從生活世界走向化學世界

一、從幾項熟悉的實驗問題說起

本項目在期望學生從生活現象認識化學原理的同時，也能夠讓學生感受到平凡事物中的神奇奧妙。這些神奇之處即使對于教師而言或許司空見慣，但未必留心觀察過，用心思考過。除了常規教學中關注的“知識要點”，還能從教材中發現許多讓人驚異和感嘆之處。下面擷取三例，與讀者分享。鑒于篇幅限制，以下三例主要是提出問題，不作回答，旨在啟發讀者思考。

1.從蠟燭燃燒現象可以提出哪些科學問題？

1860年圣誕，偉大的科學家法拉第以“蠟燭的故事”為題為青少年朋友連續開展了六場專題報告，深入探討了蠟燭燃燒的原因、蠟燭火焰的形狀、火焰的顏色等一系列問題，并由此擴展到許多物理、化學和生物的基本概念。此后，關于蠟燭火焰的溫度、光譜、成分的研究以及微重力條件下的蠟燭燃燒實驗，進一步拓展了人們對燃燒的認識，從而也大大增強了這一教學內容的趣味性和時代性。就蠟燭燃燒這樣一個常見的現象，都可以提出哪些科學問題？對這些問題我們都能給出合理的解釋嗎？表1列舉了一些基于蠟燭燃燒顯現提出的科學問題。

上述問題是豐富多樣的，而且可以承載核心科學概念的教學。其中不乏我們司空見慣的現象，但平時并沒有留意和質疑，當追問起來的時候還真不知道該如何解釋。由此思考：如何能夠提出更多的科學問題？是否有可供教學借鑒的方法和策略？

2.如何證明氧氣支持燃燒？

對于初中學生而言，通過小學科學的學習以及結合生活經驗，都知道氧氣支持燃燒。這一認識將在初中化學中進一步深化，即認識燃燒是可燃物與空氣中的氧氣發生的化學變化。針對這一教學內容，有沒有追問過：空氣中含有氧氣、氮氣等多種成分，氧氣約占空氣總體積的21%，氮氣約占78%，其他成分約占1%。為何我們直接得出結論是氧氣發揮的作用呢？根據可燃物在空氣中的燃燒現象，可以猜想是氧氣發揮作用，也可以猜想是氮氣發揮作用。如何才能證明是空氣中的氧氣支持燃燒呢？

直述結論的教學往往是簡單的，但是要體現科學推理的過程，這個問題似乎就不太好回答。首先需要做一個簡化的處理，忽略其他含量很低的成分對燃燒的影響，那么氧氣和氮氣就是我們要探究的兩個影響因素（變量）。要說明某一成分是否支持燃燒，可用這種成分的純物質來進行實驗，以消除其他因素的影響，證明氧氣可以支持燃燒。當然，還需要實驗證明可燃物在其他成分氣體（氮氣）中無法燃燒。兩條證據相互匹配，才能得出結論。這個過程中就運用了控制變量、推理論證等思維方法。由此設想，這樣是否更加體現化學作為一門科學的理性之美？是否更能夠提升學生的批判意識和思維能力？若如此，如何將這一科學發現過程轉化為教學活動呢？

3.燃具的設計中有哪些科學原理？

此處的“燃具”一詞，既包括實驗用的加熱裝置，也包括生活、生產中真實的燃燒反應所發生的場所。首先從酒精燈和蠟燭的對比談起，觀察會發現它們既有相似點又有不同點。相同點例如蠟燭和酒精燈都需要燈芯，不同點例如酒精燈的燈芯鑲嵌在陶瓷柱里，而蠟燭的燭芯卻直接佇立在蠟中。為什么這樣設計？陶瓷柱只是簡單的固定燈芯嗎？實驗室還會用到酒精噴燈，若比較酒精燈與酒精噴燈的結構、燃燒的現象，也完全不同。它們的工作原理存在哪些差異？

家庭使用煤作燃料，一般不直接燒煤塊，而是將煤粉、黃土、水按照適當的比例攪拌均勻，擠壓成球形或蜂窩狀，曬干后得到煤球或蜂窩煤。為什么需要對“可燃物”做這樣復雜的加工？煤球爐的進風口在下部，其結構為何這樣設計？為了更好地提高煤燃燒的效率，提高加熱的溫度，在生活中和生產中都采用了哪些技術改進手段？

與煤相比，另一種常見的燃料——天然氣的使用和調控方式與煤有何不同？家里的燃氣灶的結構是怎樣的？每個部位具有怎樣的功能？燃氣灶的發展、進步得到了哪些技術支撐？借助了哪些科學原理？

二、項目的結構設計

項目學習實驗教材一方面落實課程標準以及當前教學對于燃燒的常規要求，另一方面融入上述常見且熟悉的但很少究其原理的科學技術問題，進行項目的整體設計，使學生能夠體會平凡事物中科學原理之奧妙，以期達到以下目標：a.通過探究常見可燃物的燃燒過程，讓學生初步認識物質燃燒所發生的化學變化，認識氧氣在燃燒中發揮的作用，認識燃燒、緩慢氧化和爆炸發生的條件，了解防火滅火、防范爆炸的措施。b.通過探究常見燃料的燃燒現象及其在真實生活中的應用形式，讓學生認識燃燒的條件和調控方式，能夠評估使用這些燃料對環境的影響，知道如何選擇對環境污染較小的燃料。c.通過對燃燒原理、規律的探究以及設計未來的燃料，讓學生初步體驗科學探究和項目研究的過程與方法。

1.本項目的核心任務和活動拆解。

本項目將“探索燃燒的奧秘”拆解為項目導引和3個任務。從知識線索的角度，項目導引主要承載物理變化與化學變化的知識。任務1“燃燒是如何發生的”主要承載可燃物與氧氣的反應、著火點。任務2“如何調控燃燒”主要承載燃燒的完全程度、二氧化碳不支持燃燒。任務3“未來的燃料是怎樣的”主要承載燃燒過程中的物質轉化、傳統及新型燃料。項目導引與3個任務均通過設置系列活動來支持教學活動的展開。（見表2）

2.項目成果及完成進度的規劃。

通過一系列項目學習活動，最終形成項目成果或項目作品，是項目學習的重要特點。在本項目中，學生通過探索燃燒的奧秘、分析生產生活中調控燃燒的技術方法，調查燃料的變遷并分析其中的原因，并在此基礎上展望和設計未來的燃料。在項目完成時，學生需要撰寫一份與“展望和設計未來的燃料”話題有關的研究報告，并繪制海報或制作PPT，進行展示。這樣可培養學生對整個項目學習過程進行梳理總結、反思提煉的能力，以及展示表達能力。為了監控和推進項目進程，每個任務之后都設置了“檢查進度”欄目，提出指向項目成果的階段性要求。

任務1檢查進度：為了能更好地評價和篩選未來的燃料，通過調查活動對可供選用的燃料做一個系統的梳理。包括燃燒的應用形式、涉及的物質及反應、燃燒的裝置、燃燒的調控、燃燒的失控及其避免等。

任務2檢查進度：進一步調查、梳理和比較不同燃料的差異。包括家用燃料的變遷，我國不同地區主要使用的燃料，以及多角度對不同的燃料進行比較和評價等。

任務3檢查進度：從“探索燃燒的奧秘”“燃燒調控中的技術思路”“燃料的變遷”或“設計未來的燃料”等幾大主題中，選一個合適的角度，小組合作完成一份研究報告。

三、項目的突出特色及教學建議

本項目的設計以生動有趣的實驗探究活動為主體，素材選取密切聯系學生的生活實際，并融入許多相關技術工程教育要素，同時注重過程方法目標的落實，突出用聯系的視角來看化學問題和技術問題。在認識燃燒現象、氧氣性質的同時，幫助學生形成對物質、元素、元素守恒、化學式的認識，培養學生的技術意識、技術理解與技術設計能力。

1.借助基本觀念形成結構化認識，注重基本方法的落實。

本項目作為項目學習實驗教材的第一個項目，期望幫助學生體會化學的基本觀念和基本方法，這些基本觀念和方法將在后面的學習中反復應用，螺旋發展，逐漸深化。基本觀念包括從物質變化的角度認識變化，實驗現象、物質變化、能量變化和反應條件是認識化學變化的重要視角，從元素和元素守恒的角度認識物質及其發生的反應，等等。本項目的探究問題、知識內容及其基本觀念之間的關系可以用圖1表示，形成一個體系，幫助學生形成結構化的認識。基本方法包括進行有序的實驗觀察的方法，用科學語言描述實驗現象的方法，對實驗現象進行歸納、分類的方法，對于復雜問題進行簡化處理和實驗設計中變量控制的方法，通過因素分析探索反應發生的條件以及對反應條件的調控，調查和資料檢索的過程與方法，信息提取和加工、基于證據進行對比分析推理判斷的方法，等等。教學中應思考如何外顯和落實這些基本觀念和基本方法。

2.以活動為載體，課內外活動相結合。

本項目精心設計了一系列的演示實驗和學生探究實驗，教學中應創造條件將這些實驗落到實處，不僅可以調動學生的學習興趣，同時可以給學生呈現豐富的直接經驗，幫助學生理解和認識抽象的化學變化和原理。此外，還設置了一系列課內與課外相結合的實踐活動。例如，借助網絡進行信息檢索，訪談家人、長輩，對各種燃料及其保存、運輸和使用器具構造的調查與觀察，對學校、小區消防設施的調查及逃生路線的設計、滅火和逃生模擬訓練，等等。本項目教學的課時為課上課時與課下課時打通使用，教學中應對這些實踐活動做有效規劃，讓學生在課上或課下有效開展，在課上做有效交流匯報，使其成為項目學習的重要環節。

3.融入技術工程教育要素，促進學生對實際問題的理解。

本項目注重科學與技術和工程的聯系，例如在酒精燈和蠟燭結構對比中說明芯對于兩種不同燃料發揮不同的作用，給學生呈現煤球爐、用風箱給爐灶鼓風、鍋爐中煤粉的燃燒，燃氣灶與酒精噴燈的結構等燃燒在真實生活中應用的情景，乙醇汽油、氫氧燃料電池等技術手段在解決能源和環境問題中的作用，等等。這些素材看似不指向基礎化學知識，但對于學生理解化學知識在生產生活中的應用，體會其中的技術與工程原理非常重要，需要在教學過程中有效利用。