注重科學(xué)探究 解決實(shí)際問題

李焱 孫慧杰 趙薇 李慧云

關(guān)鍵詞：高中化學(xué);負(fù)壓救護(hù)車;真實(shí)情境;科學(xué)探究

中圖分類號(hào)：G633.8? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ? 文章編號(hào)：1009-010X（2023）32-0061-04

本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容是人教版《化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）》第一單元課題2“化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)”的第2課時(shí)，隸屬于《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課標(biāo)》）學(xué)習(xí)主題一“科學(xué)探究與化學(xué)實(shí)驗(yàn)”。本節(jié)課的主要內(nèi)容包括兩個(gè)方面：一是通過實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)識(shí)比較人體吸入的空氣和呼出的氣體中CO2、O2和水蒸氣含量多少的方法，并體驗(yàn)控制變量學(xué)科方法的運(yùn)用;二是基于實(shí)驗(yàn)過程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的“發(fā)現(xiàn)問題——提出問題——作出猜想——設(shè)計(jì)方案——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)——收集證據(jù)——得出結(jié)論——反思評(píng)價(jià)”的一般思路。

本節(jié)課的關(guān)注點(diǎn)有：一是分析吸入與呼出氣體中氣體含量發(fā)生了哪些變化;二是按照教材的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;三是在實(shí)驗(yàn)過程中體驗(yàn)科學(xué)探究的要素和控制變量這一學(xué)科方法的運(yùn)用。如何創(chuàng)設(shè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生在解決真實(shí)問題的過程中自然地體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，并認(rèn)識(shí)化學(xué)的學(xué)科價(jià)值是我們?cè)O(shè)計(jì)本節(jié)課時(shí)著重突破的難點(diǎn)。

一、教學(xué)目標(biāo)

第一，通過對(duì)負(fù)壓救護(hù)車相關(guān)問題的探究，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的一般思路和方法。

第二，通過比較氧氣、二氧化碳、水蒸氣含量的科學(xué)探究過程，體會(huì)化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，并體驗(yàn)控制變量學(xué)科方法的運(yùn)用。

第三，通過探究“負(fù)壓救護(hù)車中是否需要不斷換氣”和“防護(hù)眼鏡上水霧產(chǎn)生的原因”等真實(shí)情境問題，體驗(yàn)化學(xué)學(xué)科的價(jià)值之一是解決實(shí)際問題。

二、教學(xué)思路

教師通過醫(yī)療常用的防護(hù)設(shè)備“負(fù)壓救護(hù)車”和“護(hù)目鏡”創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，并基于學(xué)習(xí)情境將本節(jié)課分為三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)（圖1所示是本節(jié)課的教學(xué)思路）。

三、教學(xué)實(shí)錄

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，提出問題。

教師展示負(fù)壓救護(hù)車的圖片，并提出問題：你對(duì)負(fù)壓救護(hù)車有哪些了解或疑惑？

學(xué)生紛紛發(fā)言，進(jìn)了如下交流：

針對(duì)學(xué)生的討論，教師類比“負(fù)壓原理”在生活實(shí)際——抽油煙機(jī)中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生分析負(fù)壓救護(hù)車的“負(fù)壓”原理。

教師給出圖2所示的資料卡片，資料顯示：負(fù)壓凈化裝置和負(fù)壓隔離倉的造價(jià)幾乎占了負(fù)壓救護(hù)車總造價(jià)的二分之一。于是，提出新的問題：“我們只要制造一個(gè)封閉的救護(hù)車即可實(shí)現(xiàn)帶有傳染性病菌的空氣不外逸，為什么還要花費(fèi)如此高的代價(jià)制造不斷換氣的負(fù)壓救護(hù)車呢？”

學(xué)生討論后認(rèn)為人體呼出的氣體與吸入的空氣成分不同，并根據(jù)初中生物課中所學(xué)的人體的呼吸作用的變化“有機(jī)物+氧氣→二氧化碳+水+能量”，作出合理的猜想與假設(shè)：人體呼出的氣體與吸入的空氣相比，CO2含量增加、O2含量降低、水蒸氣含量增加。

環(huán)節(jié)二：探究負(fù)壓救護(hù)車中是否必須不斷換氣。

探究1? 驗(yàn)證人體吸入和呼出氣體中O2含量的變化。

首先經(jīng)小組內(nèi)討論確定實(shí)驗(yàn)依據(jù)：“氧氣具有助燃性”，然后進(jìn)行小組合作實(shí)驗(yàn)。圖3所示是學(xué)生設(shè)計(jì)的3種不同的實(shí)驗(yàn)方案和觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)后教師組織學(xué)生對(duì)3種方案進(jìn)行充分討論：方案3由于沒有控制吸入和呼出氣體的體積相同，故該方案不合理，方案2現(xiàn)象不明顯，故相比之下方案1是最佳方案。由此強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)控制變量這一學(xué)科方法的認(rèn)識(shí)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生注意在驗(yàn)證猜想假設(shè)時(shí)，確保實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯也是實(shí)驗(yàn)方案科學(xué)性的一個(gè)方面。

經(jīng)過充分討論，全體學(xué)生最后達(dá)成共識(shí)：呼出氣體中O2含量降低了。

探究2? 驗(yàn)證人體吸入和呼出氣體中CO2含量的變化。

教師將圖4所示生物教材的內(nèi)容作為資料呈現(xiàn)給學(xué)生，然后提出如下問題：請(qǐng)利用所給儀器和藥品，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證吸入與呼出氣體中CO2含量的變化。

儀器和藥品：集氣瓶、澄清石灰水、吸管、注射器、膠頭滴管和量筒。

請(qǐng)兩位同學(xué)到講臺(tái)上演示自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案。

在探究1的基礎(chǔ)上，兩位同學(xué)已經(jīng)形成了控制變量的意識(shí)，分別收集吸入的空氣和呼出的氣體各1瓶，然后向其中加入相同體積、相同濃度的澄清石灰水，不同的是兩位同學(xué)分別選用了注射器和膠頭滴管控制加入石灰水的體積。由此說明在探究1的基礎(chǔ)上，學(xué)生對(duì)控制變量的運(yùn)用由“無意識(shí)”轉(zhuǎn)化為“有意識(shí)”行為。

通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：呼出氣體中CO2含量較高。

探究3? 模擬封閉不換氣體系中的呼吸作用，觀察CO2和O2含量的變化。

圖5所示是一個(gè)自制的帶有二氧化碳和氧氣傳感器的全封閉不換氣模擬裝置。請(qǐng)2位同學(xué)通過消過毒的呼吸面罩在這個(gè)封閉體系中進(jìn)行呼吸，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表：

通過模擬實(shí)驗(yàn)學(xué)生更加清晰地感受到人體在呼吸過程中確實(shí)會(huì)引起CO2含量的升高和O2含量的降低。那這是否就是負(fù)壓救護(hù)車不斷換氣的原因呢？

探究4? 理論計(jì)算，進(jìn)一步理性分析。

教師給出圖6所示的資料卡片，提出如下問題：若負(fù)壓救護(hù)車內(nèi)空氣的體積約8000L，負(fù)壓救護(hù)車內(nèi)同時(shí)有醫(yī)護(hù)人員和病人共計(jì)5人。請(qǐng)計(jì)算多長時(shí)間后車內(nèi)5人開始出現(xiàn)不適癥狀？

同學(xué)們很快完成如下兩個(gè)運(yùn)算：

8000升×（21%-19%）÷21升/小時(shí)÷5人≈1.5小時(shí)/人

8000升×1%÷（9升/分鐘×4%）÷5人≈44分鐘/人

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)分析不斷換氣的原因：（1）二氧化碳含量升高的影響高于氧氣含量降低的影響;（2）實(shí)際上呼吸既消耗氧氣又產(chǎn)生二氧化碳，雙重影響會(huì)縮短人的生存時(shí)間;（3）由于負(fù)壓救護(hù)車內(nèi)載有呼吸急促的病人，更加需要新鮮空氣的供給。進(jìn)而確定負(fù)壓救護(hù)車不斷換氣確實(shí)與人的呼吸有關(guān)系。

探究5? 模擬封閉定向換氣體系中的呼吸作用，并觀察CO2和O2含量的變化。

圖7所示是在探究3中的裝置（即圖6所示）基礎(chǔ)上加裝一個(gè)抽氣泵后的封閉定向換氣模擬裝置（類似負(fù)壓救護(hù)車中的換氣情況），然后重新請(qǐng)2位同學(xué)再次進(jìn)行呼吸，發(fā)現(xiàn)裝置中二氧化碳和氧氣的濃度都幾乎不發(fā)生變化。

經(jīng)過上述探究活動(dòng)，同學(xué)們清晰地認(rèn)識(shí)到：負(fù)壓救護(hù)車中不斷換氣與人體的呼吸有著密切關(guān)系，必須要不斷換氣確保醫(yī)務(wù)工作者和病人吸入的空氣質(zhì)量，這也是保證他們生命安全的屏障之一。

環(huán)節(jié)三：探究醫(yī)護(hù)人員防護(hù)眼罩上水霧產(chǎn)生的原因及去除方法。

教師通過短視頻介紹：負(fù)壓救護(hù)車因擁有負(fù)壓醫(yī)療艙、負(fù)壓隔離彈夾艙和醫(yī)護(hù)人員的防護(hù)裝備三重防護(hù)作用，被稱為移動(dòng)的N95口罩;但醫(yī)護(hù)人員長時(shí)間佩戴護(hù)目鏡后，鏡片上往往會(huì)出現(xiàn)大量水霧。

提出問題：你認(rèn)為防護(hù)眼鏡上產(chǎn)生大量水霧的原因有哪些？

學(xué)生經(jīng)過分析，認(rèn)為主要原因有兩個(gè)：（1）呼出氣體中水蒸氣含量升高;（2）呼出的水蒸氣遇到冷的鏡片發(fā)生了液化（即主要是溫度變化的影響）。

實(shí)驗(yàn)1：每小組用組內(nèi)某同學(xué)的眼鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，向其中右側(cè)鏡片上哈氣。

學(xué)生認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)中左、右兩側(cè)鏡片的溫度不同，不足以說明呼出的氣體中水蒸氣含量升高了。教師給出圖8所示的關(guān)于氯化鈷試紙的資料卡片，并組織學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)2：分別將氯化鈷試紙放入盛有吸入的空氣和呼出氣體的兩個(gè)集氣瓶中。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象學(xué)生得出結(jié)論：人體呼出氣體中水蒸氣含量確實(shí)比吸入的空氣中要高。

課后實(shí)踐作業(yè)：有什么方法可以幫助醫(yī)護(hù)人員免除霧氣的干擾？請(qǐng)同學(xué)應(yīng)用今天學(xué)習(xí)的科學(xué)探究的過程和方法進(jìn)行探究，可探究護(hù)目鏡材質(zhì)、玻璃厚度、防護(hù)液濃度等因素的影響。要求同學(xué)做好探究過程的記錄和整理，并在課上進(jìn)行分享交流。

四、教學(xué)反思

（一）創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，基于問題解決認(rèn)識(shí)化學(xué)的學(xué)科價(jià)值

《課標(biāo)》明確指出“化學(xué)是推動(dòng)人類社會(huì)發(fā)展的重要力量，在應(yīng)對(duì)能源危機(jī)、環(huán)境污染、突發(fā)公共衛(wèi)生事件等人類面臨的重大挑戰(zhàn)中發(fā)揮著不可替代的作用。”

本節(jié)課用轉(zhuǎn)運(yùn)病人的負(fù)壓救護(hù)車創(chuàng)設(shè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，以人體的呼吸作用切入，以物理學(xué)科中的壓強(qiáng)和生物學(xué)科中植物的呼吸作用等知識(shí)為基礎(chǔ)，以化學(xué)實(shí)驗(yàn)、定量計(jì)算、自制模型、傳感技術(shù)等為支架展開教學(xué)，學(xué)生通過觀察、討論、操作、記錄、計(jì)算、模擬、評(píng)價(jià)反思等多種方式，在不斷質(zhì)疑中探尋問題的答案。學(xué)生在真實(shí)情境中探索學(xué)習(xí)，以情境中的問題為起點(diǎn)，以化學(xué)實(shí)驗(yàn)與探究為手段，融趣味性、知識(shí)性、實(shí)踐性于一體，深刻地感受到了化學(xué)在人類面臨的重大挑戰(zhàn)中發(fā)揮的作用。

（二）強(qiáng)化學(xué)科核心素養(yǎng)，將課程目標(biāo)深植于學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)中

《課標(biāo)》基于大概念構(gòu)建的五個(gè)學(xué)習(xí)主題，每個(gè)學(xué)習(xí)主題中都增加了“……的思路和方法”的內(nèi)容要求。本節(jié)課用轉(zhuǎn)運(yùn)病人的負(fù)壓救護(hù)車創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，基于負(fù)壓救護(hù)車引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)“負(fù)壓原理是什么”“為什么不斷換氣”“護(hù)目鏡上大量水霧的原因”等問題，然后基于問題引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建了“進(jìn)行合理的猜想假設(shè)——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)收集證據(jù)——分析證據(jù)得出結(jié)論——反思評(píng)價(jià)”科學(xué)探究的一般思路。在整個(gè)探究過程中，不斷引導(dǎo)學(xué)生對(duì)二氧化碳、氧氣和水蒸氣含量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)反思，旨在促進(jìn)學(xué)生對(duì)控制變量學(xué)科方法的理解和應(yīng)用。科學(xué)探究的一般思路和控制變量的學(xué)科方法都是科學(xué)探究的基礎(chǔ)，也是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維形成的有效途徑，為后期學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“運(yùn)用簡單的技術(shù)設(shè)計(jì)、制作與使用有關(guān)模型”是科學(xué)探究與實(shí)踐能力的一個(gè)方面。本節(jié)課通過實(shí)驗(yàn)探究使學(xué)生認(rèn)識(shí)了人呼出的氣體與吸入的空氣相比氧氣含量降低、二氧化碳含量升高了，但這是否就是“負(fù)壓救護(hù)車不斷換氣”的原因呢？教師通過圖5和圖7所示的自制裝置，并輔助于二氧化碳和氧氣傳感器，創(chuàng)造性地模擬了密閉和負(fù)壓換氣狀態(tài)下二氧化碳和氧氣含量變化的實(shí)際情況，為學(xué)生創(chuàng)造了真實(shí)而又深刻的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，很好地落實(shí)了新課標(biāo)的課程目標(biāo)。

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