基于学科核心素养的初中化学深度学习教学设计——以“空气中氧气含量的探究”为例

基于学科核心素养的初中化学深度学习教学设计——以“空气中氧气含量的探究”为例

陈渐升

惠州市惠阳区新圩中学

摘要：基于化学学科核心素养，以“空气中氧气含量的探究”为主题，利用定量法的思想设计实验探究，形成证据推理的能力和养成实事求是的科学精神，促进深度学习。

关键词：化学核心素养、证据推理、深度学习

深度学习是基于建构主义的理解性学习方法，强调教师的引领作用，学习者在原有的知识结构中，利用自己的认知和主观能动性，围绕具有挑战性的学习课题，全身心积极参与，将新知识融入到原有的认知结构中，获得有意义的学习过程[1]。以人教版九年级化学空气中氧气含量的探究为例，谈谈结合学科核心素养进行深度学习的教学设计。

1.教学思想与设计创新

促进深度学习的化学教学设计的主要策略：内化材料信息，结合研究主题，寻求问题的解决方法；引导方向，促进学生将认知基础迁移到问题中；丰富学习者的认知工具，引导学生从技术中学习转向运用技术学习[2]。贯彻上述策略，本课题教学设计的创新有以下几点：

（1）给予充分的阅读资料。阅读资料包括空气中主要成分为氮气和氧气，但不涉及对应的含量；氮气、氧气的性质；气体体积远远大于固体体积，能够认为气体反应后生成固体的体积可忽略不计。

（2）将课本的实验2-1改成设计实验。提供实验装置，利用定量法的思想，引导学生要在密闭环境中进行研究，自行设计实验；提供水银与氧气反应、红磷与氧气反应、木炭和氧气反应、镁条和氧气氮气的原理和优缺点，此时要引导学生对实验药品的选择。

（3）实验过程中遇到的实际问题或变式问题，可引导进行深入探讨。例如：氧气被消耗完后，剩下的氮气用镁条反应，最终会导致集气瓶中的气体全部反应完吗？去引导学生进一步思考氮气在空气中的含量问题，提升学生对定量法的认知和形成严谨的科学思维。

2.基于学科核心素养的教学目标

（1）宏观辨识。本节课需要学生阅读材料，从宏观的角度理解空气组成，还需要根据提供的各种反应，辨识其优缺点，才能选择出最合适的实验原理。

（2）证据推理。根据选择的实验原理设计实验，记录实验现象，推理实验结论。若实验失败或有误差还需分析原因。尤其是理解“为什么进入水的体积就等于空气中氧气的体积”，需要学生从气体和固体的体积角度进行推理认知。

（3）科学探究与创新意识。学生分享实验设计方案，分析其中的科学性和可行性，也可保留其创新性设计，到具体的实验中再进行验证。

3.教学片段实录

3.1明确定量法的思想。

【学生】阅读定量法相关材料和分析实验装置图（图一）

（图一）

【教师】实验装置为什么能够体现定量法呢？从什么细节可以分析出来呢？

【学生】定量法研究的前提是在确定的总量中进行的，所以要在一个密闭的环境才能满足这个前提，所以集气瓶和右边的烧杯液封就形成了封闭体系。而且集气瓶旁边的等量刻度也体现可定量法的思想。

3.2装置原理的分析。

【学生】阅读材料“在一个化学反应中，气体的体积是远远大于固体体积的”

【教师】为什么要告诉大家这样一个材料？实验的目的是消耗掉氧气，让烧杯中的水去填上气体原来所在的体积。

【学生】在化学反应中，只有当氧气反应后生成固体，体积大大减小至忽略不计，才会出现大气压强差，打开止水夹才会使得进入水的体积等于原来氧气所占的体积。相反，若氧气反应后生成气体产物，体积没有发生改变，就不存在压强差。

【教师】根据分析材料中的四种原理，汞与氧气反应、红磷与氧气反应、木炭与氧气反应、镁条和氧气氮气反应，哪个不符合上述分析。

【学生】木炭和氧气反应，生成二氧化碳气体，体积不变，不会产生压强差。

3.3实验原理的选择

【学生】阅读材料:①汞与氧气反应需要加热，反应时间较长，且汞有剧毒；②红磷与氧气反应需要点燃，反应时间较快，但产物五氧化二磷有微毒，五氧化二磷易溶于水；③镁条与氧气反应需要点燃，反应时间较快，但镁条同时也会和氮气反应生成五氧化二氮

【教师】每个原理都有其优缺点，现在请大家分析三种原理，对优缺点进行取舍，选择最合适的实验原理。

【学生】从反应时间和资源消耗角度，可以将方案①舍去，反应时间较慢不利于定量分析的进行，且需要一直加热，能源消耗较大；从研究的目的看，本次研究的是空气中氧气的含量，所以应选择只与氧气反应而不与空气中其他成分反应的物质，因此舍去方案③，故选择了有微毒的方案②。

3.4实验的进阶设计

【学生】阅读材料：红磷与氧气反应并不会将氧气完全反应完，当氧气含量消耗至小于7%时，燃烧就会停止，因此会产生大量误差。铁生锈的反应则不会出现这样情况，已知活性炭和氯化钠会加速铁粉的生锈。

【教师】先分析一下用红磷会产生什么样的误差？如何利用铁粉改进实验？

【学生】因为红磷不会消耗剩余的氧气，所以导致氧气的含量偏小。可以将红磷换成铁粉、活性炭和氯化钠的混合物，深入集气瓶中充分反应即可。

4.教学效果与反思

4.1定量法的思想有利于形成科学精神

学生能结合自己原有知识基础，很好地了解定量法。明确定量研究的目的在于检验理论的正确性，最终结果是支持或者反对假设。化学学科核心素养中的“科学精神与社会责任”，其中“科学精神”要求学生要学会运用科学的思维解决化学学习中遇到的问题，实事求是，具备严谨的科学态度，同时还需要学会自主思考，多角度、全方位地思考化学问题，大胆尝试、探究问题并解决。让学生参与定量实验的设计，是培养学生科学精神的一剂良药。著名教育家杜威说“从做中学”，强调的就是让学生亲自去“做”。定量实验的设计由学生来完成，让学生在参与中亲自去“做”，去“思考”，去“研究”，在“做” “思考”和“研究”的过程中培养科学精神

[3]。

4.2证据推理的能力的形成与锻炼

“证据推理”是合成词，“证据”修饰或限制“推理”，推理是思维过程，证据是前提条件，可理解为“以证据为依据的推理”[4]。证据推理的具体表现，并非做实验和参与活动这么简单，重点是在与实验过程中实验原理与学生现有知识的内化，建立认知模型，再将认知模型与实际现象相结合，解释现象的本质和规律。尤其是在实验改进环节，将红磷替换成铁粉，就是利用原有的认知模型去内化新的知识（铁粉生锈吸氧），得出新的实验设计方案。

参考文献：

[1]胡久华.深度学习：走向核心素养[M].教育科学出版社，2019.3

[2]卢天宇.以实验和论证为杠杆撬动化学概念深度学习——以“分子与原子”教学为例[J].化学教育(中英文),2021,42(01):36-41.

[3]徐光伟.谈“科学精神与社会责任”化学学科核心素养的培养[J].中学教学参考,2019(08):64-65.

[4]杨玉琴,倪娟.证据推理与模型认知:内涵解析及实践策略[J].化学教育(中英文),2019,40(23):23-29.