以模型建构统整初中化学实验教学的策略研究——以气体压强在初中化学实验复习教学中的应用为例

刘永茂 李少坤 朱授宇

湖北省武汉市第一初级中学(430024)

0 引言

《义务教育化学课程标准(2022年版)》(以下简称“2022版新课标”)指出,基于实验事实进行建构模型并推测物质及其变化的思维能力是科学思维核心素养包括的主要方面之一[1]。随着初中化学教学改革的不断推进,各类评价更倾向于考查学生的学习能力、实践能力。在此背景之下,依然有部分教师在教学中存在着重分析讲解,轻实践探究;重习题训练,轻归纳总结;重结论应用,轻模型建构的现象,这导致学生对知识的输出能力严重不足:不能灵活运用,不能做到举一反三,不能应对陌生复杂情境的挑战。进行主题式的认识模型建构教学研究,能引导教师转变教学观念,切实保证学生学习的有效性。

帮助学生建构化学认识模型,是促进学生认识发展的重要教学方式;模型的概括作用可以帮助教师和学生在面对各种问题时都能选取核心认识角度,调用相应的推理模式,能够以不变应万变地解决多种问题[2];建立认识模型可使复习的认识活动得以简化,使同样的认识过程能够重复出现,便于认识活动的传递和推广[3]。因此,基于化学认识模型设计和实施教学,有利于提高学生思维能力,促进学生模型认知素养的发展。

1 研究背景

初中化学教材中出现的与气体压强有关的实验装置图或其他图片有16处之多,还有许多与压强有关的化学知识与事实,它们都“散布”在初中教材之中,使得学生对与气体压强有关实验的认识“碎片化”比较严重,学生因为牵不住“牛鼻子”反复出错的现象屡见不鲜。从学生反馈的情况来看,最主要的错误形式有:①对现象的形成因素认识不到位;②对装置的功能认识不足(如缓冲气压、防止倒吸等);③不能清晰准确地判断流体流动的方向;④做不到准确、全面、严谨地描述实验现象。究其原因还是教师没有引导学生对气体压强问题形成结构化的认识,建构认识模型。

经查阅国内大量文献,目前基于压强对中学化学实验的研究主要集中在气体压强对化学实验影响的功能性分类,如用于装置气密性检验、气体的制取与消耗、测定生成气体的体积、对倒吸的防止和应用等。何彩霞、仇永红、余丽蓉[4]等通过压强问题对初中化学实验进行了重构与整合,并以学科本质与思维方法为统领,就教学活动设计和教学策略进行了探讨。但总体来讲,从建构认识模型的角度开展的研究比较少。

通过对气体压强问题的概括与提取,形成解决问题的思路与方法。笔者通过模型建构的方式进行,达到了较好的教学效果。

2 教学目标

(1)通过对压强问题相关知识的重构,引发对压强实验中产生的现象及压强变化因素的思考,初步形成分类归纳的意识。

(2)通过对不同因素导致压强变化的探究,体会液体的流动方向与压强的关系,进一步梳理化学实验中压强问题的分析思路。

(3)通过两种不同任务情景下压强问题分析与预测流程的对比,建构化学实验中压强问题认识模型。

(4)通过创设不同的问题情境,加强对压强问题认识模型的应用,增强迁移创新能力。

3 教学思路

教学思路见图1。

图1 教学思路

4 教学实录

4.1 分类概括压强实验中的现象及压强变化的因素

课前任务:复习课本中与压强有关的实验,填写表1学习任务单。

师:这是我们班同学完成的课前任务单,结合你的思考,你觉得压强问题在实验中主要涉及哪些应用呢?

生1:可用于检查装置的气密性、制取气体、检验气体的性质,例如检验二氧化碳能溶于水,还可用于测定空气中氧气的含量。

生2:我觉得还可以用于测量气体的体积。

生3:我觉得还可以用于缓冲气压及防止液体倒吸。

师:大家总结得非常全面。接下来请大家继续评价一下该同学所填写的答案表述是否准确。

生1:实验2的名称应准确表达为探究二氧化碳能溶于水,实验3的现象应表述为进入集气瓶中的水约占瓶中空气体积的1/5。

生2:实验1中压强变大的原因应当为反应生成了二氧化碳使试管内气体量增多。

师:根据以上实验中产生的现象,你能概括一下,由于压强变化导致的主要现象有哪些类别吗?

生:冒气泡、液面升降、液体倒吸、装置体积变小……

表1 课前学习任务单

4.2 形成压强问题认识思路

师:化学实验中产生的不同现象与压强及导致压强变化的因素之间有什么逻辑关系?我们应如何利用压强分析与解释实验中产生的现象呢?

问题情境:在图2中[4],用注射器将液体X注入锥形瓶,和锥形瓶内物质Y相遇,过一段时间,瓶外气球膨胀。形成这一现象常见的物质组合有哪些?

图2 问题情境

师:请举例说明,并按照一定的逻辑关系,以流程的方式分析气球膨胀的原因。

生1:以水和氧化钙的反应为例,气球膨胀是由于瓶内压强增大,而瓶内压强增大是由于反应放热导致瓶内温度升高,气体受热膨胀。

生2:以金属锌与稀硫酸的反应为例,气球膨胀是由于瓶内压强增大,而瓶内压强增大是由于反应生成气体,使得瓶内气体的量增多。(随着学生的表述,PPT呈现如图3所示。)

师:第2个箭头内应该填什么?

图3 利用压强分析气球膨胀现象流程

生:应填入气体的流向,即瓶内气体进入气球。

师:导致瓶内温度升高和气体量增多的原因还可能有哪些?

生:温度升高还有可能是溶解放热,如氢氧化钠溶于水。气体的量增多,还有可能是固体和液体在常温下反应生成了氧气或二氧化碳。

师:实验中气体的流向由什么决定?其流向有何规律?能否设计实验予以证明?

生:气体之所以流动是因为存在压强差,并且会从高压处流向低压处,我们可以按如图4所示装置进行验证。

师:如果推(或拉)注射器的活塞,请你预测一下可能会产生什么现象。

图4 气体的流向规律验证装置

生1:若推动活塞,由于注射器内气体体积减小,导致注射器内压强增大,注射器内气体进入集气瓶中,导致集气瓶内长导管口有气泡冒出。

生2:若往外拉注射器的活塞,注射器内气体体积变大,压强变小,液体向注射器内部方向流动,导致集气瓶内长导管内液面会上升。

师:请大家连接桌面上的仪器,对刚才的预测进行验证。

学生实验:分别推或拉注射器活塞,观察实验现象,感受气体流向与压强的关系。

学生小结:气体流动是因为存在压强差,且气体由压强高处向压强低处流动。

师:此实验还说明了压强变化与什么因素有关?

生:气体的体积变化。

4.3 建构压强问题认识模型

师:通过前面的学习,我们对与压强有关的不同实验做了一些流程化的分析与预测,我们能否进一步将它们归纳一下,最好能形成一个分析同类问题的框架,以便我们在遇到新的同类问题时,能以这个框架或模型为依据,有方向、有步骤地进行条理化的分析与预测,进而有效地解决问题呢?

首先,我们以问题情境为例进行分析(用电脑再现图1)。

生:气球膨胀是因为有气体进入气球,气体之所以进入气球是由于瓶内压强增大,而压强增大主要是由于温度升高和气体的量增多所导致(PPT呈现分析流程,如图5所示,从左至右4个方框颜色依次为黑、蓝、黄、绿)。

图5 不同现象产生原因分析流程

师:我们再以气体的流向规律验证实验为例,请大家回顾我们是如何预测在推注射器的活塞时所产生的现象的(用电脑再现图4)。

生:推注射器的活塞,会使注射器内气体体积减小,增大了注射器内的压强,气体会向右流动,左侧导管口有气泡冒出(PPT呈现预测流程,如图6所示,从左至右4个方框颜色依次为黑、蓝、黄、绿)。

图6 基于不同原因预测实验现象思路流程

师:现在,将图5和图6进行对照,并参考模块的颜色,请你归纳出对压强问题具有分析与预测功能的认识模型。

生:通过对相同颜色的模块所表示的内容进行概括,笔者认为4个模块所表达的内容依次为实验现象、物质的流向、压强变化与影响因素。其中,实验现象主要有冒气泡、倒吸、液面升降和装置体积的变化。影响因素主要有气体温度、气体的量以及气体体积的变化。可建构出如图7所示压强问题认识模型。

图7 初中化学实验压强问题认识模型

4.4 应用模型解决实际问题

师:有了这个认识模型,就拿到了解决压强问题的钥匙,现在我们就来用一用。

课堂评价1:若利用图8所示装置控制反应停止,请回答下列问题。

问题1:如何让气泡不再继续产生?

图8 课堂评价1

生:使固体与液体分离,反应停止。

问题2:稀盐酸如何流动才能达到固液分离的目的?

生:稀盐酸向左端流动。

问题3:如何使稀盐酸向左端流动?

生:增大装置内气压。

问题4:如何增大装置内气压?

生:使装置内气体量增多,关闭活塞即可。

课堂评价2:在图9中[4],用注射器将液体X注入锥形瓶,和锥形瓶内物质Y相遇,过一段时间,瓶内气球膨胀。形成该现象常见的物质组合有哪些?

生:瓶内气球膨胀,说明空气进入气球中,瓶内压强减小。从压强减小的三大因素:气体的量减少、温度降低和气体体积变小来看,气体的量减少类的组合可以为碱溶液与二氧化碳或氯化氢气体;水与可溶性气体;酸溶液与氨气。温度降低类的组合可以为固体溶解吸热,如水与硝酸铵反应。由于锥形瓶体积一定,气体体积减小这一因素不可能。

图9 课堂评价2

5 教学反思

5.1 建构“微型模型”,积小胜为大胜

模型建构并不是一个新鲜的词汇,之所以在当下成为一个热词,最主要的原因还是在初高中两版新课标的指导下,大家对模型建构这个词有了新的而且是非常重要的认识,采用模型建构的方式能有效凝练认识思路,进一步发展学生的科学思维能力这一观念已得到广大教师的一致认同。本节课教学设计的本意并不在于建立一个体系完善、要件齐备“大而全”的理想模型,而是尝试在学习过程中建构一种“微型模型”,或者说是“小专题模型”,这样“积小胜为大胜”,不断积累经验,为建构内容更多、体系更复杂的主题认识模型打下坚实的基础。

5.2 外显分析思路,促进模型建构与应用

通过教学实践证明,采用思路外显方法,能有力促进压强问题认识模型的建构与应用。本课例外显思路的做法主要有三处:一是对问题情境的分析与解决中,用箭头显示分析流程,从心理学的角度,“流程感”强。空格部分流体的流动方向为现象与压强变化的衔接点,采用填空的方式予以强化,以凸显其“桥梁”与“纽带”作用,使逻辑链条更加清晰,同时为回答流体的流动方向与压强的关系作好铺垫。二是在建构模型环节,通过PPT展示,将上下两个流程按从左到右的顺序各分为4个填充颜色不同(如黑、蓝、黄、绿)的“模块”,使上下对应的2个“模块”颜色相同,这样通过颜色将8个“模块”分成了4类,以此引导学生分类归纳,建构认识模型。三是在模型应用环节,通过以问题为导向,用PPT将认识模型中的4个方面采用与图3相同的方式,用箭头以纵向的方式与4个问题逐一匹配,并随着问题的解决,将4个箭头同步依次呈现,进一步将认识思路“外显”,强化学生利用模型分析问题的意识,提升模型应用能力。

5.3 建构模型应具有一定的灵活性

教师在进行模型建构教学设计时应具有一定的灵活性。就压强问题的实验教学而言,所建构的模型并不是唯一的,可以根据不同的需要建构不同的模型。如学习第1单元装置气密性的检查时,便可以建构装置气密性检查的模型,再用模型去预测并解决陌生情景的问题;学习第2单元空气中氧气含量测定时,也可以建构测定气体混合物中各组分体积分数的模型以解决相似的问题。在上复习课时,可以针对学生对现象描述不全面、不准确等问题,建构如本课例所示的压强问题认识模型,找到实验现象发生的根源。总之,模型的建构教学从教授时间安排上可早可晚;从组织内容范围上可大可小,可以是“大模块”,如一个单元的总结,也可以是某一类有共性而又不易突破的问题;从课型上可以是新授课,也可以是复习课。关键是要使学生形成自觉的模型建构意识,增强对知识的迁移应用能力,学会解决实际问题的“本事”,发展科学思维核心素养。