注重科學探究 解決實際問題

李焱 孫慧杰 趙薇 李慧云

關鍵詞：高中化學;負壓救護車;真實情境;科學探究

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標識碼：B? ? 文章編號：1009-010X（2023）32-0061-04

本節課的教學內容是人教版《化學（九年級上冊）》第一單元課題2“化學是一門以實驗為基礎的科學”的第2課時，隸屬于《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課標》）學習主題一“科學探究與化學實驗”。本節課的主要內容包括兩個方面：一是通過實驗探究認識比較人體吸入的空氣和呼出的氣體中CO2、O2和水蒸氣含量多少的方法，并體驗控制變量學科方法的運用;二是基于實驗過程，認識科學探究的“發現問題——提出問題——作出猜想——設計方案——進行實驗——收集證據——得出結論——反思評價”的一般思路。

本節課的關注點有：一是分析吸入與呼出氣體中氣體含量發生了哪些變化;二是按照教材的方案進行實驗驗證;三是在實驗過程中體驗科學探究的要素和控制變量這一學科方法的運用。如何創設真實的學習情境，引導學生在解決真實問題的過程中自然地體驗科學探究的過程，并認識化學的學科價值是我們設計本節課時著重突破的難點。

一、教學目標

第一，通過對負壓救護車相關問題的探究，認識科學探究的一般思路和方法。

第二，通過比較氧氣、二氧化碳、水蒸氣含量的科學探究過程，體會化學的學科特點，并體驗控制變量學科方法的運用。

第三，通過探究“負壓救護車中是否需要不斷換氣”和“防護眼鏡上水霧產生的原因”等真實情境問題，體驗化學學科的價值之一是解決實際問題。

二、教學思路

教師通過醫療常用的防護設備“負壓救護車”和“護目鏡”創設學習情境，并基于學習情境將本節課分為三個教學環節（圖1所示是本節課的教學思路）。

三、教學實錄

環節一：創設學習情境，提出問題。

教師展示負壓救護車的圖片，并提出問題：你對負壓救護車有哪些了解或疑惑？

學生紛紛發言，進了如下交流：

針對學生的討論，教師類比“負壓原理”在生活實際——抽油煙機中的應用，引導學生分析負壓救護車的“負壓”原理。

教師給出圖2所示的資料卡片，資料顯示：負壓凈化裝置和負壓隔離倉的造價幾乎占了負壓救護車總造價的二分之一。于是，提出新的問題：“我們只要制造一個封閉的救護車即可實現帶有傳染性病菌的空氣不外逸，為什么還要花費如此高的代價制造不斷換氣的負壓救護車呢？”

學生討論后認為人體呼出的氣體與吸入的空氣成分不同，并根據初中生物課中所學的人體的呼吸作用的變化“有機物+氧氣→二氧化碳+水+能量”，作出合理的猜想與假設：人體呼出的氣體與吸入的空氣相比，CO2含量增加、O2含量降低、水蒸氣含量增加。

環節二：探究負壓救護車中是否必須不斷換氣。

探究1? 驗證人體吸入和呼出氣體中O2含量的變化。

首先經小組內討論確定實驗依據：“氧氣具有助燃性”，然后進行小組合作實驗。圖3所示是學生設計的3種不同的實驗方案和觀察到的實驗現象。

實驗后教師組織學生對3種方案進行充分討論：方案3由于沒有控制吸入和呼出氣體的體積相同，故該方案不合理，方案2現象不明顯，故相比之下方案1是最佳方案。由此強化了學生對控制變量這一學科方法的認識，同時引導學生注意在驗證猜想假設時，確保實驗現象明顯也是實驗方案科學性的一個方面。

經過充分討論，全體學生最后達成共識：呼出氣體中O2含量降低了。

探究2? 驗證人體吸入和呼出氣體中CO2含量的變化。

教師將圖4所示生物教材的內容作為資料呈現給學生，然后提出如下問題：請利用所給儀器和藥品，設計實驗驗證吸入與呼出氣體中CO2含量的變化。

儀器和藥品：集氣瓶、澄清石灰水、吸管、注射器、膠頭滴管和量筒。

請兩位同學到講臺上演示自己設計的實驗方案。

在探究1的基礎上，兩位同學已經形成了控制變量的意識，分別收集吸入的空氣和呼出的氣體各1瓶，然后向其中加入相同體積、相同濃度的澄清石灰水，不同的是兩位同學分別選用了注射器和膠頭滴管控制加入石灰水的體積。由此說明在探究1的基礎上，學生對控制變量的運用由“無意識”轉化為“有意識”行為。

通過實驗得出結論：呼出氣體中CO2含量較高。

探究3? 模擬封閉不換氣體系中的呼吸作用，觀察CO2和O2含量的變化。

圖5所示是一個自制的帶有二氧化碳和氧氣傳感器的全封閉不換氣模擬裝置。請2位同學通過消過毒的呼吸面罩在這個封閉體系中進行呼吸，實驗數據見下表：

通過模擬實驗學生更加清晰地感受到人體在呼吸過程中確實會引起CO2含量的升高和O2含量的降低。那這是否就是負壓救護車不斷換氣的原因呢？

探究4? 理論計算，進一步理性分析。

教師給出圖6所示的資料卡片，提出如下問題：若負壓救護車內空氣的體積約8000L，負壓救護車內同時有醫護人員和病人共計5人。請計算多長時間后車內5人開始出現不適癥狀？

同學們很快完成如下兩個運算：

8000升×（21%-19%）÷21升/小時÷5人≈1.5小時/人

8000升×1%÷（9升/分鐘×4%）÷5人≈44分鐘/人

教師引導學生根據數據分析不斷換氣的原因：（1）二氧化碳含量升高的影響高于氧氣含量降低的影響;（2）實際上呼吸既消耗氧氣又產生二氧化碳，雙重影響會縮短人的生存時間;（3）由于負壓救護車內載有呼吸急促的病人，更加需要新鮮空氣的供給。進而確定負壓救護車不斷換氣確實與人的呼吸有關系。

探究5? 模擬封閉定向換氣體系中的呼吸作用，并觀察CO2和O2含量的變化。

圖7所示是在探究3中的裝置（即圖6所示）基礎上加裝一個抽氣泵后的封閉定向換氣模擬裝置（類似負壓救護車中的換氣情況），然后重新請2位同學再次進行呼吸，發現裝置中二氧化碳和氧氣的濃度都幾乎不發生變化。

經過上述探究活動，同學們清晰地認識到：負壓救護車中不斷換氣與人體的呼吸有著密切關系，必須要不斷換氣確保醫務工作者和病人吸入的空氣質量，這也是保證他們生命安全的屏障之一。

環節三：探究醫護人員防護眼罩上水霧產生的原因及去除方法。

教師通過短視頻介紹：負壓救護車因擁有負壓醫療艙、負壓隔離彈夾艙和醫護人員的防護裝備三重防護作用，被稱為移動的N95口罩;但醫護人員長時間佩戴護目鏡后，鏡片上往往會出現大量水霧。

提出問題：你認為防護眼鏡上產生大量水霧的原因有哪些？

學生經過分析，認為主要原因有兩個：（1）呼出氣體中水蒸氣含量升高;（2）呼出的水蒸氣遇到冷的鏡片發生了液化（即主要是溫度變化的影響）。

實驗1：每小組用組內某同學的眼鏡進行實驗，向其中右側鏡片上哈氣。

學生認為該實驗中左、右兩側鏡片的溫度不同，不足以說明呼出的氣體中水蒸氣含量升高了。教師給出圖8所示的關于氯化鈷試紙的資料卡片，并組織學生進行分組實驗。

實驗2：分別將氯化鈷試紙放入盛有吸入的空氣和呼出氣體的兩個集氣瓶中。根據實驗現象學生得出結論：人體呼出氣體中水蒸氣含量確實比吸入的空氣中要高。

課后實踐作業：有什么方法可以幫助醫護人員免除霧氣的干擾？請同學應用今天學習的科學探究的過程和方法進行探究，可探究護目鏡材質、玻璃厚度、防護液濃度等因素的影響。要求同學做好探究過程的記錄和整理，并在課上進行分享交流。

四、教學反思

（一）創設真實的問題情境，基于問題解決認識化學的學科價值

《課標》明確指出“化學是推動人類社會發展的重要力量，在應對能源危機、環境污染、突發公共衛生事件等人類面臨的重大挑戰中發揮著不可替代的作用。”

本節課用轉運病人的負壓救護車創設真實的學習情境，以人體的呼吸作用切入，以物理學科中的壓強和生物學科中植物的呼吸作用等知識為基礎，以化學實驗、定量計算、自制模型、傳感技術等為支架展開教學，學生通過觀察、討論、操作、記錄、計算、模擬、評價反思等多種方式，在不斷質疑中探尋問題的答案。學生在真實情境中探索學習，以情境中的問題為起點，以化學實驗與探究為手段，融趣味性、知識性、實踐性于一體，深刻地感受到了化學在人類面臨的重大挑戰中發揮的作用。

（二）強化學科核心素養，將課程目標深植于學生的學習活動中

《課標》基于大概念構建的五個學習主題，每個學習主題中都增加了“……的思路和方法”的內容要求。本節課用轉運病人的負壓救護車創設學習情境，基于負壓救護車引導學生發現“負壓原理是什么”“為什么不斷換氣”“護目鏡上大量水霧的原因”等問題，然后基于問題引導學生構建了“進行合理的猜想假設——設計實驗方案——進行實驗收集證據——分析證據得出結論——反思評價”科學探究的一般思路。在整個探究過程中，不斷引導學生對二氧化碳、氧氣和水蒸氣含量測定的實驗方案進行評價反思，旨在促進學生對控制變量學科方法的理解和應用。科學探究的一般思路和控制變量的學科方法都是科學探究的基礎，也是促進學生科學思維形成的有效途徑，為后期學生學習化學打下了堅實的基礎。

“運用簡單的技術設計、制作與使用有關模型”是科學探究與實踐能力的一個方面。本節課通過實驗探究使學生認識了人呼出的氣體與吸入的空氣相比氧氣含量降低、二氧化碳含量升高了，但這是否就是“負壓救護車不斷換氣”的原因呢？教師通過圖5和圖7所示的自制裝置，并輔助于二氧化碳和氧氣傳感器，創造性地模擬了密閉和負壓換氣狀態下二氧化碳和氧氣含量變化的實際情況，為學生創造了真實而又深刻的學習體驗，很好地落實了新課標的課程目標。

【責任編輯 史? ?盼】