运用POE教学策略与数字化实验的化学课堂教学

庄建德 李伟溪 黄倩莹

关键词：钠与氧气的反应;POE教学策略;数字化实验

一、教学内容及教学现状

“金属钠与氧气的反应”位于人教版第二章第一节第一课时“活泼的金属单质——钠”，具有承上启下的重要功能[1]。承上是指学生在初中阶段学习了镁、铝、铁、铜等金属的相关知识，对金属单质不陌生，而高中学习了物质分类、离子反应、氧化还原反应等理论内容，掌握了预测与解释金属化学性质的工具。启下是指学生通过学习金属钠，在不断“预测—观察—解释”的过程中，掌握研究物质性质的一般方法，为后续元素化合物的学习提供思路。本课时的主要内容包括：金属钠的物理性质、金属钠在空气中的变化、金属钠与氧气在不同条件下的反应。

虽然该课知识内容简单，但学生在学习本课时，仍存在以下两个问题：（1）不能根据已有知识进行迁移、预测物质的性质。（2）缺乏定量意识，不会从定量角度设计实验并收集证据。

二、教学设想与改进

经过文献搜索与研读，发现已有研究多从改良定性实验来探讨钠与氧气的反应，较少有研究者使用数字化实验来改进“钠与氧气的反应”的教学[2-5]。本课例采用数字化实验，改进钠与氧气的反应，相较于“看到切开的钠表面变暗”则说明钠与氧气发生反应，数字化实验所呈现的氧气变化曲线更能说明钠与氧气发生反应，提供的定量数据证据既增加了知识的可信度，又培养了学生的定量思维。另外，本课例采取POE教学策略，环节二至环节五均以“学生预测—学生观察—学生解释”的顺序开展课堂活动，让学生应用POE策略解决问题，进而领会元素化合物性质的学习方法。

三、教学目标与教学流程

本课的教学目标如下：

（1）了解金属钠的储存方法，掌握金属钠与氧气在不同条件下的反应;

（2）通过分析金属钠的物质类别、元素价态、原子结构、金属活动性顺序，预测其化学性质和变化，学会根据已有的理论证据预测物质的化学性质;

（3）通过定性和定量实验，从现象和数据两个角度分析、解释有关实验现象。学会根据实验所得的事实证据验证物质的化学性质;

（4）通过归纳金属钠与氧气反应的探究过程，初步形成研究物质的思路和基于证据推理的研究方法。

本课的教学流程由五个环节构成，分别为：创设情境、预测金属钠与氧气的反应、定性验证金属钠与氧气的反应、定量验证金属钠与氧气的反应、归纳总结与迁移应用。表1为教学流程。

四、教学实录

1. 创设情境

教师展示一瓶储存在液体中的金属钠，学生预习可知钠通常储存在煤油之中。

[教师]从钠的储存条件来看，钠与煤油的密度谁大？

[学生]钠沉在煤油底部，说明钠的密度大于煤油的密度。

[教师]选择密度比钠小的煤油来储存，使钠沉在煤油底部有什么好处？

[学生]沉在煤油底部可以隔绝空气。

[教师]储存时需要隔绝空气，通过这样的储存方法，我们可以对钠的性质作出什么预测？

[学生]可能是因为金属钠易与空气发生化学反应。

[教师]我们知道空气中含有氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气等成分，金属钠究竟是与空气中的哪种成分反应呢？请根据这些气体的性质来进行预测。

[学生]我们初中学习过，氧气能跟镁、铁、铜等金属反应，比较活泼，而氮气不能燃烧也不支持燃烧，二氧化碳用于灭火，也是不能燃烧也不支持燃烧，水常用于灭火，综合以上的分析，氧气与钠反应的可能性最大。

[教师]好的。这节课，我们就先来探讨金属钠是否能与氧气反应。

2. 预测金属钠与氧气的反应

[教师]请结合已学的物质分类、元素价态、原子结构等理论知识，预测“钠能否与氧气反应？”并提供理由。

[学生]思考，分组讨论如何预测“钠能否与氧气反应”？

[学生1]从物质分类的角度来看，钠属于金属，氧气属于非金属，可能易发生化学反应。

[教师]金属是否都易与非金属发生化学反应？我们学习过“金”这一种金属很难被氧化，有没有别的证据来补充说明？

[学生2]钠与金不同，钠在金属活动性顺序中排位较前，表明钠是一种比较活泼的金属，而氧气是一种性质活泼的气体，所以钠与氧气较易反应。

[学生3]从原子结构来看，钠原子最外层只有一个电子，易失去电子，而氧原子最外层有6个电子，易得到电子，所以钠能与氧气反应。

[学生4]钠与氧气的化合价均为零，钠元素的化合价可以上升为正1价，钠具有还原性，而氧元素的化合价可以下降为负2价，具有氧化性，从元素价态的角度来看，钠能与氧气发生化学反应。

[教师]同学们从物质分类、金属活动性顺序、原子结构、元素价态等角度均预测钠能与氧气反应，接下来我们用实验验证预测的结果是否正确？

3. 定性验证金属钠与氧气的反应

[演示实验1]用镊子从煤油中取出一块金属钠，使用滤纸擦干表面的煤油，用小刀切割一小块钠，引导学生观察截面的颜色与变化，并根据实验现象进行分析，组织学生汇报。

[学生]观察到金属钠切开后，迅速失去金属光泽，光亮的银白色变暗。

[学生]证明金属钠与氧气发生了化學反应。

[教师]金属钠表面变暗能证明钠本身参与了反应，能否说明一定是氧气与其发生了反应？用什么方法才可以证明氧气也参加了反应？

[学生]思考与讨论，在反应前后分别测量氧气的含量，根据其含量是否发生变化来判断。

4. 定量验证金属钠与氧气的反应

[教师]向学生介绍氧气传感器与实验装置，如图1所示，实验装置由两部分组成：发生装置（由无线氧气传感器与集气瓶组成）、数据显示装置（无线氧气传感器通过LabQuest App将数据传输到电脑中，再将电脑的画面投屏到显示屏），教师引导学生预测数据的走势。

[学生]钠与氧气反应，导致集气瓶内氧气的含量降低。

[数字化实验1]用镊子从煤油中取出一块金属钠，擦干表面的煤油，用小刀切割一块黄豆大的钠（将其六个面的表层均切掉，露出内部的金属钠），迅速将金属钠放入集气瓶中，然后插入氧气传感器，形成密闭体系。

[学生]集气瓶内的金属钠失去金属光泽，光亮的银白色变暗，集气瓶内的氧气含量随着反应的进行降低。（见图2）

从氧气含量变化曲线看，氧气含量下降是明显的。氧气含量从21.3689%降到21.2126%，下降了0.04764%。这可能与实验使用金属钠的体积较小（为黄豆粒大小）、金属钠还原性较强，从切割到放入集气瓶，再到点击数据采集的过程中，金属钠会迅速被氧化、金属钠表层变成薄膜氧化钠后，可能会阻止内部金属钠继续被氧化等因素有关。

[学生]根据趋势将曲线分为两段——氧气含量明显下降阶段（AB 段）、氧气含量平缓阶段（BC段）。分别从宏观、微观、符号三个角度对两段曲线进行分析，形成四重表征（见图3）。将刚切好的金属钠迅速放入集气瓶中，可以看到如AB段所示，曲线呈明显的下降趋势，说明集气瓶内氧气的含量降低。此时，宏观上，金属钠表面变暗，微观上，钠原子失去电子，氧原子得到电子，将反应用符号表示为“4Na+O2 == 2Na2O”，证明氧气确实能与钠反应。而BC 段曲线逐渐趋于平缓，金属钠表面已失去金属光泽，说明表面的钠已被全部氧化。根据上述对宏观、微观、符号、曲线的分析，可以得到“氧气确实能与钠反应”的实验结论。

5. 归纳建模

[教师]归纳和整理钠与氧气反应的探究过程，总结“预测—观察—解释”的研究思路。

[迁移应用]请同学们运用上述研究思路，判断钠与氧气在加热条件下的反应。

[学生]金属镁在燃烧时与氧气剧烈反应，金属钠比镁更加活泼，所以预测钠也能与氧气剧烈反应。

[演示实验2]切割一小块金属钠并放置于坩埚中，用酒精灯对坩锅进行加热。

[学生]金属钠先熔成小球，然后与氧气剧烈反应，燃烧发出黄色火焰，生成一种淡黄色固体。该现象说明金属钠发生了化学反应，若需要进一步确定在燃燒过程中氧气参与了反应，则可以测量一定质量的钠在密闭容器中燃烧的耗氧量。

[教师]这两个反应有哪些相同与不同的地方？为什么会呈现出这些不同？我们之前还学习过什么内容跟这是相似的？

[学生]两个反应的反应物是相似的，但由于反应条件不同，其反应现象与生成物都是不同的。初中我们学习过硫、铁等物质与氧气的反应也是会明显受到反应条件的影响。

[教师]反应条件的改变的确会对化学反应造成影响，可能会使其出现不同的现象，甚至不同的产物。故以后大家在研究化学反应时，一定要注意反应条件！钠在空气中只能与氧气发生反应吗？若不是，还可能与什么物质反应？如何验证？

[数字化实验2]取一块金属钠，擦干煤油，用小刀切割后迅速将其放入集气瓶中，在集气瓶口插入二氧化碳与湿度传感器，形成密闭体系。实验结束后可得集气瓶内二氧化碳与水蒸气含量随时间变化的曲线图。

[教师]描述曲线趋势，留下疑惑，引导学生课后解释现象。

五、教学反思

本课抓住“钠与氧气反应”，利用2个数字化实验，设计“预测—观察—解释”的学习过程。

（1）利用数字化实验，可优化教学。数字化实验有助于解决传统实验的诸多困境，将实验的隐性变化可视化[6]，用直观的曲线和数据说明氧气确实参加了与钠的反应。从学生的课堂表现来看，学生能够接受数字化实验的引入，能在老师的引导下有条理、多维度地分析实验数据，进行证据推理。在教学中可以开发基于四重表征的实验，提高学生的四重表征意识与四重表征思维[7]。

（2）采用POE 教学策略，有助于形成“预测—观察—解释”的研究思路。首先通过定性验证钠与氧气在常温下的反应构建“预测—观察—解释”的研究思路，然后在定量验证钠与氧气在常温下的反应、钠与氧气在加热条件下的反应探究中，自主应用该研究思路进行学习。该研究思路可以为元素化合物的教学提供一定的帮助。