巧设探究过程 提高科学素养

马贤斌

[摘   要]科学思维是科学素养的重要组成部分，培养学生的科学思维是发展学生科学素养的重要途径。在测量空气中氧气的体积分数的过程中，让学生经历科学探究的过程，在探究过程中对实验装置进行改进，在改进过程中发展科学思维，提高科学素养。

[关键词]科学素养;探究过程;教学设计

[中图分类号]    G633.8        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）29-0080-03

科学素养的培养包含多方面的内容，如了解科学概念、掌握科学方法、树立科学思想、经历科学探究等。如何让学生有效地经历科学探究呢？现今的科学成就都是在巨人的肩膀上发展起来的，所以在教学过程中要充分利用这个特点，巧妙设计探究过程，让学生经历、体验经典实验的探究过程，培养学生的科学探究精神，发展学生的科学思维能力，提高学生的科学素养。以华师大版教材中的《空气的成分》第一课时“测定空气中氧气的含量”为例，谈谈本课例的教学设计及教学启示。

一、教学设计

1.链接生活，引出主题

（创设情境：病情较严重的新冠患者需要吸氧。）

师：病人为什么不吸空气呢？

生1：空气中的氧气含量比较低？

师：空气中的氧气含量是多少呢？一般我们所说的氧气含量是指氧气的体积分数，要测定空气中氧气的体积分数，必须测哪些物理量？

生2：要测量空气的体积和空气中氧气的体积。

师：如何测量？

设计意图：知识来源于生活，并应用于生活。利用生活中的实际情境引课，激发学生探究空气中氧气的含量的欲望，引出主题。

2 .引导探究，发展思维

（1）合作交流，确定测量方案

师：氧气和空气体积的测定是我们要解决的问题。取一瓶空气，瓶中的氧气含量与外界空气中的氧气含量一样吗？

生3：一样。

师：如何测量这一瓶空气的体积？

生4：先将瓶子装满水，再将水倒入量筒中，测出水的体积就能知道一瓶空气的体积。

师：用水测容器的体积时，水进入瓶子时，空气被排出，排出的空气的体积与进入的水的体积是什么关系？

生5：排出的空气的体积等于进入的水的体积。

（演示实验1：验证抽出的气体的体积与进入瓶中的水的体积相等 。）

师：将空气的体积这类难以直接测量的值转化为水的体积这类容易测量的值来进行测量，这是一种科学方法，叫转换法。

师：而这瓶空气中氧气的体积又如何测定呢？

（学生小组讨论方案，思路1：将其他气体除去，测定剩下的氧气的体积;思路2：用燃烧法将氧气消耗掉，通过测量减少的气体体积或剩余气体的体积，得到氧气的体积;思路3：消耗氧气，瓶内气压变小，将水压入，用水代替氧气的体积，测出的水的体积便是消耗的氧气的体积;思路4：分离出氧气，再测定其体积。）

师：在实际操作过程中，我们要从操作简便、现象明显、结果科学等几个方面去考虑。那么是消耗瓶内的氧气方便，还是分离出瓶内的氧气方便？

生6：消耗瓶内的氧气方便。

师：你会选择“谁”来消耗氧气？理由是什么？

生7：选择红磷，因为产物是固体，可避免对实验产生影响。

师：总结燃烧物选择的原则：只与氧气反应，且产物无气体。

设计意图：启发、引导学生利用取样法和转换法测量瓶中空气和氧气的体积，让学生亲身体验并思考讨论、充分理解其中的科学原理，为接下来的装置设计和改进打下知识和方法的基础。

（2）分析质疑，确定实验装置

（活动：设计实验装置，分享方案，相互质疑装置的不足，修正装置，得出最佳装置。）

（演示实验2：测定空气中氧气的体积实验。）

师：请同学们在实验过程中边观察边记录现象，并计算测得的氧气体积分数。

师：在两百多年前法国科学家拉瓦锡就用类似的实验测得空气中氧气的体积分数为20%。请分析你测得的结果存在差异的原因。

设计意图：由学生讨论并设计、操作实验，观察现象并计算结果;抛出问题让学生讨论结果是否准确，并寻找不准确的原因。在这个过程中意在培养学生动手、观察、计算、分析和反思的能力，并在尊重科学数据的基础上，像科学家一样去分析误差存在的各种可能因素，为接下来的实验装置改进做好铺垫。

（3）反思修正，改进实验方案

师：请同学们分析在实验中哪些地方会使测量结果产生误差。

（学生分析实验装置的不足，并提出改进方法。）

师：红磷足量真的能将瓶内的氧气消耗完吗？有研究表明，红磷燃烧后瓶内的氧含量还有6%。要精确测得氧气的体积分数，应该选择怎样的物质去消耗氧气？

生8：尽可能地多消耗些氧氣。

师：足量的铁粉几乎能把瓶内的氧气耗尽。生活中的暖宝宝里就有铁粉，除了铁粉还有其他的物质，这些物质能让铁粉与氧气在不加热的条件下也能迅速反应。

（演示实验3：用铁粉测定空气中氧气的体积分数。通过多次实验，测得的氧气体积分数为20%左右。）

设计意图：在科学精神的鼓舞下，在科学方法的指导下，对实验进行初步改进，让学生学习科学家的研究方法，培养创新精神。

3.应用科技，体现本质

师：在生活中用这套装置能否快速、精确地测量氧气的体积分数呢？

生9：不能。

师：随着科技的进步，出现了氧气传感器，可以直接测得空气中的氧气体积分数，非常方便。用该仪器测得空气中氧气的体积分数约为21%。

师（小结）：科学的进步需要不断质疑，不断探索，不断反思，不断改进……这就要求各位同学在学习的过程中，不但要学习科学知识，更要学习科学方法，提高科学思维能力。

设计意图：科学方法、科学知识都在不断地发展，测量方法的改变就是科学进步的体现，氧气传感器的出现让学生感受到了科学发展的日新月异。

二、教学启示

本课例通过“创设情境，引出主题;合作交流，确定方案;分析质疑，确定装置;反思修正，改进装置;应用科技，精确测量;归纳总结，发展思维”等教学环节，让学生经历科学的探究过程，发展学生的科学思维能力，提高学生的科学素养。

1.创设问题情境，发展合作交流能力

创设的情境是以新冠疫情为背景，问学生“病情较严重的新冠病人要吸氧时，为什么不吸空气”。学生根据生活经验认为空气中氧气的含量较低，教师水到渠成地引出本节课的学习内容“测量空气中氧气的体积分数”。科学的学习源于生活，用生活中的实际情境引课，能激发学生的学习兴趣，顺利地引出主题。

根据计算公式，测量空气体积和氧气体积是本次科学探究的重要环节。为了降低难度，教师让学生明白周围空气中氧气的体积分数与一瓶空气中氧气的体积分数是一样的，从而可以转换成测量一瓶空气的体积和氧气的体积。在这个环节中要引导学生思考以下几个问题：（1）如何测量瓶中空气的体积？（2）如何测量瓶中氧气的体积？（3）用哪种物质消耗氧气？

在解决第一个问题时，学生在已有前概念的基础上测得瓶中空气的体积。让学生思考排出气体的体积与进入瓶中水的体积的关系，并在猜想的基础上，利用装置进行验证。这套装置的引出也为如何测量瓶中氧气的体积指明了方向。师生在交流过程中确定用排水法进行氧气的测定，然后提供给学生几种物质进行选择，经过分析比较，选择最合适的物质作为消耗氧气的原料。用问题驱动，让学生从被动到主动，同时还渗透取样法、转换法等常用的科学方法，发展学生的科学思维能力。

2.激发思维碰撞，发展分析质疑能力

根据已经确定的测量方案，让学生以小组为单位进行合作，讨论选择合适的装置，并用装置图片进行组装。以这种方式开展活动是基于刚进入初中阶段的七年级学生对化学实验装置还不是很熟悉，这样会使活动更有效。

小组间分享方案，并相互交流、评价实验装置（可以从装置是否透明、是否密闭、是否要考虑物质燃烧时气体的热胀冷缩、怎样测量进入的水的体积等方面进行讨论），经过不断的改进，最终确定实验装置。利用这套装置并用激光笔点燃瓶内红磷的方式进行实验。实验前教师并没有把集气瓶划分为5等份，因为提前划分会限制学生的思维，不利于学生的后续学习。因为如果划分了5等份，学生就会想为什么不划分6等份，就会与探究实验的本质相去甚远。实验后观察实验现象、记录实验数据、计算出本次实验的氧气体积分数，并对比拉瓦锡实验结果，分析误差产生的原因。这个环节意在培养学生动手、观察、计算、分析和反思的能力。

3.经历递进探究，发展反思修正能力

分析结束后，提出问题“瓶内氧气一定被消耗完了吗”，并呈现有关科学资料：当瓶内氧气的体积分数低于6%时，红磷和氧气将不再反应。引导学生选择能把空气中的氧气几乎消耗完全的物质进行实验，出示创新实验：用铁粉测定空气中氧气的体积分数，并完成实验、观察现象、记录数据、得出结论。通过一次次的实验改进，使得测量结果更加准确，让学生经历层层递进式的学习与探究，发展学生反思、修正的能力。

科学教学不仅仅是向学生传递科学知识，更重要的是培养学生形成科学独特的学科思维，掌握科学探究的一般思路和方法，具备一定的学科核心素养。

[   参   考   文   献   ]

[1]  包义才，许文.以史探理，让学生触摸文明的进程：以“空气成分的探究”教学为例[J].中学教学参考，2020（26）：76-78.

[2]  陈檬，钟伟东，毛国永.基于“科学史—探究”法的教学实践：以“空气的成分”的教学为例[J].中学教学参考，2018（23）：78-79.

（责任編辑 罗 艳）