借助數字化實驗 賦能化學觀念建構

林 萍 張賢金

福建省福州第四十中學(350007) 福建教育學院化學教育研究所(350025)

人類社會進入一個新的高度不確定的時代,應對不確定性成為教育改革發展的重要內容和目標。馮·勞厄說過:“教育所給予人們的,無非是當一切已學過的東西都忘記后所剩下來的東西。”[1]對于化學教育而言,“剩下來的東西”就是根植于學生頭腦里的化學觀念。《義務教育化學課程標準(2022年版)》明確“化學觀念”是化學四大核心素養之一,并指出:化學觀念是化學概念、原理和規律的提煉與升華,是認識物質及其變化,以及解決實際問題的基礎[2]。

科學技術的進步推動著課堂教學的改革,在“互聯網+”的新形勢下,數字化實驗成為培育學生化學觀念的有效手段之一。《義務教育化學課程標準(2022年版)》指出:建議教師利用數字化實驗裝備改進傳統實驗,讓學生借助可視化的數據認識化學問題的本質,培養學生多視角收集證據解決化學問題的能力[2]。數字化實驗由傳感器、數據采集器、計算機及配套軟件組成,以其便攜、自動、實時、直觀、定量、準確等優點,與用玻璃儀器和反應現象觀察為主的傳統化學實驗相比,更有利于培育學生素養。筆者從本體論、方法論、認識論及價值論等哲學范疇視角,分析數字化實驗在教學中促進學生化學觀念建構。

1 揭示本質,促進微粒觀的形成

本體論視角下的化學教學,是從描述具體物質及其屬性來著眼于化學學科的研究,即研究物質是什么,側重從直接感知的宏觀層面與構成物質的微觀方面來分析物質的組成與結構并解決與化學相關的實際問題。本體論視角下的基本觀念有微粒觀、元素觀、能量觀等。微粒觀的基本內涵有:物質是由分子、原子、離子等基本粒子構成;微粒在不斷運動,微粒的能量和運動狀態密切相關;微粒之間有間隙存在著相互作用;結構決定性質,構成的微粒及其結合方式決定了物質的多樣性等。微粒觀的建立能幫助學生理解與解釋化學宏觀現象,揭示化學反應的實質,認識化學符號的意義。微粒觀的形成,是學生開啟化學之門的基礎。

2 突破迷思,加深變化觀的認識

認識論視角下的化學教學,是對物質認識策略及思維模式的觀照,著眼于化學學科的研究對象——物質及其轉化。物質是在變化中被人類所認識,變化觀是認識論視角下的重要觀念之一,是指從化學過程、物質守恒、動態平衡等角度對化學物質變化本質的總體看法。變化觀的基本思想是物質間的轉化遵循“強制弱”的規律,涵蓋了化學變化是通過舊鍵斷裂與新鍵形成的原子重新組合,遵循質量守恒定律;體現了物質是變化的和運動的,變化是有層次的有條件的,人們可以從不同視角對紛繁復雜的化學變化進行分類研究,從而揭示各類變化的特征和規律。科學的變化觀對于正確認識物質轉化的本質與過程,尋找最佳途徑具有現實的指導意義。教學實踐中有些實驗缺乏有利的證據支撐,致使學生形成認知沖突,聚積疑點難點,逐漸產生迷思。

“酸堿中和反應”是初中化學的重難點內容,氫氧化鈉溶液和稀鹽酸反應無明顯現象,多數教師采取分析微觀示意圖,得出反應本質,缺少說服力。筆者嘗試融合pH傳感器和溫度傳感器測溶液混合后的pH及溫度變化,屏幕上實時呈現出反應過程的曲線圖,如圖1所示。直觀的曲線體現出數字化實驗的優勢和魅力,解決了傳統實驗中恰好完全反應及能量變化不易觀察的困惑,推測酸堿反應特點,探究實驗現象、實驗數據與實驗原理之間的關聯,形成“宏觀-微觀-符號-曲線”四重表征的特定思維模式。pH傳感器和溫度傳感器產生的變化曲線從不同維度表征化學變化,多視角可視化的數據信息互相佐證,成為疑難問題辨析的利器,使模糊問題清晰化、復雜問題簡約化、定性問題定量化。

圖1 氫氧化鈉溶液和稀鹽酸反應溫度、pH變化曲線①溶液溫度;②溶液pH值

3 主觀感知,發展實驗觀的理解

方法論視角下的化學教學,是從認識物質總結規律的方法來觀照,著眼于化學學科的認識活動與研究方法,即怎么研究物質,用什么樣的方式、手段、方法來觀察物質及處理實際問題。化學家利用實驗、分類、定量等研究方法探索“物質及其轉化”,所以方法論視角下的基本觀念包含實驗觀、分類觀及定量觀等。實踐是人類活動的本質,實驗觀為自然科學的共性,化學實驗是人類實踐活動的基本形式之一,是學習科學探究培養創新意識的重要方法和主要途徑。“以實驗為基礎”是實驗觀的基本思想,化學實驗對感知物質性質、感悟反應原理、理解抽象概念、培養善于合作、實踐創新的科學精神都有著獨特的價值。實驗過程浸潤著的學科思想和科學方法,如思辨性的猜想假設、規范性的操作技能、認真縝密的觀察分析、富有邏輯的推理論證,敢于質疑與勇于創新的精神,無不體現著實驗功能和學科素養。然而傳統的教師演示實驗多為照本宣科,側重于從現象角度理解,認識多停留在定性層面,也時常陷入現象不明顯及原理難理解的困境,導致實驗沒有達到概念感知和知識建構的預期效果。

“測定空氣里的氧氣含量”實驗,教材中利用集氣瓶外點燃紅磷的方法,因氧氣看不見,無法體現氧氣含量變化的具體情況,且紅磷熄滅后氧氣是否耗盡無法知曉,集氣瓶外引燃紅磷再迅速伸入裝置也存在誤差。教師可以將數字化實驗和傳統裝置有機融合,在裝置內接入壓強傳感器、溫度傳感器、氧氣濃度傳感器后,迅速用強光手電筒聚焦集氣瓶內的紅磷使其引燃。改進的實驗把紅磷燃燒過程中壓強、溫度及氧氣濃度的變化呈現出來,如圖2所示。用數字化搭建橋梁,清晰感知到燃燒時氧氣被消耗,將反應中無法被有效觀測的現象可視化,化隱為顯,方法新穎、操作簡便、數據清晰、突破教學難點,從定性到定量,還原反應本質,促進學生理解。引燃方式的改進及手持技術的引入使實驗結果更準確更直觀,此外紅磷熄滅后氧氣沒有耗盡,含量在6%～7%左右,為后續“燃燒與滅火”埋下伏筆。

圖2 紅磷燃燒“測空氣里氧氣含量”實驗裝置內部溫度、壓強、氧氣濃度變化曲線①溫度;②壓強;③氧氣濃度

4 定量探究,深化價值觀的應用

價值論視角下的化學教學,是人們研究化學所彰顯出的價值追求的觀照,著眼于化學學科的研究目的,即物質所具有的效益意義的一種判斷(有什么用)。作為科學、技術與工業基石的化學,對人類探索物質、有效控制和實現轉化,促進人類社會進步及可持續發展具有著不可替代的方法指導和思維啟迪作用。化學價值觀倡導人們逐步樹立科學的物質觀,認識物質及其轉化在滿足人民日益增長的生活需要及促進社會文明進步與資源綜合利用中的重要價值。當學生體會到知識的個人價值與社會意義時最樂意學習,中學化學課程學習應該讓學生充分認識到:對個體而言,化學與每個人的生活生命息息相關,從文化發展角度來看,化學對現代文明的突出貢獻不容忽視,就可持續發展來說,綠色化學能為“碳達峰”“碳中和”提供必要的保障。通過學習,學生能運用科學觀正確分析和化學有關的社會熱點問題并做出合理的判斷與選擇,增強社會責任感和參與意識,形成簡約適度綠色發展的生活方式。

數字化實驗符合綠色化學理念,其一般藥品用量較少,滿足可觀測,能顯示相關化學量的數字和曲線即可[3]。在日常生活中我們發現當胃酸過多時,醫生會開不同的抗酸藥,常見的有碳酸氫鈉片和鋁碳酸鎂片?治療胃酸哪個更佳?可以嘗試模擬實驗對比兩者中和酸能力強弱與生成二氧化碳速率的快慢,定量探究鋁碳酸鎂片和碳酸氫鈉片治療“胃酸”的效果。在盛有pH=1的稀鹽酸的三頸瓶中分別連接pH傳感器及二氧化碳傳感器,初測模擬“胃內”酸堿度和二氧化碳濃度,分別加入等質量的鋁碳酸鎂片和碳酸氫鈉片,攪拌,觀測反應過程中曲線變化,收集證據,分析判斷最優的抗酸藥為療效快且副作用小的鋁碳酸鎂片。以生活情境為載體,借助數字化實驗,模擬對比,激趣釋疑,運用酸堿鹽相關知識解決生活中的問題。

化學觀念是學科特征和素養發展的基礎,是內隱于課程體系并隨著學生知識層次的推進而主動建構的,數字化實驗既能為教師的“教”提供量化證據又能為學生的“學”提供認知支持,在改進實驗方法、更新化學知識、促進學科理解、提升認知方式、創新教學模式等方面的應用價值日趨重要,依托數字化實驗培育學生素養探索的廣度和深度也將不斷得到拓展。