基于控制变量的科学思维在图像认知中的教学设计——以“金属与酸反应”为例

陈丽娟，毛彩霞，李亚婷

（中国科学院兰州分院中学，甘肃兰州 730000）

一、问题的提出

“金属和酸的反应”是九年级化学的重要组成内容，它包含了金属与酸反应的条件、金属活动性的强弱等方面的问题；且金属和酸反应的图像题在这几年的中考中出现的频率也高，为了考察学生的科学思维，试题呈现的因变量和自变量也随题境而变，但在教师教学过程中只能以最常见的教学问题来设问引导学生分析各变量的关系，缺少了对该知识点价值的深度挖掘，引领学生分析问题的逻辑起点也受到了局限。如何用一个有效的教学设计突破教学中的这个难点迫在眉睫。

二、设计思路

本教学案例的设计主要以金属和酸反应为知识载体，本节课的核心任务是解决金属与酸反应速率的影响因素和用图像来表征因素中自变量和因变量的关系。故围绕这个核心任务建立了教学设计。本教学设计依据“提出问题→证据推理→图像构建→问题解决”的思路，创设情境，提出问题，以任务驱动的方式来展开实验探究，运用控制变量的思想，从众多知识要素中分析出影响金属与酸反应的速度及生成氢气质量的核心要素，并经过学生对知识整合后，再以直观的图像输出理解的信息，从而提升学生的提问能力、实验探究能力、分析解决问题的能力、绘图能力等，将提升学生的素养落到实处。

三、教学内容分析

金属与酸的反应是人教版教材九年级化学第八章第二课题的重要内容，课标中该部分内容属于二级主题，属于身边的化学物质范畴，通过观察、探究帮助学生理解它们对人类生活的影响，能增强学生对化学的好奇心和探究欲望，让学生初步认识物质的用途和性质之间的关系。在教学中，金属和酸的反应既是金属又是酸的核心知识，具有承上启下的作用，对此金属与酸反应的速率中各要素之间的关系处理是否得当即为后期酸的学习埋下伏笔，又为学生继质量守恒定律学习后再次接触到化学量的计算做到了补充，为形成化学学科的思维和化学观念起到了非常重要的作用。

四、学情分析

1.知识的储备及化学基本观念。初三学生已经完成了化合物、单质、置换反应等基本概念的学习，且掌握了质量守恒定律及化学反应前后反应物、生成物之间的量的转化关系。学生前期知识的储备较为全面，微粒观已经形成，变化观有待补充和完善，这些都对本节课的学习起到了很好的支撑作用。另外，学生已经掌握了实验探究的基本步骤，能完成简单的验证实验，能完整地表述实验现象，推理、归纳出实验结论，分析实验误差影响因素，很好地树立了科学的实证观。

2.实验的推理论证能力。学生已经掌握了实验探究的五个步骤，并对实验设计思路比较清晰，另外对生成物的收集和验证也较为熟悉，为实验的推理论证以致显性的输出也有了基本的保障。但是在学习的过程中，学生对知识点之间的结构化不太清晰，缺乏对知识点系统框架的凝练和内化，缺乏内化后知识转化为能力的显性化输出环节。

3.学生心理特点。初三学生正处于思维由感性化转化为理性化的阶段，其思维敏锐，活跃，好奇心强，对知识的获取方法和输出途径非常感兴趣，不轻易接收某些观点，喜欢自己探究得出结论的过程。另外，学生自尊心强，都希望通过自己的努力证实自己，同时得到同龄人的认可和教师的肯定。

五、《课程标准》的要求

基于《课程标准》中化学学科素养的相关要求，该教学设计可以从以下两点切入：（1）“科学思维”，采用控制变量的思维处理影响金属和酸反应速率的影响因素。（2）“科学探究与实践”，应用分组探究的方式，通过实验数据的分析和推理，在实验中获得结论，形成学科观念和科学思维。

六、教学流程

1.创设情境，提出问题。教师在教学中可用生活中的情境作为课堂引入，设问提出生活中的金属和酸反应的具体的例子，并从生活观察着手，对照实验室制备氢气的反应速度，亲身感知金属与酸反应速率的不同。

2.实验验证，证据推理。初三的学生对探究世界中物质的兴趣是非常浓厚的，教师可在问题的驱动下引导学生依据已有的知识进行思考，列出影响反应速度的多种可能因素：金属的种类、金属的质量大小、金属的纯度、酸的种类、酸的浓度等。在此基础上使用分组实验探究的方法，不同的组领取不同的任务，完成不同的影响因素对金属和酸反应速率的影响实验设计。教师首先引导学生采用控制变量的思维，提升分析解决问题的能力，然后学生完成仪器的组装，操作实验，完成实验现象和数据的记录，并依据现象、数据验证猜想。不同组的学生代表发言，说出自己组的观点；多组将实验结果汇总，整合归纳，分析要素，得出结论。教师再继续设问：既然金属与酸反应的速度与上述因素有关，那这四个因素又是如何影响氢气的生成量的？学生积极思考，分情况提出假设，设计实验，并分解实验的实施步骤，完成实验。教师讲述在实验过程中影响气体的生成量主要有两个因素，一个是酸的质量，另外一个是金属的质量。若酸的量足够多，氢气的生成量就只与金属的量和种类有关系；若金属的量足够多，氢气的生成量就与酸中溶质的质量有关系；再运用控制变量的思维来解决这部分内容。

3.图像构建。教师提出问题：如何能更直观地反映出气体生产量和影响因素之间的关系？学生再次分组活动，针对不同组引领的不同任务仔细思考，区分各项任务中的变量问题。组内成员可以合作交流，各抒己见，在能力范围内用图像直观展示。教师引导学生分析各组展示图像中的自变量和因变量，将控制变量的科学思维方法贯穿于教学的整个活动中。学生再次活动，按自己对知识及因变量、自变量的理解，绘制出对应图像。教师引导学生分析各自绘制的图像，达成共识，完成教学目标。

4.问题解决。学生在合作探究、推理的基础上，掌握了在复杂因素中使用控制变量的思维，将问题整合后再确定自变量和因变量，挖掘知识的价值，并通过最直观的图像呈现出来，得到事半功倍的效果。

七、教学实录

（一）课堂引入

教师：酸雨主要是化石燃料燃烧后的气体扩散到空气中和水作用形成的酸溶液，酸雨有什么危害？具体可以和哪些类别的物质反应？实验室制备氢气的原料是什么？酸雨与金属的反应和实验室制备氢气的反应速度有什么不同？

设计意图：从生活入手创设情境，产生驱动性任务，同时培养学生的环保意识。

（二）分析要素，聚焦论证过程

学生：依据生活经验和观察，做出回答。

教师：同学们能从生活中细心观察，是非常值得表扬的。另外通过同学们的回答，可以从中归纳出影响金属和酸反应速度的因素有温度、金属的性质、酸的性质、金属的量、酸的量等。这些因素可以划分为内因和外因，外因诸如温度等。对这部分内容的学习我们主要考虑内因对金属和酸反应速率的影响，如金属的性质、酸的性质、金属的量、酸的量等。如何证实？

学生：分组实验探究，不同的组领取不同的任务，完成不同的影响因素的实验设计。1 号组负责探究金属的性质对金属和酸反应速率的影响；2 号组负责探究酸的性质对反应速率的影响；3 号组负责金属的量是如何影响金属和酸反应速率的；4 号组负责酸的量是如何影响金属和酸反应速率的。

学生：依据设计思路，选择必要的仪器，完成仪器的组装，操作实验并完成实验现象和数据的记录任务。1 号组的学生设计中选取了不同种类的金属，不同纯度的锌粒。金属的颗粒大小，酸的种类，酸的浓度都是相同的。2 号组的学生设计中选取了不同浓度的酸，金属的种类、金属的纯度、金属的表面积都是相同的。3 号组的学生设计中选取了不同质量的锌粒，对锌的纯度、颗粒大小，酸的种类、浓度等的选取都是相同的。

设计意图：以小组探究的形式，学生分工合作，明确探究内容，设计实验方案。培养学生的实验操作能力、观察能力，科学态度和控制变量的科学思维能力。

学生：描述现象，分析数据，得出结论，验证猜想。

设计意图：提升学生的语言表达能力，培养学生证据推理论证的能力，培养学生的科学探究和实践能力。

学生：将多组实验结果汇总，整合归纳，分析要素，得出结论：金属与酸反应的快慢主要有如下几个影响因素：金属的性质、酸的性质、金属的纯度和表面积、酸的浓度。

设计意图：培养学生对信息的分析和处理能力。

教师：既然金属与酸反应的速度与上述因素有关，那这四个因素又是如何影响氢气的生成量的了？

学生：分情况提出假设，分两组设计实验，并分解实验的实施步骤。

设计意图：提升学生分析解决问题的能力。

学生：完成实验。第一组（1 号组和2 号组）采用质量守恒定律，分别测定反应前烧杯中的硫酸（酸足量）和托盘上的锌粒、铁的质量总和，再将锌和铁分别投入酸中，待不再产生气泡后，再次称量，记录数据；第二组（3 号组合4 号组）同操作，只是在操作中选用相同质量（少量）和溶质质量分数的硫酸，金属过量，实验完毕后称量、记录数据。学生分析同一个问题不同小组得到的数据，得出结论。

教师：我们通过对实验过程中数据的分析，可以得出影响气体的生成量主要有两个因素，一个是酸的质量，另外一个是金属的质量。若酸的量足够多，氢气的生成量就与金属的量和种类有关系；若金属（种类相同）的量足够多，氢气的生成量就与酸中溶质的质量有关系。由此可见，控制变量的科学思维法在这部分知识的学习中是非常重要的。在相同质量的不同金属被用完，酸足够多的情况下，氢气的生成量主要受哪些因素的影响？在考虑这个问题时，那些次要因素（如酸的浓度、酸的种类、金属的表面积、金属的纯度等）又如何处理？

学生：积极思考，在主要任务的引领下取主去次，确定因变量和自变量的关系，灵活应用控制变量思维解决实际问题。

设计意图：提升学生分析解决问题的能力。

（三）图像构建

教师：如何能更直观地反映出气体生产量和影响因素之间的关系。

学生：用图像来反应更加直观。1、2、3、4 号组分别引领了相同质量不同种类的金属和足量的酸反应后，绘制氢气的生成量—反应时间的关系图；相同质量不同种类的足量金属和相同质量不足量的酸反应后，绘制氢气的生成量—反应时间的变化关系图；相同质量不同种类的足量金属和相同质量不足量的酸反应后，绘制氢气的生成量—金属消耗量的变化关系图；相同质量不同种类的足量金属和相同质量不足量的酸反应后，绘制氢气的生成量—反应时间的变化关系图；相同质量不同种类的足量金属在加入同质量酸时，绘制氢气的生成量—加入酸的质量的变化关系图。针对不同组引领的不同任务，学生仔细思考，区分各项任务中变量问题，组内成员可以合作交流，各抒己见，绘制图像。

教师：引导学生分析各组展示图像中的变量问题，达成共识，强化控制变量思维在图像题中的应用，完成教学目标。

设计意图：培养学生的图像认知能力，提升学生的科学思维，培养学生的学科素养。

八、教学反思

本节课是围绕着探究金属与酸反应速率与哪些因素有关这样一个驱动性的问题展开的，把酸雨反应的速率和实验室制备氢气的速率做对比引入问题，注重运用问题启发学生思维。后基于采用控制变量等的实验设计思路、分组探究、要素整合等多步环节，注重学生多角度分析解决问题能力的培养；注重学生分析处理信息的能力的培养；注重学生实验探究和实验操作能力的培养。对所学知识整合后，以教师的问题引入为契机，顺理成章引入图像分析和图像的绘制。整个过程充分应用了学生的自主学习、探究的能动性，加以教师的引导，很好地完成了核心素养落实在教学中的目的，并最大限度地提升了学生的科学思维。