深度学习下的化学启蒙实验教学
关键词：深度学习；化学启蒙；实验教学
深度学习是一种基于批判性理解的学习，是学习者以高阶思维的发展和实际问题的解决为目标，以整合的知识为内容，积极主动地、批判性地学习新的知识和思想，并将它们融入原有的认知结构中，且能将已有的知识迁移到新的情境中的一种学习。[1]九年级是化学基础教育的启蒙阶段,是激发学生学习兴趣、培养化学思维的重要阶段。实验是化学的灵魂，化学启蒙教学离不开实验。《义务教育化学课程标准》明确指出：“教师在教学中应高度重视实验教学，充分发挥实验的教育功能，尽可能多地为学生提供动手做实验的机会，鼓励开展微型实验、家庭小实验等。”[2]在化学启蒙实验教学中，教师运用深度学习理念，可有效调动学生学习兴趣，培养化学思维。基于此，笔者从四个方面探讨化学启蒙实验教学如何促进学生深度学习，以期抛砖引玉。
一、创设生活情境，着意迁移应用
深度学习要求学生对学习情境的深刻理解，对关键要素的准确判断和把握，在相似的情境中举一反三，也能在新情境中分析判断差异，并能迁移应用。学习心理学研究表明，学生对知识理解得越好，越有可能发生迁移应用。在实验教学时，教师应创设生活情境，引导学生运用已有知识和方法解释生活现象，促进学生对所学知识的理解。案例1酸和碱之间发生的反应教师出示三瓶废液，是分别来自三个工厂排出的三种废水：含盐酸的废水（废液A）、含硫酸的废水（废液B）以及含氢氧化钠的废水（废水C）。提出问题：这些废液能直接排到环境中去吗？你有什么解决办法？那种办法最好？学生思考回答：不能。用碱把酸反应掉，用酸把碱反应掉。最好的办法是将废液A与废液C、废液B与废液C直接混合反应。教师说明，这只是猜想，需要通过实验来检验和确认。教师介绍本节课的框架：酸和碱都能发生化学反应吗？酸和碱反应的实质是什么？酸和碱反应在生活和生产中有何应用？教师演示：氢氧化铁与稀盐酸、氢氧化铜与稀硫酸的反应。学生观察：氢氧化铁沉淀消失，氢氧化铜沉淀消失，说明它们发生了化学反应。教师设计两个问题：问题1：由于废液都是无色溶液，反应无明显现象。废液A（B）与废液C能反应吗？如何设计实验检验废液A（B）与废液C是否发生了反应？这是一个真实的问题，这个问题具有开放性和一定的探究性，这样产生深度学习。方案一：依据酸和碱的性质，用金属、金属氧化物等检验酸是否存在，用紫色石蕊、无色酚酞等检验碱是否存在。方案二：依据溶液的酸碱性，用PH试纸，测量变化前后溶液的酸碱性变化。方案三：化学反应的过程中伴有能量的变化，用温度计，测量变化前后溶液的温度变化。引导学生分析三个方案，其中方案一最简单，方案三可能温度变化不明显，方案二是定量实验，将实验现象和结论填入表1中。问题2：从微观角度看，酸和碱反应的实质是什么的？以盐酸和氢氧化钠反应为例。学生分析如下：HCl=H++Cl-、NaOH=Na++OH-，反应前四种离子H+、Cl-、Na+、OH-，水是难电离的物质，反应后只有Cl-、Na+，说明酸和碱反应的实质是H++OH-=H2O,即每个氢离子和氢氧根离子反应生成一个水分子。情景1：被蚊子叮咬处肿成大包，这是蚊子在人的皮肤内分泌出蚁酸，使皮肤肿痛。你有什么办法减轻症状吗？学生知道可以涂抹含碱性的物质，根据以往经验，认为可以涂抹牙膏、肥皂水、花露水等，但不能涂抹氢氧化钠，因为它的腐蚀性强，会造成皮肤的二次伤害。情景2：用熟石灰改良酸性土壤，说出其中的原理。学生知道，熟石灰是碱性物，能与土壤中的酸性物质发生反应，但不能用氢氧化钠，因为它的腐蚀性强，虽然熟石灰也有腐蚀性，但熟石灰微溶于水，所以它的腐蚀性对农作物影响较小。本案例以“废液的处理”这一生活问题引入新课，在实验过程中，让学生根据自己的理解设计实验方案，培养学生的创造性思维，归纳得出酸和碱能反应生成盐和水的实质，并运用演绎法进行迁移，了解酸碱反应在生产和生活中的应用，让学生体验“从生活走向化学，从化学走向生活”的课程理念。
二、进行证据推理，促进知识建构
深度学习的基础是理解性学习，关键在于主动的知识建构，价值则体现为学生对知识的内化和迁移。建构主义认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得的。在实验教学中，教师引导学生进行证据推理，挖掘知识的内在联系，有效构建原有知识与新知识结构的联系，有助于学生对知识的理解和内化。案例2盐酸的化学性质教师提供紫色石蕊、无色酚酞、铁钉、锌粒、铜片、生锈的铁钉、氧化铜粉末和碳酸钙（鸡蛋壳）、硝酸银，要求学生分类。学生分类：这些物质可分为指示剂（石蕊、酚酞），金属（铁钉、锌粒、铜片），金属氧化物（铁锈、氧化铜粉末），盐类（碳酸钙和硝酸银）。教师演示实验：让盐酸和不同的物质反应，学生观察并记录实验现象。教师设置三个引导性问题：问题1：你认为它们是否发生了化学变化？哪些证据支持你的推断？此问题难以直接观察获得答案，这样就产生了深度学习的动机，避免学生走马观花。问题2：从以上几个实验看出，盐酸具有哪些性质呢？问题3：盐酸的这些性质分别具有什么用途？汇报交流：以分组的形式进行汇报，并尝试对实验现象进行适当的推理。其他组的同学进行评价或质疑，并由该组学生做出解释。最后，思考：物质的性质与用途有什么关系？此问题具有一定综合性，实际上是知识的深度应用，最后画出知识结构图，如图1所示。证据推理是指依据事实根据，进行合理推理从而得出结论的方法。本案例从探索物质的一般框架入手，要求学生收集证据，进行证据推理，激发学生深度学习的动机，他们自我建构盐酸的性质知识体系，将所学习的化学性质迁移到生活中，促进深度学习发生。
三、关注实验内涵，强调信息整合
深度学习强调信息整合，提倡将新知识与已知概念和原理联系起来，整合到原有的认知结构中，从而引起对新知识的理解、长期保持及迁移应用。在实验教学过程中，教师挖掘课本中实验的内涵，尊重和利用学生的前概念，启发学生思考，对其进行恰当的引申、拓展、反思、整合，进而转化错误前概念，促进学生实验能力的提升。案例3二氧化碳与水是否发生化学反应可乐、雪碧等饮料中都含有二氧化碳，但却叫碳酸饮料，为什么不叫二氧化碳饮料？打开瓶盖看到饮料冒泡，这些气体是溶解在水中的二氧化碳因气压减小而生成，还是因为二氧化碳与水反应生成碳酸，而碳酸分解生成二氧化碳？对上述问题的解答，教师往往忽视学生的相关前概念，学生由此产生认知上的困难。怎样帮助学生转化前概念，促进学生深度学习呢？教学设计如下：教师演示：在一个充满二氧化碳的软塑料瓶里，迅速倒入少量水，立即将瓶盖拧紧振荡，观察有什么现象，如图2所示。思考与讨论：二氧化碳溶于水的过程中，有没有发生化学变化呢？如何检验？设计实验：取两支试管，分别加入少量蒸馏水及图2中变扁的瓶中液体。然后分别滴加少量紫色石蕊试液，观察两支试管中液体颜色的变化，如图3所示。质疑问难：二氧化碳能溶于水，通常1体积水中能溶解1体积的二氧化碳。那么，二氧化碳是酸性氧化物能否也能使紫色石蕊试液变红色？人感知客观现象的能力是有限的，懂科学的人并非只用眼睛看世界。我们需要有怀疑的态度，在行进的过程中暂时停下来想一想：是这样的吗？我们有没有搞错？课堂开始躁动，学生纷纷提出自己的猜想。假设1：二氧化碳溶于水，但不与水反应，二氧化碳使石蕊试液变色。假设2：二氧化碳溶于水，与水反应，生成碳酸，碳酸使石蕊试液变色。学生自选实验器材：水、石蕊试液浸泡过的干花，石蕊试纸、二氧化碳等。设计一个实验，证明是二氧化碳还是二氧化碳与水反应生成的碳酸使石蕊变红。实验方案如图4所示。美国著名数学家波利亚指出：“在教授一门科学（或一个理论，或一个概念）时，我们应该让儿童重走人类在大脑进化过程中走过的重要几步。”[3]本案例围绕二氧化碳是否与水反应的前概念，引导学生自我质疑提出新的假设，学生能够通过自身思维方法批判性理解学习活动，为他们终身发展提供了一种新思路，促进学生深度学习。
四、进行创新评价，指向问题解决
深度学习的目的是要解决认知过程中的实际问题，强调批判性学习，这就要求教师在教学中不断通过评价调控学习过程及结果，以促进学生解决问题，促进高阶思维的发展和深度学习的实现。实验中异常现象的出现，会对学生产生认知冲突。[4]在实验教学中，针对异常的实验现象，教师不要采取回避的态度，甚至可以设计一些“异常”的实验，引导学生进行深入反思和探究，从而解决问题并对原有实验建立新的认知。案例4测定空气中氧气的含量“空气中氧气的含量的测定”这个实验在小学科学里可能已经做过，但因燃烧的物质是蜡烛而不是磷，实验误差较大。为了理解教科书的实验装置和实验原理，先让学生阅读拉瓦锡对空气成分的科学实验（如图5），然后回答下列问题：在拉瓦锡研究空气成分的实验中实验原理是什么？在拉瓦锡研究空气成分的实验中会有哪些现象？拉瓦锡研究空气成分的实验中实验结论是什么？学生讨论得出：用汞与空气中氧气反应并耗尽，瓶内减少空气的体积与进入钟罩内汞的体积相等；钟罩内的汞上升且体积约占剩余气体体积的1/5，加热氧化汞后产生的气体体积与实验中消耗的气体体积相等；拉瓦锡研究空气成分的实验，说明空气中氧气的体积约占1/5。教师演示实验，（如图6）实验过程中，点燃燃烧匙内的红磷，立即塞紧瓶塞，突然，瓶塞被冲出，笔者赶紧塞紧，继续实验。火焰熄灭后，振荡集气瓶，打开导管上的夹子，学生发现烧杯内的水没有被大气压压入集气瓶中。这些异常现象，产生的原因是什么？讨论1：为什么同样用红磷来实验，实验的结果偏小呢？学生讨论得出，红磷不足，氧气未完全燃烧；装置漏气，瓶内气压变化较小；未冷却到室温就打开止水夹，瓶内剩余气体受热膨胀，这样为学生改进实验做好铺垫。讨论2：在实验过程中，为什么瓶塞会被冲出？为什么水不被压入集气瓶？由于燃烧放出大量的热量，瓶内气体受热膨胀，如果瞬间没有塞紧，容易导致瓶塞被冲出，此时再塞瓶塞，导致瓶内气压变化不大，所以水也不会压入。讨论3：应如何从减小实验误差的角度来改进本实验？学生考虑换用白磷，白磷的着火点低，采用光加热，如果还是用红磷，则采用电加热，避免空气进入和瓶塞冲出等。针对实验意外事件，从学生视角设计三个开放性问题，从问题解决的角度，给学生充分时间讨论，让学生暴露学习的困难和错误，并为学生提供自纠和互纠的机会，这是一种高阶思维的锻炼，也是学生深度学习的体验。
五、结语
学生是否深度学习具有三个基本特征：注重批判性思维的运用，强调知识的迁移和应用，指向问题解决。在化学启蒙实验教学中，不仅要提升学生的动手操作能力，更要体现学生对所学知识的迁移应用，培养其学习积极性、主动性，真正把学习的主动权交给学生，使他们体会到化学学习的乐趣，引导应用、分析、综合、评价，促进深度学习，发展学生的核心素养。
参考文献：
[1]安富海.促进深度学习的课堂教学策略[J].课程•教材•教法，2014，（9）：57-62.
[2]中华人民共和国教育部．义务教育化学课程标准[M].北京：人民教育出版社，2012：35.
[3]郑青岳．郑青岳科学教育讲演录[M]．杭州：浙江教育出版社,2015：32.
[4]胡尚生，赵玉珍．基于深度学习的化学实验优化实践与思考[J]．中学化学教学参考，2017，（3）:17-19.
作者：陈懋 费志明 单位：海宁市斜桥中学
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