從生活世界走向化學(xué)世界

一、從幾項(xiàng)熟悉的實(shí)驗(yàn)問題說起

本項(xiàng)目在期望學(xué)生從生活現(xiàn)象認(rèn)識(shí)化學(xué)原理的同時(shí)，也能夠讓學(xué)生感受到平凡事物中的神奇奧妙。這些神奇之處即使對(duì)于教師而言或許司空見慣，但未必留心觀察過，用心思考過。除了常規(guī)教學(xué)中關(guān)注的“知識(shí)要點(diǎn)”，還能從教材中發(fā)現(xiàn)許多讓人驚異和感嘆之處。下面擷取三例，與讀者分享。鑒于篇幅限制，以下三例主要是提出問題，不作回答，旨在啟發(fā)讀者思考。

1.從蠟燭燃燒現(xiàn)象可以提出哪些科學(xué)問題？

1860年圣誕，偉大的科學(xué)家法拉第以“蠟燭的故事”為題為青少年朋友連續(xù)開展了六場專題報(bào)告，深入探討了蠟燭燃燒的原因、蠟燭火焰的形狀、火焰的顏色等一系列問題，并由此擴(kuò)展到許多物理、化學(xué)和生物的基本概念。此后，關(guān)于蠟燭火焰的溫度、光譜、成分的研究以及微重力條件下的蠟燭燃燒實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步拓展了人們對(duì)燃燒的認(rèn)識(shí)，從而也大大增強(qiáng)了這一教學(xué)內(nèi)容的趣味性和時(shí)代性。就蠟燭燃燒這樣一個(gè)常見的現(xiàn)象，都可以提出哪些科學(xué)問題？對(duì)這些問題我們都能給出合理的解釋嗎？表1列舉了一些基于蠟燭燃燒顯現(xiàn)提出的科學(xué)問題。

上述問題是豐富多樣的，而且可以承載核心科學(xué)概念的教學(xué)。其中不乏我們司空見慣的現(xiàn)象，但平時(shí)并沒有留意和質(zhì)疑，當(dāng)追問起來的時(shí)候還真不知道該如何解釋。由此思考：如何能夠提出更多的科學(xué)問題？是否有可供教學(xué)借鑒的方法和策略？

2.如何證明氧氣支持燃燒？

對(duì)于初中學(xué)生而言，通過小學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)以及結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，都知道氧氣支持燃燒。這一認(rèn)識(shí)將在初中化學(xué)中進(jìn)一步深化，即認(rèn)識(shí)燃燒是可燃物與空氣中的氧氣發(fā)生的化學(xué)變化。針對(duì)這一教學(xué)內(nèi)容，有沒有追問過：空氣中含有氧氣、氮?dú)獾榷喾N成分，氧氣約占空氣總體積的21%，氮?dú)饧s占78%，其他成分約占1%。為何我們直接得出結(jié)論是氧氣發(fā)揮的作用呢？根據(jù)可燃物在空氣中的燃燒現(xiàn)象，可以猜想是氧氣發(fā)揮作用，也可以猜想是氮?dú)獍l(fā)揮作用。如何才能證明是空氣中的氧氣支持燃燒呢？

直述結(jié)論的教學(xué)往往是簡單的，但是要體現(xiàn)科學(xué)推理的過程，這個(gè)問題似乎就不太好回答。首先需要做一個(gè)簡化的處理，忽略其他含量很低的成分對(duì)燃燒的影響，那么氧氣和氮?dú)饩褪俏覀円骄康膬蓚€(gè)影響因素（變量）。要說明某一成分是否支持燃燒，可用這種成分的純物質(zhì)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以消除其他因素的影響，證明氧氣可以支持燃燒。當(dāng)然，還需要實(shí)驗(yàn)證明可燃物在其他成分氣體（氮?dú)猓┲袩o法燃燒。兩條證據(jù)相互匹配，才能得出結(jié)論。這個(gè)過程中就運(yùn)用了控制變量、推理論證等思維方法。由此設(shè)想，這樣是否更加體現(xiàn)化學(xué)作為一門科學(xué)的理性之美？是否更能夠提升學(xué)生的批判意識(shí)和思維能力？若如此，如何將這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程轉(zhuǎn)化為教學(xué)活動(dòng)呢？

3.燃具的設(shè)計(jì)中有哪些科學(xué)原理？

此處的“燃具”一詞，既包括實(shí)驗(yàn)用的加熱裝置，也包括生活、生產(chǎn)中真實(shí)的燃燒反應(yīng)所發(fā)生的場所。首先從酒精燈和蠟燭的對(duì)比談起，觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)它們既有相似點(diǎn)又有不同點(diǎn)。相同點(diǎn)例如蠟燭和酒精燈都需要燈芯，不同點(diǎn)例如酒精燈的燈芯鑲嵌在陶瓷柱里，而蠟燭的燭芯卻直接佇立在蠟中。為什么這樣設(shè)計(jì)？陶瓷柱只是簡單的固定燈芯嗎？實(shí)驗(yàn)室還會(huì)用到酒精噴燈，若比較酒精燈與酒精噴燈的結(jié)構(gòu)、燃燒的現(xiàn)象，也完全不同。它們的工作原理存在哪些差異？

家庭使用煤作燃料，一般不直接燒煤塊，而是將煤粉、黃土、水按照適當(dāng)?shù)谋壤龜嚢杈鶆?，擠壓成球形或蜂窩狀，曬干后得到煤球或蜂窩煤。為什么需要對(duì)“可燃物”做這樣復(fù)雜的加工？煤球爐的進(jìn)風(fēng)口在下部，其結(jié)構(gòu)為何這樣設(shè)計(jì)？為了更好地提高煤燃燒的效率，提高加熱的溫度，在生活中和生產(chǎn)中都采用了哪些技術(shù)改進(jìn)手段？

與煤相比，另一種常見的燃料——天然氣的使用和調(diào)控方式與煤有何不同？家里的燃?xì)庠畹慕Y(jié)構(gòu)是怎樣的？每個(gè)部位具有怎樣的功能？燃?xì)庠畹陌l(fā)展、進(jìn)步得到了哪些技術(shù)支撐？借助了哪些科學(xué)原理？

二、項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)教材一方面落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)以及當(dāng)前教學(xué)對(duì)于燃燒的常規(guī)要求，另一方面融入上述常見且熟悉的但很少究其原理的科學(xué)技術(shù)問題，進(jìn)行項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠體會(huì)平凡事物中科學(xué)原理之奧妙，以期達(dá)到以下目標(biāo)：a.通過探究常見可燃物的燃燒過程，讓學(xué)生初步認(rèn)識(shí)物質(zhì)燃燒所發(fā)生的化學(xué)變化，認(rèn)識(shí)氧氣在燃燒中發(fā)揮的作用，認(rèn)識(shí)燃燒、緩慢氧化和爆炸發(fā)生的條件，了解防火滅火、防范爆炸的措施。b.通過探究常見燃料的燃燒現(xiàn)象及其在真實(shí)生活中的應(yīng)用形式，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)燃燒的條件和調(diào)控方式，能夠評(píng)估使用這些燃料對(duì)環(huán)境的影響，知道如何選擇對(duì)環(huán)境污染較小的燃料。c.通過對(duì)燃燒原理、規(guī)律的探究以及設(shè)計(jì)未來的燃料，讓學(xué)生初步體驗(yàn)科學(xué)探究和項(xiàng)目研究的過程與方法。

1.本項(xiàng)目的核心任務(wù)和活動(dòng)拆解。

本項(xiàng)目將“探索燃燒的奧秘”拆解為項(xiàng)目導(dǎo)引和3個(gè)任務(wù)。從知識(shí)線索的角度，項(xiàng)目導(dǎo)引主要承載物理變化與化學(xué)變化的知識(shí)。任務(wù)1“燃燒是如何發(fā)生的”主要承載可燃物與氧氣的反應(yīng)、著火點(diǎn)。任務(wù)2“如何調(diào)控燃燒”主要承載燃燒的完全程度、二氧化碳不支持燃燒。任務(wù)3“未來的燃料是怎樣的”主要承載燃燒過程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、傳統(tǒng)及新型燃料。項(xiàng)目導(dǎo)引與3個(gè)任務(wù)均通過設(shè)置系列活動(dòng)來支持教學(xué)活動(dòng)的展開。（見表2）

2.項(xiàng)目成果及完成進(jìn)度的規(guī)劃。

通過一系列項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)，最終形成項(xiàng)目成果或項(xiàng)目作品，是項(xiàng)目學(xué)習(xí)的重要特點(diǎn)。在本項(xiàng)目中，學(xué)生通過探索燃燒的奧秘、分析生產(chǎn)生活中調(diào)控燃燒的技術(shù)方法，調(diào)查燃料的變遷并分析其中的原因，并在此基礎(chǔ)上展望和設(shè)計(jì)未來的燃料。在項(xiàng)目完成時(shí)，學(xué)生需要撰寫一份與“展望和設(shè)計(jì)未來的燃料”話題有關(guān)的研究報(bào)告，并繪制海報(bào)或制作PPT，進(jìn)行展示。這樣可培養(yǎng)學(xué)生對(duì)整個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程進(jìn)行梳理總結(jié)、反思提煉的能力，以及展示表達(dá)能力。為了監(jiān)控和推進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)程，每個(gè)任務(wù)之后都設(shè)置了“檢查進(jìn)度”欄目，提出指向項(xiàng)目成果的階段性要求。

任務(wù)1檢查進(jìn)度：為了能更好地評(píng)價(jià)和篩選未來的燃料，通過調(diào)查活動(dòng)對(duì)可供選用的燃料做一個(gè)系統(tǒng)的梳理。包括燃燒的應(yīng)用形式、涉及的物質(zhì)及反應(yīng)、燃燒的裝置、燃燒的調(diào)控、燃燒的失控及其避免等。

任務(wù)2檢查進(jìn)度：進(jìn)一步調(diào)查、梳理和比較不同燃料的差異。包括家用燃料的變遷，我國不同地區(qū)主要使用的燃料，以及多角度對(duì)不同的燃料進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)等。

任務(wù)3檢查進(jìn)度：從“探索燃燒的奧秘”“燃燒調(diào)控中的技術(shù)思路”“燃料的變遷”或“設(shè)計(jì)未來的燃料”等幾大主題中，選一個(gè)合適的角度，小組合作完成一份研究報(bào)告。

三、項(xiàng)目的突出特色及教學(xué)建議

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)為主體，素材選取密切聯(lián)系學(xué)生的生活實(shí)際，并融入許多相關(guān)技術(shù)工程教育要素，同時(shí)注重過程方法目標(biāo)的落實(shí)，突出用聯(lián)系的視角來看化學(xué)問題和技術(shù)問題。在認(rèn)識(shí)燃燒現(xiàn)象、氧氣性質(zhì)的同時(shí)，幫助學(xué)生形成對(duì)物質(zhì)、元素、元素守恒、化學(xué)式的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)意識(shí)、技術(shù)理解與技術(shù)設(shè)計(jì)能力。

1.借助基本觀念形成結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)，注重基本方法的落實(shí)。

本項(xiàng)目作為項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)教材的第一個(gè)項(xiàng)目，期望幫助學(xué)生體會(huì)化學(xué)的基本觀念和基本方法，這些基本觀念和方法將在后面的學(xué)習(xí)中反復(fù)應(yīng)用，螺旋發(fā)展，逐漸深化。基本觀念包括從物質(zhì)變化的角度認(rèn)識(shí)變化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、物質(zhì)變化、能量變化和反應(yīng)條件是認(rèn)識(shí)化學(xué)變化的重要視角，從元素和元素守恒的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其發(fā)生的反應(yīng)，等等。本項(xiàng)目的探究問題、知識(shí)內(nèi)容及其基本觀念之間的關(guān)系可以用圖1表示，形成一個(gè)體系，幫助學(xué)生形成結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)。基本方法包括進(jìn)行有序的實(shí)驗(yàn)觀察的方法，用科學(xué)語言描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行歸納、分類的方法，對(duì)于復(fù)雜問題進(jìn)行簡化處理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中變量控制的方法，通過因素分析探索反應(yīng)發(fā)生的條件以及對(duì)反應(yīng)條件的調(diào)控，調(diào)查和資料檢索的過程與方法，信息提取和加工、基于證據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析推理判斷的方法，等等。教學(xué)中應(yīng)思考如何外顯和落實(shí)這些基本觀念和基本方法。

2.以活動(dòng)為載體，課內(nèi)外活動(dòng)相結(jié)合。

本項(xiàng)目精心設(shè)計(jì)了一系列的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，教學(xué)中應(yīng)創(chuàng)造條件將這些實(shí)驗(yàn)落到實(shí)處，不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)可以給學(xué)生呈現(xiàn)豐富的直接經(jīng)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解和認(rèn)識(shí)抽象的化學(xué)變化和原理。此外，還設(shè)置了一系列課內(nèi)與課外相結(jié)合的實(shí)踐活動(dòng)。例如，借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息檢索，訪談家人、長輩，對(duì)各種燃料及其保存、運(yùn)輸和使用器具構(gòu)造的調(diào)查與觀察，對(duì)學(xué)校、小區(qū)消防設(shè)施的調(diào)查及逃生路線的設(shè)計(jì)、滅火和逃生模擬訓(xùn)練，等等。本項(xiàng)目教學(xué)的課時(shí)為課上課時(shí)與課下課時(shí)打通使用，教學(xué)中應(yīng)對(duì)這些實(shí)踐活動(dòng)做有效規(guī)劃，讓學(xué)生在課上或課下有效開展，在課上做有效交流匯報(bào)，使其成為項(xiàng)目學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)。

3.融入技術(shù)工程教育要素，促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)際問題的理解。

本項(xiàng)目注重科學(xué)與技術(shù)和工程的聯(lián)系，例如在酒精燈和蠟燭結(jié)構(gòu)對(duì)比中說明芯對(duì)于兩種不同燃料發(fā)揮不同的作用，給學(xué)生呈現(xiàn)煤球爐、用風(fēng)箱給爐灶鼓風(fēng)、鍋爐中煤粉的燃燒，燃?xì)庠钆c酒精噴燈的結(jié)構(gòu)等燃燒在真實(shí)生活中應(yīng)用的情景，乙醇汽油、氫氧燃料電池等技術(shù)手段在解決能源和環(huán)境問題中的作用，等等。這些素材看似不指向基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)，但對(duì)于學(xué)生理解化學(xué)知識(shí)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，體會(huì)其中的技術(shù)與工程原理非常重要，需要在教學(xué)過程中有效利用。