巧用Vernier 1感器的實驗探究教學片段

萬詣

摘要：數字化實驗對于化學教與學的價值越來越受到化學工作者的重視。借由一次市公開課的機會，作者開設了以電影《流浪地球》為素材的主題式復習課，其中設計了一個特色環節：給集氣瓶“穿上毛衣”，然后巧用Vernier傳感器創設問題情景，先以宇航服材料的選擇引發認知沖突，再通過數字化實驗探究羊毛和化纖的隔熱及保溫效果，最終引導出“雖然性質決定用途，但還需要考慮諸多因素”的思想。通過質疑激發了學生的學習興趣，質疑并思考是促進學生思維發展的重要方式，也是培養化學核心素養中“證據推理”的必要環節。學生通過數字化實驗探究和分析討論，在解決問題的過程中發展思維，內化素養。

關鍵詞：Vemier傳感器;數字化實驗;實驗探究;發展思維

文章編號：1008-0546（ 2019）08-0085-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.08.027

一、案例背景

“化學課程標準”指出：化學教學要“通過以化學實驗為主的多種探究活動，使學生體驗科學研究的過程，激發學習化學的興趣，強化科學探究的意識，促進學習方式的轉變，培養學生的創新精神和實踐能力。有趣又有意義的問題提出和實驗探究，有利于培養學生質疑、探究、思考、總結的思維習慣[1，2]。與傳統實驗相比，數字化實驗采集數據量大，占用時間少，能完成傳統實驗手段做不出的實驗，數字化實驗對于化學教學的價值越來越被廣大化學教育工作者重視，已成為創設探究性化學實驗的重要助力[3]。

提高中學生運用現代技術手段解決化學問題的能力已是當今實驗改進創新的重要方向之一，近三年南京中考化學試題均引入了數字化實驗，在考查學生能力方面提出了新的要求，所以有必要在初中開展數字化實驗教學，提高學生的化學學習能力和化學基本素養[4]。已有很多研究為運用手持技術培養學生解決問題的能力找到理論依據，很多專家認為手持技術是一種應用先進實用技術和教育理念、集數據采集與分析于一體的實驗系統，它對化學問題解決能力的培養有著傳統實驗技術不可比擬的優越性：（1）實時、生動、直觀的特點激發學生解決問題的興趣和動機;（2）利用計算機將圖形、圖像集成，利于學生建構化學問題解決活動的原型，幫助學生建構良好的問題表征;（3）數據采集的自動化使實驗操作變得簡單，可以使學生集中注意力于實驗設計等高級思維活動，充分關注問題解決策略的運用;（4）實驗結果實時、精確，縮短了數據分析的時間，提高了反饋的準確性;（5）簡便的數據采集，大容量的信息儲存，多種模式的顯示方式有利于培養學生信息采集、整理和分析的能力[5，6]。數字化實驗還可以增加學生探究的廣度與深度，提高學生的課堂參與度，同時可以有效提升學生的科學探究能力，利于培養科學精神[7]。

在2019年4月的一次市教研活動中，筆者以電影《流浪地球》為情景素材開設了一堂主題式的公開課，在這節課的一個教學環節中利用Vemier傳感器和“穿毛衣”的集氣瓶巧妙創設了一個基于數字化實驗的探究情景，順利引導出想要得出的預設結論，并從中培養學生質疑、探究、思考、總結的思維習慣。以此教學片段為例，提供教師在教學中利用手持技術引導學生思維發展，并促進學生化學核心素養形成的探究案例。

二、案例描述

本節課的總體構架是先通過《流浪地球》中點燃木星的情節復習燃燒條件，進而復習燃料，通過火箭燃料過渡到飛上太空需要穿宇航服，從而由宇航服的資料進一步復習材料的分類，其中包含了學生分組實驗鑒別生活中常見的纖維和數字化實驗探究羊毛和化纖的保溫及隔熱效果。在一系列教學活動中，不僅復習了主題4的相關知識點，并從中向學生滲透“結構決定性質，性質決定用途，用途多方考慮”的化學思想。

在做數字化實驗之前的教學環節中，學生通過制造宇航服的拓展資料復習了材料的分類，并通過小組實驗檢驗了三種不同顏色不同纖維材料制成的毛線，得出結論：紅色毛線是羊毛，黃色毛線是化纖，白色毛線是棉。此時筆者再拿出之前的資料提出問題：“我們再看之前宇航服中所用到的材料，宇航服保暖內層用的是羊毛材料，隔熱外層用的是化纖。但是保暖這個詞給我們的感覺是阻止熱量出去，隔熱是阻止熱量進來，這兩個詞好像是一個意思呀？”學生紛紛點頭，隨后一臉疑惑。

繼續設疑：“難道需要保溫的時候羊毛效果更好，需要隔熱的時候就是化纖效果更好了嗎？”有的學生通過表情告訴我覺得可能是這樣，大多數學生們繼續一臉疑惑。這樣就自然而然導入到了數字化實驗探究的環節，當學生們聽到老師說“通過一個數字化實驗來探究一下吧”，全體都露出了興奮期待的表情。

過渡陳述：“同學們剛剛親手探究了紅色毛線是什么材料？黃色呢？老師現在拿出了兩件相同形狀厚度的毛衣，是由粗細一致的這兩種毛線用同樣的織法制成的。”學生們看著兩個護腕形狀的物件被老師說成毛衣，哈哈大笑。“這是集氣瓶的毛衣，我們現在給集氣瓶穿上毛衣吧！”學生們看到教師把毛線護腕套在集氣瓶上之后露出恍然大悟的表情。

接下來開始數字化實驗（實驗操作如圖1所示）：在距離太陽燈的等距對稱位置放置兩個“穿毛衣”的集氣瓶，將兩個“穿毛衣”的集氣瓶（瓶內是空氣）與Vemier溫度傳感器相連，然后經由數據采集器連接筆記本電腦上的配套軟件，打開太陽燈對“穿毛衣”的集氣瓶進行等效加熱，點擊軟件上的采集數據，以曲線形式呈現數據。為方便學生觀察，調整縱坐標的范圍，讓學生更早的觀察到兩個樣品升溫速率的差距。在公開課上實際采集3分鐘看到明顯的溫差后停止操作，在課件上展示課前采集2000秒以上的數據（如圖2所示），讓學生手摸“毛衣”并提問學生隔熱效果好的材料是？通過觀察對比分析，雖然手摸感覺升溫差距不明顯，但通過數字化對比實驗的溫度曲線可以發現羊毛的隔熱效果更好。

保溫實驗也在課前完成（實驗操作如圖3所示）：將兩瓶空氣樣品通過太陽燈照射加熱到相同溫度（通過連接溫度傳感器實時監控，加熱到約40℃），然后給兩個集氣瓶穿上不同的毛衣，自然放置冷卻，經由數據采集器將溫度數據傳輸到筆記本電腦上的配套軟件，采集約1000秒的數據（如圖4所示）。讓學生觀察數據并提問保溫效果好的材料是？學生發現也是羊毛。得出結論：羊毛保溫和隔熱效果都比化纖好。

筆者繼續追問：“既然隔熱效果和保溫效果都是羊毛優于化纖，那么為什么宇航服的保溫內層使用羊毛！但隔熱外層卻使用化纖呢？”學生小組交流討論一會兒提出一些猜想之后，提示學生去看人教版下冊課本的第105頁，學生發現教材上寫有“合成纖維強度高、彈性好、耐磨和耐化學腐蝕，但它的吸水性和透氣性較差。”原來是因為內層材料不僅要考慮保溫還要考慮舒適，而外層材料不僅要考慮隔熱還要考慮耐磨等因素。聯系學生的生活實際，回憶生活中羊毛衫總是穿在里面，而外套大衣使用化纖材料居多。再提問：“第8單元學習金屬材料時我們知道銅和銀導電性差距不大，但銀更優越，為何使用銅作導線？”結合剛剛羊毛和化纖在宇航服制造中的使用討論，引導學生回答出“雖然性質決定用途，但實際使用時要考慮諸多因素”。

此時用結構化板書小結：“結構決定性質，性質決定用途，用途多方考慮。”（在之前的教學中通過纖維材料的介紹已經提出結構決定性質。）于此完成基于數字化傳感器和“穿毛衣”集氣瓶的教學環節。

三、教學反思

本堂課筆者嘗試將熱門電影素材融人教學進行初中化學主題4的復習，圍繞復習的知識費心整理資料素材，精心設計環環相扣的問題鏈。以數字化實驗為亮點，利用數字化實驗探究創設情景激發學生的思考分析，分析得到的結論依然回歸教材。學生活動豐富，在各式各樣的活動中提升了學生資料閱讀、信息提取、證據推理、分析歸納、實驗探究等能力，并體會化學與社會發展息息相關，感受學好化學可以創造更好的未來。

基于Vemier傳感器探究不同纖維材料隔熱保溫效果的探究實驗片段，始于課堂情景素材給學生產生的認知沖突，質疑是培養化學核心素養中“證據推理”的必要環節[8]。Vernier傳感器將學生無法感知的細微溫度變化以精確曲線的形式表征，通過對實時直觀的數字化實驗數據進行對比分析，培養了學生從定性探究到定量探究的思維方式，也提高了學生的證據推理能力，學生從中深刻體會到“物質的性質決定用途，但仍要考慮諸多因素”。以宇航服的材料選擇為背景，激發了學生解決問題的渴望，在此種環境的營造下，課堂討論氛圍濃烈，學生興趣盎然，結合數字化實驗探究，共同實現了對學生化學核心素養的培養。

學習認知是從思維開始，有了思維，才會提出問題;有了思維，才會有解決問題的猜想;有了思維，才會解決問題。因此探究教學是在思維探究的基礎上進行的，離開了思維探究，探究教學就成無本之木。“滿堂灌”“炒冷飯”固然能使學生掌握化學基礎知識、基本原理、基本技能，但是缺乏新鮮、動機的教學模式使課堂成為一潭死水，學生無興趣，教師無動力。喪失活力的課堂，學習的有效性、高效性自然無從談起[9]。

“化學課程標準”把“全面發展學生的學科核心素養”作為未來教學最重要的培養目標。化學學科核心素養包含“科學探究與創新意識”這一內容，在解讀中提到“能發現和提出有探究價值的問題，能從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，運用實驗等方法進行實踐活動[10]”。我們一線教師應在實際教學過程中切實踐行新理念，開展以實驗為主的多種探究活動，有目的、有計劃地進行指向核心素養的教學設計，引導學習方式的轉化，不斷促進學生核心素養的發展，培養新時代全面發展的人。

參考文獻

[1]陳蘇蘇，王偉群.化學探究式教學中學生思維的引導[J].化學教與學，2011（1）：2-3

[2]姚中奎，化學課堂教學中培養學生思維能力初探[J].中學化學教學參考，2000（1-2）：80-81

[3]徐惠，馬宏佳.“數字化實驗”校本課程的開發與實施[J].化學教與學，2018（2）：2-8

[4] 陳勇.從南京市近三年中考看初中化學數字化實驗的滲透[J].化學教與學，2018（10）：82-83

[5]錢揚義.手持技術在研究性學習中的應用及其心理學基礎[M].北京：科學出版社，2006：68-79

[6]錢揚義.手持技術在理科實驗中的應用研究[M].北京：高等教育出版社，2003：36-39，133 -137，159-161，223， 228

[7] 劉艷，新技術新實驗新亮點[J].化學教與學，2018（10）：79-81

[8]趙鑫，謝天華.基于化學學科核心素養中“證據推理”素養的培養[J].化學教與學，2018（10）：12-15

[9] 吳馮，王偉群.讓化學成為關注社會問題的工具[J].教學設計研究，2016（1）：74-75

[10]李淑霞.對新課標化學實驗的內容分析及教學建議[J].教育與裝備研究，2019（3）：28-31