陳懋　朱依鳳

摘要： 從迷思概念、認知邏輯、深度學習三個角度，分析初中科學教材“傾倒二氧化碳使蠟燭熄滅”實驗存在的問題；基于深度學習理念，從學生認知邏輯出發(fā)，遷移氧氣性質的驗證方法，通過問題引導設置三個小實驗認識二氧化碳的性質；再讓學生設計傾倒二氧化碳滅火實驗，分析異?，F(xiàn)象產生的原因，點燃思維智慧火花，提高學生的學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞： 初中化學； 深度學習； 迷思實驗； 二氧化碳； 實驗探究

文章編號： 10056629（2023）11006204 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 迷思實驗的界定

“迷思”一詞起源于希臘語單詞（mythos），泛指人們無法以科學方法驗證的領域或現(xiàn)象?！懊运几拍睢笔侵笇W生頭腦中存在的與科學概念不一致的認識［1］。而“迷思實驗”源自“迷思概念”，“迷思實驗”是指與學生經驗不一致的混沌實驗。“初中化學迷思實驗”是指在實驗教學中，因學生的經驗與科學知識只有部分重合，而導致實驗現(xiàn)象不明確、實驗原理講不清、實驗結論不嚴謹?shù)认瘛懊运肌币粯拥幕煦鐚嶒?。學生的“迷思”往往源自日常的生活經驗，且在一定的范圍內可能得到合理的解釋并為日常經驗所證實。因此，學生往往對其深信不疑，比如液體是可以傾倒的，而氣體不行。教材中“傾倒二氧化碳使蠟燭熄滅”就是一個迷思實驗，而迷思實驗可以引發(fā)學生的興趣，培養(yǎng)科學探究能力，促進深度學習的發(fā)生，因此該實驗的教學價值不言而喻。

2 對教材實驗的分析

2.1 從學生迷思概念分析

對學生來說，人體呼出的氣體中含有二氧化碳，二氧化碳是一種非常熟悉的物質。由于之前只體驗過傾倒液體，所以對于二氧化碳可以像水那樣在容器之間傾倒是缺乏感性認識的；學生通常認為物質支持燃燒就是可以燃燒，所以對于二氧化碳不支持燃燒也不可以燃燒也缺乏理性認識。

“傾倒二氧化碳使蠟燭熄滅”的實驗，在浙教版初中科學教材中以“活動”欄目的形式出現(xiàn)，教師按照教材方案演示時（見圖1），會出現(xiàn)“上面的蠟燭先熄滅”“兩支蠟燭同時熄滅”“兩支蠟燭都不熄滅”等多種異?，F(xiàn)象。導致這些“異?！钡脑蚝芏?，比如蠟燭火焰的大小、蠟燭的高矮及位置、傾倒的快慢、傾倒的位置等等。此時，許多教師會重新實驗，或花費大量的時間解釋產生“異?！钡脑颍瑢W生往往聽得云里霧里，也由此產生“實驗不允許失敗”“實驗結論尤其重要”等“迷思概念”，從而失去一次點燃學生智慧火花的機會。

2.2 從學生認知邏輯分析

人對事物的認識通常是從簡單到復雜，從分解到綜合。二氧化碳的學習是基于氧氣性質的基礎，浙教版初中科學教材中，將二氧化碳比空氣的密度大、二氧化碳不支持燃燒也不能燃燒三個性質融合在一個實驗中，這樣的設計裝置比較簡潔。把兩支蠟燭固定在燒杯中的階梯鐵皮架上，向燒杯里傾倒二氧化碳，這個操作以二氧化碳氣體能像液體那樣在容器之間傾倒，說明它比空氣的密度大，可觀察到小蠟燭會從下往上熄滅，說明它不支持燃燒也不能燃燒。也有教師提出創(chuàng)新改進，但往往裝置變得很復雜，學生看得眼花繚亂。演示實驗時，有些教師為了避免“異常”現(xiàn)象出現(xiàn)，在傾倒氣體時用漏斗進行導流，這樣做，看似讓學生探究，實質上仍然停留在“告知事實，驗證結論”的層次上。雖然教師都會反復強調，但在答題時仍發(fā)現(xiàn)多數(shù)學生描述性質不完整，這樣的裝置并不符合學生的認知邏輯。所以我們應該先設置三個小實驗認識二氧化碳的性質，再綜合設計“傾倒二氧化碳使蠟燭熄滅”的實驗。

2.3 從學生深度學習分析

深度學習是基于批判性理解的學習。深度學習應在深度中求廣度，從深刻認識中挖掘出更為豐富的內涵，使知識在廣泛的范圍內得到更好的遷移，從而衍生出更多的內容［2］。在學生實驗中，教材方案如圖2所示，將蠟燭由兩支變成一支，觀察蠟燭火焰的變化。學生與教師的實驗裝置不同，學生不清楚究竟是一支還是兩支蠟燭效果好以及這樣設計的理由是什么，這樣的學習還是屬于淺層次認知。所以我們應該設置問題支架，不斷追問，通過對照實驗，引導學生開展科學探究，促進深度學習的發(fā)生。

3 基于深度學習的教學改進

環(huán)節(jié)1：二氧化碳與空氣的密度大小比較

教師設問：通常情況下，二氧化碳和空氣的密度哪個大？你怎么證明呢？學生想到，相同體積的二氧化碳和空氣的質量應該不同，在天平的左右盤分別放上裝滿空氣和二氧化碳的集氣瓶，觀察天平的指針偏轉情況。學生認為，二氧化碳分子的組成中除了氧元素，還有碳元素，所以二氧化碳比空氣的密度大；也有學生認為，一些地窖、溶洞中二氧化碳的含量高，所以二氧化碳比空氣的密度大；還有學生認為，用向上排空氣法收集二氧化碳，所以二氧化碳比空氣的密度大。教師演示（見圖3），學生發(fā)現(xiàn)由于天平的精確度不夠，指針偏向變化不明顯。

教師追問：還有什么更好辦法比較二氧化碳和空氣的密度大小呢？教師提示，根據(jù)物體浮沉條件知識，將兩種不同密度互不反應的液體倒在一起，密度大的沉到下面，密度小的漂浮在上面。學生想到，可采用向容器中傾倒二氧化碳氣體，如果二氧化碳比空氣的密度大，則二氧化碳會沉到下面，如果二氧化碳比空氣的密度小，則二氧化碳會漂浮在上面。

學生活動：如圖4所示，將充空氣的氣球放在燒杯內，沉入底部，向燒杯內傾倒二氧化碳，觀察氣球的浮沉狀況。學生發(fā)現(xiàn)，氣球上浮，說明二氧化碳比空氣的密度大。

設計意圖：設置階梯式問題，或設置問題支架，不斷追問，讓學生經歷多種“困難”，從比較密度大小到比較相同體積氣體的質量，發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象不明顯；教師再提供學習支架，聯(lián)系浮力知識，確定采用氣體浮沉現(xiàn)象來判斷。讓學生經歷分析、評價、創(chuàng)造，發(fā)展自身的高階思維。

環(huán)節(jié)2：探究二氧化碳是否支持燃燒等

教師設問：如何驗證二氧化碳是否支持燃燒呢？學生認為，可以遷移驗證氧氣的助燃方法，將燃著的木條放在集氣瓶口及瓶內，觀察木條是否繼續(xù)燃燒，如果木條燃燒更旺，說明該氣體可以助燃，如果木條熄滅，說明該氣體不支持燃燒。學生活動如圖5所示，發(fā)現(xiàn)燃著的木條立即熄滅，說明二氧化碳不支持燃燒［3］。教師追問：這個實驗沒有聽到輕微的爆鳴聲，還能說明什么？學生聯(lián)系燃燒知識，說明二氧化碳本身也不能燃燒。

設計意圖：對學生而言，支持燃燒和可以燃燒容易混淆，從“最近發(fā)展區(qū)”出發(fā)，讓學生從氧氣的性質驗證方法跳一跳找到驗證二氧化碳性質的方法，解構迷思概念。

環(huán)節(jié)3：驗證氣體密度與溫度的關系教師設問：如圖6所示，如果將燒杯倒扣在兩支長短不同的點燃蠟燭上，你認為哪支蠟燭先熄滅？學生認為，短的蠟燭先熄滅，因為二氧化碳比空氣的密度大，生成的二氧化碳聚集在下方；也有學生認為，長的蠟燭先熄滅，因為蠟燭燃燒產生熱量，使氣體向上運動。

學生活動：學生發(fā)現(xiàn)長的蠟燭先熄滅，說明熱的二氧化碳在上方。

教師解釋：同溫同壓條件下，二氧化碳比空氣的密度大，但由于熱脹冷縮，蠟燭燃燒生成熱的二氧化碳氣體體積變大，變得比空氣的密度小，會聚集在火焰的上方，使長的蠟燭先熄滅，短的蠟燭后熄滅［4］。

設計意圖：學生對科學知識的學習始于他們在生活實踐中對自然的認識。創(chuàng)設與學生自然認識不一致的情境，先猜想，再實驗，激發(fā)認知沖突，也為后續(xù)實驗做好鋪墊。

環(huán)節(jié)4：傾倒二氧化碳滅火

教師設問：如何設計一個實驗驗證二氧化碳的密度比空氣大、不能燃燒也不支持燃燒？有學生先想到用一支蠟燭，也有學生想到用兩支蠟燭。教師讓學生進行評價，一支蠟燭和兩支蠟燭是否都能證明二氧化碳的三個性質？哪個方案更好？理由是什么？學生經過討論，從對照實驗角度，認為兩支蠟燭比一支蠟燭更好。

教師設問：那么兩支蠟燭如何放置呢？學生想到將兩支長短不同的蠟燭水平放置，也有學生提出兩支蠟燭階梯放置。教師引導學生進行討論，為了避免蠟燭之間互相影響，兩支蠟燭放在階梯上更好，畫出實驗裝置圖（見圖7）。

學生活動：學生發(fā)現(xiàn)蠟燭熄滅的先后順序會因為傾倒二氧化碳的位置不同而出現(xiàn)不同現(xiàn)象。教師解釋：由于蠟燭燃燒放出熱量，使得氣體受熱膨脹，密度變小，若直接倒在火焰的上方會因為二氧化碳不能與蠟燭火焰接觸而逸散到空氣中去。

教師追問：如果為了實現(xiàn)蠟燭從下往上熄滅，如何改進實驗裝置？學生聯(lián)系空氣對流的特點，認為可以在瓶口加一塊玻璃片（見圖8左），也有學生提出在燒杯口加一塊長玻璃片，避免直接傾倒在蠟燭上方，如圖8右所示。

學生活動：學生發(fā)現(xiàn)有的組還是兩支蠟燭都不熄滅。教師引導學生對比分析，為了實現(xiàn)蠟燭從下往上熄滅，必須保證燒杯內氣體溫度低，蠟燭的火焰不能太大，兩支蠟燭的距離不能太遠，在傾倒二氧化碳時，動作要稍慢一些，盡可能使二氧化碳向燒杯口擴散得少一些，同時二氧化碳必須足夠多等［5］。

設計意圖：通過問題鏈引導學生從一支到兩支蠟燭、從水平到階梯放置的對比實驗，讓學生在活動中發(fā)現(xiàn)異常，理解玻璃片的作用，也明白教材實驗方案設計的原理。對不同實驗異?，F(xiàn)象進行對比分析，真正促進學生的深度學習發(fā)生。

4 教學反思

4.1 從“教教材”到“用教材”

教科書上的實驗設計，是教學的重要資料，但我們必須從“教教材”轉變?yōu)椤坝媒滩摹保弧拔ń滩摹?。對教材中的實驗，根?jù)學生的認知邏輯，有針對性地選擇能實現(xiàn)整體優(yōu)化的教學方式和策略。對有些實驗需進行一定的改進甚至創(chuàng)新，促成學生主動有效地學習，實現(xiàn)從“教教材”到創(chuàng)造性地“用教材”。

4.2 從“關注結論”到“深度學習”

在化學教學中，實驗教學是化學學科的本質特征。實驗教學不僅是為了驗證結論，也是幫助學生理解知識的一種教學輔助手段。對實驗過程中的某些思維加工更需要給予足夠的重視。當學生學習過程中遇到困難時，教師必須要改進實驗方案，幫助學生解決迷思問題，引導學生經歷分析、評價、創(chuàng)造，從而實現(xiàn)深度學習。

4.3 從“簡單演示”到“具身探究”

親身經歷以探究為核心的學習活動是學生理解科學本質的主要途徑。針對教材上的迷思實驗，教師既不能簡單演示，更不能為了下結論而下結論，而要讓學生具身探究，在課堂上給予學生觀察、實驗、分析和討論等活動留出足夠的時間，對“異?！爆F(xiàn)象先引導學生猜想、假設，再設計實驗驗證。實驗不僅僅是獲得結論，還要了解實驗的過程及其實驗“異?！钡脑颍^程比結論更重要，只有這樣，學生才會對科學探究始終保持一份好奇心。

參考文獻：

［1］趙瑩， 黃皓， 王靖. “三序”結合視角下高中物理迷思概念轉變研究［J］. 教學月刊·中學版（教學參考）， 2022， （4）： 54～57.

［2］李萬杰. 深度學習視域下一道橢圓擺問題的探討［J］. 中學物理教學參考， 2022， 51（31）： 17～21.

［3］閆相友. 優(yōu)化實驗設計培養(yǎng)學生化學實驗素養(yǎng)——以二氧化碳的性質探究為例［J］. 化學教學， 2022， （4）： 79～81.

［4］周密， 張丹. 二氧化碳性質實驗裝置改進及教學實踐［J］. 化學教學， 2023， （5）： 60～62.

［5］范玉英. 二氧化碳的性質探究實驗新設計［J］. 化學教學， 2023， （3）： 80～82.