基于具身认知理论的定量探究思维模型构建

鄢斌 黄琦 陈前龙

摘要：基于“中和反应反应热的测定”定量实验的教学价值，以具身认知理论为基础，在大脑信息加工、身体实践体验及教学资源辅助的共同作用下，结合苏格拉底的“产婆术”，引导学生自主构建定量探究思维模型，促进学生高级认知发展，发展学生发散性思维和探究精神。

关键词：具身认知理论；中和反应反应热；定量探究；模型构建

1 教学主题内容及教学现状分析

“中和反应反应热的测定”选自新人教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》第一章“化学反应的热效应”第一节“反应热”，是培养定量探究思维的重要载体，是认识化学能与热能相互转化，体验化学反应热效应的基础实验，授课对象为高二学生。本课时的主要内容包括：（1）反应热测定的原理和方法，（2）定量实验探究的思维模型。

以往文献报道中多关注传统实验的不足，采用改进实验装置[1，2]、引入温度传感器[3，4]等方式提高测量的精确度，较少关注到“中和反应反应热的测定”教学设计的优化和学科价值的提炼。

2 教学思想

2.1 具身认知学习理论

具身认知源于20世纪70年代以来认知科学领域的重大变革，具身认知理论认为：学习过程不仅是大脑进行符号加工的过程，也是大脑与身体交织在一起的过程，这一过程表现为学科实践活动[5]。其强调身体的实践体验对形成高级认知的重要性（见图1）。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》正文部分提及“实践”一词多达26次，如何在课堂教学中开展有效的实践体验活动，构建身心交互发展的课堂，促进学生产生高级认知是课程改革中重点关注的问题。

2.2 具身认知理论与中学化学教学

具身认知理论在中学化学教学中呈进阶式体现。以“化学反应中的能量变化”为例，义务教育化学课程标准（2022版）中新增跨学科实践活动，在“基于特定需求设计和制作简易供氧器”实践项目中提出“综合考虑原理（能量变化等）自主创意设计供氧器”。即在初中学段已要求学生将“能量变化”与环境互动以解决实际问题，是具身认知学习在化学学科的初步体现。高中阶段是具身认知学习的深入体现，在必修阶段要求学生“宏-微（物质内能和化学键）结合”理解化学反应中的能量变化；在选择性必修阶段则上升到定量描述层面，最新的两版人教版化学教科书更是明确指向“体验化学反应的热效应”，要求学生能对反应热进行测量和计算，以实现从能量观的角度深层理解化学反应的能量变化。综上，高中阶段更关注“能量变化”的本质，注重知识显性与隐性的结合以及身体行动与大脑活动的协同作用。

2.3 具身認知理论与定量探究思维模型

具身认知理论强调认知是内外统一协调的过程，认知、身体和环境组成动态统一体。故以具身认知理论为基础引导学生构建化学学科实验学习的思维模型，不仅符合新课标基于学科本质从哲学层面揭示的“实践—认识—再实践（应用）”的学科核心素养认知逻辑[6]，更是将身体、心智和环境视为一个整体，将教师、学生、教学内容、教学资源、教学环境等要素聚合在一起，共同促进教学发展。本文以“中和反应反应热的测定”实验为载体，学生通过真实体验和自省完善，自主构建定量探究思维模型：明确目的-分析原理-设计装置-拟定方案-实践探究-分析优化-再次实践-平行测定（见图2）。

3 教学目标

（1）通过对吸热反应与放热反应的宏观感知，观察并感受化学反应中的能量变化，结合体系与环境理解反应热的概念，并从能量观的角度对化学反应进行分类。

（2）通过对中和反应反应热测定的实验探究过程，理解反应热测定的原理和方法，定量描述能量变化。分析产生误差的原因，完善和改进测定方法，培养严谨的科学态度。

（3）通过构建、完善和应用定量探究思维模型，发展证据推理与模型认知的学科核心素养。

4 教学流程

从热成像视频和自主实验入手，让学生从视觉和触觉层面感知化学反应的能量变化，促进对反应热概念的理解。定量探究过程中，引导学生从跨学科视角进行原理分析，到装置设计、方案规划、初次实验、反思优化、再次实验、思维提升、装置迭代、提取模型，注重师生、生生启发式互动，为学生打造身心交互的学习环境（见表1）。

5 教学实录

5.1 任务一：概念理解，原理分析

【引入】播放盐酸与NaOH溶液反应的热成像视频（见图3）。

【师】从视频中能感知到反应放出的热量。接下来，我们来触摸化学反应带来的“冰凉”。

【学生实验】将Ba（OH）2·8H2O和NH4Cl固体混合反应。

【师】化学反应除了有物质变化，还伴随能量变化。向环境中放出能量的反应属于放热反应，反之为吸热反应。请大家列举常见的吸热反应和放热反应。

【学生活动】回忆，列举，从能量观的角度对化学反应分类。

【过渡】如何定量描述化学反应过程中的热量呢？请阅读教材。

【生】可以用“反应热”来定量描述：在等温条件下，化学反应体系向环境释放或吸收的热量，称为反应的热效应，简称反应热。

【追问】如何理解体系、环境以及等温条件呢？

【生】体系指反应混合物，环境是与体系相互影响的其他部分（见图4），等温条件指反应前后体系的温度相等。

【问】可利用什么原理测定化学反应的反应热呢？

【生】用初中物理所学的公式：Q=cmΔt，测反应前后环境的温度变化和反应体系的质量，再结合比热容计算出热量。

【师】很好，反应体系的质量可以称量获取，也可以通过体积和密度求算。

5.2 任务二：同伴互助，装置设计

【驱动问题】如果要测定中和反应的反应热，需要一个测量温度变化（Δt）的量热计。那么，为了减小误差，量热计在设计时应考虑哪些问题？

【生1】用保温材料减少热量损失。

【生2】从之前热成像视频可以看出，溶液的扩散是需要时间的，为了减少热量散失，需要充分搅拌。

【师】同学们从保温和反应速率的角度考虑，很不错。请选择合适的材料（见表2）设计量热计，仪器可自选，将你的设计画在学案上。

【学生活动】讨论、展示（见图5）。

【问】比较两组作品，从材料选择上，同学们有什么看法？

【生】塑料的导热系数更低，外面的大烧杯最好选择塑料杯，然后加个塑料盖，既可以隔热又可以固定玻璃棒和温度计。

【师】很好。从可操作性的角度，这两套装置有一个相同的问题，请大家再思考。

【生】玻璃棒和温度计平行放置，搅拌的时候很容易损坏温度计，我们组设计了一根“L型”的玻璃棒，上下搅拌。

【师】很有创意，为提高搅拌效率，我们把“L型”的底部改成圆形，得到环形玻璃搅拌棒，上下匀速搅拌（见图6）。

5.3 任务三：方案预设，初次实验

【驱动问题】选用均为0.5 mol/L的稀HCl和NaOH溶液各50 mL，应该按怎样的步骤进行实验呢？

【生】将NaOH溶液加入HCl，迅速测量起始温度t1，不停搅拌，读取充分反应后的温度t2。

【师】从反应速率的角度，该同学提出的方案是否具有可操作性？

【生1】中和反应速率很快，将二者混合后测量的温度应该比起始温度高，应测混合前其中一份溶液的温度。

【生2】从热成像图像来看，HCl与NaOH的起始温度还是略有差异，所以最好以二者温度的平均值作为起始温度。

【师】观察得很仔细。空气的流动可能导致同一环境中的物质温度不同。为了提高数据的可信度，在混合前分别测NaOH溶液和稀HCl的温度，将二者的平均值作为起始温度。

【学生活动】进行中和反应反应热的测定实验，展示数据（如表3）

5.4 任务四：反思优化，再次实验

【驱动问题】资料显示，中和反应若生成1 mol水放出的热量为57.3 kJ，则理想的Δt≈3.4℃。有三组同学的数据明显偏小，是什么原因呢？

【生-第3组】应该是温度计在测量NaOH时没有洗净并擦干，而且用的同一个量筒量取溶液，导致起始温度偏高。

【生-第6组】我们加碱时不够快，热量散失较多，而且可能没有充分搅拌。

【生-第7组】我们应该是没有测得反应完全时的温度。

【追问】如何才能準确读取到最终的温度呢？

【生】我认为：温度会先逐渐上升，然后保持不变，此时反应结束。随后热量散失，温度会下降，所以应该留意最高点的温度。

【师】根据刚才的反思，请优化方案，再次进行实验。

【学生活动】优化方案，小组实验（见表4）。

【师】定量实验最好测三次及以上平行数据，由于时间关系，我们测两组数据。但是，假设第二组同学第三次测得数据Δt=2.2℃，计算时应该如何处理？

【生1】舍弃该数据，因为与前两次实验偏离太大，应该是异常数据。

【生2】从数学的角度，在不知道真实数据的情况下，我觉得应该再测一次数据，如果它与第三次测得的数据2.2℃接近，则四个数据均无意义，但如果它与之前两个数据接近，则应该舍弃2.2℃这个数据。

【师】非常严谨！在你们当前认知下，两位同学的思考都有一定的道理。为了追求实验数据的精准度、可信度，需要做多次平行实验，利用分析化学的方法进行数据取舍，大学里会进一步学习。请同学们用自己的两组数据，算出若生成1 mol水时的反应热。

注意：稀溶液的密度与水近似相等，为1 g/cm3。

【生】分析，计算（见图7）。

5.5 任务五：抽提模型，装置迭代

【驱动问题】大家能否用简洁的语言提炼出进行定量实验的共性步骤呢？比如，第一步往往需要理解概念、明确目的。

【学生活动】讨论，提炼。

【生】首先是明确目的，再分析原理，然后要根据需要和原理设计实验装置，接下来拟定方案，最后进行实验，可能会遇到一些问题，就需要我们总结经验再实验。

【追问】很好，还有补充吗？

【生】最终实验方案确定后，定量实验需平行测定3次及以上。

【师】梳理很到位。定量探究时，需遵循一个思维模型：明确目的-分析原理-设计装置-拟定方案-进行实践-分析优化-实践探究-平行测定。

【过渡】第二次实验，同学们的操作很规范，最后的计算也很准确。但是，得到的结果在数值上仍然小于该反应的真实反应热。请同学们再深入分析？

【学生活动】小组讨论。

【生1】仪器不可能100%保温，加碱后盖盖子的过程再快也需要时间，热损失不可避免。

【生2】忽略了量热计材料吸收的热量。

【生3】我们用的等量的酸和碱，但空气中含有CO2，会消耗NaOH，故NaOH应稍过量。

【追问】稍过量是体积增大一些还是浓度提高一些？

【生3】浓度！因为体积增大的话，多出来的水要吸热。

【师】很好。上一个问题还有补充吗？

【生4】其实，酸和碱的比热容c>4.18，且密度也大于1，所以计算结果偏小。

【生5】读取数据时，很难把握最高值，容易“差一点点”。

【追问】那么如何再优化试剂、仪器或是操作呢？

【生1】用保温杯保温，用针筒加碱，这样可以不开盖子；NaOH的浓度稍大于HCl；为了减少计算误差，可以用更稀的酸碱。

【生2】温度计读数不连贯，可以用温度传感器。

【师】很好。但是酸碱太稀放出的热量太少，不利于测量，我们仍然选用0.5 mol/L的稀HCl和0.55 mol/L的NaOH溶液各50 mL。

【演示】优化装置，再次实验（见图8）。

【师】这次的Δt=3.1℃，更接近于该反应的理想温差。本次实验改进的体验对同学们以后的学习有何启示呢？

【生】虽然本次结果仍不完全等于理想温差，但比之前都要更接近，这说明真理就是在不断的反思、认识和实践中慢慢浮现的，对待科学探究应该严谨求实，勇于钻研。

【师】为探求真知，我们要重视实践体验的过程，用科学的思路和方法身脑并用，不断实践，把握“异常现象”，反思、优化再实践，树立严谨求实的科学态度！

6 教学创新与反思

6.1 关注学生认知活动

具身认知活动分为即时性和结构性两种，前者是学习者具有随机性的直觉性反应，而后者强调回顾、反思，是学习者循序渐进的学习活动[7]。在该课时教学中，学生观看热成像视频、体验吸热反应、小组实验等过程为即时性具身认知活动，有助于对知识产生生成性的直觉反应；学生结合具体实验操作开展小组讨论、反思内化再实践等，实现认知提升，这和结构性具身认知活动的特点相符，加深了对内容本质的理解。

6.2 注重学生自主探究过程

本课时教学以学为本，注重学生的自主探究体验，激发了学生的发散性思维。如：（1）播放热成像视频的初衷是让学生感知温度变化，但学生捕捉到了溶液扩散的速率，由此想到了实验过程中需要搅拌；（2）学生在设计量热计时，创造性地设计了“L型”的搅拌棒，虽不是最佳答案，但这种创新思维值得鼓励；（3）方案的设计、反思和优化均主要由学生自主思考或小组讨论完成，学生变被动接受为主动学习，提升了自主探究能力。教学中还注重了对学生易错点的引导，例如该实验起始温度的界定是难点，通过学生主动暴露问题，教师予以解疑、引导，使学生的思维二次提升。

6.3 引导构建思维模型

“证据推理与模型认知”是学生在化学学科学习乃至科学探究中必须建立的学科特色思想和方法。本课时教学中，教师很好地起到了穿针引線的作用，通过关键问题导向和学习环境营造，引导学生具身体验并构建定量探究思维模型。无论是模型本身还是构建模型的过程，对于学生学科能力发展都有正向促进作用。

基于具身认知的化学课堂教学，能够将机械的静态课堂转变为有生成性的动态课堂[8]。无论是实验性内容的教学还是概念性、理论性内容的教学，化学学科的学习都特别强调“观”“动”“思”等结合，这与具身认知强调身心合一的主张不谋而合。因此，在化学常态课堂中实践具身型教学具有重要的意义。

参考文献

[1]郭思贝. 高中化学实验创新设计—中和反应热的测定[J]. 山东化工， 2017， 46（11）： 157-159.

[2]尹红菊， 侯能邦， 李俊莉， 王嘉麟. 关于中和反应热测定的实验改进研究[J]. 中学化学教学参考， 2014（17）： 54-55.

[3]成昌华. 利用温度传感器测定中和反应的反应热[J]. 中小学实验与装备， 2022， 32（01）： 15-16.

[4]苏雨禾. 基于手持技术的中和反应反应热的测定装置[J]. 中国现代教育装备， 2022（02）： 24-26.

[5]黄恭福， 邹海龙. 科学实践：“科学探究与创新意识”核心素养的意蕴[J]. 化学教学， 2020（10）： 3-7，13.

[6]郑长龙. 2017年版普通高中化学课程标准的重大变化及解析[J]. 化学教育（中英文）2018，39（9）： 41-47．

[7]郑旭东， 王美倩， 饶景阳. 论具身学习及其设计：基于具身认知的视角[J]. 电化教育研究， 2019， 40（01）： 25-32.

[8]刘硕， 刘翠. 具身学习视域下化学教学情境设计研究[J]. 山东化工， 2020， 49（14）： 227-229.