基于生活情境的探究式教学——燃烧和灭火

潘 慧 李少坤 刘永茂

湖北省武汉市第一初级中学(430024)

1 教学主题内容和教学现状分析

本节教学内容选自人教版化学九年级上册第7单元“燃烧和灭火”[1]一课,属于《化学课程标准(2022年版)》学习主题1“科学探究与化学实验”和学习主题4“物质的化学变化”中的内容。“燃烧条件的探究”属于学生必做实验,探究类型为物质反应规律研究,涉及的核心知识、要求及其价值为:了解化学反应需要一定的条件、通过实验探究认识燃烧的条件、理解燃烧和灭火的原理及其在生活中的应用、初步体会调控化学反应的重要意义,涉及的化学实验探究思路与方法是形成反应规律探究的思路与方法,学习控制变量和对比实验的实验设计方法[2]。

该实验探究活动有利于发展学生基于生活经验提出问题和假设,基于变量控制思想设计实验进行假设检验,基于证据建构模型,进而应用模型设计和调控化学反应,实现能量转化和物质转化的科学探究和实践能力[3]。教学时应引导学生从化学反应的视角再认识“温度达到可燃物的着火点”这一反应条件的重要意义,还应从“灭火”的角度设计开放性的方案,并以此为切入点体会条件改变对反应调控的作用[4]。

现有相关教学研究[5-8],有些在新授课过程中便设计实验得出燃烧不一定需要氧气的认知模型,超出了教材内容和课标要求;有些直接采用教材设计的实验进行演示或改进后再进行演示,引导学生总结出燃烧的条件和灭火的原理,不利于学生主动建构知识、理解原理和本质、形成科学探究的方法,更不利于学生成为主动探索知识的“先行者”[9]。

基于以上分析和思考,本文以“燃烧和灭火”为例,介绍“基于生活情境的探究式教学”的课堂教学实施过程。

2 教学目标

(1)通过交流“火”在生活中的应用,初步认识燃烧的定义,培养变化观念。

(2)通过“生火竞赛”“实验改进”“水下生火”“灭火竞赛”等活动,建构“燃烧条件”和“灭火原理”模型,培养证据推理与模型认知能力,体会改变条件对调控反应的作用。

(3)通过对教材实验不足的分析与改进,培养科学探究与实践创新能力。

(4)通过探究高低蜡烛熄灭的顺序,观看“灭火与火场逃生”视频,提高科学应对火灾的能力,发展科学态度和社会责任素养。

3 教学流程与创新点

建构主义学习理论认为创建真实的教学情境,以探索问题来引导和维持学习者的学习兴趣和动机,能使学生拥有学习的主动权[10]。《义务教育化学课程标准(2022年版)》在教学策略中倡导“做中学”“创中学”“用中学”,建议教师选择有意义的探究问题,引导学生经历真实的探究过程,增进对化学学科及科学探究本质的理解。郑长龙教授认为化学学科核心素养是解决化学问题的本事,即在真实情境中运用所具有的知识和所具备的能力及品质,解决真实问题的一种本领[11]。

为达成教学目标,本节课设计了5个环节:链接生活、 生火竞赛、实验探究、灭火竞赛、知识应用。以丰富而真实的生活情境贯穿课堂教学始终,以问题解决驱动教学过程,具体教学流程见图1。环节1、2、4中通过创设熟悉的生活情境,学生以此为生长点,积极参与课堂教学,通过归纳、总结,自主建构燃烧的定义,体验燃烧的意义和价值,培养变化观念;以竞赛活动为驱动,促进学生调用已有知识、经验,积极主动建构燃烧的条件和灭火原理认知模型。

图1 教学流程图

环节3以学生在“生火竞赛”中获得的知识和方法为基础,引导学生反思课本实验的不足之处,并进行合理改进,培养学生的科学探究与实践创新能力,体现科学合理利用教材资源,优化教学效果的理念[12];以预测—讨论—解释—观察—讨论—解释(即PDEODE)[13]教学模式为指导,引导学生开展实验探究,进行对比分析,系统建构燃烧条件的模型,培养证据推理与模型认知能力,掌握设计对比实验的方法。

环节3、5中通过创设问题情境,引发学生的认知冲突,产生学习驱动力[14],促进学生自主建构知识,体会改变条件对调控反应的作用,提高科学应对火灾的能力,发展科学态度和社会责任素养,提升课堂教学的有效性。

4 教学实录

4.1 链接生活,认识燃烧的定义

情境导入:播放物质燃烧的视频,从燃气燃烧用于烹制美味菜肴,到篝火燃烧用于增添旅游氛围;从北京奥运圣火彰显大国风范,到神舟十五号发射升空激励科技强国意识。

提问:以上场景中均涉及化学变化——燃烧,燃烧对生产生活的意义和价值是什么?

学生:燃烧用于烹饪和篝火等可以改善和美化生活;燃烧用于发射火箭和火力发电可以为生产生活提供能源,促进人类发展。

追问:从不同角度进行分析,上述物质燃烧有哪些共同特点?由此得出燃烧的定义是什么?

学生:燃烧都属于化学变化,而且反应非常剧烈。

学生:燃烧是燃料与空气中的氧气发生反应,属于氧化反应。

学生:燃烧的过程中都伴随发光、放热的现象。

小结:燃烧的定义:通常情况下,燃烧是可燃物与氧气发生的发光发热的剧烈的氧化反应。

4.2 生火竞赛,认识燃烧的条件

小组竞赛:利用火柴、蜡烛、酒精灯、小纸条、木棍、煤块、小石块、坩埚钳等物品,比较哪个小组能在较短时间内制造物质燃烧的现象。准备好后,每个小组派两名代表上台进行“生火竞赛”实验。

小组合作:根据竞赛要求和提供的实验用品,小组思考与讨论,设计实验方案,然后派代表上台参加“生火竞赛”实验。

提问:为什么选择点燃蜡烛、酒精灯或小纸条的人很多,而选煤或木棍的人很少?

学生:使蜡烛、酒精、小纸条燃烧起来,需要的温度低一些,它们容易被点燃;使煤或木棍燃烧起来,需要的温度高一些,它们不容易被点燃。这说明物质燃烧需要一定的温度条件。

小结:使可燃物燃烧所需的最低温度,叫该物质的着火点。

提问:为什么没有人选择小石块?

学生:小石块不是可燃物,没有可燃性,不能被点燃。

追问:刚才的生火竞赛中,有同学将燃着的酒精灯盖上灯帽后,酒精灯就熄灭了。根据以上生火竞赛过程,大家分析、猜想燃烧是否需要一定的条件?

学生:燃烧需要3个条件,它们分别是可燃物、氧气、温度达到可燃物的着火点。

4.3 实验探究,建构燃烧的条件

创设情境:教材提供的探究燃烧条件的实验装置见图2。根据上述生火竞赛获得的信息,以及猜想燃烧所需的条件,预测该实验能观察到哪些现象,并做出合理的解释?

图2 探究燃烧的条件

学生:水中的白磷被隔绝氧气,不能燃烧;铜片上的红磷温度没有达到其着火点,不能燃烧;铜片上的白磷燃烧,产生大量白烟,放热,因为铜片上的白磷是可燃物,与氧气接触,且温度达到了白磷的着火点。

提问:思考该实验是否有不足之处?如果有不足之处,请说明理由,并提出合理的改进意见和实验探究方案。

小组思考与讨论,交流观点,提出改进意见和实验探究方案。

学生:此实验存在不足之处,因为铜片上的白磷燃烧时会产生大量白烟,造成空气污染。改进方法是将红磷和白磷分别放入试管中,塞上橡胶塞,让白磷在密闭的试管内燃烧。

学生:磷燃烧放热,会导致试管内气压升高,使橡胶塞被冲开,依然有白烟逸出到空气中,造成空气污染。可以使用带导管和气球的橡胶塞来调节试管内的气压,改进装置见图3。

图3 探究燃烧的条件改进装置

提示:接下来,请同学们按照改进后的实验装置进行实验。实验前,请大家先预测,再仔细观察实验现象,并在表1中做好记录。

表1 探究燃烧的条件

学生:先预测现象,再进行实验、观察现象,然后进行对比、分析、推理,得出实验结论,见表1。

提问:通过实验探究,寻找证据,同学们推理出燃烧需要哪些条件?它们之间的关系如何?请大家建构出燃烧的条件模型,并以图形的方式将燃烧的条件模型表示出来。

学生:物质燃烧需要可燃物、氧气、温度达到可燃物的着火点3个条件,而且这3个条件缺一不可,燃烧的条件模型见图4。

燃烧的条件——缺一不可图4 燃烧的条件模型

创设情境:常言道“水火不容”,但我国在北京冬奥会期间成功实现了奥运史上首次机器人之间在水下的火炬传递,请大家运用所学知识解释其中的奥秘。

学生:火炬里分别填充了可燃气体和氧气,可燃气体和氧气接触,点火后温度达到可燃物的着火点,就能实现“水中生火”。

提问:如何让图3中烧杯里②处白磷燃烧?设计好实验方案的同学,请上台完成“水中生火”实验。

学生:设计、交流实验方案:向水中白磷处通入氧气,或者用装满氧气的试管罩住水中的白磷,然后上台完成“水中生火”的实验。

4.4 灭火竞赛,建构灭火的原理

创设情境:可控的燃烧能为人类服务,使用不当或不可控的燃烧则会给人们带来危害或灾难。理解灭火的原理、掌握灭火的方法非常重要。请大家利用现有验用品:水、湿抹布、细沙子、剪刀、扇子、小烧杯、二氧化碳等物品,尽可能使用不同方法将燃着的蜡烛熄灭,再对灭火方法进行归类,总结其本质,提炼出灭火的原理。

小组合作:根据竞赛要求和提供的实验用品,小组思考与讨论,设计实验方案,然后派代表上台参加“灭火竞赛”实验。

学生:小组讨论、交流,将灭火方法进行归类,总结本质,提炼出灭火的原理,见表2。

表2 探究灭火的原理

提问:通过实验探究,寻找证据,同学们推理出灭火的原理有哪些?它们之间的关系如何?请大家建构出灭火的原理模型,并以图形的方式将灭火的原理模型表示出来。

学生:灭火的原理有3个:隔绝氧气、降低温度到可燃物着火点以下、清除可燃物,这3个原理有一即可,灭火的原理模型,见图5。

图5 灭火的原理模型

4.5 知识应用,提升防火的能力

创设情境:我们在第六单元学习过“倾倒二氧化碳”的实验,该实验中可以观察到哪些现象?如何解释其原因?

学生:观察到低蜡烛先熄灭,高蜡烛后熄灭。原因是二氧化碳的密度比空气的密度大,不能燃烧,也不能支持燃烧,使低蜡烛先浸没在二氧化碳中,被隔绝氧气而熄灭。

创设情境:如图6所示装置,若将两支燃着的蜡烛用烧杯罩住,请同学们预测现象、讨论原因,并做出合理的解释。然后分小组完成实验,作观察现象,讨论原因。

图6 用烧杯罩住高低不同的燃着的蜡烛

实验前,学生有不同的猜想和解释;实验后产生认知冲突:为什么高蜡烛先熄灭,低蜡烛后熄灭?

教师:常温下二氧化碳的密度大于空气的密度,因此教材实验中低蜡烛先熄灭,高蜡烛后熄灭。但图6实验中蜡烛燃烧产生的二氧化碳气体温度高,会上升到烧杯顶部,因此高蜡烛先熄灭,低蜡烛后熄灭。

根据此实验现象和原理,请大家分析:如果在火灾现场,应如何科学逃生?

学生:用湿毛巾捂住口鼻,弯腰或匍匐前进,迅速往楼下逃离火灾现场。

创设情境:发生失火,或燃烧失控产生火灾时,你们知道哪些灭火方法或逃生方法?

小组讨论、交流灭火方法或逃生方法。

创设情境:播放生活中油锅着火及其灭火视频,正确使用灭火器的方法视频,电影院、居民楼或超市等场所发生火灾时的科学逃生视频。观看视频后,你们有哪些收获与感想?

学生:火势可控时,要尽可能根据灭火原理,寻找合适的灭火方法,消灭火情;火势失控时,要尽快想办法科学自救,远离伤害。学好化学知识,才能更好运用知识,为我们的生活服务。

课后活动:了解几种灭火器的使用方法和适用范围,并根据自家住宅的特点,设计预防方案(包括万一发生火灾时需要采取的科学措施)。

4.6 优化板书,促进内容结构化

优质的板书设计能够为教学内容的组织穿针引线,成为教师将教学内容结构化的有力抓手。本节课的板书设计以学生的认知水平为基础,让板书随着教学活动的板块化推进而生成,随着知识的演绎与归纳而循序渐进地丰满起来,发挥板书板演过程、牵引思路、佐证推理、建构模型的作用,促进学生知识关联的结构化、认识思路的结构化与基于核心观念的结构化[15]。具体内容,见图7。

图7 燃烧和灭火教学板书设计

5 教学反思

本节课立足学生的生活经验,以学生熟悉的生活情境贯穿始终,有助于学生以生活经验为“生长点”,主动建构燃烧和灭火相关知识,理解燃烧和灭火的本质,培养化学学科素养。学生通过观看生活中与火相关的视频,认识燃烧的本质,归纳燃烧的定义,体验燃烧在生产生活中的意义和价值,培养变化观念;积极参与生活中熟悉的“生火”和“灭火”竞赛实验,通过设计开放性的实验方案进行实验,以此为切入点提升课堂学习参与度,在真实情境中解决问题,认识、建构燃烧模型和灭火模型,培养证据推理与模型认知能力,体会改变条件对调控反应的作用;通过交流和观看生活中常见的灭火方法,以及火场逃生自救方法的视频,提高科学应对火灾的能力,发展科学态度和社会责任素养。

在以后的新课教学中,探究燃着的蜡烛熄灭顺序时,若将温度传感器、二氧化碳传感器等数字化实验引入其中,可以增强实验教学的直观性和趣味性,便于学生理解本质;若能将教材实验进行改进,使用无毒无害的物质替代红磷和白磷,让学生进行分组实验探究,教学效果会更好。在复习课阶段,可以根据学情设计“燃烧一定需要氧气吗?”“有氧气时加热可燃物,一定能使它燃烧吗?”“燃着的蜡烛或白磷熄灭时,容器中一定没有氧气吗?”等探究性实验,扩展学生视野,增强学生的思辨能力、实验探究能力与实证能力,提升学生的学科素养水平。