劉永茂 李少坤 朱授宇

湖北省武漢市第一初級中學(430024)

0 引言

《義務教育化學課程標準(2022年版)》(以下簡稱“2022版新課標”)指出,基于實驗事實進行建構(gòu)模型并推測物質(zhì)及其變化的思維能力是科學思維核心素養(yǎng)包括的主要方面之一[1]。隨著初中化學教學改革的不斷推進,各類評價更傾向于考查學生的學習能力、實踐能力。在此背景之下,依然有部分教師在教學中存在著重分析講解,輕實踐探究;重習題訓練,輕歸納總結(jié);重結(jié)論應用,輕模型建構(gòu)的現(xiàn)象,這導致學生對知識的輸出能力嚴重不足:不能靈活運用,不能做到舉一反三,不能應對陌生復雜情境的挑戰(zhàn)。進行主題式的認識模型建構(gòu)教學研究,能引導教師轉(zhuǎn)變教學觀念,切實保證學生學習的有效性。

幫助學生建構(gòu)化學認識模型,是促進學生認識發(fā)展的重要教學方式;模型的概括作用可以幫助教師和學生在面對各種問題時都能選取核心認識角度,調(diào)用相應的推理模式,能夠以不變應萬變地解決多種問題[2];建立認識模型可使復習的認識活動得以簡化,使同樣的認識過程能夠重復出現(xiàn),便于認識活動的傳遞和推廣[3]。因此,基于化學認識模型設計和實施教學,有利于提高學生思維能力,促進學生模型認知素養(yǎng)的發(fā)展。

1 研究背景

初中化學教材中出現(xiàn)的與氣體壓強有關的實驗裝置圖或其他圖片有16處之多,還有許多與壓強有關的化學知識與事實,它們都“散布”在初中教材之中,使得學生對與氣體壓強有關實驗的認識“碎片化”比較嚴重,學生因為牽不住“牛鼻子”反復出錯的現(xiàn)象屢見不鮮。從學生反饋的情況來看,最主要的錯誤形式有:①對現(xiàn)象的形成因素認識不到位;②對裝置的功能認識不足(如緩沖氣壓、防止倒吸等);③不能清晰準確地判斷流體流動的方向;④做不到準確、全面、嚴謹?shù)孛枋鰧嶒灛F(xiàn)象。究其原因還是教師沒有引導學生對氣體壓強問題形成結(jié)構(gòu)化的認識,建構(gòu)認識模型。

經(jīng)查閱國內(nèi)大量文獻,目前基于壓強對中學化學實驗的研究主要集中在氣體壓強對化學實驗影響的功能性分類,如用于裝置氣密性檢驗、氣體的制取與消耗、測定生成氣體的體積、對倒吸的防止和應用等。何彩霞、仇永紅、余麗蓉[4]等通過壓強問題對初中化學實驗進行了重構(gòu)與整合,并以學科本質(zhì)與思維方法為統(tǒng)領,就教學活動設計和教學策略進行了探討。但總體來講,從建構(gòu)認識模型的角度開展的研究比較少。

通過對氣體壓強問題的概括與提取,形成解決問題的思路與方法。筆者通過模型建構(gòu)的方式進行,達到了較好的教學效果。

2 教學目標

(1)通過對壓強問題相關知識的重構(gòu),引發(fā)對壓強實驗中產(chǎn)生的現(xiàn)象及壓強變化因素的思考,初步形成分類歸納的意識。

(2)通過對不同因素導致壓強變化的探究,體會液體的流動方向與壓強的關系,進一步梳理化學實驗中壓強問題的分析思路。

(3)通過兩種不同任務情景下壓強問題分析與預測流程的對比,建構(gòu)化學實驗中壓強問題認識模型。

(4)通過創(chuàng)設不同的問題情境,加強對壓強問題認識模型的應用,增強遷移創(chuàng)新能力。

3 教學思路

教學思路見圖1。

圖1 教學思路

4 教學實錄

4.1 分類概括壓強實驗中的現(xiàn)象及壓強變化的因素

課前任務:復習課本中與壓強有關的實驗,填寫表1學習任務單。

師:這是我們班同學完成的課前任務單,結(jié)合你的思考,你覺得壓強問題在實驗中主要涉及哪些應用呢?

生1:可用于檢查裝置的氣密性、制取氣體、檢驗氣體的性質(zhì),例如檢驗二氧化碳能溶于水,還可用于測定空氣中氧氣的含量。

生2:我覺得還可以用于測量氣體的體積。

生3:我覺得還可以用于緩沖氣壓及防止液體倒吸。

師:大家總結(jié)得非常全面。接下來請大家繼續(xù)評價一下該同學所填寫的答案表述是否準確。

生1:實驗2的名稱應準確表達為探究二氧化碳能溶于水,實驗3的現(xiàn)象應表述為進入集氣瓶中的水約占瓶中空氣體積的1/5。

生2:實驗1中壓強變大的原因應當為反應生成了二氧化碳使試管內(nèi)氣體量增多。

師:根據(jù)以上實驗中產(chǎn)生的現(xiàn)象,你能概括一下,由于壓強變化導致的主要現(xiàn)象有哪些類別嗎?

生:冒氣泡、液面升降、液體倒吸、裝置體積變小……

表1 課前學習任務單

4.2 形成壓強問題認識思路

師:化學實驗中產(chǎn)生的不同現(xiàn)象與壓強及導致壓強變化的因素之間有什么邏輯關系?我們應如何利用壓強分析與解釋實驗中產(chǎn)生的現(xiàn)象呢?

問題情境:在圖2中[4],用注射器將液體X注入錐形瓶,和錐形瓶內(nèi)物質(zhì)Y相遇,過一段時間,瓶外氣球膨脹。形成這一現(xiàn)象常見的物質(zhì)組合有哪些?

圖2 問題情境

師:請舉例說明,并按照一定的邏輯關系,以流程的方式分析氣球膨脹的原因。

生1:以水和氧化鈣的反應為例,氣球膨脹是由于瓶內(nèi)壓強增大,而瓶內(nèi)壓強增大是由于反應放熱導致瓶內(nèi)溫度升高,氣體受熱膨脹。

生2:以金屬鋅與稀硫酸的反應為例,氣球膨脹是由于瓶內(nèi)壓強增大,而瓶內(nèi)壓強增大是由于反應生成氣體,使得瓶內(nèi)氣體的量增多。(隨著學生的表述,PPT呈現(xiàn)如圖3所示。)

師:第2個箭頭內(nèi)應該填什么?

圖3 利用壓強分析氣球膨脹現(xiàn)象流程

生:應填入氣體的流向,即瓶內(nèi)氣體進入氣球。

師:導致瓶內(nèi)溫度升高和氣體量增多的原因還可能有哪些?

生:溫度升高還有可能是溶解放熱,如氫氧化鈉溶于水。氣體的量增多,還有可能是固體和液體在常溫下反應生成了氧氣或二氧化碳。

師:實驗中氣體的流向由什么決定?其流向有何規(guī)律?能否設計實驗予以證明?

生:氣體之所以流動是因為存在壓強差,并且會從高壓處流向低壓處,我們可以按如圖4所示裝置進行驗證。

師:如果推(或拉)注射器的活塞,請你預測一下可能會產(chǎn)生什么現(xiàn)象。

圖4 氣體的流向規(guī)律驗證裝置

生1:若推動活塞,由于注射器內(nèi)氣體體積減小,導致注射器內(nèi)壓強增大,注射器內(nèi)氣體進入集氣瓶中,導致集氣瓶內(nèi)長導管口有氣泡冒出。

生2:若往外拉注射器的活塞,注射器內(nèi)氣體體積變大,壓強變小,液體向注射器內(nèi)部方向流動,導致集氣瓶內(nèi)長導管內(nèi)液面會上升。

師:請大家連接桌面上的儀器,對剛才的預測進行驗證。

學生實驗:分別推或拉注射器活塞,觀察實驗現(xiàn)象,感受氣體流向與壓強的關系。

學生小結(jié):氣體流動是因為存在壓強差,且氣體由壓強高處向壓強低處流動。

師:此實驗還說明了壓強變化與什么因素有關?

生:氣體的體積變化。

4.3 建構(gòu)壓強問題認識模型

師:通過前面的學習,我們對與壓強有關的不同實驗做了一些流程化的分析與預測,我們能否進一步將它們歸納一下,最好能形成一個分析同類問題的框架,以便我們在遇到新的同類問題時,能以這個框架或模型為依據(jù),有方向、有步驟地進行條理化的分析與預測,進而有效地解決問題呢?

首先,我們以問題情境為例進行分析(用電腦再現(xiàn)圖1)。

生:氣球膨脹是因為有氣體進入氣球,氣體之所以進入氣球是由于瓶內(nèi)壓強增大,而壓強增大主要是由于溫度升高和氣體的量增多所導致(PPT呈現(xiàn)分析流程,如圖5所示,從左至右4個方框顏色依次為黑、藍、黃、綠)。

圖5 不同現(xiàn)象產(chǎn)生原因分析流程

師:我們再以氣體的流向規(guī)律驗證實驗為例,請大家回顧我們是如何預測在推注射器的活塞時所產(chǎn)生的現(xiàn)象的(用電腦再現(xiàn)圖4)。

生:推注射器的活塞,會使注射器內(nèi)氣體體積減小,增大了注射器內(nèi)的壓強,氣體會向右流動,左側(cè)導管口有氣泡冒出(PPT呈現(xiàn)預測流程,如圖6所示,從左至右4個方框顏色依次為黑、藍、黃、綠)。

圖6 基于不同原因預測實驗現(xiàn)象思路流程

師:現(xiàn)在,將圖5和圖6進行對照,并參考模塊的顏色,請你歸納出對壓強問題具有分析與預測功能的認識模型。

生:通過對相同顏色的模塊所表示的內(nèi)容進行概括,筆者認為4個模塊所表達的內(nèi)容依次為實驗現(xiàn)象、物質(zhì)的流向、壓強變化與影響因素。其中,實驗現(xiàn)象主要有冒氣泡、倒吸、液面升降和裝置體積的變化。影響因素主要有氣體溫度、氣體的量以及氣體體積的變化?？山?gòu)出如圖7所示壓強問題認識模型。

圖7 初中化學實驗壓強問題認識模型

4.4 應用模型解決實際問題

師:有了這個認識模型,就拿到了解決壓強問題的鑰匙,現(xiàn)在我們就來用一用。

課堂評價1:若利用圖8所示裝置控制反應停止,請回答下列問題。

問題1:如何讓氣泡不再繼續(xù)產(chǎn)生?

圖8 課堂評價1

生:使固體與液體分離,反應停止。

問題2:稀鹽酸如何流動才能達到固液分離的目的?

生:稀鹽酸向左端流動。

問題3:如何使稀鹽酸向左端流動?

生:增大裝置內(nèi)氣壓。

問題4:如何增大裝置內(nèi)氣壓?

生:使裝置內(nèi)氣體量增多,關閉活塞即可。

課堂評價2:在圖9中[4],用注射器將液體X注入錐形瓶,和錐形瓶內(nèi)物質(zhì)Y相遇,過一段時間,瓶內(nèi)氣球膨脹。形成該現(xiàn)象常見的物質(zhì)組合有哪些?

生:瓶內(nèi)氣球膨脹,說明空氣進入氣球中,瓶內(nèi)壓強減小。從壓強減小的三大因素:氣體的量減少、溫度降低和氣體體積變小來看,氣體的量減少類的組合可以為堿溶液與二氧化碳或氯化氫氣體;水與可溶性氣體;酸溶液與氨氣。溫度降低類的組合可以為固體溶解吸熱,如水與硝酸銨反應。由于錐形瓶體積一定,氣體體積減小這一因素不可能。

圖9 課堂評價2

5 教學反思

5.1 建構(gòu)“微型模型”,積小勝為大勝

模型建構(gòu)并不是一個新鮮的詞匯,之所以在當下成為一個熱詞,最主要的原因還是在初高中兩版新課標的指導下,大家對模型建構(gòu)這個詞有了新的而且是非常重要的認識,采用模型建構(gòu)的方式能有效凝練認識思路,進一步發(fā)展學生的科學思維能力這一觀念已得到廣大教師的一致認同。本節(jié)課教學設計的本意并不在于建立一個體系完善、要件齊備“大而全”的理想模型,而是嘗試在學習過程中建構(gòu)一種“微型模型”,或者說是“小專題模型”,這樣“積小勝為大勝”,不斷積累經(jīng)驗,為建構(gòu)內(nèi)容更多、體系更復雜的主題認識模型打下堅實的基礎。

5.2 外顯分析思路,促進模型建構(gòu)與應用

通過教學實踐證明,采用思路外顯方法,能有力促進壓強問題認識模型的建構(gòu)與應用。本課例外顯思路的做法主要有三處:一是對問題情境的分析與解決中,用箭頭顯示分析流程,從心理學的角度,“流程感”強?？崭癫糠至黧w的流動方向為現(xiàn)象與壓強變化的銜接點,采用填空的方式予以強化,以凸顯其“橋梁”與“紐帶”作用,使邏輯鏈條更加清晰,同時為回答流體的流動方向與壓強的關系作好鋪墊。二是在建構(gòu)模型環(huán)節(jié),通過PPT展示,將上下兩個流程按從左到右的順序各分為4個填充顏色不同(如黑、藍、黃、綠)的“模塊”,使上下對應的2個“模塊”顏色相同,這樣通過顏色將8個“模塊”分成了4類,以此引導學生分類歸納,建構(gòu)認識模型。三是在模型應用環(huán)節(jié),通過以問題為導向,用PPT將認識模型中的4個方面采用與圖3相同的方式,用箭頭以縱向的方式與4個問題逐一匹配,并隨著問題的解決,將4個箭頭同步依次呈現(xiàn),進一步將認識思路“外顯”,強化學生利用模型分析問題的意識,提升模型應用能力。

5.3 建構(gòu)模型應具有一定的靈活性

教師在進行模型建構(gòu)教學設計時應具有一定的靈活性。就壓強問題的實驗教學而言,所建構(gòu)的模型并不是唯一的,可以根據(jù)不同的需要建構(gòu)不同的模型。如學習第1單元裝置氣密性的檢查時,便可以建構(gòu)裝置氣密性檢查的模型,再用模型去預測并解決陌生情景的問題;學習第2單元空氣中氧氣含量測定時,也可以建構(gòu)測定氣體混合物中各組分體積分數(shù)的模型以解決相似的問題。在上復習課時,可以針對學生對現(xiàn)象描述不全面、不準確等問題,建構(gòu)如本課例所示的壓強問題認識模型,找到實驗現(xiàn)象發(fā)生的根源。總之,模型的建構(gòu)教學從教授時間安排上可早可晚;從組織內(nèi)容范圍上可大可小,可以是“大模塊”,如一個單元的總結(jié),也可以是某一類有共性而又不易突破的問題;從課型上可以是新授課,也可以是復習課。關鍵是要使學生形成自覺的模型建構(gòu)意識,增強對知識的遷移應用能力,學會解決實際問題的“本事”,發(fā)展科學思維核心素養(yǎng)。