基于深度学习的初中化学迷思实验教学案例

陈懋　朱依凤

摘要： 从迷思概念、认知逻辑、深度学习三个角度，分析初中科学教材“倾倒二氧化碳使蜡烛熄灭”实验存在的问题；基于深度学习理念，从学生认知逻辑出发，迁移氧气性质的验证方法，通过问题引导设置三个小实验认识二氧化碳的性质；再让学生设计倾倒二氧化碳灭火实验，分析异常现象产生的原因，点燃思维智慧火花，提高学生的学科核心素养。

关鍵词： 初中化学； 深度学习； 迷思实验； 二氧化碳； 实验探究

文章编号： 10056629（2023）11006204 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 迷思实验的界定

“迷思”一词起源于希腊语单词（mythos），泛指人们无法以科学方法验证的领域或现象。“迷思概念”是指学生头脑中存在的与科学概念不一致的认识［1］。而“迷思实验”源自“迷思概念”，“迷思实验”是指与学生经验不一致的混沌实验。“初中化学迷思实验”是指在实验教学中，因学生的经验与科学知识只有部分重合，而导致实验现象不明确、实验原理讲不清、实验结论不严谨等像“迷思”一样的混沌实验。学生的“迷思”往往源自日常的生活经验，且在一定的范围内可能得到合理的解释并为日常经验所证实。因此，学生往往对其深信不疑，比如液体是可以倾倒的，而气体不行。教材中“倾倒二氧化碳使蜡烛熄灭”就是一个迷思实验，而迷思实验可以引发学生的兴趣，培养科学探究能力，促进深度学习的发生，因此该实验的教学价值不言而喻。

2 对教材实验的分析

2.1 从学生迷思概念分析

对学生来说，人体呼出的气体中含有二氧化碳，二氧化碳是一种非常熟悉的物质。由于之前只体验过倾倒液体，所以对于二氧化碳可以像水那样在容器之间倾倒是缺乏感性认识的；学生通常认为物质支持燃烧就是可以燃烧，所以对于二氧化碳不支持燃烧也不可以燃烧也缺乏理性认识。

“倾倒二氧化碳使蜡烛熄灭”的实验，在浙教版初中科学教材中以“活动”栏目的形式出现，教师按照教材方案演示时（见图1），会出现“上面的蜡烛先熄灭”“两支蜡烛同时熄灭”“两支蜡烛都不熄灭”等多种异常现象。导致这些“异常”的原因很多，比如蜡烛火焰的大小、蜡烛的高矮及位置、倾倒的快慢、倾倒的位置等等。此时，许多教师会重新实验，或花费大量的时间解释产生“异常”的原因，学生往往听得云里雾里，也由此产生“实验不允许失败”“实验结论尤其重要”等“迷思概念”，从而失去一次点燃学生智慧火花的机会。

2.2 从学生认知逻辑分析

人对事物的认识通常是从简单到复杂，从分解到综合。二氧化碳的学习是基于氧气性质的基础，浙教版初中科学教材中，将二氧化碳比空气的密度大、二氧化碳不支持燃烧也不能燃烧三个性质融合在一个实验中，这样的设计装置比较简洁。把两支蜡烛固定在烧杯中的阶梯铁皮架上，向烧杯里倾倒二氧化碳，这个操作以二氧化碳气体能像液体那样在容器之间倾倒，说明它比空气的密度大，可观察到小蜡烛会从下往上熄灭，说明它不支持燃烧也不能燃烧。也有教师提出创新改进，但往往装置变得很复杂，学生看得眼花缭乱。演示实验时，有些教师为了避免“异常”现象出现，在倾倒气体时用漏斗进行导流，这样做，看似让学生探究，实质上仍然停留在“告知事实，验证结论”的层次上。虽然教师都会反复强调，但在答题时仍发现多数学生描述性质不完整，这样的装置并不符合学生的认知逻辑。所以我们应该先设置三个小实验认识二氧化碳的性质，再综合设计“倾倒二氧化碳使蜡烛熄灭”的实验。

2.3 从学生深度学习分析

深度学习是基于批判性理解的学习。深度学习应在深度中求广度，从深刻认识中挖掘出更为丰富的内涵，使知识在广泛的范围内得到更好的迁移，从而衍生出更多的内容［2］。在学生实验中，教材方案如图2所示，将蜡烛由两支变成一支，观察蜡烛火焰的变化。学生与教师的实验装置不同，学生不清楚究竟是一支还是两支蜡烛效果好以及这样设计的理由是什么，这样的学习还是属于浅层次认知。所以我们应该设置问题支架，不断追问，通过对照实验，引导学生开展科学探究，促进深度学习的发生。

3 基于深度学习的教学改进

环节1：二氧化碳与空气的密度大小比较

教师设问：通常情况下，二氧化碳和空气的密度哪个大？你怎么证明呢？学生想到，相同体积的二氧化碳和空气的质量应该不同，在天平的左右盘分别放上装满空气和二氧化碳的集气瓶，观察天平的指针偏转情况。学生认为，二氧化碳分子的组成中除了氧元素，还有碳元素，所以二氧化碳比空气的密度大；也有学生认为，一些地窖、溶洞中二氧化碳的含量高，所以二氧化碳比空气的密度大；还有学生认为，用向上排空气法收集二氧化碳，所以二氧化碳比空气的密度大。教师演示（见图3），学生发现由于天平的精确度不够，指针偏向变化不明显。

教师追问：还有什么更好办法比较二氧化碳和空气的密度大小呢？教师提示，根据物体浮沉条件知识，将两种不同密度互不反应的液体倒在一起，密度大的沉到下面，密度小的漂浮在上面。学生想到，可采用向容器中倾倒二氧化碳气体，如果二氧化碳比空气的密度大，则二氧化碳会沉到下面，如果二氧化碳比空气的密度小，则二氧化碳会漂浮在上面。

学生活动：如图4所示，将充空气的气球放在烧杯内，沉入底部，向烧杯内倾倒二氧化碳，观察气球的浮沉状况。学生发现，气球上浮，说明二氧化碳比空气的密度大。

设计意图：设置阶梯式问题，或设置问题支架，不断追问，让学生经历多种“困难”，从比较密度大小到比较相同体积气体的质量，发现实验现象不明显；教师再提供学习支架，联系浮力知识，确定采用气体浮沉现象来判断。让学生经历分析、评价、创造，发展自身的高阶思维。

环节2：探究二氧化碳是否支持燃烧等

教师设问：如何验证二氧化碳是否支持燃烧呢？学生认为，可以迁移验证氧气的助燃方法，将燃着的木条放在集气瓶口及瓶内，观察木条是否继续燃烧，如果木条燃烧更旺，说明该气体可以助燃，如果木条熄灭，说明该气体不支持燃烧。学生活动如图5所示，发现燃着的木条立即熄灭，说明二氧化碳不支持燃烧［3］。教师追问：这个实验没有听到轻微的爆鸣声，还能说明什么？学生联系燃烧知识，说明二氧化碳本身也不能燃烧。

设计意图：对学生而言，支持燃烧和可以燃烧容易混淆，从“最近发展区”出发，让学生从氧气的性质验证方法跳一跳找到验证二氧化碳性质的方法，解构迷思概念。

环节3：验证气体密度与温度的关系教师设问：如图6所示，如果将烧杯倒扣在两支长短不同的点燃蜡烛上，你认为哪支蜡烛先熄灭？学生认为，短的蜡烛先熄灭，因为二氧化碳比空气的密度大，生成的二氧化碳聚集在下方；也有学生认为，长的蜡烛先熄灭，因为蜡烛燃烧产生热量，使气体向上运动。

学生活动：学生发现长的蜡烛先熄灭，说明热的二氧化碳在上方。

教师解释：同温同压条件下，二氧化碳比空气的密度大，但由于热胀冷缩，蜡烛燃烧生成热的二氧化碳气体体积变大，变得比空气的密度小，会聚集在火焰的上方，使长的蜡烛先熄灭，短的蜡烛后熄灭［4］。

设计意图：学生对科学知识的学习始于他们在生活实践中对自然的认识。创设与学生自然认识不一致的情境，先猜想，再实验，激发认知冲突，也为后续实验做好铺垫。

环节4：倾倒二氧化碳灭火

教师设问：如何设计一个实验验证二氧化碳的密度比空氣大、不能燃烧也不支持燃烧？有学生先想到用一支蜡烛，也有学生想到用两支蜡烛。教师让学生进行评价，一支蜡烛和两支蜡烛是否都能证明二氧化碳的三个性质？哪个方案更好？理由是什么？学生经过讨论，从对照实验角度，认为两支蜡烛比一支蜡烛更好。

教师设问：那么两支蜡烛如何放置呢？学生想到将两支长短不同的蜡烛水平放置，也有学生提出两支蜡烛阶梯放置。教师引导学生进行讨论，为了避免蜡烛之间互相影响，两支蜡烛放在阶梯上更好，画出实验装置图（见图7）。

学生活动：学生发现蜡烛熄灭的先后顺序会因为倾倒二氧化碳的位置不同而出现不同现象。教师解释：由于蜡烛燃烧放出热量，使得气体受热膨胀，密度变小，若直接倒在火焰的上方会因为二氧化碳不能与蜡烛火焰接触而逸散到空气中去。

教师追问：如果为了实现蜡烛从下往上熄灭，如何改进实验装置？学生联系空气对流的特点，认为可以在瓶口加一块玻璃片（见图8左），也有学生提出在烧杯口加一块长玻璃片，避免直接倾倒在蜡烛上方，如图8右所示。

学生活动：学生发现有的组还是两支蜡烛都不熄灭。教师引导学生对比分析，为了实现蜡烛从下往上熄灭，必须保证烧杯内气体温度低，蜡烛的火焰不能太大，两支蜡烛的距离不能太远，在倾倒二氧化碳时，动作要稍慢一些，尽可能使二氧化碳向烧杯口扩散得少一些，同时二氧化碳必须足够多等［5］。

设计意图：通过问题链引导学生从一支到两支蜡烛、从水平到阶梯放置的对比实验，让学生在活动中发现异常，理解玻璃片的作用，也明白教材实验方案设计的原理。对不同实验异常现象进行对比分析，真正促进学生的深度学习发生。

4 教学反思

4.1 从“教教材”到“用教材”

教科书上的实验设计，是教学的重要资料，但我们必须从“教教材”转变为“用教材”，而不“唯教材”。对教材中的实验，根据学生的认知逻辑，有针对性地选择能实现整体优化的教学方式和策略。对有些实验需进行一定的改进甚至创新，促成学生主动有效地学习，实现从“教教材”到创造性地“用教材”。

4.2 从“关注结论”到“深度学习”

在化学教学中，实验教学是化学学科的本质特征。实验教学不仅是为了验证结论，也是帮助学生理解知识的一种教学辅助手段。对实验过程中的某些思维加工更需要给予足够的重视。当学生学习过程中遇到困难时，教师必须要改进实验方案，帮助学生解决迷思问题，引导学生经历分析、评价、创造，从而实现深度学习。

4.3 从“简单演示”到“具身探究”

亲身经历以探究为核心的学习活动是学生理解科学本质的主要途径。针对教材上的迷思实验，教师既不能简单演示，更不能为了下结论而下结论，而要让学生具身探究，在课堂上给予学生观察、实验、分析和讨论等活动留出足够的时间，对“异常”现象先引导学生猜想、假设，再设计实验验证。实验不仅仅是获得结论，还要了解实验的过程及其实验“异常”的原因，过程比结论更重要，只有这样，学生才会对科学探究始终保持一份好奇心。

参考文献：

［1］赵莹， 黄皓， 王靖. “三序”结合视角下高中物理迷思概念转变研究［J］. 教学月刊·中学版（教学参考）， 2022， （4）： 54～57.

［2］李万杰. 深度学习视域下一道椭圆摆问题的探讨［J］. 中学物理教学参考， 2022， 51（31）： 17～21.

［3］闫相友. 优化实验设计培养学生化学实验素养——以二氧化碳的性质探究为例［J］. 化学教学， 2022， （4）： 79～81.

［4］周密， 张丹. 二氧化碳性质实验装置改进及教学实践［J］. 化学教学， 2023， （5）： 60～62.

［5］范玉英. 二氧化碳的性质探究实验新设计［J］. 化学教学， 2023， （3）： 80～82.