基于深度學習的慢回放式化學實驗教學研究

李根薰 黃明浩

摘? ?要： 基于化學課程標準要求設計了基于深度學習的慢回放式鈉與水反應教學思路，以任務驅動、小組合作形式完成教學。系列任務為：由主鏡頭捕捉到分解鏡頭尋找，培養學生在腦海中慢回放實驗的技能；通過在微觀視域下建立物質發生物理、化學變化的動態模型，實現實驗操作及反應過程深入分析；通過鈉塊移動假說探討，鈉與水反應聲音的微觀來源探析，開展實驗現象深入分析。在任務完成過程中引導學生尋找新技術開發思路，凸顯化學學科價值。

關鍵詞：化學實驗；慢回放式分析法；深度學習；化學核心素養

普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）基于化學學科核心素養的培養提出普通高中化學課程目標，要求學生能夠宏觀上辨識物質形態變化，并能從微觀上理解其組成；能夠認識到物質是在不斷運動的，物質變化是有條件的；能夠發現和提出有探究價值的化學問題[ 1 ]。在化學實驗教學中要實現這些教學目標就需要開展基于深度學習的教學。

深度學習是基于理解的學習，是指在教師的引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習[ 2-3 ]。將深度學習理念運用于化學教學是當前研究熱點之一[ 4-6 ]。本文將介紹基于深度學習的慢回放式化學實驗教學。即引導學生聚焦于化學實驗中某一情境，培養從宏觀到微觀、靜態到動態、孤立到系統的認知角度及從知識學習到運用開展深入分析的教學過程。

1? 教學目標與教學流程

1.1? 制定深度學習教學目標

化學實驗的深度學習需要基于學生已有知識，充分利用化學實驗中蘊含的思維與方法從宏觀、微觀角度對實驗問題進行深入分析。這一深入分析過程也是化學學科核心素養培育過程。基于此設計本節課教學目標如下：（1）能夠將宏觀現象與微觀變化建立對應關系；（2）能從微觀、動態角度對化學實驗操作、化學反應過程進行深入分析；（3）能從微觀分析中提出創新性、可操作性科學研究課題。

1.2? 教學設計

基于深度學習的慢回放式鈉與水反應實驗教學設計思路見圖1所示。

2? 教學過程

選題依據：鈉與水反應實驗現象明顯——游、熔、響、紅。學生熟知這一系列實驗現象，并能從表層對這些現象進行直觀地分析。選擇鈉與水這一平凡的實驗，通過逐步引導，讓學生發現其中不平凡之處，能形成強烈認知反差，提高學生對深度學習的興趣。

2.1? 任務1：鈉與水反應慢回放主鏡頭捕捉及分解鏡頭精選

[問題]請同學們思考如何像放電影一樣將鈉與水反應的主要過程一幀一幀的在腦中重現？能否選取該實驗一些主要鏡頭進一步慢放，選取依據是什么？

[學生活動1]? 對硫酸銅晶體圖片開展觀察討論活動。并對比高中生、大學生、博士生認知差異。

[學生活動2]? 小組討論鈉與水反應的主要步驟，并進一步將這些步驟呈現在紙上，形成主鏡頭。

[學生活動3]? 小組討論將鈉與水反應主鏡頭進一步細化形成分鏡頭，并以框圖形式呈現。

[教師]? 組織學生討論、總結，并展示如圖2所示分鏡頭尋找結果，并與學生的選擇做對比。師生討論確定從三個角度選取如下四個鏡頭：

角度①實驗操作：切割鈉塊；

角度②反應過程：鈉與水接觸瞬間；

角度③實驗現象：鈉塊發生無規則快速移動，發出“嘶嘶”響聲。

任務1各活動設計意圖見表1。

2.2 任務2：鈉與水反應實驗操作及反應過程慢回放式深入學習

[問題]? 是否有一套分析方法可以用于精選鏡頭的深入分析？

[學生活動1]討論如何由淺入深分析切割鈉塊的實驗過程？

教師引導學生按照圖3思路展開分析

[學生活動2]活動1討論中學生會產生一些疑問。問題1：切割過程是否會將原子切開？問題2：將小刀逐漸變細直至變為“納米光刀” 通過光刀切割法是否可能得到極薄的鈉材料？納米級別的鈉材料活潑性如何？

[資料卡片]? 核反應簡介及激光切割法。

資料1：化學反應中原子不會發生改變，如果將原子發生改變（裂變、聚變）則屬于核反應，核反應需要巨大的能量才能引發。

資料2：激光切割是應用激光聚焦后產生的高能量光束，以瞬間的高溫熔化或氣化被加工的材料，從而形成切口的一種加工手法。

[師]? 組織學生討論，并得出初步結論：小刀切割過程是擠開原子而非切開，如果將小刀變為光刀，入射光的高能量將會融化金屬鈉，形成極細的切口，多次切割有可能獲得較薄的鈉片。

[生]? 自主學習納米金屬的制備，理解通過控制合成過程的條件，讓金屬生成速率變慢從而獲得納米金屬的方法。并分析納米金屬鈉的高活潑性。

[師追問]? 較寬的小刀切割鈉塊，切面在微觀上凹凸不平，表面的鈉原子將很快被氧化，這些氧化鈉會脫落嗎？

[生]? 學生認為金屬鈉、氧化鈉都是固體，兩者相互吸附力很小，因此有可能脫落。

[學生活動3]? 教師展示氧化鋁薄膜圖片如圖4，并引導學生自主閱讀鋁氧化膜對鋁單質的保護作用。學生通過類比法分析鈉形成氧化膜是否會脫落，并說明原因。

[師]? 組織學生討論這里氧化膜是氧氣與金屬鈉在表面發生發應過程中逐漸形成一定厚度的膜，這層膜緊緊吸附于鈉表面，與粉末狀金屬氧化物不同。

[學生活動4] 開展典型反應過程：鈉塊入水瞬間的深入分析。引導學生將反應物先放大（見圖5），并將水分子類比成海洋球，利用宏觀模型模擬鈉塊入水過程，并開展由淺入深，由靜態到動態深入分析。

[生]? ①宏觀：瞬間發生劇烈發應，鈉塊開始熔化、游動；②微觀上：Na+H2O=NaOH+H2↑；③入水過程氧化膜先破壞。

[習題]? （2019新課標Ⅰ改編） 固體界面上強酸的吸附和離解是多相化學在環境、催化、材料科學等領域研究的重要課題。圖6為少量HCl氣體分子在253 K冰表面吸附和溶解過程的示意圖。下列敘述錯誤的是

A．冰表面第一層破壞最嚴重

B．冰表面第二層中，氯化氫與水作用發生電離

C．冰表面第三層中，冰的網絡結構保持不變

D．冰表面各層之間，均存在可逆反應HCl ？壙 H++Cl-

參考答案：D （圖片來源于2019新課標Ⅰ化學試卷）。

[學生活動5]? 小組活動討論HCl如何一層一層破壞冰表面？運用類比遷移法分析鈉氧化膜被破壞的動態過程，可以讓學生參考軍隊攻城，水分子撲向鈉塊表面。

[生]? 水分子會先破壞氧化膜有缺陷或者膜比較薄的地方，氧化膜破壞后水接觸內層鈉原子，發生劇烈的鈉與水反應。

[師追問]? 如果在工業上給金屬鍍膜，要注意什么問題？

[生]? 膜的厚度，均勻度等。

[師]組織學生總結開展鈉與水反應微觀動態分析的方法。

任務2各活動設計意圖見表2。

2.3? 任務3：鈉與水反應實驗現象慢回放式深入學習

[問題]? 鈉與水反應實驗現象明顯，對這些肉眼觀察到的表觀現象能否由淺入深，開展深入分析？

[生] 宏觀：鈉塊受力不均，鈉塊無規則運動與鈉與水反應放出氫氣以及反應放熱有關。

微觀：氣體推動巨大鈉塊金屬球快速移動。

[學生活動1]? 金屬鈉快速運動問題較為復雜，我國學者有提出一些假說如①“氣體推動說” [ 8-9 ]；②“表面張力說”[ 10 ]。請學生以小組討論形式設計實驗證明這兩個學說是否正確。

[資料]? “氣體推動說”認為鈉與水反應產生的氣體推動鈉塊移動。“表面張力說”認為鈉與水反應的區域，氫氧化鈉濃度較大，這部分氫氧化鈉有向外擴散的趨勢，從而帶動鈉塊移動。

[演示實驗]? 實驗發現用嘴吹少量氣體很難推動金屬球快速運動，氣體推動說不準確。將鈉塊放入氫氧化鈉溶液中，鈉塊仍舊快速無規則運動。證明表面張力并非鈉塊快速運動主要動力。

[學生活動2]? 有關鈉塊無規則快速移動的解釋還有“氫氣墊說”，請學生自主學習“氫氣墊說”，并總結要點[ 11 ]。

[資料]? 2004年李振榮提出氫氣墊說。認為鈉與水反應在交界處產生一層連續不斷的氫氣泡沫——氫氣墊，鈉與水接觸后立刻在界面上發生反應，這些氫氣泡沫將水與鈉隔開，氫氣泡沫不斷生成、破裂、發生振動。氫氣泡沫源源不斷將水分輸送到金屬表面從而維持化學反應繼續進行。由于氫氣泡沫破裂方向不均勻，推動熔成小球的鈉塊在氫氣泡沫上朝某一方向運動。

[生]? 氫氣鈉塊表面形成泡沫，并以“氫氣墊”形式將鈉與水隔開，但是氫氣泡沫源源不斷將水汽輸送到鈉表面，氫氣泡沫會破裂，從而造成鈉塊移動。

[師]? 引導學生總結鈉塊移動的一些假說，并更綜合看待鈉塊移動的動力來源：氣體推動，氫氣墊、水等。

[學生活動3]? 請學生思考鈉與水反應發出嘶嘶響聲的可能原因有哪些？教師投影展示曾顯林老師使用高清攝像機捕捉鈉與水反應的各個流程的圖片（圖7）[ 12 ]。并讓學生分析這些圖片中哪些反應過程會發出聲音？

[生]? a、e、f、g這幾個過程都有可能產生聲音，學生總結聲音主要來源：水汽揮發、氫氣泡破滅、燃燒、鈉塊炸裂等過程。

[學生活動4]? 請學生小組合作從微觀角度尋找“嘶嘶”響聲的主要來源，結果見表3。

[師] 指導學生總結鈉與水反應的微觀聲音來源：原子、分子碰撞；分子的劇烈振動等。

[歸納整理]帶領學生歸納總結本節課所學實驗分析方法。

[學生活動5]組織學生總結深度分析實驗所用的分析流程如圖8所示。

任務3各活動設計意圖總結見表4。

3? 教學反思

3.1? 慢回放式化學實驗深入分析構建宏觀、微觀橋梁

本節課構建了一套慢回放式化學分析方法，讓學生將發生變化的主體先在微觀層面放大，并結合物質的模型實現在腦中重現反應過程，接著再將化學變化過程慢放，形成一個個分鏡頭，選取并分析重要的鏡頭實現對實驗過程的動態分析。這種分析方法潛移默化地培養學生從宏觀現象走向微觀變化的認知思路。慢回放式分析化學實驗不僅可以運用于鈉與水反應，還可以遷移到大多數高中化學性質類實驗深入研究中。

3. 2? 微觀動態分析促進學生科學素養，創新意識提升

要科學捕捉微觀過程的分鏡頭首先要準確了解物質微觀組成、結構，對于高一學生這方面的知識比較欠缺，教師可以直接展示；其次要建立微觀世界物質發生物理變化、化學反應的動態模型，可以引導學生利用類比遷移法進行推理分析。通過微觀、動態分析，學生在潛移默化中發現一些具有運用價值的信息，例如給金屬鍍膜的品控問題，鈉的堆積方式差異帶來性質的差異等等。這種學習方式能夠激發學生創新熱情，加深對科學方法的理解。

4? 總結

新高考背景下，高一教師面臨吸引學生選化學以及提升化學教學質量的雙重挑戰。深度學習提供了解決這一矛盾的方向。以教科書實驗為出發點，讓學生從平凡的實驗中看到不平凡，利用書本實驗的深度挖掘實現深度學習，既能避免學生由于陌生素材產生畏難情緒，又能在任務完成中培養學生學習興趣，提升學生科學素養，培育創新意識。

參考文獻：

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