成斌斌

（蘇州文昌實(shí)驗(yàn)中學(xué)校 江蘇 蘇州 215100）

一、問題的提出

科學(xué)探究是學(xué)習(xí)化學(xué)、提高學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的有效途徑。在進(jìn)行科學(xué)探究專題復(fù)習(xí)時，可以某一個典型實(shí)驗(yàn)為“小切口”，以學(xué)生當(dāng)前亟待解決的問題為出發(fā)點(diǎn)，用化學(xué)學(xué)科思想方法來引領(lǐng)，設(shè)計(jì)合適且遞進(jìn)的問題鏈，幫助學(xué)生快速梳理知識點(diǎn)和總結(jié)方法經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生自主探究，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，最終建立知識方法體系與問題解決之間的聯(lián)系，提高學(xué)生的參與積極性。［1］

模型是人們?yōu)榱诉_(dá)到對目標(biāo)對象進(jìn)行解釋、認(rèn)識或研究等特定目的，對目標(biāo)對象所作的一種簡化的、直觀的、定性或定量的、文字或圖形的描述，具有描述（利用模型對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、變化進(jìn)行簡單化、可視化的表征）、解釋（利用模型解釋現(xiàn)象與本質(zhì)的關(guān)系）、預(yù)測（利用模型對性質(zhì)、變化進(jìn)行預(yù)測）、系統(tǒng)化知識（利用模型將知識系統(tǒng)化、有序化、結(jié)構(gòu)化）的功能。［2］通觀江蘇省近年中考化學(xué)卷中的科學(xué)探究題，對學(xué)生的考查已逐漸由“知識主體”轉(zhuǎn)向“能力主體”。因此，在科學(xué)探究專題復(fù)習(xí)過程中，關(guān)注模型建構(gòu)，外顯思維過程與方法，有益于啟發(fā)學(xué)生掌握科學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)在學(xué)習(xí)中從分析“一個變化”到研究“一類變化”的轉(zhuǎn)變。

二、內(nèi)容分析和模型建構(gòu)

1.整合前經(jīng)驗(yàn)，建立基本模型

化學(xué)變化通常伴隨有發(fā)光、放熱、產(chǎn)生氣泡、生成沉淀、顏色變化、氣味變化等現(xiàn)象。而氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)并無明顯現(xiàn)象，如何證明反應(yīng)是否真的發(fā)生了呢？以此問題為支點(diǎn)開展科學(xué)探究。在進(jìn)行問題解決時，可先梳理已有知識，找到可借鑒的事例，總結(jié)其方法原理。通過類比、遷移、歸納等方法由點(diǎn)及面得出解決此類問題的一般思路，將相關(guān)化學(xué)知識結(jié)構(gòu)化，并遷移到當(dāng)前問題中來。經(jīng)梳理后，從教材中找到可被借鑒的實(shí)驗(yàn)如表1所示：

表1 教材中可借鑒實(shí)例

對以上事例進(jìn)行分析匯總可知，證明一個無明顯現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生，通常有三種基本方法。據(jù)此，通過討論建立研究“無明顯現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生”的基本模型如圖1所示。

圖1 基本模型的建構(gòu)

2.結(jié)合微專題，深化模型細(xì)節(jié)

將圖1 中的基本模型適配到本微專題的研究中。先從宏觀、微觀兩個角度分析氫氧化鈉與一定量二氧化碳反應(yīng)過程中的物質(zhì)和微粒變化情況，將分析結(jié)論與模型相結(jié)合，找到合適的研究路徑，將微專題科學(xué)探究細(xì)化成幾個子實(shí)驗(yàn)探究過程：①（宏觀）證明二氧化碳的消失或水的生成；②（微觀）證明氫氧根離子的消失或碳酸根離子的生成。結(jié)合離子的檢驗(yàn)方法，溫度、壓強(qiáng)、二氧化碳濃度等物理量變化，梳理每個子實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡难芯糠椒?，形成本專題研究的細(xì)化模型如圖2所示。

圖2 細(xì)化后的模型

3.進(jìn)行科學(xué)探究，建構(gòu)學(xué)習(xí)模型

科學(xué)探究可促進(jìn)對學(xué)科的理解，激發(fā)興趣與動機(jī)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識、懷疑求證精神（證實(shí)或證偽）。成功的科學(xué)探究過程可幫助學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，理解科學(xué)本質(zhì)。以實(shí)例1（見表1）的分析過程為例，過程中學(xué)生的思維發(fā)展過程見圖3。

圖3 實(shí)例1中學(xué)生思維發(fā)展路線

成功實(shí)施科學(xué)探究教學(xué)還存在一些需關(guān)注的問題和要點(diǎn)。一是要多維度挖掘科學(xué)探究的教學(xué)功能價值，不能以完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和夯實(shí)實(shí)驗(yàn)基本操作為主要指導(dǎo)思想；二是教學(xué)過程中需“探”“究”結(jié)合，鼓勵學(xué)生“動手”“動腦”；三是科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要與時俱進(jìn)，增強(qiáng)對數(shù)字化技術(shù)手段的應(yīng)用，不斷提高實(shí)驗(yàn)的科技含量。［3］

本課的科學(xué)探究過程是在對氫氧化鈉和二氧化碳的微專題復(fù)習(xí)過程中圍繞階段性的特定問題展開的。教師以問題解決為主要目標(biāo)，以實(shí)驗(yàn)為線索，以問題為驅(qū)動，組織了包括歸納討論、動手實(shí)驗(yàn)（傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)）、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、表達(dá)交流、收集證據(jù)和查閱資料等多樣化的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生在探究過程中解決了原有問題，并通過優(yōu)化認(rèn)知模型形成了解決此類實(shí)驗(yàn)問題的思路模型，并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加以運(yùn)用，提升了學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。［4］在此過程中，學(xué)生通過思考、體驗(yàn)和總結(jié)，對科學(xué)探究進(jìn)行了模型建構(gòu)（如圖4所示），并將該模型運(yùn)用到每個子問題的解決中。

圖4 科學(xué)探究模型建構(gòu)

三、科學(xué)探究實(shí)施過程

1.基于問題，構(gòu)建模型

【情境1】氫氧化鈉溶液中通入二氧化碳，觀察現(xiàn)象，并基于元素化合物的相關(guān)知識推斷反應(yīng)的發(fā)生及反應(yīng)前后物質(zhì)、微粒種類的變化。

【問題1】如何證明氫氧化鈉與二氧化碳確實(shí)發(fā)生了反應(yīng)？

【學(xué)生活動】尋找教材中類似無明顯現(xiàn)象的反應(yīng)的觀察方法（見表1），并總結(jié)思路，構(gòu)建解決此類問題的基本模型（見圖1）。

【問題2】從宏觀和微觀兩個角度分析氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的本質(zhì)。

【學(xué)生活動】從宏觀和微觀兩個角度分析反應(yīng)本身，對本課科學(xué)探究幾條可能路徑進(jìn)行思考，細(xì)化基本模型（見圖2）。

【問題3】實(shí)例1 中紫色石蕊試液變紅一定能說明二氧化碳能與水發(fā)生反應(yīng)嗎？如何基于問題進(jìn)行科學(xué)探究？

【學(xué)生活動】分析二氧化碳溶液中的物質(zhì)種類，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和改進(jìn)，并總結(jié)進(jìn)行科學(xué)探究時需注意的問題（見圖3），構(gòu)建科學(xué)探究的一般模型（見圖4）。

設(shè)計(jì)意圖：通過本環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生分析已學(xué)知識，建構(gòu)研究問題的方法模型，培養(yǎng)模型建構(gòu)能力；強(qiáng)化宏微結(jié)合看反應(yīng)的意識，引導(dǎo)對反應(yīng)實(shí)質(zhì)的理解；強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，幫助構(gòu)建科學(xué)探究的研究模型，為本課學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。［5］

2.遷移運(yùn)用，深入探究

【情境2】從宏觀角度看，反應(yīng)的發(fā)生可依反應(yīng)物的消失或新物質(zhì)的生成進(jìn)行判斷。本反應(yīng)中具體落實(shí)在“反應(yīng)前二氧化碳的消失”和“反應(yīng)后水的生成”。

【問題4】如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明反應(yīng)后二氧化碳是否消失，從而推斷出反應(yīng)的發(fā)生？

【學(xué)生活動】結(jié)合學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和物理學(xué)相關(guān)知識，提出可通過氣體檢驗(yàn)、壓強(qiáng)變化、數(shù)據(jù)測定來表征?；诳茖W(xué)探究模型（見圖4）對本問題進(jìn)行研究，其過程見表2。

表2 通過證明二氧化碳消失推斷反應(yīng)發(fā)生的研究過程

【問題5】欲證明有水生成，需排除原反應(yīng)物里的水。結(jié)合相關(guān)知識，你能提出相應(yīng)的驗(yàn)證方案嗎？

【學(xué)生活動】見圖5。

圖5 通過檢驗(yàn)水的生成表征反應(yīng)發(fā)生的研究過程

3.宏微結(jié)合，發(fā)展認(rèn)知

【情境3】從微觀角度看，反應(yīng)發(fā)生時應(yīng)該伴隨有反應(yīng)前某微粒的消失和反應(yīng)后新的微粒的生成。本反應(yīng)中具體落實(shí)在“氫氧化鈉中OH-的消失”和“碳酸鈉中CO2-3的生成”。

【問題6】從微粒的角度看，隨著反應(yīng)的發(fā)生，氫氧化鈉溶液中哪種微粒在不斷減少？結(jié)合該微粒的檢驗(yàn)方法，你能提出相應(yīng)的驗(yàn)證方案嗎？

【學(xué)生活動】見表3。

表3 通過證明OH-的減少推斷反應(yīng)發(fā)生的探究過程

【問題7】從微粒的角度看，隨著反應(yīng)的發(fā)生，溶液中除了水分子，還有什么新的微粒生成了？結(jié)合該微粒的檢驗(yàn)方法，你能提出相應(yīng)的驗(yàn)證方案嗎？

【學(xué)生活動】交流討論，提出多種可行方案如表4所示。

表4 通過證明的生成推斷反應(yīng)發(fā)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

【演示實(shí)驗(yàn)】向氫氧化鈉溶液中加入不同濃度的氯化鈣溶液，觀察現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 向氫氧化鈉溶液中加入不同濃度的氯化鈣溶液

【學(xué)生活動】查閱資料：氫氧化鈉與氯化鈣反應(yīng)需要看反應(yīng)物的濃度，氫氧化鈣是微溶物，兩個溶液中鈣離子和氫氧根離子達(dá)到一定濃度，就會生成氫氧化鈣沉淀。因此方案二有局限性。

設(shè)計(jì)意圖：在2、3 兩個環(huán)節(jié)的研究過程中，將科學(xué)探究的模型代入具體問題的研究過程進(jìn)行運(yùn)用，在問題驅(qū)動下讓學(xué)生有條理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行反思，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、生活實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合在一起多角度解決同一問題。在使用模型的過程中不斷完善模型，從而使模型更完整。［6］在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，從定性和定量相結(jié)合的角度讓學(xué)生直觀體會氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)過程中壓強(qiáng)、二氧化碳濃度、溫度、pH 等物理量的變化。學(xué)生積極參與了思考、討論、分析、預(yù)測、批判、創(chuàng)新等活動，通過“高投入”的學(xué)習(xí)與同組成員及教師進(jìn)行了“高互動”的交流，有效達(dá)成了知識、思維、能力多重發(fā)展的目標(biāo)，充分體現(xiàn)了在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行模型建構(gòu)的必要性。

4.類比遷移，拓展思維

【情境4】水是最常用的溶劑。但在有些過程中，為提高溶質(zhì)的溶解能力，得到更明顯的反應(yīng)現(xiàn)象，可以將溶劑更換成酒精、汽油等有機(jī)溶劑。如：水不能清洗油污，但汽油可以；碘微溶于水，卻易溶于酒精；提取大豆中油脂時，用己烷為溶劑等。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證氫氧化鈉與二氧化碳是否發(fā)生反應(yīng)時，水是重要的干擾因素。對此，若用純酒精作為溶劑進(jìn)行反應(yīng)，是否會有現(xiàn)象出現(xiàn)？

【查閱資料】

表5 20 ℃時，各物質(zhì)在無水乙醇中的溶解度

【演示實(shí)驗(yàn)】將1.5 g 氫氧化鈉與10 mL 酒精配制成無色透明的溶液，向其中通入二氧化碳，觀察到出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象如圖7所示。

圖7 向氫氧化鈉的酒精溶液中持續(xù)通入二氧化碳

設(shè)計(jì)意圖：通過更換溶劑種類，使原本無明顯變化的反應(yīng)無需通過外力即表現(xiàn)出明顯現(xiàn)象，拓寬了學(xué)生的思維角度，并可以引發(fā)學(xué)生對于“如果仍用水為溶劑，能否根據(jù)各物質(zhì)在水中的溶解度不同而使反應(yīng)產(chǎn)生現(xiàn)象”，將對反應(yīng)的認(rèn)知從定性認(rèn)識發(fā)展為定量認(rèn)識，體會化學(xué)的變化性。

四、教學(xué)反思

本課是基于“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”的微專題科學(xué)探究課。以“氫氧化鈉與二氧化碳是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)”為專題，開展了一系列的科學(xué)探究活動。在此過程中，著力培養(yǎng)學(xué)生以下幾個維度的能力：

1.模型建構(gòu)能力

搜集類似實(shí)驗(yàn)，對其研究方法進(jìn)行總結(jié)提煉，建構(gòu)出判斷無明顯變化的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的幾條基本路徑，以此為基石，對本課研究問題進(jìn)行拆解和細(xì)化，先明確研究的角度，再設(shè)計(jì)研究的方案，在實(shí)驗(yàn)過程中再根據(jù)實(shí)際結(jié)論進(jìn)行修改和完善。在應(yīng)用中不斷完善模型，通過反復(fù)修正、填充使模型更完整。

2.證據(jù)推理能力

在本課的科學(xué)探究過程中，多次遇到了困難。如向滴有酚酞的氫氧化鈉溶液中通入二氧化碳，紅色為何不褪去。通過查閱資料，學(xué)生明白了碳酸鈉溶液為何顯堿性的原因，以反應(yīng)現(xiàn)象和資料信息為證據(jù)，推理出要檢驗(yàn)原溶液中的OH-是否有剩余，需先將溶液中的CO2-3除去，從而設(shè)計(jì)出有效的實(shí)驗(yàn)方案。再如最后進(jìn)行思維拓展時，以前經(jīng)驗(yàn)中酒精、汽油、己烷在溶液配制、清洗油污、油脂提純中的應(yīng)用為切入點(diǎn)，以氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉在無水乙醇中的溶解度數(shù)據(jù)為證據(jù)，推理出通過更換溶劑可以使無明顯現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)出現(xiàn)象，從而設(shè)計(jì)出有效的實(shí)驗(yàn)方案。傳感器的引入使實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和數(shù)據(jù)的有效性大大增強(qiáng)。在證據(jù)推理過程中，學(xué)生的思辨能力得到了加強(qiáng)，意識到事實(shí)證據(jù)、現(xiàn)象證據(jù)、數(shù)據(jù)證據(jù)的有效性，體會證據(jù)推理的嚴(yán)密性和邏輯性。

3.科學(xué)探究能力

科學(xué)探究能力是指從事科學(xué)探究所必需的能力。一般包括發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題、設(shè)計(jì)解決方案、進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、合理進(jìn)行科學(xué)解釋、搜集科學(xué)信息和必要的科學(xué)反思能力。本課以“氫氧化鈉與二氧化碳是否發(fā)生了反應(yīng)”為科學(xué)探究目的，學(xué)生通過前經(jīng)驗(yàn)對方法進(jìn)行提煉，對解決問題的路徑提出幾點(diǎn)猜想。再通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明該方法的可行性，并建構(gòu)出解決此類問題的基本模型。在此過程中，學(xué)生獨(dú)立思考，自主探索，人人有觀點(diǎn)，事事皆可能，充分調(diào)動了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情和探究欲望。在實(shí)驗(yàn)中思辨，不斷提升其科學(xué)探究能力。