到下面，密度小的漂浮在上面。學(xué)生想到，可采用向容器中傾倒二氧化碳?xì)怏w，如果二氧化碳比空氣的密度大，則二氧化碳會沉到下面，如果二氧化碳比空氣的密度小，則二氧化碳會漂浮在上面。

學(xué)生活動：如圖4所示，將充空氣的氣球放在燒杯內(nèi)，沉入底部，向燒杯內(nèi)傾倒二氧化碳，觀察氣球的浮沉狀況。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，氣球上浮，說明二氧化碳比空氣的密度大。

設(shè)計意圖：設(shè)置階梯式問題，或設(shè)置問題支架，不斷追問，讓學(xué)生經(jīng)歷多種“困難”，從比較密度大小到比較相同體積氣體的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象不明顯；教師再提供學(xué)習(xí)支架，聯(lián)系浮力知識，確定采用氣體浮沉現(xiàn)象來判斷。讓學(xué)生經(jīng)歷分析、評價、創(chuàng)造，發(fā)展自身的高階思維。

環(huán)節(jié)2：探究二氧化碳是否支持燃燒等

教師設(shè)問：如何驗證二氧化碳是否支持燃燒呢？學(xué)生認(rèn)為，可以遷移驗證氧氣的助燃方法，將燃著的木條放在集氣瓶口及瓶內(nèi)，觀察木條是否繼續(xù)燃燒，如果木條燃燒更旺，說明該氣體可以助燃，如果木條熄滅，說明該氣體不支持燃燒。學(xué)生活動如圖5所示，發(fā)現(xiàn)燃著的木條立即熄滅，說明二氧化碳不支持燃燒［3］。教師追問：這個實驗沒有聽到輕微的爆鳴聲，還能說明什么？學(xué)生聯(lián)系燃燒知識，說明二氧化碳本身也不能燃燒。

設(shè)計意圖：對學(xué)生而言，支持燃燒和可以燃燒容易混淆，從“最近發(fā)展區(qū)”出發(fā)，讓學(xué)生從氧氣的性質(zhì)驗證方法跳一跳找到驗證二氧化碳性質(zhì)的方法，解構(gòu)迷思概念。

環(huán)節(jié)3：驗證氣體密度與溫度的關(guān)系教師設(shè)問：如圖6所示，如果將燒杯倒扣在兩支長短不同的點燃蠟燭上，你認(rèn)為哪支蠟燭先熄滅？學(xué)生認(rèn)為，短的蠟燭先熄滅，因為二氧化碳比空氣的密度大，生成的二氧化碳聚集在下方；也有學(xué)生認(rèn)為，長的蠟燭先熄滅，因為蠟燭燃燒產(chǎn)生熱量，使氣體向上運動。

學(xué)生活動：學(xué)生發(fā)現(xiàn)長的蠟燭先熄滅，說明熱的二氧化碳在上方。

教師解釋：同溫同壓條件下，二氧化碳比空氣的密度大，但由于熱脹冷縮，蠟燭燃燒生成熱的二氧化碳?xì)怏w體積變大，變得比空氣的密度小，會聚集在火焰的上方，使長的蠟燭先熄滅，短的蠟燭后熄滅［4］。

設(shè)計意圖：學(xué)生對科學(xué)知識的學(xué)習(xí)始于他們在生活實踐中對自然的認(rèn)識。創(chuàng)設(shè)與學(xué)生自然認(rèn)識不一致的情境，先猜想，再實驗，激發(fā)認(rèn)知沖突，也為后續(xù)實驗做好鋪墊。

環(huán)節(jié)4：傾倒二氧化碳滅火

教師設(shè)問：如何設(shè)計一個實驗驗證二氧化碳的密度比空氣大、不能燃燒也不支持燃燒？有學(xué)生先想到用一支蠟燭，也有學(xué)生想到用兩支蠟燭。教師讓學(xué)生進(jìn)行評價，一支蠟燭和兩支蠟燭是否都能證明二氧化碳的三個性質(zhì)？哪個方案更好？理由是什么？學(xué)生經(jīng)過討論，從對照實驗角度，認(rèn)為兩支蠟燭比一支蠟燭更好。

教師設(shè)問：那么兩支蠟燭如何放置呢？學(xué)生想到將兩支長短不同的蠟燭水平放置，也有學(xué)生提出兩支蠟燭階梯放置。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論，為了避免蠟燭之間互相影響，兩支蠟燭放在階梯上更好，畫出實驗裝置圖（見圖7）。

學(xué)生活動：學(xué)生發(fā)現(xiàn)蠟燭熄滅的先后順序會因為傾倒二氧化碳的位置不同而出現(xiàn)不同現(xiàn)象。教師解釋：由于蠟燭燃燒放出熱量，使得氣體受熱膨脹，密度變小，若直接倒在火焰的上方會因為二氧化碳不能與蠟燭火焰接觸而逸散到空氣中去。

教師追問：如果為了實現(xiàn)蠟燭從下往上熄滅，如何改進(jìn)實驗裝置？學(xué)生聯(lián)系空氣對流的特點，認(rèn)為可以在瓶口加一塊玻璃片（見圖8左），也有學(xué)生提出在燒杯口加一塊長玻璃片，避免直接傾倒在蠟燭上方，如圖8右所示。

學(xué)生活動：學(xué)生發(fā)現(xiàn)有的組還是兩支蠟燭都不熄滅。教師引導(dǎo)學(xué)生對比分析，為了實現(xiàn)蠟燭從下往上熄滅，必須保證燒杯內(nèi)氣體溫度低，蠟燭的火焰不能太大，兩支蠟燭的距離不能太遠(yuǎn)，在傾倒二氧化碳時，動作要稍慢一些，盡可能使二氧化碳向燒杯口擴(kuò)散得少一些，同時二氧化碳必須足夠多等［5］。

設(shè)計意圖：通過問題鏈引導(dǎo)學(xué)生從一支到兩支蠟燭、從水平到階梯放置的對比實驗，讓學(xué)生在活動中發(fā)現(xiàn)異常，理解玻璃片的作用，也明白教材實驗方案設(shè)計的原理。對不同實驗異?，F(xiàn)象進(jìn)行對比分析，真正促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)發(fā)生。

4 教學(xué)反思

4.1 從“教教材”到“用教材”

教科書上的實驗設(shè)計，是教學(xué)的重要資料，但我們必須從“教教材”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝媒滩摹?，而不“唯教材”。對教材中的實驗，根?jù)學(xué)生的認(rèn)知邏輯，有針對性地選擇能實現(xiàn)整體優(yōu)化的教學(xué)方式和策略。對有些實驗需進(jìn)行一定的改進(jìn)甚至創(chuàng)新，促成學(xué)生主動有效地學(xué)習(xí)，實現(xiàn)從“教教材”到創(chuàng)造性地“用教材”。

4.2 從“關(guān)注結(jié)論”到“深度學(xué)習(xí)”

在化學(xué)教學(xué)中，實驗教學(xué)是化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)特征。實驗教學(xué)不僅是為了驗證結(jié)論，也是幫助學(xué)生理解知識的一種教學(xué)輔助手段。對實驗過程中的某些思維加工更需要給予足夠的重視。當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到困難時，教師必須要改進(jìn)實驗方案，幫助學(xué)生解決迷思問題，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷分析、評價、創(chuàng)造，從而實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

4.3 從“簡單演示”到“具身探究”

親身經(jīng)歷以探究為核心的學(xué)習(xí)活動是學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)的主要途徑。針對教材上的迷思實驗，教師既不能簡單演示，更不能為了下結(jié)論而下結(jié)論，而要讓學(xué)生具身探究，在課堂上給予學(xué)生觀察、實驗、分析和討論等活動留出足夠的時間，對“異?！爆F(xiàn)象先引導(dǎo)學(xué)生猜想、假設(shè)，再設(shè)計實驗驗證。實驗不僅僅是獲得結(jié)論，還要了解實驗的過程及其實驗“異常”的原因，過程比結(jié)論更重要，只有這樣，學(xué)生才會對科學(xué)探究始終保持一份好奇心。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙瑩， 黃皓， 王靖. “三序”結(jié)合視角下高中物理迷思概念轉(zhuǎn)變研究［J］. 教學(xué)月刊·中學(xué)版（教學(xué)參考）， 2022， （4）： 54～57.

［2］李萬杰. 深度學(xué)習(xí)視域下一道橢圓擺問題的探討［J］. 中學(xué)物理教學(xué)參考， 2022， 51（31）： 17～21.

［3］閆相友. 優(yōu)化實驗設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)實驗素養(yǎng)——以二氧化碳的性質(zhì)探究為例［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022， （4）： 79～81.

［4］周密， 張丹. 二氧化碳性質(zhì)實驗裝置改進(jìn)及教學(xué)實踐［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2023， （5）： 60～62.

［5］范玉英. 二氧化碳的性質(zhì)探究實驗新設(shè)計［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2023， （3）： 80～82.