基于實驗和模型表征培育“科學思維”的教學實踐

陳培亮 張燕 許雪珠

摘要： 分析當前“飽和溶液”概念教學的一般思路和存在問題。以問題為載體進行探究設計，通過引導學生在探究活動過程中利用實驗和自制模型，建構、修正并完善“飽和溶液”的概念，學會運用類比、解釋、分析、預測、綜合和歸納等科學方法，形成證據意識和模型應用能力，從而實現“科學思維”的發(fā)展。

關鍵詞： 科學思維； 飽和溶液； 實驗； 模型

文章編號： 10056629（2023）05005406

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

科學思維是義務教育階段自然科學教育學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，小學科學、初中物理、初中化學、初中生物等課程標準均包含科學思維。初中化學“科學思維”核心素養(yǎng)的內涵主要包括：在解決化學問題中所運用的比較、分類、分析、綜合、歸納等科學方法，基于實驗事實進行證據推理、建構模型并推測物質及其變化的能力，在解決與化學相關的真實問題中形成的質疑能力、批判能力與創(chuàng)新意識［1］。初中化學“科學思維”核心素養(yǎng)的形成將為高中化學“證據推理與模型認知”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)奠定基礎。

概念教學是中學化學教學的重要組成部分，它不僅注重結論的獲得，更注重讓學生去體驗結論的獲得過程，感受化學的魅力［2］。教師在概念教學中通過問題引領、設置多樣化的探究活動，讓學生在活動過程中運用科學方法自主建構化學概念、體驗概念的形成過程，有利于促進學生科學思維的形成，從而落實學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)［3］。

1 教學主題與現狀分析

“飽和溶液”［4］是人教版化學九年級下冊第九單

元課題2第1課時的內容，本課教學重點有兩個：一是通過對“飽和溶液”概念的學習，讓學生對溶液的認識實現從定性到定量的發(fā)展；二是通過一系列實驗和生活實例，總結一般情況下飽和溶液與不飽和溶液的轉化關系。目前“飽和溶液”概念教學一般都以生活情境引入新課，通過實驗建構概念并總結“飽和溶液與不飽和溶液”的轉化關系［5］。該教學思路有利于增強學生學習的興趣、動手能力和基于實驗現象的證據建構概念模型的能力，特別是個別創(chuàng)新實驗大大縮短了時間［6］，解決了課堂教學難以組織的問題，但該教學思路仍存在對概念的理解深度不夠（如“為什么飽和溶液與不飽和溶液在一定條件下能互相轉化”“飽和溶液為什么不一定是濃溶液”等）的不足。黃海燕［7］根據學生的前概念采取模型和實驗相結合、用模型預測實驗的方法幫助學生建構并理解“飽和溶液”概念及其本質，彌補了目前“飽和溶液”教學的不足。但實踐中，學生理解抽象的模型（特別是含有多種溶質溶液模型表征）存在一定困難，這也影響了學生對概念的深度認知。因此，借鑒以上各種教學思路的優(yōu)點，基于培育學生“科學思維”的目的，筆者對本節(jié)課進行優(yōu)化設計。

2 課堂教學設計思路

2.1 以活動為載體發(fā)展學生的“科學思維”

具備像化學家一樣認識、思考和解決問題的化學科學思維是化學學科核心素養(yǎng)形成的重要標志。皮亞杰認為，活動既是感知的源泉，又是思維發(fā)展的基礎［8］。因此，筆者嘗試通過問題引領、設置不同類型的探究活動，讓學生在活動過程中運用科學方法自主建構、修正和完善飽和溶液的概念并表達自己的觀點，實現學生“科學思維”的發(fā)展（見圖1）。

2.2 通過不同類型證據幫助學生理解概念本質

化學理論的檢驗必須遵循多樣性的原則。證據對

于理論的支持程度不僅取決于證據的數量，而且還取決于證據的種類［9］。為了更好地促進學生高階思維的發(fā)展和對科學概念的理解，筆者設計了符合初中生認知特點的有趣模型“水墩墩”，讓學生利用模型表征概念，將抽象的概念形象化，并解釋和預測實驗現象。通過實驗的直觀解釋和模型的理性分析，使學生對“飽和溶液”相關概念形成多角度認識，從而加深對概念本質的理解。

2.3 改進實驗，保證教學目標的實現

在保證實驗的科學性、完整性和盡量少改動教材的前提下，對“飽和溶液”相關實驗進行改進。通過總用時少、成功率高并適用于學生分組的改進實驗，使課堂活動能在一節(jié)課內全部完成，保證教學目標的實現。

3 教學目標和教學流程

3.1 教學目標

（1） 能說出飽和溶液的定義和判斷方法，能歸納飽和溶液和不飽和溶液的轉化方式，并能說明飽和溶液、不飽和溶液和濃溶液、稀溶液之間的關系。

（2） 通過建構、修正并完善“飽和溶液”的概念，體會科學概念的認識過程，并學會運用類比、解釋、分析、預測、綜合和歸納等科學方法解決科學探究過程中的問題。

（3） 通過合作和展示交流，在利用不同證據驗證假設的過程中學會嘗試、分享、交流討論并達成共識，樹立證據意識和合作意識。

（4） 利用證據對“飽和溶液”的概念不斷完善，養(yǎng)成崇尚真理、嚴謹求實的科學態(tài)度，培養(yǎng)敢于質疑、批判的創(chuàng)新精神。

3.2 教學流程

基本教學流程見圖2。

4 教學實錄

4.1 環(huán)節(jié)一：“飽和溶液”概念的初步建構

［教師］同學們，課前老師布置了一個家庭作業(yè)——設計實驗證明蔗糖和食鹽能否無限地溶解在一定量的水中？接下來，請兩位同學展示一下作業(yè)。

［作業(yè)展示］播放家庭實驗的視頻。視頻1：在盛有50mL水的玻璃杯中，逐勺加入蔗糖，攪拌，加至第10勺時有蔗糖沒有完全溶解。視頻2：在盛有50mL的玻璃杯中，逐勺加入食鹽，攪拌，加至第5勺時食鹽沒有完全溶解。

［教師］由實驗結果可知，蔗糖和食鹽都不能無限地溶解在一定量的水中。不能繼續(xù)溶解蔗糖的溶液叫做蔗糖的飽和溶液，不能繼續(xù)溶解食鹽的溶液叫做食鹽的飽和溶液。同學們，根據以上結果，你們認為什么是飽和溶液？

［學生］不能再溶解溶質的溶液叫做飽和溶液。

［追問］能夠繼續(xù)溶解呢？

［學生］不飽和溶液。

4.2 環(huán)節(jié)二：“飽和溶液”概念的修正

［教師］這支試管中裝有飽和硝酸鉀溶液，溶液中有未溶解的硝酸鉀固體，請同學們思考，如何使未溶解的硝酸鉀溶解？

（學生思考討論后，匯報）

［學生1］可以振蕩試管。

［學生2］可以往試管中加水。

［學生3］可以加熱溶液。

（教師引導學生設計實驗，學生進行分組實驗并匯報結果）

［學生1］我們小組振蕩試管后，發(fā)現硝酸鉀固體不能溶解，溶液仍是飽和溶液。

［學生2］我們小組在試管中加一定量水，振蕩后硝酸鉀固體全部溶解，溶液變?yōu)椴伙柡腿芤骸?/p>

［學生3］我們小組將試管加熱一段時間，固體全部溶解，溶液變?yōu)椴伙柡腿芤骸?/p>

［設疑］（展示固體完全溶解后得到的溶液）溶液中的固體全部溶解，一定是不飽和溶液嗎？

［學生］不一定，也可能是恰好飽和的溶液。

［追問］那要如何證明溶液是否為飽和溶液？

［學生］加溶質，觀察溶質能否繼續(xù)溶解。

［追問］加多少？

［學生］少量。假如溶液接近飽和的話，加入太多溶質，固體無法全部溶解，現象不明顯，不好作判斷。

［教師］很好?，F在請你設計實驗驗證固體完全溶解后的溶液是否是飽和溶液？

（學生進行實驗驗證后匯報）

［學生2］在固體完全溶解的硝酸鉀溶液中加入少量硝酸鉀固體，如果固體能繼續(xù)溶解，說明該溶液是不飽和溶液；如果不能溶解，則說明該溶液是飽和溶液。

［學生3］對上述飽和溶液加熱，再加入少量硝酸鉀固體，發(fā)現固體能溶解，說明該溶液是不飽和溶液，也說明升高溫度，飽和溶液變?yōu)椴伙柡腿芤骸?/p>

［教師］基于以上的實驗結果，同學們能否再次定義飽和溶液？

［學生］在一定溫度下和一定量的溶劑中，不能繼續(xù)溶解溶質的溶液叫飽和溶液。

［教師］為什么對飽和溶液的定義要強調溫度和溶劑的量？

［學生］因為升高溫度或增加溶劑能使飽和溶液轉化為不飽和溶液。

［教師］請同學們將剛才試管中加熱過的溶液放入冰水中冷卻，觀察有什么現象發(fā)生？

（學生分組實驗后匯報結果）

［學生］溶液中有針狀固體析出。

［教師］如何解釋？

［學生］降低溫度后，硝酸鉀在水中的溶解能力減小，不飽和溶液轉變成飽和溶液，繼續(xù)降低溫度溶解不了的硝酸鉀就以固體的形式析出。

［教師］從飽和溶液中析出固體的過程，稱為結晶。通過降低溫度的方法析出固體，叫做降溫結晶；通過蒸發(fā)溶劑的方法析出固體，叫做蒸發(fā)結晶。海水曬鹽就是利用蒸發(fā)結晶的方法得到氯化鈉。

［播放視頻］海水曬鹽。

4.3 環(huán)節(jié)三：“飽和溶液”和“不飽和溶液”轉化關系的建立

［教師］請根據實驗和視頻，歸納飽和溶液與不飽和溶液的轉化方式，完成后展示。

［學生］總結歸納如下：

［教師］實驗是建構概念的重要方式，除此之外，我們還可以利用模型表征概念，模型表征能讓我們對概念的理解更深刻。圖3中兩個分別表示飽和溶液與不飽和溶液模型——“水墩墩”。請你指出哪一個表示飽和溶液，哪一個表示不飽和溶液？并說明理由。

（學生思考后回答）

［學生］經過分析，我們得出以下結論：水墩墩表示溶劑，肚子中的漢堡表示溶質，左邊水墩墩肚子還能繼續(xù)吃漢堡，相當于溶劑能繼續(xù)溶解溶質，是不飽和溶液；右邊的水墩墩不能繼續(xù)吃漢堡，相當于無法繼續(xù)溶解溶質，所以是飽和溶液。

［教師］很好。接下來老師用模型表征“增加溶質，不飽和溶液變?yōu)轱柡腿芤骸钡倪^程。我們往表示不飽和溶液的水墩墩模型中增加漢堡，可以發(fā)現溶液濃度不斷變大，最終得到飽和溶液（見圖4）。

［教師］非常好。接下來請同學們嘗試用模型表征其他條件下，飽和溶液與不飽和溶液的轉化過程？

（教師引導學生進行模型表征，學生分組交流討論后進行匯報）

［學生1］我們小組展示的是“蒸發(fā)溶劑”條件下不飽和溶液轉化成飽和溶液的模型表征（見圖5）。左邊三個沒吃飽的水墩墩表示不飽和溶液，蒸發(fā)溶劑后，減少一個水墩墩，漢堡數量不變且均勻分散在剩下的兩個水墩墩上，這時候兩個水墩墩不能再吃漢堡，相當于形成飽和溶液。繼續(xù)蒸發(fā)溶劑，又減少了一個水墩墩，這時候會有漢堡剩余，相當于飽和溶液中出現結晶。

［教師］以上模型中，為什么增加的漢堡是均勻地分給水墩墩？

［學生1］因為溶液具有均一性，溶質均勻分散到溶劑中。

［學生2］我們小組展示的是“降低溫度”條件下不飽和溶液轉化成飽和溶液的模型表征。左邊沒吃飽的水墩墩表示不飽和溶液。本來水墩墩能吃三個漢堡，降低溫度后，水墩墩飯量變小，最多只能吃兩個漢堡，于是便形成飽和溶液。繼續(xù)降低溫度，水墩墩最多能吃下一個漢堡，由于漢堡數量不變，因此漢堡會有剩余，相當于飽和溶液中出現結晶（見圖6）。

［學生3］我們小組展示的是“增加溶劑”條件下飽和溶液轉化成不飽和溶液的模型表征。左邊兩個水墩墩表示飽和溶液，增加溶劑，相當于增加一個水墩墩，由于漢堡數量不變且會均勻分給三個表示溶劑的水墩墩，我們可以發(fā)現三個水墩墩都沒吃飽，即變成不飽和溶液（見圖7）。

［學生4］我們小組展示的是“升高溫度”條件下飽和溶液轉化成不飽和溶液的模型表征。左邊最多只能吃兩個漢堡的水墩墩表示飽和溶液，升高溫度后，水墩墩飯量變大，最多能吃下三個漢堡，但由于漢堡數量不變，水墩墩就吃不飽了，相當于形成不飽和溶液（見圖8）。

4.4 環(huán)節(jié)四：“飽和溶液”概念的完善

［教師］綜上，模型表征能解釋實驗。除此之外，我們還能用模型預測實驗。接下來請你結合模型變化（見圖9）思考某溶質的飽和溶液能否溶解其他的溶質？

［學生］左邊最多能吃三個漢堡的水墩墩表示只含一種溶質的飽和溶液。此時的水墩墩雖然不能吃下漢堡，但吃幾顆櫻桃還是沒有問題的。櫻桃相當于其他溶質。因此根據模型可以推測，一種溶質的飽和溶液雖然不能溶解這種溶質，但是可以繼續(xù)溶解另一種溶質。

［教師］非常好，接下來用實驗來驗證一下我們的假設。

［學生分組實驗］往有固體的硝酸鉀的飽和溶液中加入少量高錳酸鉀固體，振蕩，觀察到高錳酸鉀固體溶解，溶液呈紫紅色。

［教師］通過實驗，我們知道某物質的飽和溶液可以溶解其他溶質。根據這個新的認識，請你對飽和溶液進行重新定義。

［學生］在一定溫度下，一定量的溶劑中，不能繼續(xù)溶解某溶質的溶液叫飽和溶液。

［教師展示］（不同狀態(tài)的飽和溶液與不飽和溶液模型，見圖10）請同學們再次結合模型思考，飽和溶液一定是濃溶液嗎？不飽和溶液一定是稀溶液嗎？

［學生］左邊的水墩墩不能吃下漢堡，表示飽和溶液；右邊的水墩墩能繼續(xù)吃漢堡，表示不飽和溶液。但是右邊的水墩墩吃的漢堡比左邊的多，說明濃度比較大。因此，飽和溶液不一定是濃溶液，不飽和溶液也不一定是稀溶液。

［教師］由此，我們可以知道飽和溶液、不飽和溶液和濃溶液、稀溶液之間沒有必然關系。那請你根據對飽和溶液的再次認識，完善飽和溶液的定義？

［學生］一定溫度下，一定溶劑中，不能繼續(xù)溶解某溶質的溶液為飽和溶液。飽和溶液不一定為濃溶液。

5 教學效果及反思

5.1 教學目標的達成

（1） 從課后紙筆評價結果反饋，學生普遍能理解“飽和溶液定義”“飽和溶液和不飽和溶液的轉化方式”等核心知識，并能用所學知識解決實際問題。

（2） 課堂上學生積極參與分組實驗和模型展示，在建構、修正并完善“飽和溶液”的概念的過程中實現“科學思維”的發(fā)展。

（3） 在小組合作和展示交流的過程中，學生能將實驗抽象為模型，也能用模型預測、解釋實驗；同時能理性認可或反對同伴的意見并達成共識，逐步形成證據意識和合作意識。

（4） 根據課后學生反饋，學生體會到利用證據不斷建構和完善的概念比從課本上直接獲取的概念理解得更加深刻；明白嚴謹求實的科學態(tài)度和敢于質疑的創(chuàng)新精神是學習化學的必備品質。

5.2 教學實踐效果

本節(jié)課關于“飽和溶液”的改進實驗總用時約6分鐘左右，保證了課堂教學內容能在一節(jié)課內全部完成，從而實現教學目標的達成。課堂教學中，學生根據實驗結果建構、修正并完善“飽和溶液”概念的過程自然流暢，但也有部分學生在有效利用實驗證據確立“飽和溶液與不飽和溶液的轉化關系”時存在一定困難。利用教具“水墩墩”對概念進行模型表征后，這部分學生不僅順利確立了“飽和溶液與不飽和溶液的轉化關系”的認識，并且修正了有關“飽和溶液”和濃溶液、稀溶液的錯誤概念。在表達交流過程中，學生思維活躍、積極互動。學生用符合自身認知特征的語言清晰表達觀點，使本節(jié)課的教學難點順利突破。

在下一節(jié)課“溶解度”的學習中，學生可以結合溶解度曲線，利用模型表征氣體和氫氧化鈣等物質溶解度隨溫度升高而減小的事實，進一步了解溫度對不同類型物質的溶解度的影響。

5.3 教學再優(yōu)化的思考

（1） 初中生利用實驗證據建構概念的能力比較薄弱，在利用實驗結果和視頻等證據建立“飽和溶液和不飽和溶液轉化關系”的過程中教師應該指導學生如何有效收集和利用證據，讓學生形成證據意識，提升證據的收集、篩選和推理的能力。

（2） 在學生探究活動和表達交流的過程中，教師可以設置合適的量表，通過教師評價、學生自評和生生互評等方式，檢驗學生“科學思維”和“科學態(tài)度”的達成情況，實現“教、學、評一體化”，促進學生的深度學習。

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