手持技術助力學生科學思維能力發展

王曉軍 劉華 張鴻智 吳丹

摘要： 教師以發展學生科學思維為出發點，優化杜威“思維五步”與“教學五步”，在手持技術的輔助下創設情境并設置連續性任務，引導學生開展有關概念理論的探究活動，可將微觀反應“直播、放大”并使其“可見”，促進科學探究實踐與核心概念學習融合，提高學生的思維能力。

關鍵詞：手持技術;科學思維;化學反應的限度

科學思維是依托科學思維方法的認識與正確運用而實現的。科學思維方法指人們在研究和解決科學問題及學習科學知識中所運用的思維方法，它僅作為一種工具，是實現知識和認識的有效手段，科學思維方法的教育過程中蘊含科學思維的教育^[1]。科學思維的核心是分析解決科學問題，教師應設計問題，引導學生自主探索、勇于發現，從而發展學生的科學思維力，提高學生的學習力^[2]。教師利用手持技術對微觀反應進行“直播、放大”，使反應變得“可見”，既能充分發揮科學探究的實證作用與核心概念的推論預測功能，也有助于提高學生的分析預測、概括總結、證據推理、歸納演繹等科學思維能力。

一、“思維五步”與“教學五步”及其發展

（一）概念內涵

教學成功的關鍵之一是激發學生的思維，美國實用主義教育家杜威認為，整個反思性思維的過程分為五個階段：創設一個疑難問題情境;確定疑難所在，并引導學生提出問題;組織學生參與觀察和其他心智活動并搜集事實材料，提出解決難題的各種假設;讓學生推斷哪種假設能夠解決疑難;指導學生自主用行動檢驗假設。教學過程也對應分成五個階段：教師為學生創設真實且與經驗相符的情境;在情境中產生真實問題以刺激學生思維;引導學生閱讀資料、科學觀察從而生發對解決疑難問題的思考和假設;讓學生自主探究、設想解決疑難問題的方法;讓學生通過應用檢驗方法的有效性^[3]。這種思維過程和教學過程分別被稱為“思維五步”和“教學五步”。

（二）融合發展

《普通高中化學課程標準（2017 年版）》 （以下簡稱《課標》）重視開展“素養為本”的教學，倡導真實問題情境的創設，鼓勵開展以化學實驗為主的多種探究活動，重視教學內容的結構化設計，從而激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變，培養他們的創新精神和實踐能力^[4]。如何實現“思維五步”與“教學五步”與化學數字化教學融合發展，教師需要從實用主義轉向“素養主義”，強化理論指導與技術支持，促進學生學習方式的轉變。

1.與深度學習理論融合

鐘啟泉^[5]指出：“深度學習”是學生能動地參與教學活動的總稱。深度學習的三個視點，即主體性、對話性、協同性，正是以前應試教育存在不足的地方。教師基于深度學習理論開展教學應從問題著手，力爭從“基于教科書水準”上升到“超越教科書水準”，而“對話指導”與“反思指導”則是支撐深度學習的兩根支柱。在深度學習中，學生圍繞問題進行思考，探究解決方法，教師則判斷他們此時“知道了什么”“能夠做什么”，從而制訂學習規則，并展開一系列探究活動，讓他們在解決問題的過程中習得知識與技能。深度學習有效發生是課堂教學成功轉型的標識。

2.促進基于手持技術的化學教學

魏明貴^[6]指出：融入手持技術開展課堂教學非常必要，它使課堂發生很多積極的改變：“預設型學習”變為“生成型學習”，“聽講型學習”變為“研究型學習”，“習慣型學習”變為“挑戰型學習”。融入手持技術開展化學課堂教學，不僅是信息技術與化學教學的深度融合，而且是核心素養落地的重要方式。只有將傳統實驗與現代實驗手段結合，才能取得更好的效果。

3.提升化學反應的限度教學

對于此課例而言，“教科書水準”是“能描述化學平衡狀態，判斷化學反應是否達到平衡（《課標》學業要求）”;如要“超越教科書水準”，教師應從學生提出問題入手，明確學生“知道了什么”和“能夠做什么”，創設問題情境，提供證據支持，在學生“同自己的對話”“同他者的對話”“同客體的對話”中進行“對話指導”與“反思指導”。

筆者基于以上分析，確定教學目標為：通過傳統的試管實驗，評估學生化學反應的認識水平，在手持技術支持下組織學生參與科學探究活動，讓他們在對話中認識化學反應的限度問題，提出假設，尋找證據，分析解釋反應存在限度的原因，自主構建化學平衡相關概念。

二、化學反應的限度教學實踐

（一）創設疑難問題情境

【任務】課前，教師將KSCN溶液與FeCl₃溶液混合，讓學生思考Fe³⁺和SCN^-可能存在的情況有幾種，分別是什么。

【導入】教師：初中階段，大家已從四大基本反應類型的視角認識化學反應。人教版高中化學教材必修第一冊從離子和電子的視角介紹了化學反應。這節課我們將以新視角認識化學反應。

【前測】全班44名學生，其中38人認為可能存在三種情況：有Fe³⁺無SCN^-、有SCN^-無Fe³⁺、無Fe³⁺無SCN^-。另有4名學生認為Fe³⁺和SCN^-可能同時存在。

【問題】請說明預測依據。

學生觀點1：反應完全進行，過量的反應物剩余。

學生觀點2：從排列組合角度分析，存在第四種情況：Fe³⁺和SCN^-共存。

（課堂交鋒：觀點1勝出）

【驗證】請用教師提供的試劑設計實驗，證明自己的觀點。試劑：0.01 mol/L的KSCN和FeCl₃溶液;1 mol/L的KSCN和FeCl₃溶液。

【要點】配置稀溶液，滴加濃溶液，觀察顏色變化。

【分析】請思考Ⅲ中蒸餾水的作用（如圖1）。

【總結】空白對照，排除水的影響。

（二）確定疑難所在，引導學生提出問題

學生分組探究、討論交流之后發現Fe³⁺、SCN^-和生成物共存（觀點2正確）。

學生利用教師補充高爐煉鐵化學史證據分析后發現：一些反應中，反應物與生成物共存。

【問題】如何研究這類反應？

學生：選取典型反應，如Fe³⁺與SCN^-的反應，展開研究。

（三）生發對解決疑難問題的思考和假設

學生提出假設1：反應慢，沒反應完。

學生提出假設2：溶液濃度比較低，達到一定濃度，就不反應了。

【教師追問】如果時間足夠長呢？

學生細化假設1：時間足夠長會反應完。

學生細化假設2：時間再長也不能完全反應，到極限了。

（出現反應限度的萌芽認識：靜態、孤立）

（四）推斷用哪種假設能夠解決難題

教師出示卡片：有色物質濃度越小，溶液顏色越淺，透光率越大。

教師演示實驗1：演示血紅色稀溶液透光率隨溫度變化（如圖2）。

教師演示實驗2：向血紅色稀溶液中加入5滴1 mol/L KSCN溶液，利用傳感器監測透光率隨時間變化。

【記錄】常溫下，血紅色溶液透光率為74.6%，溫度不變透光率不變，加熱此血紅色溶液，透光率變為83.3%，自然冷卻過程中，比色皿中血紅色溶液的透光率逐漸降低。

【問題】分析血紅色溶液透光率隨溫度變化的原因，嘗試解釋為什么Fe³⁺、SCN^-和生成物共存。

【表達】

學生推理1：隨著溫度升高，Fe³⁺與SCN^-反應生成更多的血紅色產物;當溫度降低，血紅色產物部分轉換成Fe³⁺和SCN^-，從透光率隨時間變化圖可以看出，反應非常快，排除反應慢的假設。

學生推理2：Fe³⁺與SCN^-完全反應，生成的血紅色產物又變回Fe³⁺和SCN^-，這樣不斷反應。

學生推理3：如果Fe³⁺與SCN^-先完全反應，再反向，透光率隨時間變化會先出現最大值，然后再減小，與實驗事實不符。

學生推理4：反應既能正向進行，又能逆向進行，開始時只有反應物，反應正向進行，產生生成物之后，反應還可以逆向進行。

學生推理5：在透光率變化過程中，反應物濃度越來越小，正反應速率越來越小;生成物物濃度越來越大，逆反應速率越來越大。二者相等，透光率保持不變，反應物濃度和生成物濃度就保持不變。

【總結】剖析可逆反應、化學平衡狀態等核心概念。

（五）用行動檢驗假設

1.化學史證據

教師展示大量化學史證據：1799年貝托雷在考察埃及鹽湖時，發現氯化鈉與巖石作用產生碳酸鈉沉淀，同時可以朝著相反的方向發生;1884年勒夏特列提供了化學平衡移動原理;有科學家研究合成氨反應獲得1909年和2007年諾貝爾化學獎。

2.分析化工生產問題

【問題】預測工業合成氨反應中各物質濃度隨時間變化情況，并說明依據。

【要點】反應過程中反應物濃度逐漸減小，生成物濃度逐漸增大;平衡時反應物和生成物濃度保持不變。

【問題】對于SO₂的催化氧化反應2SO₂+ O₂ 2SO₃，如果反應物中的O₂用¹⁸O，平衡時哪些物質含有¹⁸O，為什么？

【總結】都含有，平衡正向反應SO₃中含有¹⁸O，平衡逆向反應SO₂中也會含有¹⁸O。

3.生活經驗

【問題】請列舉生活中的平衡問題，并歸納其特點。

學生：教室里人數平衡;溶解平衡;天平平衡……

教師介紹平衡的普適性，由化學學科延展到其他學科，由理論到實踐。

4.解決疑難

【問題】將KSCN溶液與FeCl₃溶液混合得到血紅色溶液，Fe³⁺和SCN^-可能的存在情況有幾種，為什么？請設計實驗證明Fe³⁺與SCN^-的反應是可逆反應。

【要點】可逆反應，反應物和生成物共存;檢驗所有物質的共存或檢驗少量反應物有剩余。

5.小結

學生認識到證據推理的重要性和反應可以正逆向同時進行。

教師帶領學生進行歸納與總結：以前我們對反應的認識停留在反應物能否轉化為生成物的結論性認知上，對速率缺乏認識，更沒有限度的概念。現在我們對反應的認識是其可以雙向的、同時的、動態的。后面的教學活動中我們還將發展平衡理論：用它去定量判斷反應的限度，計算化工生產中的轉化率，解決化工生產中的實際問題。

6.課后作業

作業1：向血紅色稀溶液中滴加5滴KSCN濃溶液，用傳感器監測得到透光率隨時間變化情況（如圖3）。請在該圖中標明化學平衡狀態，并指出化學平衡狀態的特征和本質。

作業2：將一定量的SO₂和O₂混合，發生了如下反應2SO₂+O₂2SO₃。請畫出SO₃濃度隨時間變化圖，并說明畫圖依據。

作業3：設計實驗證明Fe²⁺+Ag⁺

Ag屬于可逆反應。

三、教學反思

此課例教學的明線是多角度認識反應，暗線是平衡思想進階（起始課）。為突破學生對化學反應限度概念的迷思，教師通過試管實驗營造疑難問題情境，借助色度傳感器，直播反應的微觀過程。同時，利用手持技術提供實時證據，引導學生主動尋找證據，在不斷地表達與思維交鋒中，排除速率慢與單向折返的假說。最終，引導學生建立正逆反應同時進行的科學假說，自主構建可逆反應和化學平衡的相關概念。教師借助手持技術開展有關實驗教學，使得關注核心概念的生成過程變得可能，營造了“假設創造”與“假設檢驗”的土壤。教師通過評價性問題進行引導使學生認識思路外顯，圍繞評價要點開展“對話指導”與“反思指導”，指引學生在“假設創造”與“假設檢驗”中完成概念的自主建構，提升了他們的概括能力、邏輯推理能力等科學思維能力。

注：本文系北京市石景山區2021年規劃重點課題“基于實驗創新的中學化學深度學習教學實踐研究”（課題編號：SJS2021A15）的階段性研究成果。

參考文獻

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[3] 單中惠.杜威的反思性思維與教學理論淺析[J].清華大學教育研究，2002（1）：55-62.

[4] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018.

[5] 鐘啟泉.深度學習：課堂轉型的標識[J].全球教育展望，2021（1）：14-33.

[6] 魏明貴.手持技術催化課堂教學之變[J].中小學數字化教學， 2020（12）：78-81.

（作者王曉軍系北京教育學院石景山分院教研員;劉華、張鴻智系北京市京源學校教師;吳丹系北京大學附屬中學石景山學校教師）

責任編輯：祝元志