浅谈学习进阶视域下的实验教学

王振 张明月 胡志刚

摘要： 借鉴学习进阶理论应用于实验教学，把“空气中氧气含量的测定”实验教学划分为从低到高的四个阶段（原点阶段；相关知识点阶段；知识网连接阶段；知识网拓展阶段）。从点燃方式的改进和反应物的选择，介绍知识网连接阶段；从实验的拓展和迁移，介绍知识网拓展阶段。进阶式实验教学能激活学生创新思维，提升实验教学质量，促进实验的深度学习，进一步改进教学关系。

关键词： 学习进阶理论； 实验教学； 空气中氧气含量的测定； 实验创新

文章编号： 1005-6629（2018）4-0050-07 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

学习进阶（LPs）理论[1～2]认为学科知识和技能的学习是分阶段和有明确路径的。学习进阶作为改善学生认识思维发展，促进知识整合及深层理解的一项研究成果，在国外已有十余年的研究历史，而我国正处于刚刚兴起阶段[3]。在国内化学学科基础教育研究文献中，研究者大多从初中、高中和大学教材涉及的核心概念和原理的衔接进行研究[4～8]。本文借鉴学习进阶理论，尝试应用于实验教学，把实验划分为由低到高的学习进阶阶段，逐步激活学生的思维，渗透创新能力的培养，提升实验教学的质量，最终达到培养学生核心素养的目标。

“空气中氧气含量的测定”是初中生首次从化学的视角研究身边熟悉的事物，这为物质的分类做了铺垫，也为后续系统化的研究物质奠定了基础，所以教材中往往把这个实验放在比较靠前的位置。以人教版义务教育教科书《化学》[9]为例，“空气中氧气含量的测定”被安排在第二单元的课题1中，是学生学习科学探究后的第一个严格意义上的探究实验，而且是第一次定量化测量看不见的气体，需要借助物理学压强知识，把不能看到的实验结果转化为可以看到的实验现象。但受制于学生刚接触化学、化学知识尚且匮乏、课堂教学时间有限和教学进度的要求等影响，实验创新往往是局限于教师演示实验，学生实验创新却无从下手。按进阶式的实验教学，教师有意识地在教学不同阶段中逐步渗透实验创新思想，潜移默化地影响和调动学生的创新意识。复习实验时，当学生跃跃欲试，教师可提供学生动手的机会，促进实验的深度学习，进而引导学生从一个实验的研究迁移到一类问题的研究上，引导学生向高阶思维发展。

1 “空气中氧气含量的测定”的学习阶段

结合初中生特点和初中化学课程的内容，拟出从低到高四种阶段和相关内容，见表1。水平1是原点阶段，主要让刚接触化学的学生体验科学探究过程，理解和掌握测量空气中氧气含量的原理和方法，熟悉基本的化学实验技能和方法，端正学习化学的态度。水平2是相关知识点学习阶段，主要对其他章节相关知识点的学习，相关知识点越丰富越熟练，对后面知识的实验创新和融合越有利。水平3是知识网连接阶段，把前两种水平中孤立、零碎和局部化的知识进行整合，引导学生积极主动地为解决问题搭建知识网，激活学生的创新意识。水平4是知识网拓展阶段，完善知识网络化体系，进一步提高实验能力和创新能力，侧重于方法原理的迁移和归纳。水平1、2，属于常规教学范畴，囿于版面限制不再赘述。

2 “空气中氧气含量的测定”知识网连接階段的实验创新综述

教材中测定空气中氧气含量的实验，见图1。实际操作中，氧气往往达不到占空气体积1/5的

表1 “空气中氧气含量的测定”实验的不同学习水平和阶段

理想值，除了装置气密性因素外，主要存在三方面的不足： （1）点燃方式： 点燃燃烧匙里的红磷，伸入集气瓶到塞好瓶塞，瓶内空气会因受热而逸出部分空气，从而使实验产生误差。（2）药品选择： 教材里选择的是红磷燃烧的方法，红磷是学生陌生的药品。（3）环保角度： 药品用量多浪费药品，且红磷燃烧生成的五氧化二磷，易与水蒸气结合生成有毒的偏磷酸，污染环境，危害师生健康。

图1 教材中测定空气中氧气含量的装置

2.1 基于燃烧条件改进点燃方式

人教版第七单元课题1中燃烧条件： ①达到燃烧所需的最低温度（着火点）；②可燃物；③氧气。根据燃烧的条件，改进点燃方式，在密闭的条件下点燃红磷，避免在开放体系下点燃红磷造成的污染和误差。通过电烙铁或者利用通电后电阻丝发热点燃红磷，见图2。温度只要达到红磷的着火点就可以燃烧，不一定要接触，所以可用激光笔照射点燃红磷，见图3[13]。

图2 电烙铁点燃红磷

图3 激光笔点燃红磷

把红磷（着火点240℃）改成着火点更低的白磷（着火点40℃），点燃的方式更多，如利用放大镜聚焦太阳光点燃，见图4；利用80℃左右的热水点燃，见图5；利用金属的导热点燃，见图6。

图4 太阳能点燃白磷

图5 热水点燃白磷

图6 金属导热点燃白磷

2.2 基于消耗氧气选择反应物

空气中氧气含量的测定原理： 氧气减少的体积等于倒吸进入瓶中水的体积。学生的认知中可以消耗氧气的方式有： 燃烧消耗氧气；动植物呼吸作用；铁生锈等。课本选择红磷燃烧测定空气中氧气的含量，是因为红磷燃烧消耗氧气而不产生其他气体。实际教学中教师常强调药品不能选择炭、硫磺的燃烧，经过大量的习题强化训练往往形成思维定势。某种程度上，化学就是用思维和实验结合的方法研究物质的科学，复习中需要引导学生用已经学习的知识再次思考反应物的选择，培养学生的科学思维和创新意识，避免形成思维定势。以下提供四种不同的反应物来测量空气中氧气含量。

选择一： 蜡烛燃烧法

常规的思路是石蜡燃烧消耗了氧气，但生成了二氧化碳气体，因而不能用来测量空气中的氧气。突破思维定势，利用蜡烛燃烧消耗氧气，生成的二氧化碳气体用氢氧化钠溶液来吸收，以水面上升的高度测出氧气的体积[14]，见图7。

图7 蜡烛燃烧法

选择二： 铁吸氧腐蚀法

常规思路是不能利用铁丝的燃烧来测定空气中氧气的含量，因为铁丝在空气中无法燃烧。目的是测定氧气的含量，不一定非要燃烧起来，只要物质能耗尽氧气就可以。选择用4mL 1mol/L食盐水润湿的滤纸贴在250mL广口瓶内侧，把2.0g还原铁粉和2.5g活性炭粉搅拌混匀。把广口瓶横放，一边转动，一边将铁粉和炭粉的混合物倒入广口瓶内壁，尽可能使其均匀地附着在内壁的滤纸上。盖上瓶塞，约4分钟后打开止水夹，会看到水倒吸进入广口瓶约1/5处[15]，见图8。

图8 铁的吸氧腐蚀法

选择三： 种子呼吸法

在以往生物课的学习中，学生已经知道种子萌发的过程中呼吸需要消耗大量的氧气，产生二氧化碳。用25粒左右萌发的种子放在带孔的隔板上，隔板下放有一定量浓的氢氧化钠溶液，利用氢氧化钠溶液吸收种子呼吸释放的二氧化碳，引起压强差使水倒吸进入瓶中，也可以用来测量氧气的含量，见图9。

图9 种子呼吸法

选择四： 自制耗氧物质法

化学是一门研究物质的科学，它的魅力在于不仅能合成自然界已有的物质，而且能合成自然界没有的物质，通过物质的合成服务、造福于人。通过实验合成易吸收氧气的物质（多硫化物或焦性没食子酸等），使用这些物质来测定空气中氧气的含量。如自制多硫化钠测定空气中氧气含量[16]，取1g NaOH和1g硫磺粉充分研磨后加热，发生化学反应： 6NaOH+（2x+2）S△2Na2Sx+Na2S2O3+3H2O

，待冷却后，取约0.5g混合药品于试管中，向试管中加入约10mL水，盖上橡皮塞在试管外作个标记，发生化学反应： 2Na2Sx+O2+2H2O2xS↓+4NaOH

。振荡试管约1分钟后，把试管在水槽中拔下橡皮塞，水倒吸上来，在试管上做个标记，氧气含量=h1-h2h1×100%，见图10。

图10 多硫化钠测空气中氧气含量的操作示意图

3 “空气中氧气含量的测定”知识网拓展阶段

3.1 “空气中氧气含量的测定”实验的拓展

实践是检验真理的唯一标准。实验操作的体验感，历经艰难解开真理面纱的过程和得出实验成果的喜悦，就是化学学科独特的魅力所在。鼓励学生敢于改进实验，在学生想到可行的、创新的想法和方案跃跃欲试时，教师要给予肯定并提供相应的帮助。如学生用“热贴”中的铁粉改进实验，一组用注射器（注射器由于具有刻度、密封性、可加压可减压等性能，常用在改进实验、微型化实验、定量化实验等方面）改进，另一组用矿泉水瓶（矿泉水瓶由于具有透明、密封、质软、受外力易形变等特点，常用于初中化学实验[17]）改进实验，见表2。

表2 学生改进实验方案

对比两种实验结果，发现实验结果和理论值相差很大。以矿泉水瓶的误差为例，学生做出一些猜想：

猜想1： 装置气密性不好，瓶盖没有盖好。补救措施： 装好药品后，立即盖紧瓶盖。

猜想2： 变瘪后的矿泉水瓶在水槽中没有完全复原。补救措施： 换成硬度更好的矿泉水瓶，复原后再移出水槽。

猜想3：“热贴”中物质不能将装置内的氧气消耗光。补救措施： 教师借助于数字化的O2传感器协助学生再次探究“热贴”粉耗氧量，11分钟时，氧气含量降为0.7%。

3.2 “空气中氧气含量的测定”实验的迁移

深度学习“空气中氧气含量的测定”实验，进而拓展到测定混合物中某种物质含量的一般研究思路，见图11。首先要掌握各成分相关物质的性质，利用待测物和其他成分性质的差异，选择相应的方法分离或转化某一成分，进行测量得到间接量，最后借助仪器和计算等把间接量转化为可视化的数据，从而得出混合物中某成分的含量。教师引导学生归纳气相混合物中组分含量测定的方法，迁移到初中阶段其他相态组分含量的测定，见表3。又如把测量空气中氧气的一般方法，迁移到如何把看不见转化为看得见的实验（证明盐酸和氢氧化钠中和反应确实发生了；证明二氧化碳确实和氢氧化钠发生了反应；证明分子确实是存在的等），促进学生对实验进行深度学习，并把学习提向高阶层次。

图11 测定混合物中某组分含量的研究思路图

表3 初中阶段混合物成分含量的测定

续 表

4 思考和启示

4.1 借鉴学习进阶提升实验教学和复习质量

有的教师在新课教学时，教学目标超越了学生最近发展区，为了实验的创新而“创新”，却发现学生呆若木鸡不知教师所云。再如实验复习时，不少教师往往把相关知识点重复强化记忆，大量习题巩固，师生俱疲，事倍功半，学生实验能力也没太大的进步。笔者认为之所以出现这种状况，可能是因为教师忽略了学生的阶段发展规律，忽略了学生已有知识和未知知识的距离，以及怎样建立已知和未知的联系，在实验创新上尤其明显。我们借鉴“学习进阶”理论分阶段地促进知识整合及深层理解，指导学生分阶段的进行实验深度学习，学生创新思维，不断交流碰撞，有时会带来意想不到的收获。

4.2 借鉴进阶理论改进教学关系

进阶理论强调学生发展的阶段性，要想学生主体性得到最大程度的发挥，离不开教师主导作用的发挥，两者辩证统一于学生的发展。教师主导给学生指明了发展的方向，而且需要教師高瞻远瞩地走在学生发展的前面。学生主体性作用的发挥，需要建立在相应知识体系的基础上，离开相关基本知识的实验“创新”就成了无源之水、无本之木。学生基础知识的掌握需要教师主导，而教师主导是为了学生的主体作用在实验创新阶段有更好的发挥，在实验创新后学生要想进一步获得发展，离不开教师的指引和启发。教师的帮助，不仅能增进师生之间的情谊，而且使实验后的总结和拓展效果更好。

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