淺談學習進階視域下的實驗教學

王振 張明月 胡志剛

摘要： 借鑒學習進階理論應用于實驗教學，把“空氣中氧氣含量的測定”實驗教學劃分為從低到高的四個階段（原點階段；相關知識點階段；知識網連接階段；知識網拓展階段）。從點燃方式的改進和反應物的選擇，介紹知識網連接階段；從實驗的拓展和遷移，介紹知識網拓展階段。進階式實驗教學能激活學生創新思維，提升實驗教學質量，促進實驗的深度學習，進一步改進教學關系。

關鍵詞： 學習進階理論； 實驗教學； 空氣中氧氣含量的測定； 實驗創新

文章編號： 1005-6629（2018）4-0050-07 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

學習進階（LPs）理論[1～2]認為學科知識和技能的學習是分階段和有明確路徑的。學習進階作為改善學生認識思維發展，促進知識整合及深層理解的一項研究成果，在國外已有十余年的研究歷史，而我國正處于剛剛興起階段[3]。在國內化學學科基礎教育研究文獻中，研究者大多從初中、高中和大學教材涉及的核心概念和原理的銜接進行研究[4～8]。本文借鑒學習進階理論，嘗試應用于實驗教學，把實驗劃分為由低到高的學習進階階段，逐步激活學生的思維，滲透創新能力的培養，提升實驗教學的質量，最終達到培養學生核心素養的目標。

“空氣中氧氣含量的測定”是初中生首次從化學的視角研究身邊熟悉的事物，這為物質的分類做了鋪墊，也為后續系統化的研究物質奠定了基礎，所以教材中往往把這個實驗放在比較靠前的位置。以人教版義務教育教科書《化學》[9]為例，“空氣中氧氣含量的測定”被安排在第二單元的課題1中，是學生學習科學探究后的第一個嚴格意義上的探究實驗，而且是第一次定量化測量看不見的氣體，需要借助物理學壓強知識，把不能看到的實驗結果轉化為可以看到的實驗現象。但受制于學生剛接觸化學、化學知識尚且匱乏、課堂教學時間有限和教學進度的要求等影響，實驗創新往往是局限于教師演示實驗，學生實驗創新卻無從下手。按進階式的實驗教學，教師有意識地在教學不同階段中逐步滲透實驗創新思想，潛移默化地影響和調動學生的創新意識。復習實驗時，當學生躍躍欲試，教師可提供學生動手的機會，促進實驗的深度學習，進而引導學生從一個實驗的研究遷移到一類問題的研究上，引導學生向高階思維發展。

1 “空氣中氧氣含量的測定”的學習階段

結合初中生特點和初中化學課程的內容，擬出從低到高四種階段和相關內容，見表1。水平1是原點階段，主要讓剛接觸化學的學生體驗科學探究過程，理解和掌握測量空氣中氧氣含量的原理和方法，熟悉基本的化學實驗技能和方法，端正學習化學的態度。水平2是相關知識點學習階段，主要對其他章節相關知識點的學習，相關知識點越豐富越熟練，對后面知識的實驗創新和融合越有利。水平3是知識網連接階段，把前兩種水平中孤立、零碎和局部化的知識進行整合，引導學生積極主動地為解決問題搭建知識網，激活學生的創新意識。水平4是知識網拓展階段，完善知識網絡化體系，進一步提高實驗能力和創新能力，側重于方法原理的遷移和歸納。水平1、2，屬于常規教學范疇，囿于版面限制不再贅述。

2 “空氣中氧氣含量的測定”知識網連接階段的實驗創新綜述

教材中測定空氣中氧氣含量的實驗，見圖1。實際操作中，氧氣往往達不到占空氣體積1/5的

表1 “空氣中氧氣含量的測定”實驗的不同學習水平和階段

理想值，除了裝置氣密性因素外，主要存在三方面的不足： （1）點燃方式： 點燃燃燒匙里的紅磷，伸入集氣瓶到塞好瓶塞，瓶內空氣會因受熱而逸出部分空氣，從而使實驗產生誤差。（2）藥品選擇： 教材里選擇的是紅磷燃燒的方法，紅磷是學生陌生的藥品。（3）環保角度： 藥品用量多浪費藥品，且紅磷燃燒生成的五氧化二磷，易與水蒸氣結合生成有毒的偏磷酸，污染環境，危害師生健康。

圖1 教材中測定空氣中氧氣含量的裝置

2.1 基于燃燒條件改進點燃方式

人教版第七單元課題1中燃燒條件： ①達到燃燒所需的最低溫度（著火點）；②可燃物；③氧氣。根據燃燒的條件，改進點燃方式，在密閉的條件下點燃紅磷，避免在開放體系下點燃紅磷造成的污染和誤差。通過電烙鐵或者利用通電后電阻絲發熱點燃紅磷，見圖2。溫度只要達到紅磷的著火點就可以燃燒，不一定要接觸，所以可用激光筆照射點燃紅磷，見圖3[13]。

圖2 電烙鐵點燃紅磷

圖3 激光筆點燃紅磷

把紅磷（著火點240℃）改成著火點更低的白磷（著火點40℃），點燃的方式更多，如利用放大鏡聚焦太陽光點燃，見圖4；利用80℃左右的熱水點燃，見圖5；利用金屬的導熱點燃，見圖6。

圖4 太陽能點燃白磷

圖5 熱水點燃白磷

圖6 金屬導熱點燃白磷

2.2 基于消耗氧氣選擇反應物

空氣中氧氣含量的測定原理： 氧氣減少的體積等于倒吸進入瓶中水的體積。學生的認知中可以消耗氧氣的方式有： 燃燒消耗氧氣；動植物呼吸作用；鐵生銹等。課本選擇紅磷燃燒測定空氣中氧氣的含量，是因為紅磷燃燒消耗氧氣而不產生其他氣體。實際教學中教師常強調藥品不能選擇炭、硫磺的燃燒，經過大量的習題強化訓練往往形成思維定勢。某種程度上，化學就是用思維和實驗結合的方法研究物質的科學，復習中需要引導學生用已經學習的知識再次思考反應物的選擇，培養學生的科學思維和創新意識，避免形成思維定勢。以下提供四種不同的反應物來測量空氣中氧氣含量。

選擇一： 蠟燭燃燒法

常規的思路是石蠟燃燒消耗了氧氣，但生成了二氧化碳氣體，因而不能用來測量空氣中的氧氣。突破思維定勢，利用蠟燭燃燒消耗氧氣，生成的二氧化碳氣體用氫氧化鈉溶液來吸收，以水面上升的高度測出氧氣的體積[14]，見圖7。

圖7 蠟燭燃燒法

選擇二： 鐵吸氧腐蝕法

常規思路是不能利用鐵絲的燃燒來測定空氣中氧氣的含量，因為鐵絲在空氣中無法燃燒。目的是測定氧氣的含量，不一定非要燃燒起來，只要物質能耗盡氧氣就可以。選擇用4mL 1mol/L食鹽水潤濕的濾紙貼在250mL廣口瓶內側，把2.0g還原鐵粉和2.5g活性炭粉攪拌混勻。把廣口瓶橫放，一邊轉動，一邊將鐵粉和炭粉的混合物倒入廣口瓶內壁，盡可能使其均勻地附著在內壁的濾紙上。蓋上瓶塞，約4分鐘后打開止水夾，會看到水倒吸進入廣口瓶約1/5處[15]，見圖8。

圖8 鐵的吸氧腐蝕法

選擇三： 種子呼吸法

在以往生物課的學習中，學生已經知道種子萌發的過程中呼吸需要消耗大量的氧氣，產生二氧化碳。用25粒左右萌發的種子放在帶孔的隔板上，隔板下放有一定量濃的氫氧化鈉溶液，利用氫氧化鈉溶液吸收種子呼吸釋放的二氧化碳，引起壓強差使水倒吸進入瓶中，也可以用來測量氧氣的含量，見圖9。

圖9 種子呼吸法

選擇四： 自制耗氧物質法

化學是一門研究物質的科學，它的魅力在于不僅能合成自然界已有的物質，而且能合成自然界沒有的物質，通過物質的合成服務、造福于人。通過實驗合成易吸收氧氣的物質（多硫化物或焦性沒食子酸等），使用這些物質來測定空氣中氧氣的含量。如自制多硫化鈉測定空氣中氧氣含量[16]，取1g NaOH和1g硫磺粉充分研磨后加熱，發生化學反應： 6NaOH+（2x+2）S△2Na2Sx+Na2S2O3+3H2O

，待冷卻后，取約0.5g混合藥品于試管中，向試管中加入約10mL水，蓋上橡皮塞在試管外作個標記，發生化學反應： 2Na2Sx+O2+2H2O2xS↓+4NaOH

。振蕩試管約1分鐘后，把試管在水槽中拔下橡皮塞，水倒吸上來，在試管上做個標記，氧氣含量=h1-h2h1×100%，見圖10。

圖10 多硫化鈉測空氣中氧氣含量的操作示意圖

3 “空氣中氧氣含量的測定”知識網拓展階段

3.1 “空氣中氧氣含量的測定”實驗的拓展

實踐是檢驗真理的唯一標準。實驗操作的體驗感，歷經艱難解開真理面紗的過程和得出實驗成果的喜悅，就是化學學科獨特的魅力所在。鼓勵學生敢于改進實驗，在學生想到可行的、創新的想法和方案躍躍欲試時，教師要給予肯定并提供相應的幫助。如學生用“熱貼”中的鐵粉改進實驗，一組用注射器（注射器由于具有刻度、密封性、可加壓可減壓等性能，常用在改進實驗、微型化實驗、定量化實驗等方面）改進，另一組用礦泉水瓶（礦泉水瓶由于具有透明、密封、質軟、受外力易形變等特點，常用于初中化學實驗[17]）改進實驗，見表2。

表2 學生改進實驗方案

對比兩種實驗結果，發現實驗結果和理論值相差很大。以礦泉水瓶的誤差為例，學生做出一些猜想：

猜想1： 裝置氣密性不好，瓶蓋沒有蓋好。補救措施： 裝好藥品后，立即蓋緊瓶蓋。

猜想2： 變癟后的礦泉水瓶在水槽中沒有完全復原。補救措施： 換成硬度更好的礦泉水瓶，復原后再移出水槽。

猜想3：“熱貼”中物質不能將裝置內的氧氣消耗光。補救措施： 教師借助于數字化的O2傳感器協助學生再次探究“熱貼”粉耗氧量，11分鐘時，氧氣含量降為0.7%。

3.2 “空氣中氧氣含量的測定”實驗的遷移

深度學習“空氣中氧氣含量的測定”實驗，進而拓展到測定混合物中某種物質含量的一般研究思路，見圖11。首先要掌握各成分相關物質的性質，利用待測物和其他成分性質的差異，選擇相應的方法分離或轉化某一成分，進行測量得到間接量，最后借助儀器和計算等把間接量轉化為可視化的數據，從而得出混合物中某成分的含量。教師引導學生歸納氣相混合物中組分含量測定的方法，遷移到初中階段其他相態組分含量的測定，見表3。又如把測量空氣中氧氣的一般方法，遷移到如何把看不見轉化為看得見的實驗（證明鹽酸和氫氧化鈉中和反應確實發生了；證明二氧化碳確實和氫氧化鈉發生了反應；證明分子確實是存在的等），促進學生對實驗進行深度學習，并把學習提向高階層次。

圖11 測定混合物中某組分含量的研究思路圖

表3 初中階段混合物成分含量的測定

續 表

4 思考和啟示

4.1 借鑒學習進階提升實驗教學和復習質量

有的教師在新課教學時，教學目標超越了學生最近發展區，為了實驗的創新而“創新”，卻發現學生呆若木雞不知教師所云。再如實驗復習時，不少教師往往把相關知識點重復強化記憶，大量習題鞏固，師生俱疲，事倍功半，學生實驗能力也沒太大的進步。筆者認為之所以出現這種狀況，可能是因為教師忽略了學生的階段發展規律，忽略了學生已有知識和未知知識的距離，以及怎樣建立已知和未知的聯系，在實驗創新上尤其明顯。我們借鑒“學習進階”理論分階段地促進知識整合及深層理解，指導學生分階段的進行實驗深度學習，學生創新思維，不斷交流碰撞，有時會帶來意想不到的收獲。

4.2 借鑒進階理論改進教學關系

進階理論強調學生發展的階段性，要想學生主體性得到最大程度的發揮，離不開教師主導作用的發揮，兩者辯證統一于學生的發展。教師主導給學生指明了發展的方向，而且需要教師高瞻遠矚地走在學生發展的前面。學生主體性作用的發揮，需要建立在相應知識體系的基礎上，離開相關基本知識的實驗“創新”就成了無源之水、無本之木。學生基礎知識的掌握需要教師主導，而教師主導是為了學生的主體作用在實驗創新階段有更好的發揮，在實驗創新后學生要想進一步獲得發展，離不開教師的指引和啟發。教師的幫助，不僅能增進師生之間的情誼，而且使實驗后的總結和拓展效果更好。

參考文獻：

[1]劉晟，劉恩山.學習進階： 關注學生認知發展和生活經驗[J].教育學報， 2012，（4）： 81～87.

[2]王磊，黃鳴春.科學教育的新興研究領域： 學習進階研究[J].課程·教材·教法， 2014，（1）： 112～118.

[3]童文昭，王后雄.學習進階本土化研究的意義及面臨的問題[J].化學教育， 2016，（7）： 1～5.

[4]林建芬，陳允任.基于學習進階理論探討“同分異構體”教學序列的跨學段設計[J].化學教學， 2014，（12）： 38～41.

[5]陳允任，王穗芳，林建芬等.基于提升學生科學論證能力的“元素周期律”進階教學[J].化學教育， 2016，（1）： 19～24.

[6]麥裕華.高中化學氧化還原反應方程式配平技能學習進階的探討[J].化學教育， 2014，（17）： 20～23.

[7]莊曉文，姜建文.“電解質溶液”核心概念的學習進階研究[J].化學教學， 2016，（2）： 28～32.

[8]張發新.以“學習進階”方式統整“元素化合物知識”的教學[J].化學教學， 2014，（10）： 34～37.

[9]王晶，鄭長龍.義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].北京： 人民教育出版社， 2012： 27，15～18，47～58.

[10]付小勤.白磷和紅磷燃燒條件探究及空氣中氧氣含量測定的組合實驗[J].化學教育， 2013，（7）： 76～79.

[11]中華人民共和國教育部制訂.義務教育化學課程標準[S].北京： 北京師范大學出版社， 2011： 7， 9.

[12]中華人民共和國教育部制訂.普通高中化學課程標準（實驗）[S].北京： 人民教育出版社， 2003： 4.

[13]劉瑜.空氣中氧氣含量的測定實驗改進[J].化學教育， 2015，（11）： 64～65.

[14]邵蔚.“測定空氣中氧氣含量”實驗創新[J].中學化學教學參考， 2014，（12）： 51.

[15]徐泓，朱敏，魏名貴.鐵粉吸氧腐蝕系列實驗的設計及應用[J].化學教學， 2015，（4）： 63～66.

[16]王胤琪.測定空氣中氧氣含量的環保創新法[J].化學教育， 2011，（11）： 67～68.

[17]王榮橋.塑料礦泉水瓶在初中化學實驗中的應用[J].化學教學， 2017，（7）： 55～57.