王曉軍 劉華 張鴻智 吳丹

摘要： 教師以發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維為出發(fā)點(diǎn)，優(yōu)化杜威“思維五步”與“教學(xué)五步”，在手持技術(shù)的輔助下創(chuàng)設(shè)情境并設(shè)置連續(xù)性任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展有關(guān)概念理論的探究活動(dòng)，可將微觀反應(yīng)“直播、放大”并使其“可見(jiàn)”，促進(jìn)科學(xué)探究實(shí)踐與核心概念學(xué)習(xí)融合，提高學(xué)生的思維能力。

關(guān)鍵詞：手持技術(shù);科學(xué)思維;化學(xué)反應(yīng)的限度

科學(xué)思維是依托科學(xué)思維方法的認(rèn)識(shí)與正確運(yùn)用而實(shí)現(xiàn)的?？茖W(xué)思維方法指人們?cè)谘芯亢徒鉀Q科學(xué)問(wèn)題及學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)中所運(yùn)用的思維方法，它僅作為一種工具，是實(shí)現(xiàn)知識(shí)和認(rèn)識(shí)的有效手段，科學(xué)思維方法的教育過(guò)程中蘊(yùn)含科學(xué)思維的教育^[1]?？茖W(xué)思維的核心是分析解決科學(xué)問(wèn)題，教師應(yīng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生自主探索、勇于發(fā)現(xiàn)，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)力^[2]。教師利用手持技術(shù)對(duì)微觀反應(yīng)進(jìn)行“直播、放大”，使反應(yīng)變得“可見(jiàn)”，既能充分發(fā)揮科學(xué)探究的實(shí)證作用與核心概念的推論預(yù)測(cè)功能，也有助于提高學(xué)生的分析預(yù)測(cè)、概括總結(jié)、證據(jù)推理、歸納演繹等科學(xué)思維能力。

一、“思維五步”與“教學(xué)五步”及其發(fā)展

（一）概念內(nèi)涵

教學(xué)成功的關(guān)鍵之一是激發(fā)學(xué)生的思維，美國(guó)實(shí)用主義教育家杜威認(rèn)為，整個(gè)反思性思維的過(guò)程分為五個(gè)階段：創(chuàng)設(shè)一個(gè)疑難問(wèn)題情境;確定疑難所在，并引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題;組織學(xué)生參與觀察和其他心智活動(dòng)并搜集事實(shí)材料，提出解決難題的各種假設(shè);讓學(xué)生推斷哪種假設(shè)能夠解決疑難;指導(dǎo)學(xué)生自主用行動(dòng)檢驗(yàn)假設(shè)。教學(xué)過(guò)程也對(duì)應(yīng)分成五個(gè)階段：教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)且與經(jīng)驗(yàn)相符的情境;在情境中產(chǎn)生真實(shí)問(wèn)題以刺激學(xué)生思維;引導(dǎo)學(xué)生閱讀資料、科學(xué)觀察從而生發(fā)對(duì)解決疑難問(wèn)題的思考和假設(shè);讓學(xué)生自主探究、設(shè)想解決疑難問(wèn)題的方法;讓學(xué)生通過(guò)應(yīng)用檢驗(yàn)方法的有效性^[3]。這種思維過(guò)程和教學(xué)過(guò)程分別被稱(chēng)為“思維五步”和“教學(xué)五步”。

（二）融合發(fā)展

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課標(biāo)》）重視開(kāi)展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，鼓勵(lì)開(kāi)展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力^[4]。如何實(shí)現(xiàn)“思維五步”與“教學(xué)五步”與化學(xué)數(shù)字化教學(xué)融合發(fā)展，教師需要從實(shí)用主義轉(zhuǎn)向“素養(yǎng)主義”，強(qiáng)化理論指導(dǎo)與技術(shù)支持，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。

1.與深度學(xué)習(xí)理論融合

鐘啟泉^[5]指出：“深度學(xué)習(xí)”是學(xué)生能動(dòng)地參與教學(xué)活動(dòng)的總稱(chēng)。深度學(xué)習(xí)的三個(gè)視點(diǎn)，即主體性、對(duì)話性、協(xié)同性，正是以前應(yīng)試教育存在不足的地方。教師基于深度學(xué)習(xí)理論開(kāi)展教學(xué)應(yīng)從問(wèn)題著手，力爭(zhēng)從“基于教科書(shū)水準(zhǔn)”上升到“超越教科書(shū)水準(zhǔn)”，而“對(duì)話指導(dǎo)”與“反思指導(dǎo)”則是支撐深度學(xué)習(xí)的兩根支柱。在深度學(xué)習(xí)中，學(xué)生圍繞問(wèn)題進(jìn)行思考，探究解決方法，教師則判斷他們此時(shí)“知道了什么”“能夠做什么”，從而制訂學(xué)習(xí)規(guī)則，并展開(kāi)一系列探究活動(dòng)，讓他們?cè)诮鉀Q問(wèn)題的過(guò)程中習(xí)得知識(shí)與技能。深度學(xué)習(xí)有效發(fā)生是課堂教學(xué)成功轉(zhuǎn)型的標(biāo)識(shí)。

2.促進(jìn)基于手持技術(shù)的化學(xué)教學(xué)

魏明貴^[6]指出：融入手持技術(shù)開(kāi)展課堂教學(xué)非常必要，它使課堂發(fā)生很多積極的改變：“預(yù)設(shè)型學(xué)習(xí)”變?yōu)椤吧尚蛯W(xué)習(xí)”，“聽(tīng)講型學(xué)習(xí)”變?yōu)椤把芯啃蛯W(xué)習(xí)”，“習(xí)慣型學(xué)習(xí)”變?yōu)椤疤魬?zhàn)型學(xué)習(xí)”。融入手持技術(shù)開(kāi)展化學(xué)課堂教學(xué)，不僅是信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的深度融合，而且是核心素養(yǎng)落地的重要方式。只有將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)手段結(jié)合，才能取得更好的效果。

3.提升化學(xué)反應(yīng)的限度教學(xué)

對(duì)于此課例而言，“教科書(shū)水準(zhǔn)”是“能描述化學(xué)平衡狀態(tài)，判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡（《課標(biāo)》學(xué)業(yè)要求）”;如要“超越教科書(shū)水準(zhǔn)”，教師應(yīng)從學(xué)生提出問(wèn)題入手，明確學(xué)生“知道了什么”和“能夠做什么”，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，提供證據(jù)支持，在學(xué)生“同自己的對(duì)話”“同他者的對(duì)話”“同客體的對(duì)話”中進(jìn)行“對(duì)話指導(dǎo)”與“反思指導(dǎo)”。

筆者基于以上分析，確定教學(xué)目標(biāo)為：通過(guò)傳統(tǒng)的試管實(shí)驗(yàn)，評(píng)估學(xué)生化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)水平，在手持技術(shù)支持下組織學(xué)生參與科學(xué)探究活動(dòng)，讓他們?cè)趯?duì)話中認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的限度問(wèn)題，提出假設(shè)，尋找證據(jù)，分析解釋反應(yīng)存在限度的原因，自主構(gòu)建化學(xué)平衡相關(guān)概念。

二、化學(xué)反應(yīng)的限度教學(xué)實(shí)踐

（一）創(chuàng)設(shè)疑難問(wèn)題情境

【任務(wù)】課前，教師將KSCN溶液與FeCl₃溶液混合，讓學(xué)生思考Fe³⁺和SCN^-可能存在的情況有幾種，分別是什么。

【導(dǎo)入】教師：初中階段，大家已從四大基本反應(yīng)類(lèi)型的視角認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)。人教版高中化學(xué)教材必修第一冊(cè)從離子和電子的視角介紹了化學(xué)反應(yīng)。這節(jié)課我們將以新視角認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)。

【前測(cè)】全班44名學(xué)生，其中38人認(rèn)為可能存在三種情況：有Fe³⁺無(wú)SCN^-、有SCN^-無(wú)Fe³⁺、無(wú)Fe³⁺無(wú)SCN^-。另有4名學(xué)生認(rèn)為Fe³⁺和SCN^-可能同時(shí)存在。

【問(wèn)題】請(qǐng)說(shuō)明預(yù)測(cè)依據(jù)。

學(xué)生觀點(diǎn)1：反應(yīng)完全進(jìn)行，過(guò)量的反應(yīng)物剩余。

學(xué)生觀點(diǎn)2：從排列組合角度分析，存在第四種情況：Fe³⁺和SCN^-共存。

（課堂交鋒：觀點(diǎn)1勝出）

【驗(yàn)證】請(qǐng)用教師提供的試劑設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明自己的觀點(diǎn)。試劑：0.01 mol/L的KSCN和FeCl₃溶液;1 mol/L的KSCN和FeCl₃溶液。

【要點(diǎn)】配置稀溶液，滴加濃溶液，觀察顏色變化。

【分析】請(qǐng)思考Ⅲ中蒸餾水的作用（如圖1）。

【總結(jié)】空白對(duì)照，排除水的影響。

（二）確定疑難所在，引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題

學(xué)生分組探究、討論交流之后發(fā)現(xiàn)Fe³⁺、SCN^-和生成物共存（觀點(diǎn)2正確）。

學(xué)生利用教師補(bǔ)充高爐煉鐵化學(xué)史證據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)：一些反應(yīng)中，反應(yīng)物與生成物共存。

【問(wèn)題】如何研究這類(lèi)反應(yīng)？

學(xué)生：選取典型反應(yīng)，如Fe³⁺與SCN^-的反應(yīng)，展開(kāi)研究。

（三）生發(fā)對(duì)解決疑難問(wèn)題的思考和假設(shè)

學(xué)生提出假設(shè)1：反應(yīng)慢，沒(méi)反應(yīng)完。

學(xué)生提出假設(shè)2：溶液濃度比較低，達(dá)到一定濃度，就不反應(yīng)了。

【教師追問(wèn)】如果時(shí)間足夠長(zhǎng)呢？

學(xué)生細(xì)化假設(shè)1：時(shí)間足夠長(zhǎng)會(huì)反應(yīng)完。

學(xué)生細(xì)化假設(shè)2：時(shí)間再長(zhǎng)也不能完全反應(yīng)，到極限了。

（出現(xiàn)反應(yīng)限度的萌芽認(rèn)識(shí)：靜態(tài)、孤立）

（四）推斷用哪種假設(shè)能夠解決難題

教師出示卡片：有色物質(zhì)濃度越小，溶液顏色越淺，透光率越大。

教師演示實(shí)驗(yàn)1：演示血紅色稀溶液透光率隨溫度變化（如圖2）。

教師演示實(shí)驗(yàn)2：向血紅色稀溶液中加入5滴1 mol/L KSCN溶液，利用傳感器監(jiān)測(cè)透光率隨時(shí)間變化。

【記錄】常溫下，血紅色溶液透光率為74.6%，溫度不變透光率不變，加熱此血紅色溶液，透光率變?yōu)?3.3%，自然冷卻過(guò)程中，比色皿中血紅色溶液的透光率逐漸降低。

【問(wèn)題】分析血紅色溶液透光率隨溫度變化的原因，嘗試解釋為什么Fe³⁺、SCN^-和生成物共存。

【表達(dá)】

學(xué)生推理1：隨著溫度升高，F(xiàn)e³⁺與SCN^-反應(yīng)生成更多的血紅色產(chǎn)物;當(dāng)溫度降低，血紅色產(chǎn)物部分轉(zhuǎn)換成Fe³⁺和SCN^-，從透光率隨時(shí)間變化圖可以看出，反應(yīng)非?？欤懦磻?yīng)慢的假設(shè)。

學(xué)生推理2：Fe³⁺與SCN^-完全反應(yīng)，生成的血紅色產(chǎn)物又變回Fe³⁺和SCN^-，這樣不斷反應(yīng)。

學(xué)生推理3：如果Fe³⁺與SCN^-先完全反應(yīng)，再反向，透光率隨時(shí)間變化會(huì)先出現(xiàn)最大值，然后再減小，與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符。

學(xué)生推理4：反應(yīng)既能正向進(jìn)行，又能逆向進(jìn)行，開(kāi)始時(shí)只有反應(yīng)物，反應(yīng)正向進(jìn)行，產(chǎn)生生成物之后，反應(yīng)還可以逆向進(jìn)行。

學(xué)生推理5：在透光率變化過(guò)程中，反應(yīng)物濃度越來(lái)越小，正反應(yīng)速率越來(lái)越小;生成物物濃度越來(lái)越大，逆反應(yīng)速率越來(lái)越大。二者相等，透光率保持不變，反應(yīng)物濃度和生成物濃度就保持不變。

【總結(jié)】剖析可逆反應(yīng)、化學(xué)平衡狀態(tài)等核心概念。

（五）用行動(dòng)檢驗(yàn)假設(shè)

1.化學(xué)史證據(jù)

教師展示大量化學(xué)史證據(jù)：1799年貝托雷在考察埃及鹽湖時(shí)，發(fā)現(xiàn)氯化鈉與巖石作用產(chǎn)生碳酸鈉沉淀，同時(shí)可以朝著相反的方向發(fā)生;1884年勒夏特列提供了化學(xué)平衡移動(dòng)原理;有科學(xué)家研究合成氨反應(yīng)獲得1909年和2007年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

2.分析化工生產(chǎn)問(wèn)題

【問(wèn)題】預(yù)測(cè)工業(yè)合成氨反應(yīng)中各物質(zhì)濃度隨時(shí)間變化情況，并說(shuō)明依據(jù)。

【要點(diǎn)】反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物濃度逐漸減小，生成物濃度逐漸增大;平衡時(shí)反應(yīng)物和生成物濃度保持不變。

【問(wèn)題】對(duì)于SO₂的催化氧化反應(yīng)2SO₂+ O₂ 2SO₃，如果反應(yīng)物中的O₂用¹⁸O，平衡時(shí)哪些物質(zhì)含有¹⁸O，為什么？

【總結(jié)】都含有，平衡正向反應(yīng)SO₃中含有¹⁸O，平衡逆向反應(yīng)SO₂中也會(huì)含有¹⁸O。

3.生活經(jīng)驗(yàn)

【問(wèn)題】請(qǐng)列舉生活中的平衡問(wèn)題，并歸納其特點(diǎn)。

學(xué)生：教室里人數(shù)平衡;溶解平衡;天平平衡……

教師介紹平衡的普適性，由化學(xué)學(xué)科延展到其他學(xué)科，由理論到實(shí)踐。

4.解決疑難

【問(wèn)題】將KSCN溶液與FeCl₃溶液混合得到血紅色溶液，F(xiàn)e³⁺和SCN^-可能的存在情況有幾種，為什么？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明Fe³⁺與SCN^-的反應(yīng)是可逆反應(yīng)。

【要點(diǎn)】可逆反應(yīng)，反應(yīng)物和生成物共存;檢驗(yàn)所有物質(zhì)的共存或檢驗(yàn)少量反應(yīng)物有剩余。

5.小結(jié)

學(xué)生認(rèn)識(shí)到證據(jù)推理的重要性和反應(yīng)可以正逆向同時(shí)進(jìn)行。

教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行歸納與總結(jié)：以前我們對(duì)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)停留在反應(yīng)物能否轉(zhuǎn)化為生成物的結(jié)論性認(rèn)知上，對(duì)速率缺乏認(rèn)識(shí)，更沒(méi)有限度的概念。現(xiàn)在我們對(duì)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)是其可以雙向的、同時(shí)的、動(dòng)態(tài)的。后面的教學(xué)活動(dòng)中我們還將發(fā)展平衡理論：用它去定量判斷反應(yīng)的限度，計(jì)算化工生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)化率，解決化工生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題。

6.課后作業(yè)

作業(yè)1：向血紅色稀溶液中滴加5滴KSCN濃溶液，用傳感器監(jiān)測(cè)得到透光率隨時(shí)間變化情況（如圖3）。請(qǐng)?jiān)谠搱D中標(biāo)明化學(xué)平衡狀態(tài)，并指出化學(xué)平衡狀態(tài)的特征和本質(zhì)。

作業(yè)2：將一定量的SO₂和O₂混合，發(fā)生了如下反應(yīng)2SO₂+O₂2SO₃。請(qǐng)畫(huà)出SO₃濃度隨時(shí)間變化圖，并說(shuō)明畫(huà)圖依據(jù)。

作業(yè)3：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明Fe²⁺+Ag⁺

Ag屬于可逆反應(yīng)。

三、教學(xué)反思

此課例教學(xué)的明線是多角度認(rèn)識(shí)反應(yīng)，暗線是平衡思想進(jìn)階（起始課）。為突破學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)限度概念的迷思，教師通過(guò)試管實(shí)驗(yàn)營(yíng)造疑難問(wèn)題情境，借助色度傳感器，直播反應(yīng)的微觀過(guò)程。同時(shí)，利用手持技術(shù)提供實(shí)時(shí)證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)尋找證據(jù)，在不斷地表達(dá)與思維交鋒中，排除速率慢與單向折返的假說(shuō)。最終，引導(dǎo)學(xué)生建立正逆反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的科學(xué)假說(shuō)，自主構(gòu)建可逆反應(yīng)和化學(xué)平衡的相關(guān)概念。教師借助手持技術(shù)開(kāi)展有關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使得關(guān)注核心概念的生成過(guò)程變得可能，營(yíng)造了“假設(shè)創(chuàng)造”與“假設(shè)檢驗(yàn)”的土壤。教師通過(guò)評(píng)價(jià)性問(wèn)題進(jìn)行引導(dǎo)使學(xué)生認(rèn)識(shí)思路外顯，圍繞評(píng)價(jià)要點(diǎn)開(kāi)展“對(duì)話指導(dǎo)”與“反思指導(dǎo)”，指引學(xué)生在“假設(shè)創(chuàng)造”與“假設(shè)檢驗(yàn)”中完成概念的自主建構(gòu)，提升了他們的概括能力、邏輯推理能力等科學(xué)思維能力。

注：本文系北京市石景山區(qū)2021年規(guī)劃重點(diǎn)課題“基于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的中學(xué)化學(xué)深度學(xué)習(xí)教學(xué)實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：SJS2021A15）的階段性研究成果。

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（作者王曉軍系北京教育學(xué)院石景山分院教研員;劉華、張鴻智系北京市京源學(xué)校教師;吳丹系北京大學(xué)附屬中學(xué)石景山學(xué)校教師）

責(zé)任編輯：祝元志