鄢斌 黃琦 陳前龍

摘要：基于“中和反應反應熱的測定”定量實驗的教學價值，以具身認知理論為基礎(chǔ)，在大腦信息加工、身體實踐體驗及教學資源輔助的共同作用下，結(jié)合蘇格拉底的“產(chǎn)婆術(shù)”，引導學生自主構(gòu)建定量探究思維模型，促進學生高級認知發(fā)展，發(fā)展學生發(fā)散性思維和探究精神。

關(guān)鍵詞：具身認知理論；中和反應反應熱；定量探究；模型構(gòu)建

1 教學主題內(nèi)容及教學現(xiàn)狀分析

“中和反應反應熱的測定”選自新人教版高中化學選擇性必修1《化學反應原理》第一章“化學反應的熱效應”第一節(jié)“反應熱”，是培養(yǎng)定量探究思維的重要載體，是認識化學能與熱能相互轉(zhuǎn)化，體驗化學反應熱效應的基礎(chǔ)實驗，授課對象為高二學生。本課時的主要內(nèi)容包括：（1）反應熱測定的原理和方法，（2）定量實驗探究的思維模型。

以往文獻報道中多關(guān)注傳統(tǒng)實驗的不足，采用改進實驗裝置[1，2]、引入溫度傳感器[3，4]等方式提高測量的精確度，較少關(guān)注到“中和反應反應熱的測定”教學設(shè)計的優(yōu)化和學科價值的提煉。

2 教學思想

2.1 具身認知學習理論

具身認知源于20世紀70年代以來認知科學領(lǐng)域的重大變革，具身認知理論認為：學習過程不僅是大腦進行符號加工的過程，也是大腦與身體交織在一起的過程，這一過程表現(xiàn)為學科實踐活動[5]。其強調(diào)身體的實踐體驗對形成高級認知的重要性（見圖1）。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》正文部分提及“實踐”一詞多達26次，如何在課堂教學中開展有效的實踐體驗活動，構(gòu)建身心交互發(fā)展的課堂，促進學生產(chǎn)生高級認知是課程改革中重點關(guān)注的問題。

2.2 具身認知理論與中學化學教學

具身認知理論在中學化學教學中呈進階式體現(xiàn)。以“化學反應中的能量變化”為例，義務(wù)教育化學課程標準（2022版）中新增跨學科實踐活動，在“基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器”實踐項目中提出“綜合考慮原理（能量變化等）自主創(chuàng)意設(shè)計供氧器”。即在初中學段已要求學生將“能量變化”與環(huán)境互動以解決實際問題，是具身認知學習在化學學科的初步體現(xiàn)。高中階段是具身認知學習的深入體現(xiàn)，在必修階段要求學生“宏-微（物質(zhì)內(nèi)能和化學鍵）結(jié)合”理解化學反應中的能量變化；在選擇性必修階段則上升到定量描述層面，最新的兩版人教版化學教科書更是明確指向“體驗化學反應的熱效應”，要求學生能對反應熱進行測量和計算，以實現(xiàn)從能量觀的角度深層理解化學反應的能量變化。綜上，高中階段更關(guān)注“能量變化”的本質(zhì)，注重知識顯性與隱性的結(jié)合以及身體行動與大腦活動的協(xié)同作用。

2.3 具身認知理論與定量探究思維模型

具身認知理論強調(diào)認知是內(nèi)外統(tǒng)一協(xié)調(diào)的過程，認知、身體和環(huán)境組成動態(tài)統(tǒng)一體。故以具身認知理論為基礎(chǔ)引導學生構(gòu)建化學學科實驗學習的思維模型，不僅符合新課標基于學科本質(zhì)從哲學層面揭示的“實踐—認識—再實踐（應用）”的學科核心素養(yǎng)認知邏輯[6]，更是將身體、心智和環(huán)境視為一個整體，將教師、學生、教學內(nèi)容、教學資源、教學環(huán)境等要素聚合在一起，共同促進教學發(fā)展。本文以“中和反應反應熱的測定”實驗為載體，學生通過真實體驗和自省完善，自主構(gòu)建定量探究思維模型：明確目的-分析原理-設(shè)計裝置-擬定方案-實踐探究-分析優(yōu)化-再次實踐-平行測定（見圖2）。

3 教學目標

（1）通過對吸熱反應與放熱反應的宏觀感知，觀察并感受化學反應中的能量變化，結(jié)合體系與環(huán)境理解反應熱的概念，并從能量觀的角度對化學反應進行分類。

（2）通過對中和反應反應熱測定的實驗探究過程，理解反應熱測定的原理和方法，定量描述能量變化。分析產(chǎn)生誤差的原因，完善和改進測定方法，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

（3）通過構(gòu)建、完善和應用定量探究思維模型，發(fā)展證據(jù)推理與模型認知的學科核心素養(yǎng)。

4 教學流程

從熱成像視頻和自主實驗入手，讓學生從視覺和觸覺層面感知化學反應的能量變化，促進對反應熱概念的理解。定量探究過程中，引導學生從跨學科視角進行原理分析，到裝置設(shè)計、方案規(guī)劃、初次實驗、反思優(yōu)化、再次實驗、思維提升、裝置迭代、提取模型，注重師生、生生啟發(fā)式互動，為學生打造身心交互的學習環(huán)境（見表1）。

5 教學實錄

5.1 任務(wù)一：概念理解，原理分析

【引入】播放鹽酸與NaOH溶液反應的熱成像視頻（見圖3）。

【師】從視頻中能感知到反應放出的熱量。接下來，我們來觸摸化學反應帶來的“冰涼”。

【學生實驗】將Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl固體混合反應。

【師】化學反應除了有物質(zhì)變化，還伴隨能量變化。向環(huán)境中放出能量的反應屬于放熱反應，反之為吸熱反應。請大家列舉常見的吸熱反應和放熱反應。

【學生活動】回憶，列舉，從能量觀的角度對化學反應分類。

【過渡】如何定量描述化學反應過程中的熱量呢？請閱讀教材。

【生】可以用“反應熱”來定量描述：在等溫條件下，化學反應體系向環(huán)境釋放或吸收的熱量，稱為反應的熱效應，簡稱反應熱。

【追問】如何理解體系、環(huán)境以及等溫條件呢？

【生】體系指反應混合物，環(huán)境是與體系相互影響的其他部分（見圖4），等溫條件指反應前后體系的溫度相等。

【問】可利用什么原理測定化學反應的反應熱呢？

【生】用初中物理所學的公式：Q=cmΔt，測反應前后環(huán)境的溫度變化和反應體系的質(zhì)量，再結(jié)合比熱容計算出熱量。

【師】很好，反應體系的質(zhì)量可以稱量獲取，也可以通過體積和密度求算。

5.2 任務(wù)二：同伴互助，裝置設(shè)計

【驅(qū)動問題】如果要測定中和反應的反應熱，需要一個測量溫度變化（Δt）的量熱計。那么，為了減小誤差，量熱計在設(shè)計時應考慮哪些問題？

【生1】用保溫材料減少熱量損失。

【生2】從之前熱成像視頻可以看出，溶液的擴散是需要時間的，為了減少熱量散失，需要充分攪拌。

【師】同學們從保溫和反應速率的角度考慮，很不錯。請選擇合適的材料（見表2）設(shè)計量熱計，儀器可自選，將你的設(shè)計畫在學案上。

【學生活動】討論、展示（見圖5）。

【問】比較兩組作品，從材料選擇上，同學們有什么看法？

【生】塑料的導熱系數(shù)更低，外面的大燒杯最好選擇塑料杯，然后加個塑料蓋，既可以隔熱又可以固定玻璃棒和溫度計。

【師】很好。從可操作性的角度，這兩套裝置有一個相同的問題，請大家再思考。

【生】玻璃棒和溫度計平行放置，攪拌的時候很容易損壞溫度計，我們組設(shè)計了一根“L型”的玻璃棒，上下攪拌。

【師】很有創(chuàng)意，為提高攪拌效率，我們把“L型”的底部改成圓形，得到環(huán)形玻璃攪拌棒，上下勻速攪拌（見圖6）。

5.3 任務(wù)三：方案預設(shè)，初次實驗

【驅(qū)動問題】選用均為0.5 mol/L的稀HCl和NaOH溶液各50 mL，應該按怎樣的步驟進行實驗呢？

【生】將NaOH溶液加入HCl，迅速測量起始溫度t1，不停攪拌，讀取充分反應后的溫度t2。

【師】從反應速率的角度，該同學提出的方案是否具有可操作性？

【生1】中和反應速率很快，將二者混合后測量的溫度應該比起始溫度高，應測混合前其中一份溶液的溫度。

【生2】從熱成像圖像來看，HCl與NaOH的起始溫度還是略有差異，所以最好以二者溫度的平均值作為起始溫度。

【師】觀察得很仔細?？諝獾牧鲃涌赡軐е峦画h(huán)境中的物質(zhì)溫度不同。為了提高數(shù)據(jù)的可信度，在混合前分別測NaOH溶液和稀HCl的溫度，將二者的平均值作為起始溫度。

【學生活動】進行中和反應反應熱的測定實驗，展示數(shù)據(jù)（如表3）

5.4 任務(wù)四：反思優(yōu)化，再次實驗

【驅(qū)動問題】資料顯示，中和反應若生成1 mol水放出的熱量為57.3 kJ，則理想的Δt≈3.4℃。有三組同學的數(shù)據(jù)明顯偏小，是什么原因呢？

【生-第3組】應該是溫度計在測量NaOH時沒有洗凈并擦干，而且用的同一個量筒量取溶液，導致起始溫度偏高。

【生-第6組】我們加堿時不夠快，熱量散失較多，而且可能沒有充分攪拌。

【生-第7組】我們應該是沒有測得反應完全時的溫度。

【追問】如何才能準確讀取到最終的溫度呢？

【生】我認為：溫度會先逐漸上升，然后保持不變，此時反應結(jié)束。隨后熱量散失，溫度會下降，所以應該留意最高點的溫度。

【師】根據(jù)剛才的反思，請優(yōu)化方案，再次進行實驗。

【學生活動】優(yōu)化方案，小組實驗（見表4）。

【師】定量實驗最好測三次及以上平行數(shù)據(jù)，由于時間關(guān)系，我們測兩組數(shù)據(jù)。但是，假設(shè)第二組同學第三次測得數(shù)據(jù)Δt=2.2℃，計算時應該如何處理？

【生1】舍棄該數(shù)據(jù)，因為與前兩次實驗偏離太大，應該是異常數(shù)據(jù)。

【生2】從數(shù)學的角度，在不知道真實數(shù)據(jù)的情況下，我覺得應該再測一次數(shù)據(jù)，如果它與第三次測得的數(shù)據(jù)2.2℃接近，則四個數(shù)據(jù)均無意義，但如果它與之前兩個數(shù)據(jù)接近，則應該舍棄2.2℃這個數(shù)據(jù)。

【師】非常嚴謹！在你們當前認知下，兩位同學的思考都有一定的道理。為了追求實驗數(shù)據(jù)的精準度、可信度，需要做多次平行實驗，利用分析化學的方法進行數(shù)據(jù)取舍，大學里會進一步學習。請同學們用自己的兩組數(shù)據(jù)，算出若生成1 mol水時的反應熱。

注意：稀溶液的密度與水近似相等，為1 g/cm3。

【生】分析，計算（見圖7）。

5.5 任務(wù)五：抽提模型，裝置迭代

【驅(qū)動問題】大家能否用簡潔的語言提煉出進行定量實驗的共性步驟呢？比如，第一步往往需要理解概念、明確目的。

【學生活動】討論，提煉。

【生】首先是明確目的，再分析原理，然后要根據(jù)需要和原理設(shè)計實驗裝置，接下來擬定方案，最后進行實驗，可能會遇到一些問題，就需要我們總結(jié)經(jīng)驗再實驗。

【追問】很好，還有補充嗎？

【生】最終實驗方案確定后，定量實驗需平行測定3次及以上。

【師】梳理很到位。定量探究時，需遵循一個思維模型：明確目的-分析原理-設(shè)計裝置-擬定方案-進行實踐-分析優(yōu)化-實踐探究-平行測定。

【過渡】第二次實驗，同學們的操作很規(guī)范，最后的計算也很準確。但是，得到的結(jié)果在數(shù)值上仍然小于該反應的真實反應熱。請同學們再深入分析？

【學生活動】小組討論。

【生1】儀器不可能100%保溫，加堿后蓋蓋子的過程再快也需要時間，熱損失不可避免。

【生2】忽略了量熱計材料吸收的熱量。

【生3】我們用的等量的酸和堿，但空氣中含有CO2，會消耗NaOH，故NaOH應稍過量。

【追問】稍過量是體積增大一些還是濃度提高一些？

【生3】濃度！因為體積增大的話，多出來的水要吸熱。

【師】很好。上一個問題還有補充嗎？

【生4】其實，酸和堿的比熱容c>4.18，且密度也大于1，所以計算結(jié)果偏小。

【生5】讀取數(shù)據(jù)時，很難把握最高值，容易“差一點點”。

【追問】那么如何再優(yōu)化試劑、儀器或是操作呢？

【生1】用保溫杯保溫，用針筒加堿，這樣可以不開蓋子；NaOH的濃度稍大于HCl；為了減少計算誤差，可以用更稀的酸堿。

【生2】溫度計讀數(shù)不連貫，可以用溫度傳感器。

【師】很好。但是酸堿太稀放出的熱量太少，不利于測量，我們?nèi)匀贿x用0.5 mol/L的稀HCl和0.55 mol/L的NaOH溶液各50 mL。

【演示】優(yōu)化裝置，再次實驗（見圖8）。

【師】這次的Δt=3.1℃，更接近于該反應的理想溫差。本次實驗改進的體驗對同學們以后的學習有何啟示呢？

【生】雖然本次結(jié)果仍不完全等于理想溫差，但比之前都要更接近，這說明真理就是在不斷的反思、認識和實踐中慢慢浮現(xiàn)的，對待科學探究應該嚴謹求實，勇于鉆研。

【師】為探求真知，我們要重視實踐體驗的過程，用科學的思路和方法身腦并用，不斷實踐，把握“異?，F(xiàn)象”，反思、優(yōu)化再實踐，樹立嚴謹求實的科學態(tài)度！

6 教學創(chuàng)新與反思

6.1 關(guān)注學生認知活動

具身認知活動分為即時性和結(jié)構(gòu)性兩種，前者是學習者具有隨機性的直覺性反應，而后者強調(diào)回顧、反思，是學習者循序漸進的學習活動[7]。在該課時教學中，學生觀看熱成像視頻、體驗吸熱反應、小組實驗等過程為即時性具身認知活動，有助于對知識產(chǎn)生生成性的直覺反應；學生結(jié)合具體實驗操作開展小組討論、反思內(nèi)化再實踐等，實現(xiàn)認知提升，這和結(jié)構(gòu)性具身認知活動的特點相符，加深了對內(nèi)容本質(zhì)的理解。

6.2 注重學生自主探究過程

本課時教學以學為本，注重學生的自主探究體驗，激發(fā)了學生的發(fā)散性思維。如：（1）播放熱成像視頻的初衷是讓學生感知溫度變化，但學生捕捉到了溶液擴散的速率，由此想到了實驗過程中需要攪拌；（2）學生在設(shè)計量熱計時，創(chuàng)造性地設(shè)計了“L型”的攪拌棒，雖不是最佳答案，但這種創(chuàng)新思維值得鼓勵；（3）方案的設(shè)計、反思和優(yōu)化均主要由學生自主思考或小組討論完成，學生變被動接受為主動學習，提升了自主探究能力。教學中還注重了對學生易錯點的引導，例如該實驗起始溫度的界定是難點，通過學生主動暴露問題，教師予以解疑、引導，使學生的思維二次提升。

6.3 引導構(gòu)建思維模型

“證據(jù)推理與模型認知”是學生在化學學科學習乃至科學探究中必須建立的學科特色思想和方法。本課時教學中，教師很好地起到了穿針引線的作用，通過關(guān)鍵問題導向和學習環(huán)境營造，引導學生具身體驗并構(gòu)建定量探究思維模型。無論是模型本身還是構(gòu)建模型的過程，對于學生學科能力發(fā)展都有正向促進作用。

基于具身認知的化學課堂教學，能夠?qū)C械的靜態(tài)課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩尚缘膭討B(tài)課堂[8]。無論是實驗性內(nèi)容的教學還是概念性、理論性內(nèi)容的教學，化學學科的學習都特別強調(diào)“觀”“動”“思”等結(jié)合，這與具身認知強調(diào)身心合一的主張不謀而合。因此，在化學常態(tài)課堂中實踐具身型教學具有重要的意義。

參考文獻

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