手持技术助力学生科学思维能力发展

王晓军 刘华 张鸿智 吴丹

摘要： 教师以发展学生科学思维为出发点，优化杜威“思维五步”与“教学五步”，在手持技术的辅助下创设情境并设置连续性任务，引导学生开展有关概念理论的探究活动，可将微观反应“直播、放大”并使其“可见”，促进科学探究实践与核心概念学习融合，提高学生的思维能力。

关键词：手持技术;科学思维;化学反应的限度

科学思维是依托科学思维方法的认识与正确运用而实现的。科学思维方法指人们在研究和解决科学问题及学习科学知识中所运用的思维方法，它仅作为一种工具，是实现知识和认识的有效手段，科学思维方法的教育过程中蕴含科学思维的教育^[1]。科学思维的核心是分析解决科学问题，教师应设计问题，引导学生自主探索、勇于发现，从而发展学生的科学思维力，提高学生的学习力^[2]。教师利用手持技术对微观反应进行“直播、放大”，使反应变得“可见”，既能充分发挥科学探究的实证作用与核心概念的推论预测功能，也有助于提高学生的分析预测、概括总结、证据推理、归纳演绎等科学思维能力。

一、“思维五步”与“教学五步”及其发展

（一）概念内涵

教学成功的关键之一是激发学生的思维，美国实用主义教育家杜威认为，整个反思性思维的过程分为五个阶段：创设一个疑难问题情境;确定疑难所在，并引导学生提出问题;组织学生参与观察和其他心智活动并搜集事实材料，提出解决难题的各种假设;让学生推断哪种假设能够解决疑难;指导学生自主用行动检验假设。教学过程也对应分成五个阶段：教师为学生创设真实且与经验相符的情境;在情境中产生真实问题以刺激学生思维;引导学生阅读资料、科学观察从而生发对解决疑难问题的思考和假设;让学生自主探究、设想解决疑难问题的方法;让学生通过应用检验方法的有效性^[3]。这种思维过程和教学过程分别被称为“思维五步”和“教学五步”。

（二）融合发展

《普通高中化学课程标准（2017 年版）》 （以下简称《课标》）重视开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境的创设，鼓励开展以化学实验为主的多种探究活动，重视教学内容的结构化设计，从而激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力^[4]。如何实现“思维五步”与“教学五步”与化学数字化教学融合发展，教师需要从实用主义转向“素养主义”，强化理论指导与技术支持，促进学生学习方式的转变。

1.与深度学习理论融合

钟启泉^[5]指出：“深度学习”是学生能动地参与教学活动的总称。深度学习的三个视点，即主体性、对话性、协同性，正是以前应试教育存在不足的地方。教师基于深度学习理论开展教学应从问题着手，力争从“基于教科书水准”上升到“超越教科书水准”，而“对话指导”与“反思指导”则是支撑深度学习的两根支柱。在深度学习中，学生围绕问题进行思考，探究解决方法，教师则判断他们此时“知道了什么”“能够做什么”，从而制订学习规则，并展开一系列探究活动，让他们在解决问题的过程中习得知识与技能。深度学习有效发生是课堂教学成功转型的标识。

2.促进基于手持技术的化学教学

魏明贵^[6]指出：融入手持技术开展课堂教学非常必要，它使课堂发生很多积极的改变：“预设型学习”变为“生成型学习”，“听讲型学习”变为“研究型学习”，“习惯型学习”变为“挑战型学习”。融入手持技术开展化学课堂教学，不仅是信息技术与化学教学的深度融合，而且是核心素养落地的重要方式。只有将传统实验与现代实验手段结合，才能取得更好的效果。

3.提升化学反应的限度教学

对于此课例而言，“教科书水准”是“能描述化学平衡状态，判断化学反应是否达到平衡（《课标》学业要求）”;如要“超越教科书水准”，教师应从学生提出问题入手，明确学生“知道了什么”和“能够做什么”，创设问题情境，提供证据支持，在学生“同自己的对话”“同他者的对话”“同客体的对话”中进行“对话指导”与“反思指导”。

笔者基于以上分析，确定教学目标为：通过传统的试管实验，评估学生化学反应的认识水平，在手持技术支持下组织学生参与科学探究活动，让他们在对话中认识化学反应的限度问题，提出假设，寻找证据，分析解释反应存在限度的原因，自主构建化学平衡相关概念。

二、化学反应的限度教学实践

（一）创设疑难问题情境

【任务】课前，教师将KSCN溶液与FeCl₃溶液混合，让学生思考Fe³⁺和SCN^-可能存在的情况有几种，分别是什么。

【导入】教师：初中阶段，大家已从四大基本反应类型的视角认识化学反应。人教版高中化学教材必修第一册从离子和电子的视角介绍了化学反应。这节课我们将以新视角认识化学反应。

【前测】全班44名学生，其中38人认为可能存在三种情况：有Fe³⁺无SCN^-、有SCN^-无Fe³⁺、无Fe³⁺无SCN^-。另有4名学生认为Fe³⁺和SCN^-可能同时存在。

【问题】请说明预测依据。

学生观点1：反应完全进行，过量的反应物剩余。

学生观点2：从排列组合角度分析，存在第四种情况：Fe³⁺和SCN^-共存。

（课堂交锋：观点1胜出）

【验证】请用教师提供的试剂设计实验，证明自己的观点。试剂：0.01 mol/L的KSCN和FeCl₃溶液;1 mol/L的KSCN和FeCl₃溶液。

【要点】配置稀溶液，滴加浓溶液，观察颜色变化。

【分析】请思考Ⅲ中蒸馏水的作用（如图1）。

【总结】空白对照，排除水的影响。

（二）确定疑难所在，引导学生提出问题

学生分组探究、讨论交流之后发现Fe³⁺、SCN^-和生成物共存（观点2正确）。

学生利用教师补充高炉炼铁化学史证据分析后发现：一些反应中，反应物与生成物共存。

【问题】如何研究这类反应？

学生：选取典型反应，如Fe³⁺与SCN^-的反应，展开研究。

（三）生发对解决疑难问题的思考和假设

学生提出假设1：反应慢，没反应完。

学生提出假设2：溶液浓度比较低，达到一定浓度，就不反应了。

【教师追问】如果时间足够长呢？

学生细化假设1：时间足够长会反应完。

学生细化假设2：时间再长也不能完全反应，到极限了。

（出现反应限度的萌芽认识：静态、孤立）

（四）推断用哪种假设能够解决难题

教师出示卡片：有色物质浓度越小，溶液颜色越浅，透光率越大。

教师演示实验1：演示血红色稀溶液透光率随温度变化（如图2）。

教师演示实验2：向血红色稀溶液中加入5滴1 mol/L KSCN溶液，利用传感器监测透光率随时间变化。

【记录】常温下，血红色溶液透光率为74.6%，温度不变透光率不变，加热此血红色溶液，透光率变为83.3%，自然冷却过程中，比色皿中血红色溶液的透光率逐渐降低。

【问题】分析血红色溶液透光率随温度变化的原因，尝试解释为什么Fe³⁺、SCN^-和生成物共存。

【表达】

学生推理1：随着温度升高，Fe³⁺与SCN^-反应生成更多的血红色产物;当温度降低，血红色产物部分转换成Fe³⁺和SCN^-，从透光率随时间变化图可以看出，反应非常快，排除反应慢的假设。

学生推理2：Fe³⁺与SCN^-完全反应，生成的血红色产物又变回Fe³⁺和SCN^-，这样不断反应。

学生推理3：如果Fe³⁺与SCN^-先完全反应，再反向，透光率随时间变化会先出现最大值，然后再减小，与实验事实不符。

学生推理4：反应既能正向进行，又能逆向进行，开始时只有反应物，反应正向进行，产生生成物之后，反应还可以逆向进行。

学生推理5：在透光率变化过程中，反应物浓度越来越小，正反应速率越来越小;生成物物浓度越来越大，逆反应速率越来越大。二者相等，透光率保持不变，反应物浓度和生成物浓度就保持不变。

【总结】剖析可逆反应、化学平衡状态等核心概念。

（五）用行动检验假设

1.化学史证据

教师展示大量化学史证据：1799年贝托雷在考察埃及盐湖时，发现氯化钠与岩石作用产生碳酸钠沉淀，同时可以朝着相反的方向发生;1884年勒夏特列提供了化学平衡移动原理;有科学家研究合成氨反应获得1909年和2007年诺贝尔化学奖。

2.分析化工生产问题

【问题】预测工业合成氨反应中各物质浓度随时间变化情况，并说明依据。

【要点】反应过程中反应物浓度逐渐减小，生成物浓度逐渐增大;平衡时反应物和生成物浓度保持不变。

【问题】对于SO₂的催化氧化反应2SO₂+ O₂ 2SO₃，如果反应物中的O₂用¹⁸O，平衡时哪些物质含有¹⁸O，为什么？

【总结】都含有，平衡正向反应SO₃中含有¹⁸O，平衡逆向反应SO₂中也会含有¹⁸O。

3.生活经验

【问题】请列举生活中的平衡问题，并归纳其特点。

学生：教室里人数平衡;溶解平衡;天平平衡……

教师介绍平衡的普适性，由化学学科延展到其他学科，由理论到实践。

4.解决疑难

【问题】将KSCN溶液与FeCl₃溶液混合得到血红色溶液，Fe³⁺和SCN^-可能的存在情况有几种，为什么？请设计实验证明Fe³⁺与SCN^-的反应是可逆反应。

【要点】可逆反应，反应物和生成物共存;检验所有物质的共存或检验少量反应物有剩余。

5.小结

学生认识到证据推理的重要性和反应可以正逆向同时进行。

教师带领学生进行归纳与总结：以前我们对反应的认识停留在反应物能否转化为生成物的结论性认知上，对速率缺乏认识，更没有限度的概念。现在我们对反应的认识是其可以双向的、同时的、动态的。后面的教学活动中我们还将发展平衡理论：用它去定量判断反应的限度，计算化工生产中的转化率，解决化工生产中的实际问题。

6.课后作业

作业1：向血红色稀溶液中滴加5滴KSCN浓溶液，用传感器监测得到透光率随时间变化情况（如图3）。请在该图中标明化学平衡状态，并指出化学平衡状态的特征和本质。

作业2：将一定量的SO₂和O₂混合，发生了如下反应2SO₂+O₂2SO₃。请画出SO₃浓度随时间变化图，并说明画图依据。

作业3：设计实验证明Fe²⁺+Ag⁺

Ag属于可逆反应。

三、教学反思

此课例教学的明线是多角度认识反应，暗线是平衡思想进阶（起始课）。为突破学生对化学反应限度概念的迷思，教师通过试管实验营造疑难问题情境，借助色度传感器，直播反应的微观过程。同时，利用手持技术提供实时证据，引导学生主动寻找证据，在不断地表达与思维交锋中，排除速率慢与单向折返的假说。最终，引导学生建立正逆反应同时进行的科学假说，自主构建可逆反应和化学平衡的相关概念。教师借助手持技术开展有关实验教学，使得关注核心概念的生成过程变得可能，营造了“假设创造”与“假设检验”的土壤。教师通过评价性问题进行引导使学生认识思路外显，围绕评价要点开展“对话指导”与“反思指导”，指引学生在“假设创造”与“假设检验”中完成概念的自主建构，提升了他们的概括能力、逻辑推理能力等科学思维能力。

注：本文系北京市石景山区2021年规划重点课题“基于实验创新的中学化学深度学习教学实践研究”（课题编号：SJS2021A15）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 张建阳，周仕东.基于科学思维学习进阶的高一元素化合物单元整体教学设计[J].化学教育，2017（5）：5-9.

[2] 于鹤伟.构建基于问题的科学思维课堂[J].化学教学， 2016（3）：42-45.

[3] 单中惠.杜威的反思性思维与教学理论浅析[J].清华大学教育研究，2002（1）：55-62.

[4] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018.

[5] 钟启泉.深度学习：课堂转型的标识[J].全球教育展望，2021（1）：14-33.

[6] 魏明贵.手持技术催化课堂教学之变[J].中小学数字化教学， 2020（12）：78-81.

（作者王晓军系北京教育学院石景山分院教研员;刘华、张鸿智系北京市京源学校教师;吴丹系北京大学附属中学石景山学校教师）

责任编辑：祝元志