基于“探究与创新”的数字化实验教——以“空气中氧气含量的测定”为例学

罗柳珊

（深圳市新安中学（集团）外国语学校 广东 深圳 518101）

一、问题的提出

义务教育化学课程以实验为基础，激发学生对物质世界的好奇心；使学生初步形成物质及其变化等基本化学观念，发展科学思维、创新意识和实践能力。实验的探究过程是化学学科探索物质及其变化的方法，是化学家发现和构建学科知识、应用学科知识创造物质的科学实践活动。我国《实验化学》的不同版本的教材中将实验活动分为两类:一类是应用类活动，包含物质制备、物质分离、物质检验；另一类是探究类活动，包含组成探究、反应规律探究、物质性质探究。［1］本课题是利用物质分离的思路来测定物质含量，是应用已知物质的性质和规律设计实验，以达到实验目的的一类探究活动。

传统的实验教学过程是基于已有的实验步骤，让学生重复性地进行验证，以达到教材中既有的实验结论，而创新的实验过程，就是解决问题、培养科学思维的过程，这其中包括提出问题—分析问题—解决问题—拓展问题的过程。［2］

在创新实验的教学过程中，学生是学习的主体，教师参与学生的交流与互动，并适时引导，在传统实验的基础上，寻找能体现化学学科思维的科学探究方法，并创新改进实验。在整个过程中注重过程性评价与总结性评价，通过评价与反馈，回流提升，促进学生的发展，实现学生在学习过程中的“自我监督”。

二、教学内容分析

1.课标分析

本课题属于学习主题1“科学探究与化学实验”，又属于学习主题2“物质的性质与应用”，要求了解科学探究过程包括提出问题、形成假设、设计并实施实验或调查方案、获取证据、分析解释数据、形成结论及建构模型、反思评价及表达交流等要素，分析物质性质并形成利用物质分离思路来测定物质含量的一般思路与方法。

2.教材分析

本单元在教材中被安排在第二单元课题1“空气”第一课时，本单元作为学生接触具体化学物质的学习开端，其功能价值体现在:

（1）第一个研究看不见的气体的实验；

（2）第一个在密闭体系中利用气压变化研究气体的定性实验；

（3）第一个测定混合物中某成分含量的定量实验。

本课题将空气研究史、测定空气里氧气含量的实验原理和实验定性和定量探究有机融合，以问题导向的形式从物质性质和变化的学科视角认识和研究空气，为接下来研究氧气制取、二氧化碳性质等做了铺垫。

表1 重构了教学内容，重在培养学生学习化学的态度以及实验技能，特别是实验存在误差或数据分析时，更可以通过误差的分析、数据的处理，培养学生分析问题和解决问题的能力以及数据处理分析和归纳的能力。［4］

表1 教学建议

3.学习者分析

（1）知识起点。对气压、空气的成分有一定的感性认知，会用一些简单的仪器，对蜡烛的燃烧原理和产物类别有一定的实验研究基础。

（2）认知障碍点。没有经历过系统的实验探究过程:提出问题、形成假设、设计并实施实验、获取证据、分析解释数据、形成结论及反思与评价。没有构建从定性分析走向定量分析的化学思维。

（3）发展进阶点。

图1 思维进阶

三、教学目标

1.大单元教学目标

本课题属于“性质与应用”这一单元主题，是学生第一次接触具体物质性质学习，表2罗列了该主题单元在不同阶段物质性质教学中，实现学生探究与创新能力的进阶规划，学生认识物质性质是从具体物质到类别物质、混合体系的过程，从单一角度到多角度、从定性到定量的层级发展过程。［5］

表2 性质与应用单元主题水平进阶表

表3 学生交流讨论记录

表4 实验记录单

2.课时教学目标

（1）通过蜡烛燃烧、红磷燃烧、木炭燃烧的分组实验，认识空气是一种混合物，知道空气中氧气的含量及其测定方法，进而建立世界是物质的、物质是可分的科学的物质观和分类观。

（2）通过测定空气里氧气的含量定性和定量探究活动，培养小组合作的自主学习意识，并初步学会运用观察、实验等途径获取证据，得出科学结论的方法，培养科学探究能力和创新意识。

（3）通过红磷燃烧产物的处理分析和“空气成分发现”的化学史实，培养社会责任意识、严谨求实的科学态度和勇于探索的科学精神。

3.教学流程

图2 教学流程

四、教学过程

1.前测与导学

【问题1】集气瓶是空的吗？

【教师】布置课前任务。

任务1:课前知识、能力、素养测评。

任务2:录制能证明空气存在的生活小实验。

【设问】集气瓶是空的吗？如何通过已有知识，设计实验验证你的想法。

【学生】播放课前自编自导的小视频，通过气密性检查辩论集气瓶是否是空的。

【交流汇总】①含有空气；②倒流的水的体积=减少的气体的体积。

2.跨学科定性分析，搭建认知台阶

【问题2】空气是单一物质吗？

【交流讨论】已有的小学科学、生物、物理知识能否得出空气的成分？并说明猜想理由。

3.“定性分析”走向“半定量分析”

【问题3】空气中氧气含量是多少？

【教师】可否通过消耗氧气的方法测定氧气含量呢？

【交流讨论】根据已经学过的氧气的性质，寻找适合用于测定氧气含量的试剂。

【设计学习任务单】

①试剂:蜡烛、木炭、红磷、硫磺、铁丝、镁带。

②你选的试剂是_____，选用的依据是_____。

【教师】播放视频:密闭塑料瓶内的蜡烛燃烧后，将塑料瓶放入水中，水倒流。

引发学生思考:倒流回的水的体积是否等于消耗的氧气体积呢？

【分组交流并实验】

【发现差异，寻找合适方案】

图3

【求同存异，再探究】

小组合作，进行红磷燃烧测定空气中氧气含量的实验，并进行误差分析。

【学生】原因:①“红磷不足”；②“气密性不好”；③“没有冷却至室温就打开止水夹”；④“燃烧匙伸入集气瓶的速度太慢”；⑤“燃烧匙伸入集气瓶后，集气瓶的塞子没有塞好”。

4.数字化实验助力“半定量分析”走向“定量分析”

【问题4】如何定量测量空气中氧气含量。

【学生】画出红磷燃烧过程中氧气含量、压强的曲线变化过程。

【教师】通过手持技术数字化实验，利用图4的实验装置，测定红磷燃烧过程中的压强、氧气含量的变化过程。

图4 数字化实验装置图

【成果分析】

电脑终端显示的实验数据如下图5 和图6 所示，可见，实验结束后的氧气含量降至5%左右，此时压强降至83.0 kpa左右，分析数据可知压强下降了约17%，氧气含量下降了约16%，二者的差值接近。

图5 氧气含量随时间的变化

图6 压强随时间的变化

图7 研究物质成分的一般思路与方法

5.以史为鉴，学评结合

【问题5】历史上是如何测定氧气含量的？

【教师】回顾拉瓦锡的实验，引导学生思考如下几个问题:

①拉瓦锡的实验原理与本节课的实验设计原理有何差异？

②拉瓦锡的实验为何不能作为课堂上的探究实验？

③对比分析如何利用物质分离测定某成分含量。

【交流与评价】

任务1:角色扮演，谈谈自己本节课的收获。

任务2:完成课后知识、能力、素养测评。

任务3:完成五点量化评价表。

6.方法提炼

师生共同提炼研究物质成分的一般思路与方法:

五、教学反思

1.先学后教，以学定教

学生从“学会知识”转变为“会用知识”，同一个知识点有不同功能，比如检查气密性的实验在本课例中可以作为判断空气存在的证据，也可以将看不见的气体的体积转化为看得见的水的体积，化无形为有形。多角度认识学生已有的知识经验，诊断出学生对实验证据意识的认识水平。进而从跨学科的角度寻找空气成分的存在证据，将“已知”转化为“素材”，帮助学生在新情景下运用旧知识，通过分析建构出新知识（空气成分），增强开放性与融合性，拓宽学生思维的广度，也帮助学生认识化学是物质的，物质是有类别的，初步建立物质类别观。

2.数字化实验显化教学成果

从“感性认知—定性分析—半定量分析—定量测定”等多角度辨析空气的成分及氧气含量，培养学生独立思考和创新思维。本节课中，笔者采用手持技术定量测定红磷燃烧过程中氧气含量、压强的变化过程，带领学生直观地观察实验曲线，培养学生宏观实验、符号、曲线相结合的多重表征的思维能力。

为了综合评价探究性实验和数字化实验的教学效果，本节课采用表现性评价与总结性评价相结合的评价方式，从物质组成、性质、变化以及探究思路、操作方法等角度进行评价，依托核心的实验活动，确定具体的评价内容，并通过学生的行为表现来描述不同层次学生的不同水平［6］。

笔者通过纸笔测试法，采用课前+课后知识、能力、素养等角度进行综合测评，并采用课后五点量化表评价，选取深圳市某中学参加探究与创新实验教学的学生，共发放调查测评98 份，收回有效答卷95 份，约占测评人数的97%测评结果显示具体数据分析如下表5，可见，学生的知识、能力、素养三个模块的检测结果均有提升，本节课的教学具有一定的效果。

表5 前后测得分率对比分析

教学完成后，采用问卷调查法调查学生对本节课的反馈与评价，调查问卷共有8道题，采用李克特式五点量化计分表，选项包括:非常同意、同意、一般、不同意、非常不同意，分别记为5、4、3、2、1分，最后两道题为反向问答。从本次调查问卷的结果来看，学生对本节课的满意度较高，正向得分均分在4.5以上，反向得分均分在1.4 以下，其中关于多角度探究空气中氧气含量的题目均分达到4.8以上，说明通过本研究，学生的创新思维能力、实验探究能力、定量化实验设计能力均有所提高，初步达到基于经验迁移到推理论证的探究水平。但是，问卷数据也体现了学生定量分析氧气含量和压强的变化曲线的能力较弱，在今后的教学中仍需要加强从宏观现象到定量分析的实验设计及数据处理的能力培养。

3.探究中体验，体验中创新

传统的探究性教学容易走向两个极端。一是在教师的严密布局下展开的，造成教师放手的假象。二是将课堂全部交给学生，没有任何情景的预设，造成课堂效率低下，教学处于无序的状态［7］。笔者认为，开展有效的探究与创新实验课堂，教师要把握好“放手”与“引导”的关系，例如可强调以学生为中心，教师只是引导学生选择合适的实验试剂、设计实验方法、进行交流评判、指导归纳总结等。

在新课标的引领下，笔者通过5 个问题导向步步深入:“集气瓶是空的吗”→“空气是单一的吗”→“空气中氧气含量是多少”→“如何精确定量测定氧气含量”→“历史上是如何测定氧气含量的”，一步步引导学生从自己所学过的物质中寻找能消耗空气中氧气的试剂探究空气中氧气含量，并自己设计实验进行验证。基于教师的引导，学生的研究方向更加明确，探究实验更加有针对性。