基于證據(jù)推理與模型認(rèn)知的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)設(shè)計(jì)——以“蠟燭及其燃燒產(chǎn)物的探究”為例

湖北省武漢市第一初級中學(xué)(430062) 汪 洋

1 研究背景

武漢市中考試題已經(jīng)連續(xù)多年出現(xiàn)考查組合裝置實(shí)驗(yàn)探究的題目，這類題型往往出現(xiàn)在試卷的第30題或31題。組合裝置實(shí)驗(yàn)探究題目分值大、難度高，如何提高學(xué)生解決這類問題的能力，如何通過教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，是教師們在復(fù)習(xí)備考中需要突破的重難點(diǎn)。

教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究專題復(fù)習(xí)時(shí)經(jīng)常會出現(xiàn)困惑：學(xué)生通過復(fù)習(xí)后很難提升方法與技能，教師講過的題目會做，換一道題時(shí)又無從下手。造成這一現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)，一是教師在復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)探究專題時(shí)只是就題講題，并沒有引導(dǎo)學(xué)生將這類題目建立解題思維模型。學(xué)生再遇到類似的題目時(shí)，由于缺少結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識，所以無法生成解決方案。二是學(xué)生對實(shí)驗(yàn)探究的一般流程不熟悉，面對題目中的陌生情境內(nèi)心會感到害怕，無法快速從題干中提取出解題的關(guān)鍵信息。

思維建模就是對思維過程建立模型，從而使繁復(fù)的思維形態(tài)或方法外顯并簡約化的過程。思維建模的主體是學(xué)生，如果教師能在復(fù)習(xí)時(shí)給學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生在情境下自主探究，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知能力，建構(gòu)解決此類問題的策略，就可以很好地解決以上問題。筆者以“蠟燭及其燃燒產(chǎn)物的探究”為例進(jìn)行教學(xué)，很好地解決了以上問題，具體過程如下。

2 設(shè)計(jì)思路

蠟燭是初中化學(xué)中常見的物品，這節(jié)課以蠟燭及其燃燒產(chǎn)物作為探究的對象。學(xué)生對蠟燭非常熟悉，用它創(chuàng)設(shè)情境可以讓學(xué)生很快融入其中，激起探究欲望。并且應(yīng)用這個(gè)情境還可以把水蒸氣、一氧化碳和二氧化碳三種氣體的檢驗(yàn)，化合物中碳、氫元素的定量測定整合到課程中，以上都是初中化學(xué)中極為重要的實(shí)驗(yàn)方法。思維模型的主體是學(xué)生，要充分發(fā)揮學(xué)生的主體性、能動性。整節(jié)課通過創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)膯栴}情境，以問題解決為驅(qū)動力，讓學(xué)生進(jìn)行自主探究。學(xué)生通過分析實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，評價(jià)實(shí)驗(yàn)方案等過程，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)探究的一般流程，了解實(shí)驗(yàn)探究的一般方法，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知能力，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)探究的思維模型，從而提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和學(xué)科素養(yǎng)。教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 教學(xué)設(shè)計(jì)示意圖

3 教學(xué)過程

教師：(展示蠟燭燃燒的動畫)蠟燭是我們熟悉的物品，伴隨著我們度過了許多有趣的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課，這節(jié)課我們?nèi)匀灰韵灎T為對象，開啟一段探索之旅。

探究1：探究蠟燭燃燒的產(chǎn)物。

教師：蠟燭燃燒的產(chǎn)物是什么？

學(xué)生1：二氧化碳和水。

學(xué)生2：一氧化碳、二氧化碳和水。

教師：我們需要檢驗(yàn)一氧化碳、二氧化碳和水蒸氣。請大家思考每種氣體的檢驗(yàn)方法、三種氣體的檢驗(yàn)順序，設(shè)計(jì)檢驗(yàn)方案。

學(xué)生們通過交流討論，設(shè)計(jì)出如圖2所示兩種實(shí)驗(yàn)方案。

圖2 檢驗(yàn)蠟燭燃燒的產(chǎn)物

設(shè)計(jì)意圖：一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣是初中化學(xué)的核心物質(zhì)，這幾種氣體的檢驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)探究題中常考的知識點(diǎn)，掌握它們的檢驗(yàn)方法是解決實(shí)驗(yàn)探究問題的必備能力。學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程中通過討論、生生互評形成思維的碰撞，能夠進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，初步掌握常見氣體的檢驗(yàn)方法。

教師：針對實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵點(diǎn)，提出以下問題：

(1)檢查裝置氣密性，裝藥品后接下來的實(shí)驗(yàn)操作是什么？目的是什么？

(2)無水硫酸銅和澄清石灰水能否互換位置？為什么？

(3)為什么要先檢驗(yàn)二氧化碳再檢驗(yàn)一氧化碳？

(4)方案一 中的澄清石灰水和灼熱的氧化銅能否互換位置？你的理由是什么？

設(shè)計(jì)意圖：教師對實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出問題，進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生思考。學(xué)生通過思考、討論、交流這些問題，逐漸形成系統(tǒng)有序的化學(xué)思維過程，初步體驗(yàn)證據(jù)推理與模型認(rèn)知在實(shí)驗(yàn)探究中的作用，建構(gòu)物質(zhì)檢驗(yàn)的方法，提高解決綜合問題的能力。

教師：檢驗(yàn)物質(zhì)時(shí)需要注意哪些問題？

學(xué)生1：注意防止物質(zhì)之間的相互干擾。例如，先檢驗(yàn)水蒸氣再檢驗(yàn)其它氣體，先檢驗(yàn)二氧化碳再檢驗(yàn)一氧化碳。

學(xué)生2：注意安全問題，防止爆炸，防止污染空氣。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)檢驗(yàn)物質(zhì)時(shí)的基本策略，完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

探究2：探究蠟燭中碳?xì)湓氐馁|(zhì)量比。

教師：如何測定蠟燭中碳、氫元素質(zhì)量，進(jìn)而求出它們的質(zhì)量比？

教師：請大家認(rèn)真分析蠟燭燃燒的反應(yīng)物和生成物，我們可以借助什么思想求出一定質(zhì)量的蠟燭中碳、氫元素的質(zhì)量？

學(xué)生1：用化學(xué)反應(yīng)中元素守恒的思想。蠟燭燃燒生成的二氧化碳中碳元素的質(zhì)量等于參加反應(yīng)的蠟燭中碳元素的質(zhì)量，生成的水中氫元素的質(zhì)量等于參加反應(yīng)的蠟燭中氫元素的質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 通過燃燒產(chǎn)物判定蠟燭中碳?xì)湓氐馁|(zhì)量比

學(xué)生2：如果燃燒不完全，生成一氧化碳怎么辦？

學(xué)生3：可以用氧化銅將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。

教師：請大家根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

學(xué)生們通過交流、討論設(shè)計(jì)出多種實(shí)驗(yàn)方案，在分析各自優(yōu)缺點(diǎn)后最終選擇方案如圖4所示。

圖4 探究2的實(shí)驗(yàn)裝置圖

教師：請大家將實(shí)驗(yàn)步驟補(bǔ)充完整，并列出蠟燭中碳?xì)湓刭|(zhì)量比的計(jì)算式。

1.開拓創(chuàng)新，勇于突破。教、康、保三位一體整合服務(wù)模式屬重慶市兒童愛心莊園首創(chuàng)，處于探索發(fā)展階段，目前尚未有可供參考的成功范例與經(jīng)驗(yàn)。在今后的發(fā)展中，如何更好地充實(shí)教、康、保三位一體整合服務(wù)模式，都需要各科室各部門的協(xié)調(diào)與融合，做到開拓創(chuàng)新、攻堅(jiān)克難。這也是這種模式后續(xù)發(fā)展需要突破的一個(gè)問題。

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)稱量裝置B、裝置C的質(zhì)量，連接儀器，檢查裝置氣密性。

(2)關(guān)閉K3，打開K1、K2，通入一段時(shí)間氧氣，排空氣。

(3)打開K3，關(guān)閉K2，點(diǎn)燃酒精燈。

(4)待硬質(zhì)玻璃管中的反應(yīng)結(jié)束，熄滅酒精燈，繼續(xù)通入氧氣至裝置冷卻到室溫，關(guān)閉K1。

(5)稱量反應(yīng)后裝置B、裝置C的質(zhì)量。

教師：你覺得在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中有哪些需要注意的細(xì)節(jié)？可以用問題的形式提出來，考考其他學(xué)生。

學(xué)生2：裝置B和裝置C能否互換位置，為什么？

學(xué)生3：步驟(3)中為什么不關(guān)閉K1？

學(xué)生4：反應(yīng)結(jié)束后繼續(xù)通氧氣的作用是什么？

學(xué)生5：如果沒有裝置D對測量結(jié)果有什么影響？

設(shè)計(jì)意圖：在教師引導(dǎo)探究的過程中，學(xué)生通過交流討論、相互評價(jià)，學(xué)習(xí)定量實(shí)驗(yàn)探究的一般方法，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的化學(xué)思維，建構(gòu)定量實(shí)驗(yàn)探究思維模型，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)探究能力。

教師：在進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)時(shí)，常常需要在實(shí)驗(yàn)前后向裝置內(nèi)通入某種氣體，這樣操作的目的有哪些？

學(xué)生：思考并回答。

歸納總結(jié)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)前后通入某種氣體的目的總結(jié)

教師：通過今天的學(xué)習(xí)請大家小結(jié)實(shí)驗(yàn)探究的一般方法。

學(xué)生：交流討論。

教師：歸納總結(jié)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)探究的一般方法

4 教學(xué)反思

創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生在給定的情境中自主探究，改變了以往就題講題的復(fù)習(xí)模式，讓學(xué)生在自主探究中習(xí)得方法，建構(gòu)思維模型，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。在教師創(chuàng)設(shè)的情境中，學(xué)生圍繞主題進(jìn)行多個(gè)探究活動，通過這種方式可以將零散的化學(xué)知識、實(shí)驗(yàn)方法聯(lián)系起來，幫助學(xué)生將所學(xué)知識進(jìn)行再構(gòu)建，提高學(xué)生應(yīng)用知識解決實(shí)際問題的能力。研究近幾年的中考試題，我們發(fā)現(xiàn)命題部分越來越多地選擇真實(shí)情境作為題目的素材，更重視考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)中某些細(xì)節(jié)的掌握和解決實(shí)際問題的能力。因此，我們的教學(xué)也要與時(shí)俱進(jìn)，轉(zhuǎn)變思維，不斷創(chuàng)新，創(chuàng)造條件讓學(xué)生親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的過程、建立思維模型。只有這樣，才能真正提高學(xué)生解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)核心素養(yǎng)的目的。