鄧?yán)みB 黃穎怡 李蕓 嚴(yán)德振

【摘要】本文基于手持技術(shù)在教學(xué)中的優(yōu)勢，將手持技術(shù)融入初中化學(xué)課堂教學(xué)，以人教版化學(xué)九年級下冊“金屬與酸反應(yīng)”為例，論述利用手持技術(shù)促進學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的教學(xué)設(shè)計與實施。

【關(guān)鍵詞】初中化學(xué) 手持技術(shù) 科學(xué)思維 金屬與酸反應(yīng)

【中圖分類號】G63 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）31-0069-04

手持技術(shù)是一種數(shù)字化實驗教學(xué)工具，能實時采集實驗數(shù)據(jù)并通過曲線表征，具有便攜性、實時性、準(zhǔn)確性、直觀性等特點。目前關(guān)于手持技術(shù)的研究，主要聚焦在手持技術(shù)在實驗創(chuàng)新、實驗開發(fā)、實驗教學(xué)探究等方面，極少將手持技術(shù)這一數(shù)字化實驗教學(xué)工具運用于初中化學(xué)課堂教學(xué)?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《2022年版化學(xué)課標(biāo)》）提出的科學(xué)思維，主要包括在解決化學(xué)問題中所運用的比較、分類、分析、綜合、歸納等科學(xué)方法，基于實驗事實進行證據(jù)推理、構(gòu)建模型并推測物質(zhì)及其變化的思維能力，在解決與化學(xué)相關(guān)的真實問題中形成的質(zhì)疑能力、批判能力和創(chuàng)新意識?；瘜W(xué)科學(xué)思維是2011年版化學(xué)課標(biāo)過程與方法的拓展與深化，并且與高中化學(xué)的證據(jù)推理與模型認知素養(yǎng)聯(lián)系緊密。將手持技術(shù)引入初中化學(xué)課堂教學(xué)，可以將抽象、難理解的化學(xué)概念和原理通過宏觀現(xiàn)象、微觀本質(zhì)、符號呈現(xiàn)、曲線描述四重表征，發(fā)展學(xué)生由定性到定量的科學(xué)思維，幫助學(xué)生構(gòu)建假設(shè)、證據(jù)和結(jié)論之間的聯(lián)系，讓學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)及其變化的本質(zhì)和規(guī)律，有利于學(xué)生構(gòu)建認知模型并用于解釋類似的化學(xué)問題。因此，筆者嘗試探究利用手持技術(shù)發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的化學(xué)教學(xué)模式，從不同層面幫助學(xué)生完善認知結(jié)構(gòu)和思維模型。

一、在初中化學(xué)教學(xué)中融入手持技術(shù)對學(xué)生科學(xué)思維的促進作用

《2022年版化學(xué)課標(biāo)》要求教師積極探索信息技術(shù)與化學(xué)實驗的深度融合，積極開展科學(xué)探究和綜合實踐活動。手持技術(shù)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套電腦軟件組成，依托先進的傳感器與實驗裝置連接，可以測量電流、電壓、電導(dǎo)率、溫度、濕度、氣體壓強、氣體濃度、酸堿度等，在采集數(shù)據(jù)的同時進行實時的數(shù)據(jù)處理和圖像呈現(xiàn)，為實驗提供可量化、精確化的數(shù)據(jù)。手持技術(shù)與初中化學(xué)教學(xué)的結(jié)合，不僅能便捷、直觀地呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，還能創(chuàng)新化學(xué)實驗方法、拓寬實驗探究范圍，提高學(xué)生實踐創(chuàng)新、數(shù)據(jù)分析、解決問題等方面的綜合能力。手持技術(shù)有利于傳統(tǒng)教學(xué)方式的創(chuàng)新、演示實驗的改良、學(xué)生探究的量化，以一種新方法、新手段和新技能為學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展注入活力，體現(xiàn)新課程改革的思想和理念。

初中化學(xué)教學(xué)以實驗為基礎(chǔ)，為學(xué)生構(gòu)建化學(xué)知識體系和形成化學(xué)觀念，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新精神與實踐能力。教師利用手持技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中開展實驗探究活動，引導(dǎo)學(xué)生進行合作學(xué)習(xí)和實驗探究，開展動手操作、交流討論，促進學(xué)生思維發(fā)展，形成科學(xué)方法。手持技術(shù)集數(shù)據(jù)采集與處理于一體且便于操作，一定程度上降低了實驗的難度，使學(xué)生有更多的時間去思考、分析實驗中數(shù)據(jù)變化的原因，經(jīng)歷驗證和歸納總結(jié)的過程，形成解決問題的能力。教師從實驗證據(jù)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生通過分析、概括、假設(shè)、推理等方法進行模型構(gòu)建，逐步形成科學(xué)思維，構(gòu)建自己的化學(xué)認知模型和知識體系。在學(xué)生構(gòu)建自己的認知模型的過程中，教師要始終以學(xué)生為主體，鼓勵學(xué)生大膽猜想和表述、動腦思考與討論、展開操作并驗證，讓學(xué)生在課堂中始終處于主動參與和積極探索的狀態(tài)。

二、融入手持技術(shù)促進學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的“金屬與酸反應(yīng)”教學(xué)設(shè)計思路

（一）融入手持技術(shù)發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的教學(xué)流程

初中九年級才開設(shè)化學(xué)課程，學(xué)生學(xué)習(xí)時間短，為了應(yīng)對升學(xué)考試，大多數(shù)學(xué)生停留在機械記憶的淺層學(xué)習(xí)階段，沒有形成對實驗現(xiàn)象進行深入探究和構(gòu)建認知模型的意識，不能靈活地運用知識解決實際問題。要想解決這一問題，教師應(yīng)在教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，讓學(xué)生學(xué)會基于事實進行證據(jù)推理，自主構(gòu)建認知模型并能靈活運用模型解決問題。手持技術(shù)數(shù)字化實驗通過“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征，能有效促進學(xué)生基于宏觀現(xiàn)象進行分析推理、歸納類比，最終得出化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)。為提高初中化學(xué)教學(xué)的實施效果，教師將手持技術(shù)融入課堂教學(xué)，可設(shè)計如圖1所示的教學(xué)流程。

以上五個教學(xué)環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)相扣，從經(jīng)驗證據(jù)到現(xiàn)象證據(jù)，再從定量的角度進行分析得到數(shù)據(jù)證據(jù)，經(jīng)過了一系列的證據(jù)收集和分析推理過程，使學(xué)生逐漸學(xué)會從定性和定量的角度分析問題，從而促進科學(xué)思維的發(fā)展。

（二）“金屬與酸反應(yīng)”的教學(xué)分析

初中化學(xué)課程以促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展為導(dǎo)向，設(shè)置了五個學(xué)習(xí)主題?！敖饘倥c酸反應(yīng)”屬于學(xué)習(xí)主題2“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”的內(nèi)容，要求學(xué)生能依據(jù)金屬活動性順序，初步預(yù)測常見金屬的主要性質(zhì)，設(shè)計實驗方案，分析、解釋有關(guān)的實驗現(xiàn)象，進行證據(jù)推理，得出科學(xué)、合理的結(jié)論。在人教版化學(xué)九年級下冊教材中，“金屬與酸反應(yīng)”是在學(xué)生學(xué)習(xí)完“金屬的化學(xué)性質(zhì)”“酸、堿的化學(xué)性質(zhì)”等知識的基礎(chǔ)上進行教學(xué)，采用理論與實驗探究驗證，說明過量金屬與酸反應(yīng)的現(xiàn)象和金屬與過量酸反應(yīng)的現(xiàn)象有所區(qū)別。教師將手持技術(shù)融入“金屬與酸反應(yīng)”的教學(xué)過程，構(gòu)建利用手持技術(shù)“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的模型（如圖2）。

教師研讀《2022年版化學(xué)課標(biāo)》要求和教材內(nèi)容，確定“金屬與酸反應(yīng)”一課的教學(xué)目標(biāo)如下：通過回憶及觀察實驗，認識常見金屬與酸反應(yīng)的過程，能夠初步判斷金屬與酸反應(yīng)的普遍規(guī)律，感受化學(xué)與生活的緊密聯(lián)系，樹立從生活到化學(xué)、從化學(xué)到社會的理念；通過手持技術(shù)實驗，探究不同條件下金屬與稀鹽酸的反應(yīng)，能夠判斷過量金屬與酸反應(yīng)和金屬與過量酸反應(yīng)的本質(zhì)區(qū)別，初步學(xué)會定性、定量探究的方法；通過歸納金屬與酸反應(yīng)的探究過程，能初步掌握證據(jù)推理的研究方法并形成解決金屬與酸反應(yīng)圖像題的認知模型。課堂教學(xué)采用實驗探究方法，引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果進行分析，歸納得出金屬與酸反應(yīng)的規(guī)律以及金屬與酸反應(yīng)的認知模型，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

三、融入手持技術(shù)的“金屬與酸反應(yīng)”的教學(xué)實施過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，引入課題

在教學(xué)中設(shè)置與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的情境，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生主動運用生活經(jīng)驗和已有知識在解決問題的過程中獲得新知識。在引入課題前，教師可設(shè)計驅(qū)動性問題，讓學(xué)生聯(lián)系生活經(jīng)驗和所學(xué)知識進行探究。

在“金屬與酸反應(yīng)”一課教學(xué)中，教師先引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活經(jīng)驗，說出廚房中盛放食醋的容器是玻璃瓶或塑料瓶，接著提出驅(qū)動性問題。

師：為什么不能用鋁或不銹鋼制品盛放食醋呢？

生：因為食醋的主要成分是醋酸，而鋁或不銹鋼制品中的活潑金屬能與醋酸反應(yīng)。

教師在真實的生活情境中提出驅(qū)動性問題，為學(xué)生提供生活中的感性材料，激發(fā)學(xué)生鞏固已有知識，為實驗探究和構(gòu)建模型作鋪墊。

（二）經(jīng)驗認知，做出假設(shè)

學(xué)習(xí)是在原有知識、經(jīng)驗基礎(chǔ)上對新知識進行選擇和加工的能動過程。學(xué)習(xí)新知識時，教師要引導(dǎo)學(xué)生基于已有知識和經(jīng)驗，經(jīng)過一系列的邏輯思考，針對具體問題提出自己的觀點或疑問。教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生在真實情境中獲取信息的能力，使學(xué)生能基于事實與邏輯進行獨立思考和判斷，對不同信息、觀點和結(jié)論進行質(zhì)疑與判斷。

教師根據(jù)學(xué)生對金屬與酸反應(yīng)的已有認知，進一步提出問題，引導(dǎo)學(xué)生從定性到定量進行思考：“大部分金屬均能與酸發(fā)生反應(yīng)。那過量金屬與酸反應(yīng)和金屬與過量酸反應(yīng)的現(xiàn)象是否有區(qū)別？”學(xué)生聯(lián)系所學(xué)知識，根據(jù)認知經(jīng)驗提出猜想。猜想一：過量金屬與酸反應(yīng)，由于酸不足，且生成氣體的元素由酸提供，因此不同種類金屬與酸反應(yīng)生成氣體的量應(yīng)該由酸的用量決定。猜想二：金屬與過量酸反應(yīng)，由于金屬不足，生成氣體的量由金屬用量和金屬活動性順序決定。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生基于已有知識做出假設(shè)，認識視角由定性到定量，形成金屬與酸反應(yīng)的經(jīng)驗證據(jù)。

（三）定性驗證，分析推理

每一個科學(xué)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明都是以實驗事實為依據(jù)，經(jīng)過縝密的邏輯推理得來的。在實驗探究過程中，證據(jù)推理發(fā)揮了極其重要的作用。為了提高學(xué)生的證據(jù)推理能力，教師應(yīng)提供充分的推理材料，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗探究，分析實驗現(xiàn)象并得出結(jié)論，逐步形成推理思路，保證推理的科學(xué)性與嚴(yán)謹性。

根據(jù)學(xué)生的猜想，教師提供實驗藥品和儀器，組織學(xué)生開展分組實驗活動，驗證猜想。教師引導(dǎo)學(xué)生對金屬與酸反應(yīng)的猜想進行定性實驗探究，實驗驗證的過程如表1。學(xué)生從實驗現(xiàn)象出發(fā)，經(jīng)過分析推理，對猜想進行驗證，得到現(xiàn)象證據(jù)，基于實驗現(xiàn)象證據(jù)得出結(jié)論，發(fā)展分析推理的能力。定性驗證能夠幫助學(xué)生感性地理解理論知識，但學(xué)生未能從本質(zhì)上進行探究，難以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象背后的深層原因。

（四）定量驗證，數(shù)據(jù)證實

從宏觀到微觀、從定性到定量，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科發(fā)展的趨勢。對物質(zhì)組成的微觀研究和定量實驗探究，可以幫助學(xué)生從本質(zhì)上理解和掌握化學(xué)知識。手持技術(shù)是一種新型數(shù)字化實驗教學(xué)工具，能實時為學(xué)生提供直觀的實驗數(shù)據(jù)圖像，有利于培養(yǎng)學(xué)生從定性到定量的科學(xué)思維。因此，在化學(xué)教學(xué)中，教師要善于利用手持技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生開展實驗探究，將反應(yīng)的微觀本質(zhì)通過化學(xué)符號和曲線表征出來，讓學(xué)生分析圖像、數(shù)據(jù)，定量驗證，進而得出結(jié)論。

以上教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過實驗定性驗證了猜想二不正確。為了證明酸不足時不同種類等質(zhì)量金屬與等質(zhì)量酸反應(yīng)生成氣體的量相等、酸過量時不同種類等質(zhì)量金屬生成氣體的量之間的關(guān)系，教師可以通過演示手持技術(shù)實驗來定量地呈現(xiàn)生成氣體的量?！敖饘倥c酸反應(yīng)”手持技術(shù)實驗裝置如圖3所示，實驗原理：金屬與酸反應(yīng)生成的氫氣引起錐形瓶內(nèi)氣體壓強的變化，利用氣體壓強傳感器感應(yīng)錐形瓶中氣壓的變化情況，通過數(shù)據(jù)采集器和電腦軟件處理，以曲線的形式表征。

實驗操作步驟：（1）組裝好實驗裝置，檢查實驗裝置的氣密性，分別往三個錐形瓶加入1g鋁粉、1g鋅粉、1g鐵粉，連接好氣體壓強傳感器，將數(shù)據(jù)采集器與電腦連接，在電腦軟件中設(shè)置好參數(shù)，以時間為橫坐標(biāo)，壓強為縱坐標(biāo)；（2）點擊開始按鍵，立即推動注射器往錐形瓶注入5mL稀鹽酸，開始采集數(shù)據(jù)；（3）300s后，停止采集數(shù)據(jù)。教師以此實驗操作步驟，分別采集過量鋁粉、鋅粉、鐵粉與稀鹽酸反應(yīng)的數(shù)據(jù)。接下來，教師在另外三個錐形瓶分別加入0.1g鋁粉、0.1g鋅粉、0.1g鐵粉，重復(fù)上述實驗操作步驟，分別采集鋁粉、鋅粉、鐵粉與過量稀鹽酸反應(yīng)的數(shù)據(jù)。實驗過程中，數(shù)據(jù)采集器屏幕實時呈現(xiàn)氣體壓強變化曲線，圖4為過量金屬與酸反應(yīng)氣體壓強變化曲線，圖5為金屬與過量酸反應(yīng)氣體壓強變化曲線。

手持技術(shù)所呈現(xiàn)出來的圖像包含準(zhǔn)確、動態(tài)的信息，學(xué)生對圖像數(shù)據(jù)進行分析，可以得到精細化的結(jié)論，形成嚴(yán)謹、求實的科學(xué)態(tài)度，達成實驗論證能力的提升。學(xué)生觀察圖4、圖5氣體壓強變化曲線，思考其中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)及原理，書寫化學(xué)反應(yīng)方程式，小組共同分析數(shù)據(jù)、描述曲線，從“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征分析“金屬與酸反應(yīng)”手持技術(shù)實驗，歸納得出結(jié)論（如表2）。

教師通過更準(zhǔn)確、直觀的手持技術(shù)實驗，為學(xué)生提供數(shù)據(jù)證據(jù)，促進學(xué)生對金屬與酸反應(yīng)的認識從定性走向定量，實現(xiàn)“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征，得出金屬與酸反應(yīng)的一般規(guī)律，驗證假設(shè)。學(xué)生借助圖像學(xué)會定量分析實驗現(xiàn)象，進行多維度的思考，提升圖像分析能力，促進科學(xué)思維的發(fā)展。

（五）構(gòu)建模型，遷移運用

化學(xué)學(xué)習(xí)離不開認知模型，學(xué)生一旦構(gòu)建了認知模型，便能對模型對應(yīng)的化學(xué)問題形成解決思路。學(xué)生能否熟練構(gòu)建和運用認知模型極大地影響學(xué)習(xí)效率。在初中化學(xué)實驗探究題中，通常以學(xué)生熟悉或不熟悉的實驗為情境，利用數(shù)字化傳感器采集實時、動態(tài)的數(shù)據(jù)繪制曲線圖，考查學(xué)生從圖像中獲取證據(jù)進行推理的能力，以及運用已有知識解釋實驗結(jié)果的能力。因此，教師要善于聯(lián)系學(xué)生已有經(jīng)驗和知識，通過圖像呈現(xiàn)數(shù)據(jù)講解新知識，引導(dǎo)學(xué)生逐步學(xué)會構(gòu)建認知模型，并將模型運用到化學(xué)學(xué)習(xí)中，發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)。

在“金屬與酸反應(yīng)”一課教學(xué)中，教師利用多媒體課件呈現(xiàn)如圖6所示的課堂練習(xí)題，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)本課內(nèi)容，通過對不同條件下金屬與酸反應(yīng)的探究，歸納出不同條件下金屬與酸反應(yīng)的認知模型：分析題目，找出已知條件；判斷金屬與酸反應(yīng)屬于哪一種模型；得出各曲線所對應(yīng)的金屬種類。學(xué)生將宏觀的化學(xué)變化、微觀的化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)用語與數(shù)形曲線進行有機結(jié)合，形成模型認知能力，學(xué)會知識遷移運用，并熟練使用認知模型解決相關(guān)化學(xué)問題。

綜上所述，在初中化學(xué)課堂教學(xué)中，教師引入手持技術(shù)為改進傳統(tǒng)教學(xué)方式和發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)提供了新的思路和方法。手持技術(shù)可以實現(xiàn)將微觀反應(yīng)宏觀化、完成一些實驗現(xiàn)象不明顯的傳統(tǒng)實驗等，使微觀的學(xué)習(xí)可視化、抽象的學(xué)習(xí)具體化。手持技術(shù)也為學(xué)生在實驗探究過程中提供多樣的思維方法，形成從宏觀、微觀、符號結(jié)合的視角探究物質(zhì)及其變化規(guī)律的認識方式，促進學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

參考文獻

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