基于控制變量的科學思維在圖像認知中的教學設計
——以“金屬與酸反應”為例

陳麗娟，毛彩霞，李亞婷

（中國科學院蘭州分院中學，甘肅蘭州 730000）

一、問題的提出

“金屬和酸的反應”是九年級化學的重要組成內容，它包含了金屬與酸反應的條件、金屬活動性的強弱等方面的問題；且金屬和酸反應的圖像題在這幾年的中考中出現的頻率也高，為了考察學生的科學思維，試題呈現的因變量和自變量也隨題境而變，但在教師教學過程中只能以最常見的教學問題來設問引導學生分析各變量的關系，缺少了對該知識點價值的深度挖掘，引領學生分析問題的邏輯起點也受到了局限。如何用一個有效的教學設計突破教學中的這個難點迫在眉睫。

二、設計思路

本教學案例的設計主要以金屬和酸反應為知識載體，本節課的核心任務是解決金屬與酸反應速率的影響因素和用圖像來表征因素中自變量和因變量的關系。故圍繞這個核心任務建立了教學設計。本教學設計依據“提出問題→證據推理→圖像構建→問題解決”的思路，創設情境，提出問題，以任務驅動的方式來展開實驗探究，運用控制變量的思想，從眾多知識要素中分析出影響金屬與酸反應的速度及生成氫氣質量的核心要素，并經過學生對知識整合后，再以直觀的圖像輸出理解的信息，從而提升學生的提問能力、實驗探究能力、分析解決問題的能力、繪圖能力等，將提升學生的素養落到實處。

三、教學內容分析

金屬與酸的反應是人教版教材九年級化學第八章第二課題的重要內容，課標中該部分內容屬于二級主題，屬于身邊的化學物質范疇，通過觀察、探究幫助學生理解它們對人類生活的影響，能增強學生對化學的好奇心和探究欲望，讓學生初步認識物質的用途和性質之間的關系。在教學中，金屬和酸的反應既是金屬又是酸的核心知識，具有承上啟下的作用，對此金屬與酸反應的速率中各要素之間的關系處理是否得當即為后期酸的學習埋下伏筆，又為學生繼質量守恒定律學習后再次接觸到化學量的計算做到了補充，為形成化學學科的思維和化學觀念起到了非常重要的作用。

四、學情分析

1.知識的儲備及化學基本觀念。初三學生已經完成了化合物、單質、置換反應等基本概念的學習，且掌握了質量守恒定律及化學反應前后反應物、生成物之間的量的轉化關系。學生前期知識的儲備較為全面，微粒觀已經形成，變化觀有待補充和完善，這些都對本節課的學習起到了很好的支撐作用。另外，學生已經掌握了實驗探究的基本步驟，能完成簡單的驗證實驗，能完整地表述實驗現象，推理、歸納出實驗結論，分析實驗誤差影響因素，很好地樹立了科學的實證觀。

2.實驗的推理論證能力。學生已經掌握了實驗探究的五個步驟，并對實驗設計思路比較清晰，另外對生成物的收集和驗證也較為熟悉，為實驗的推理論證以致顯性的輸出也有了基本的保障。但是在學習的過程中，學生對知識點之間的結構化不太清晰，缺乏對知識點系統框架的凝練和內化，缺乏內化后知識轉化為能力的顯性化輸出環節。

3.學生心理特點。初三學生正處于思維由感性化轉化為理性化的階段，其思維敏銳，活躍，好奇心強，對知識的獲取方法和輸出途徑非常感興趣，不輕易接收某些觀點，喜歡自己探究得出結論的過程。另外，學生自尊心強，都希望通過自己的努力證實自己，同時得到同齡人的認可和教師的肯定。

五、《課程標準》的要求

基于《課程標準》中化學學科素養的相關要求，該教學設計可以從以下兩點切入：（1）“科學思維”，采用控制變量的思維處理影響金屬和酸反應速率的影響因素。（2）“科學探究與實踐”，應用分組探究的方式，通過實驗數據的分析和推理，在實驗中獲得結論，形成學科觀念和科學思維。

六、教學流程

1.創設情境，提出問題。教師在教學中可用生活中的情境作為課堂引入，設問提出生活中的金屬和酸反應的具體的例子，并從生活觀察著手，對照實驗室制備氫氣的反應速度，親身感知金屬與酸反應速率的不同。

2.實驗驗證，證據推理。初三的學生對探究世界中物質的興趣是非常濃厚的，教師可在問題的驅動下引導學生依據已有的知識進行思考，列出影響反應速度的多種可能因素：金屬的種類、金屬的質量大小、金屬的純度、酸的種類、酸的濃度等。在此基礎上使用分組實驗探究的方法，不同的組領取不同的任務，完成不同的影響因素對金屬和酸反應速率的影響實驗設計。教師首先引導學生采用控制變量的思維，提升分析解決問題的能力，然后學生完成儀器的組裝，操作實驗，完成實驗現象和數據的記錄，并依據現象、數據驗證猜想。不同組的學生代表發言，說出自己組的觀點；多組將實驗結果匯總，整合歸納，分析要素，得出結論。教師再繼續設問：既然金屬與酸反應的速度與上述因素有關，那這四個因素又是如何影響氫氣的生成量的？學生積極思考，分情況提出假設，設計實驗，并分解實驗的實施步驟，完成實驗。教師講述在實驗過程中影響氣體的生成量主要有兩個因素，一個是酸的質量，另外一個是金屬的質量。若酸的量足夠多，氫氣的生成量就只與金屬的量和種類有關系；若金屬的量足夠多，氫氣的生成量就與酸中溶質的質量有關系；再運用控制變量的思維來解決這部分內容。

3.圖像構建。教師提出問題：如何能更直觀地反映出氣體生產量和影響因素之間的關系？學生再次分組活動，針對不同組引領的不同任務仔細思考，區分各項任務中的變量問題。組內成員可以合作交流，各抒己見，在能力范圍內用圖像直觀展示。教師引導學生分析各組展示圖像中的自變量和因變量，將控制變量的科學思維方法貫穿于教學的整個活動中。學生再次活動，按自己對知識及因變量、自變量的理解，繪制出對應圖像。教師引導學生分析各自繪制的圖像，達成共識，完成教學目標。

4.問題解決。學生在合作探究、推理的基礎上，掌握了在復雜因素中使用控制變量的思維，將問題整合后再確定自變量和因變量，挖掘知識的價值，并通過最直觀的圖像呈現出來，得到事半功倍的效果。

七、教學實錄

（一）課堂引入

教師：酸雨主要是化石燃料燃燒后的氣體擴散到空氣中和水作用形成的酸溶液，酸雨有什么危害？具體可以和哪些類別的物質反應？實驗室制備氫氣的原料是什么？酸雨與金屬的反應和實驗室制備氫氣的反應速度有什么不同？

設計意圖：從生活入手創設情境，產生驅動性任務，同時培養學生的環保意識。

（二）分析要素，聚焦論證過程

學生：依據生活經驗和觀察，做出回答。

教師：同學們能從生活中細心觀察，是非常值得表揚的。另外通過同學們的回答，可以從中歸納出影響金屬和酸反應速度的因素有溫度、金屬的性質、酸的性質、金屬的量、酸的量等。這些因素可以劃分為內因和外因，外因諸如溫度等。對這部分內容的學習我們主要考慮內因對金屬和酸反應速率的影響，如金屬的性質、酸的性質、金屬的量、酸的量等。如何證實？

學生：分組實驗探究，不同的組領取不同的任務，完成不同的影響因素的實驗設計。1 號組負責探究金屬的性質對金屬和酸反應速率的影響；2 號組負責探究酸的性質對反應速率的影響；3 號組負責金屬的量是如何影響金屬和酸反應速率的；4 號組負責酸的量是如何影響金屬和酸反應速率的。

學生：依據設計思路，選擇必要的儀器，完成儀器的組裝，操作實驗并完成實驗現象和數據的記錄任務。1 號組的學生設計中選取了不同種類的金屬，不同純度的鋅粒。金屬的顆粒大小，酸的種類，酸的濃度都是相同的。2 號組的學生設計中選取了不同濃度的酸，金屬的種類、金屬的純度、金屬的表面積都是相同的。3 號組的學生設計中選取了不同質量的鋅粒，對鋅的純度、顆粒大小，酸的種類、濃度等的選取都是相同的。

設計意圖：以小組探究的形式，學生分工合作，明確探究內容，設計實驗方案。培養學生的實驗操作能力、觀察能力，科學態度和控制變量的科學思維能力。

學生：描述現象，分析數據，得出結論，驗證猜想。

設計意圖：提升學生的語言表達能力，培養學生證據推理論證的能力，培養學生的科學探究和實踐能力。

學生：將多組實驗結果匯總，整合歸納，分析要素，得出結論：金屬與酸反應的快慢主要有如下幾個影響因素：金屬的性質、酸的性質、金屬的純度和表面積、酸的濃度。

設計意圖：培養學生對信息的分析和處理能力。

教師：既然金屬與酸反應的速度與上述因素有關，那這四個因素又是如何影響氫氣的生成量的了？

學生：分情況提出假設，分兩組設計實驗，并分解實驗的實施步驟。

設計意圖：提升學生分析解決問題的能力。

學生：完成實驗。第一組（1 號組和2 號組）采用質量守恒定律，分別測定反應前燒杯中的硫酸（酸足量）和托盤上的鋅粒、鐵的質量總和，再將鋅和鐵分別投入酸中，待不再產生氣泡后，再次稱量，記錄數據；第二組（3 號組合4 號組）同操作，只是在操作中選用相同質量（少量）和溶質質量分數的硫酸，金屬過量，實驗完畢后稱量、記錄數據。學生分析同一個問題不同小組得到的數據，得出結論。

教師：我們通過對實驗過程中數據的分析，可以得出影響氣體的生成量主要有兩個因素，一個是酸的質量，另外一個是金屬的質量。若酸的量足夠多，氫氣的生成量就與金屬的量和種類有關系；若金屬（種類相同）的量足夠多，氫氣的生成量就與酸中溶質的質量有關系。由此可見，控制變量的科學思維法在這部分知識的學習中是非常重要的。在相同質量的不同金屬被用完，酸足夠多的情況下，氫氣的生成量主要受哪些因素的影響？在考慮這個問題時，那些次要因素（如酸的濃度、酸的種類、金屬的表面積、金屬的純度等）又如何處理？

學生：積極思考，在主要任務的引領下取主去次，確定因變量和自變量的關系，靈活應用控制變量思維解決實際問題。

設計意圖：提升學生分析解決問題的能力。

（三）圖像構建

教師：如何能更直觀地反映出氣體生產量和影響因素之間的關系。

學生：用圖像來反應更加直觀。1、2、3、4 號組分別引領了相同質量不同種類的金屬和足量的酸反應后，繪制氫氣的生成量—反應時間的關系圖；相同質量不同種類的足量金屬和相同質量不足量的酸反應后，繪制氫氣的生成量—反應時間的變化關系圖；相同質量不同種類的足量金屬和相同質量不足量的酸反應后，繪制氫氣的生成量—金屬消耗量的變化關系圖；相同質量不同種類的足量金屬和相同質量不足量的酸反應后，繪制氫氣的生成量—反應時間的變化關系圖；相同質量不同種類的足量金屬在加入同質量酸時，繪制氫氣的生成量—加入酸的質量的變化關系圖。針對不同組引領的不同任務，學生仔細思考，區分各項任務中變量問題，組內成員可以合作交流，各抒己見，繪制圖像。

教師：引導學生分析各組展示圖像中的變量問題，達成共識，強化控制變量思維在圖像題中的應用，完成教學目標。

設計意圖：培養學生的圖像認知能力，提升學生的科學思維，培養學生的學科素養。

八、教學反思

本節課是圍繞著探究金屬與酸反應速率與哪些因素有關這樣一個驅動性的問題展開的，把酸雨反應的速率和實驗室制備氫氣的速率做對比引入問題，注重運用問題啟發學生思維。后基于采用控制變量等的實驗設計思路、分組探究、要素整合等多步環節，注重學生多角度分析解決問題能力的培養；注重學生分析處理信息的能力的培養；注重學生實驗探究和實驗操作能力的培養。對所學知識整合后，以教師的問題引入為契機，順理成章引入圖像分析和圖像的繪制。整個過程充分應用了學生的自主學習、探究的能動性，加以教師的引導，很好地完成了核心素養落實在教學中的目的，并最大限度地提升了學生的科學思維。