巧設(shè)探究過程 提高科學(xué)素養(yǎng)

馬賢斌

[摘? ?要]科學(xué)思維是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑。在測量空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)的過程中，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，在探究過程中對實驗裝置進行改進，在改進過程中發(fā)展科學(xué)思維，提高科學(xué)素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]科學(xué)素養(yǎng);探究過程;教學(xué)設(shè)計

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）29-0080-03

科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)包含多方面的內(nèi)容，如了解科學(xué)概念、掌握科學(xué)方法、樹立科學(xué)思想、經(jīng)歷科學(xué)探究等。如何讓學(xué)生有效地經(jīng)歷科學(xué)探究呢？現(xiàn)今的科學(xué)成就都是在巨人的肩膀上發(fā)展起來的，所以在教學(xué)過程中要充分利用這個特點，巧妙設(shè)計探究過程，讓學(xué)生經(jīng)歷、體驗經(jīng)典實驗的探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。以華師大版教材中的《空氣的成分》第一課時“測定空氣中氧氣的含量”為例，談?wù)劚菊n例的教學(xué)設(shè)計及教學(xué)啟示。

一、教學(xué)設(shè)計

1.鏈接生活，引出主題

（創(chuàng)設(shè)情境：病情較嚴(yán)重的新冠患者需要吸氧。）

師：病人為什么不吸空氣呢？

生1：空氣中的氧氣含量比較低？

師：空氣中的氧氣含量是多少呢？一般我們所說的氧氣含量是指氧氣的體積分?jǐn)?shù)，要測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，必須測哪些物理量？

生2：要測量空氣的體積和空氣中氧氣的體積。

師：如何測量？

設(shè)計意圖：知識來源于生活，并應(yīng)用于生活。利用生活中的實際情境引課，激發(fā)學(xué)生探究空氣中氧氣的含量的欲望，引出主題。

2 .引導(dǎo)探究，發(fā)展思維

（1）合作交流，確定測量方案

師：氧氣和空氣體積的測定是我們要解決的問題。取一瓶空氣，瓶中的氧氣含量與外界空氣中的氧氣含量一樣嗎？

生3：一樣。

師：如何測量這一瓶空氣的體積？

生4：先將瓶子裝滿水，再將水倒入量筒中，測出水的體積就能知道一瓶空氣的體積。

師：用水測容器的體積時，水進入瓶子時，空氣被排出，排出的空氣的體積與進入的水的體積是什么關(guān)系？

生5：排出的空氣的體積等于進入的水的體積。

（演示實驗1：驗證抽出的氣體的體積與進入瓶中的水的體積相等 。）

師：將空氣的體積這類難以直接測量的值轉(zhuǎn)化為水的體積這類容易測量的值來進行測量，這是一種科學(xué)方法，叫轉(zhuǎn)換法。

師：而這瓶空氣中氧氣的體積又如何測定呢？

（學(xué)生小組討論方案，思路1：將其他氣體除去，測定剩下的氧氣的體積;思路2：用燃燒法將氧氣消耗掉，通過測量減少的氣體體積或剩余氣體的體積，得到氧氣的體積;思路3：消耗氧氣，瓶內(nèi)氣壓變小，將水壓入，用水代替氧氣的體積，測出的水的體積便是消耗的氧氣的體積;思路4：分離出氧氣，再測定其體積。）

師：在實際操作過程中，我們要從操作簡便、現(xiàn)象明顯、結(jié)果科學(xué)等幾個方面去考慮。那么是消耗瓶內(nèi)的氧氣方便，還是分離出瓶內(nèi)的氧氣方便？

生6：消耗瓶內(nèi)的氧氣方便。

師：你會選擇“誰”來消耗氧氣？理由是什么？

生7：選擇紅磷，因為產(chǎn)物是固體，可避免對實驗產(chǎn)生影響。

師：總結(jié)燃燒物選擇的原則：只與氧氣反應(yīng)，且產(chǎn)物無氣體。

設(shè)計意圖：啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生利用取樣法和轉(zhuǎn)換法測量瓶中空氣和氧氣的體積，讓學(xué)生親身體驗并思考討論、充分理解其中的科學(xué)原理，為接下來的裝置設(shè)計和改進打下知識和方法的基礎(chǔ)。

（2）分析質(zhì)疑，確定實驗裝置

（活動：設(shè)計實驗裝置，分享方案，相互質(zhì)疑裝置的不足，修正裝置，得出最佳裝置。）

（演示實驗2：測定空氣中氧氣的體積實驗。）

師：請同學(xué)們在實驗過程中邊觀察邊記錄現(xiàn)象，并計算測得的氧氣體積分?jǐn)?shù)。

師：在兩百多年前法國科學(xué)家拉瓦錫就用類似的實驗測得空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為20%。請分析你測得的結(jié)果存在差異的原因。

設(shè)計意圖：由學(xué)生討論并設(shè)計、操作實驗，觀察現(xiàn)象并計算結(jié)果;拋出問題讓學(xué)生討論結(jié)果是否準(zhǔn)確，并尋找不準(zhǔn)確的原因。在這個過程中意在培養(yǎng)學(xué)生動手、觀察、計算、分析和反思的能力，并在尊重科學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，像科學(xué)家一樣去分析誤差存在的各種可能因素，為接下來的實驗裝置改進做好鋪墊。

（3）反思修正，改進實驗方案

師：請同學(xué)們分析在實驗中哪些地方會使測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

（學(xué)生分析實驗裝置的不足，并提出改進方法。）

師：紅磷足量真的能將瓶內(nèi)的氧氣消耗完嗎？有研究表明，紅磷燃燒后瓶內(nèi)的氧含量還有6%。要精確測得氧氣的體積分?jǐn)?shù)，應(yīng)該選擇怎樣的物質(zhì)去消耗氧氣？

生8：盡可能地多消耗些氧氣。

師：足量的鐵粉幾乎能把瓶內(nèi)的氧氣耗盡。生活中的暖寶寶里就有鐵粉，除了鐵粉還有其他的物質(zhì)，這些物質(zhì)能讓鐵粉與氧氣在不加熱的條件下也能迅速反應(yīng)。

（演示實驗3：用鐵粉測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。通過多次實驗，測得的氧氣體積分?jǐn)?shù)為20%左右。）

設(shè)計意圖：在科學(xué)精神的鼓舞下，在科學(xué)方法的指導(dǎo)下，對實驗進行初步改進，讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家的研究方法，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

3.應(yīng)用科技，體現(xiàn)本質(zhì)

師：在生活中用這套裝置能否快速、精確地測量氧氣的體積分?jǐn)?shù)呢？

生9：不能。

師：隨著科技的進步，出現(xiàn)了氧氣傳感器，可以直接測得空氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)，非常方便。用該儀器測得空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)約為21%。

師（小結(jié)）：科學(xué)的進步需要不斷質(zhì)疑，不斷探索，不斷反思，不斷改進……這就要求各位同學(xué)在學(xué)習(xí)的過程中，不但要學(xué)習(xí)科學(xué)知識，更要學(xué)習(xí)科學(xué)方法，提高科學(xué)思維能力。

設(shè)計意圖：科學(xué)方法、科學(xué)知識都在不斷地發(fā)展，測量方法的改變就是科學(xué)進步的體現(xiàn)，氧氣傳感器的出現(xiàn)讓學(xué)生感受到了科學(xué)發(fā)展的日新月異。

二、教學(xué)啟示

本課例通過“創(chuàng)設(shè)情境，引出主題;合作交流，確定方案;分析質(zhì)疑，確定裝置;反思修正，改進裝置;應(yīng)用科技，精確測量;歸納總結(jié)，發(fā)展思維”等教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)的探究過程，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

1.創(chuàng)設(shè)問題情境，發(fā)展合作交流能力

創(chuàng)設(shè)的情境是以新冠疫情為背景，問學(xué)生“病情較嚴(yán)重的新冠病人要吸氧時，為什么不吸空氣”。學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗認(rèn)為空氣中氧氣的含量較低，教師水到渠成地引出本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容“測量空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)”。科學(xué)的學(xué)習(xí)源于生活，用生活中的實際情境引課，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，順利地引出主題。

根據(jù)計算公式，測量空氣體積和氧氣體積是本次科學(xué)探究的重要環(huán)節(jié)。為了降低難度，教師讓學(xué)生明白周圍空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)與一瓶空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)是一樣的，從而可以轉(zhuǎn)換成測量一瓶空氣的體積和氧氣的體積。在這個環(huán)節(jié)中要引導(dǎo)學(xué)生思考以下幾個問題：（1）如何測量瓶中空氣的體積？（2）如何測量瓶中氧氣的體積？（3）用哪種物質(zhì)消耗氧氣？

在解決第一個問題時，學(xué)生在已有前概念的基礎(chǔ)上測得瓶中空氣的體積。讓學(xué)生思考排出氣體的體積與進入瓶中水的體積的關(guān)系，并在猜想的基礎(chǔ)上，利用裝置進行驗證。這套裝置的引出也為如何測量瓶中氧氣的體積指明了方向。師生在交流過程中確定用排水法進行氧氣的測定，然后提供給學(xué)生幾種物質(zhì)進行選擇，經(jīng)過分析比較，選擇最合適的物質(zhì)作為消耗氧氣的原料。用問題驅(qū)動，讓學(xué)生從被動到主動，同時還滲透取樣法、轉(zhuǎn)換法等常用的科學(xué)方法，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。

2.激發(fā)思維碰撞，發(fā)展分析質(zhì)疑能力

根據(jù)已經(jīng)確定的測量方案，讓學(xué)生以小組為單位進行合作，討論選擇合適的裝置，并用裝置圖片進行組裝。以這種方式開展活動是基于剛進入初中階段的七年級學(xué)生對化學(xué)實驗裝置還不是很熟悉，這樣會使活動更有效。

小組間分享方案，并相互交流、評價實驗裝置（可以從裝置是否透明、是否密閉、是否要考慮物質(zhì)燃燒時氣體的熱脹冷縮、怎樣測量進入的水的體積等方面進行討論），經(jīng)過不斷的改進，最終確定實驗裝置。利用這套裝置并用激光筆點燃瓶內(nèi)紅磷的方式進行實驗。實驗前教師并沒有把集氣瓶劃分為5等份，因為提前劃分會限制學(xué)生的思維，不利于學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)。因為如果劃分了5等份，學(xué)生就會想為什么不劃分6等份，就會與探究實驗的本質(zhì)相去甚遠。實驗后觀察實驗現(xiàn)象、記錄實驗數(shù)據(jù)、計算出本次實驗的氧氣體積分?jǐn)?shù)，并對比拉瓦錫實驗結(jié)果，分析誤差產(chǎn)生的原因。這個環(huán)節(jié)意在培養(yǎng)學(xué)生動手、觀察、計算、分析和反思的能力。

3.經(jīng)歷遞進探究，發(fā)展反思修正能力

分析結(jié)束后，提出問題“瓶內(nèi)氧氣一定被消耗完了嗎”，并呈現(xiàn)有關(guān)科學(xué)資料：當(dāng)瓶內(nèi)氧氣的體積分?jǐn)?shù)低于6%時，紅磷和氧氣將不再反應(yīng)。引導(dǎo)學(xué)生選擇能把空氣中的氧氣幾乎消耗完全的物質(zhì)進行實驗，出示創(chuàng)新實驗：用鐵粉測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，并完成實驗、觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)、得出結(jié)論。通過一次次的實驗改進，使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，讓學(xué)生經(jīng)歷層層遞進式的學(xué)習(xí)與探究，發(fā)展學(xué)生反思、修正的能力。

科學(xué)教學(xué)不僅僅是向?qū)W生傳遞科學(xué)知識，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)獨特的學(xué)科思維，掌握科學(xué)探究的一般思路和方法，具備一定的學(xué)科核心素養(yǎng)。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 包義才，許文.以史探理，讓學(xué)生觸摸文明的進程：以“空氣成分的探究”教學(xué)為例[J].中學(xué)教學(xué)參考，2020（26）：76-78.

[2]? 陳檬，鐘偉東，毛國永.基于“科學(xué)史—探究”法的教學(xué)實踐：以“空氣的成分”的教學(xué)為例[J].中學(xué)教學(xué)參考，2018（23）：78-79.

（責(zé)任編輯 羅 艷）