運(yùn)用POE教學(xué)策略與數(shù)字化實(shí)驗的化學(xué)課堂教學(xué)

莊建德 李偉溪 黃倩瑩

關(guān)鍵詞：鈉與氧氣的反應(yīng);POE教學(xué)策略;數(shù)字化實(shí)驗

一、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀

“金屬鈉與氧氣的反應(yīng)”位于人教版第二章第一節(jié)第一課時“活潑的金屬單質(zhì)——鈉”，具有承上啟下的重要功能[1]。承上是指學(xué)生在初中階段學(xué)習(xí)了鎂、鋁、鐵、銅等金屬的相關(guān)知識，對金屬單質(zhì)不陌生，而高中學(xué)習(xí)了物質(zhì)分類、離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等理論內(nèi)容，掌握了預(yù)測與解釋金屬化學(xué)性質(zhì)的工具。啟下是指學(xué)生通過學(xué)習(xí)金屬鈉，在不斷“預(yù)測—觀察—解釋”的過程中，掌握研究物質(zhì)性質(zhì)的一般方法，為后續(xù)元素化合物的學(xué)習(xí)提供思路。本課時的主要內(nèi)容包括：金屬鈉的物理性質(zhì)、金屬鈉在空氣中的變化、金屬鈉與氧氣在不同條件下的反應(yīng)。

雖然該課知識內(nèi)容簡單，但學(xué)生在學(xué)習(xí)本課時，仍存在以下兩個問題：（1）不能根據(jù)已有知識進(jìn)行遷移、預(yù)測物質(zhì)的性質(zhì)。（2）缺乏定量意識，不會從定量角度設(shè)計實(shí)驗并收集證據(jù)。

二、教學(xué)設(shè)想與改進(jìn)

經(jīng)過文獻(xiàn)搜索與研讀，發(fā)現(xiàn)已有研究多從改良定性實(shí)驗來探討鈉與氧氣的反應(yīng)，較少有研究者使用數(shù)字化實(shí)驗來改進(jìn)“鈉與氧氣的反應(yīng)”的教學(xué)[2-5]。本課例采用數(shù)字化實(shí)驗，改進(jìn)鈉與氧氣的反應(yīng)，相較于“看到切開的鈉表面變暗”則說明鈉與氧氣發(fā)生反應(yīng)，數(shù)字化實(shí)驗所呈現(xiàn)的氧氣變化曲線更能說明鈉與氧氣發(fā)生反應(yīng)，提供的定量數(shù)據(jù)證據(jù)既增加了知識的可信度，又培養(yǎng)了學(xué)生的定量思維。另外，本課例采取POE教學(xué)策略，環(huán)節(jié)二至環(huán)節(jié)五均以“學(xué)生預(yù)測—學(xué)生觀察—學(xué)生解釋”的順序開展課堂活動，讓學(xué)生應(yīng)用POE策略解決問題，進(jìn)而領(lǐng)會元素化合物性質(zhì)的學(xué)習(xí)方法。

三、教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)流程

本課的教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）了解金屬鈉的儲存方法，掌握金屬鈉與氧氣在不同條件下的反應(yīng);

（2）通過分析金屬鈉的物質(zhì)類別、元素價態(tài)、原子結(jié)構(gòu)、金屬活動性順序，預(yù)測其化學(xué)性質(zhì)和變化，學(xué)會根據(jù)已有的理論證據(jù)預(yù)測物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì);

（3）通過定性和定量實(shí)驗，從現(xiàn)象和數(shù)據(jù)兩個角度分析、解釋有關(guān)實(shí)驗現(xiàn)象。學(xué)會根據(jù)實(shí)驗所得的事實(shí)證據(jù)驗證物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì);

（4）通過歸納金屬鈉與氧氣反應(yīng)的探究過程，初步形成研究物質(zhì)的思路和基于證據(jù)推理的研究方法。

本課的教學(xué)流程由五個環(huán)節(jié)構(gòu)成，分別為：創(chuàng)設(shè)情境、預(yù)測金屬鈉與氧氣的反應(yīng)、定性驗證金屬鈉與氧氣的反應(yīng)、定量驗證金屬鈉與氧氣的反應(yīng)、歸納總結(jié)與遷移應(yīng)用。表1為教學(xué)流程。

四、教學(xué)實(shí)錄

1. 創(chuàng)設(shè)情境

教師展示一瓶儲存在液體中的金屬鈉，學(xué)生預(yù)習(xí)可知鈉通常儲存在煤油之中。

[教師]從鈉的儲存條件來看，鈉與煤油的密度誰大？

[學(xué)生]鈉沉在煤油底部，說明鈉的密度大于煤油的密度。

[教師]選擇密度比鈉小的煤油來儲存，使鈉沉在煤油底部有什么好處？

[學(xué)生]沉在煤油底部可以隔絕空氣。

[教師]儲存時需要隔絕空氣，通過這樣的儲存方法，我們可以對鈉的性質(zhì)作出什么預(yù)測？

[學(xué)生]可能是因為金屬鈉易與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

[教師]我們知道空氣中含有氧氣、氮?dú)?、二氧化碳、水蒸氣等成分，金屬鈉究竟是與空氣中的哪種成分反應(yīng)呢？請根據(jù)這些氣體的性質(zhì)來進(jìn)行預(yù)測。

[學(xué)生]我們初中學(xué)習(xí)過，氧氣能跟鎂、鐵、銅等金屬反應(yīng)，比較活潑，而氮?dú)獠荒苋紵膊恢С秩紵?，二氧化碳用于滅火，也是不能燃燒也不支持燃燒，水常用于滅火，綜合以上的分析，氧氣與鈉反應(yīng)的可能性最大。

[教師]好的。這節(jié)課，我們就先來探討金屬鈉是否能與氧氣反應(yīng)。

2. 預(yù)測金屬鈉與氧氣的反應(yīng)

[教師]請結(jié)合已學(xué)的物質(zhì)分類、元素價態(tài)、原子結(jié)構(gòu)等理論知識，預(yù)測“鈉能否與氧氣反應(yīng)？”并提供理由。

[學(xué)生]思考，分組討論如何預(yù)測“鈉能否與氧氣反應(yīng)”？

[學(xué)生1]從物質(zhì)分類的角度來看，鈉屬于金屬，氧氣屬于非金屬，可能易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

[教師]金屬是否都易與非金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？我們學(xué)習(xí)過“金”這一種金屬很難被氧化，有沒有別的證據(jù)來補(bǔ)充說明？

[學(xué)生2]鈉與金不同，鈉在金屬活動性順序中排位較前，表明鈉是一種比較活潑的金屬，而氧氣是一種性質(zhì)活潑的氣體，所以鈉與氧氣較易反應(yīng)。

[學(xué)生3]從原子結(jié)構(gòu)來看，鈉原子最外層只有一個電子，易失去電子，而氧原子最外層有6個電子，易得到電子，所以鈉能與氧氣反應(yīng)。

[學(xué)生4]鈉與氧氣的化合價均為零，鈉元素的化合價可以上升為正1價，鈉具有還原性，而氧元素的化合價可以下降為負(fù)2價，具有氧化性，從元素價態(tài)的角度來看，鈉能與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

[教師]同學(xué)們從物質(zhì)分類、金屬活動性順序、原子結(jié)構(gòu)、元素價態(tài)等角度均預(yù)測鈉能與氧氣反應(yīng)，接下來我們用實(shí)驗驗證預(yù)測的結(jié)果是否正確？

3. 定性驗證金屬鈉與氧氣的反應(yīng)

[演示實(shí)驗1]用鑷子從煤油中取出一塊金屬鈉，使用濾紙擦干表面的煤油，用小刀切割一小塊鈉，引導(dǎo)學(xué)生觀察截面的顏色與變化，并根據(jù)實(shí)驗現(xiàn)象進(jìn)行分析，組織學(xué)生匯報。

[學(xué)生]觀察到金屬鈉切開后，迅速失去金屬光澤，光亮的銀白色變暗。

[學(xué)生]證明金屬鈉與氧氣發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

[教師]金屬鈉表面變暗能證明鈉本身參與了反應(yīng)，能否說明一定是氧氣與其發(fā)生了反應(yīng)？用什么方法才可以證明氧氣也參加了反應(yīng)？

[學(xué)生]思考與討論，在反應(yīng)前后分別測量氧氣的含量，根據(jù)其含量是否發(fā)生變化來判斷。

4. 定量驗證金屬鈉與氧氣的反應(yīng)

[教師]向?qū)W生介紹氧氣傳感器與實(shí)驗裝置，如圖1所示，實(shí)驗裝置由兩部分組成：發(fā)生裝置（由無線氧氣傳感器與集氣瓶組成）、數(shù)據(jù)顯示裝置（無線氧氣傳感器通過LabQuest App將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中，再將電腦的畫面投屏到顯示屏），教師引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測數(shù)據(jù)的走勢。

[學(xué)生]鈉與氧氣反應(yīng)，導(dǎo)致集氣瓶內(nèi)氧氣的含量降低。

[數(shù)字化實(shí)驗1]用鑷子從煤油中取出一塊金屬鈉，擦干表面的煤油，用小刀切割一塊黃豆大的鈉（將其六個面的表層均切掉，露出內(nèi)部的金屬鈉），迅速將金屬鈉放入集氣瓶中，然后插入氧氣傳感器，形成密閉體系。

[學(xué)生]集氣瓶內(nèi)的金屬鈉失去金屬光澤，光亮的銀白色變暗，集氣瓶內(nèi)的氧氣含量隨著反應(yīng)的進(jìn)行降低。（見圖2）

從氧氣含量變化曲線看，氧氣含量下降是明顯的。氧氣含量從21.3689%降到21.2126%，下降了0.04764%。這可能與實(shí)驗使用金屬鈉的體積較?。辄S豆粒大?。?、金屬鈉還原性較強(qiáng)，從切割到放入集氣瓶，再到點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集的過程中，金屬鈉會迅速被氧化、金屬鈉表層變成薄膜氧化鈉后，可能會阻止內(nèi)部金屬鈉繼續(xù)被氧化等因素有關(guān)。

[學(xué)生]根據(jù)趨勢將曲線分為兩段——氧氣含量明顯下降階段（AB 段）、氧氣含量平緩階段（BC段）。分別從宏觀、微觀、符號三個角度對兩段曲線進(jìn)行分析，形成四重表征（見圖3）。將剛切好的金屬鈉迅速放入集氣瓶中，可以看到如AB段所示，曲線呈明顯的下降趨勢，說明集氣瓶內(nèi)氧氣的含量降低。此時，宏觀上，金屬鈉表面變暗，微觀上，鈉原子失去電子，氧原子得到電子，將反應(yīng)用符號表示為“4Na+O2 == 2Na2O”，證明氧氣確實(shí)能與鈉反應(yīng)。而BC 段曲線逐漸趨于平緩，金屬鈉表面已失去金屬光澤，說明表面的鈉已被全部氧化。根據(jù)上述對宏觀、微觀、符號、曲線的分析，可以得到“氧氣確實(shí)能與鈉反應(yīng)”的實(shí)驗結(jié)論。

5. 歸納建模

[教師]歸納和整理鈉與氧氣反應(yīng)的探究過程，總結(jié)“預(yù)測—觀察—解釋”的研究思路。

[遷移應(yīng)用]請同學(xué)們運(yùn)用上述研究思路，判斷鈉與氧氣在加熱條件下的反應(yīng)。

[學(xué)生]金屬鎂在燃燒時與氧氣劇烈反應(yīng)，金屬鈉比鎂更加活潑，所以預(yù)測鈉也能與氧氣劇烈反應(yīng)。

[演示實(shí)驗2]切割一小塊金屬鈉并放置于坩堝中，用酒精燈對坩鍋進(jìn)行加熱。

[學(xué)生]金屬鈉先熔成小球，然后與氧氣劇烈反應(yīng)，燃燒發(fā)出黃色火焰，生成一種淡黃色固體。該現(xiàn)象說明金屬鈉發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，若需要進(jìn)一步確定在燃燒過程中氧氣參與了反應(yīng)，則可以測量一定質(zhì)量的鈉在密閉容器中燃燒的耗氧量。

[教師]這兩個反應(yīng)有哪些相同與不同的地方？為什么會呈現(xiàn)出這些不同？我們之前還學(xué)習(xí)過什么內(nèi)容跟這是相似的？

[學(xué)生]兩個反應(yīng)的反應(yīng)物是相似的，但由于反應(yīng)條件不同，其反應(yīng)現(xiàn)象與生成物都是不同的。初中我們學(xué)習(xí)過硫、鐵等物質(zhì)與氧氣的反應(yīng)也是會明顯受到反應(yīng)條件的影響。

[教師]反應(yīng)條件的改變的確會對化學(xué)反應(yīng)造成影響，可能會使其出現(xiàn)不同的現(xiàn)象，甚至不同的產(chǎn)物。故以后大家在研究化學(xué)反應(yīng)時，一定要注意反應(yīng)條件！鈉在空氣中只能與氧氣發(fā)生反應(yīng)嗎？若不是，還可能與什么物質(zhì)反應(yīng)？如何驗證？

[數(shù)字化實(shí)驗2]取一塊金屬鈉，擦干煤油，用小刀切割后迅速將其放入集氣瓶中，在集氣瓶口插入二氧化碳與濕度傳感器，形成密閉體系。實(shí)驗結(jié)束后可得集氣瓶內(nèi)二氧化碳與水蒸氣含量隨時間變化的曲線圖。

[教師]描述曲線趨勢，留下疑惑，引導(dǎo)學(xué)生課后解釋現(xiàn)象。

五、教學(xué)反思

本課抓住“鈉與氧氣反應(yīng)”，利用2個數(shù)字化實(shí)驗，設(shè)計“預(yù)測—觀察—解釋”的學(xué)習(xí)過程。

（1）利用數(shù)字化實(shí)驗，可優(yōu)化教學(xué)。數(shù)字化實(shí)驗有助于解決傳統(tǒng)實(shí)驗的諸多困境，將實(shí)驗的隱性變化可視化[6]，用直觀的曲線和數(shù)據(jù)說明氧氣確實(shí)參加了與鈉的反應(yīng)。從學(xué)生的課堂表現(xiàn)來看，學(xué)生能夠接受數(shù)字化實(shí)驗的引入，能在老師的引導(dǎo)下有條理、多維度地分析實(shí)驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行證據(jù)推理。在教學(xué)中可以開發(fā)基于四重表征的實(shí)驗，提高學(xué)生的四重表征意識與四重表征思維[7]。

（2）采用POE 教學(xué)策略，有助于形成“預(yù)測—觀察—解釋”的研究思路。首先通過定性驗證鈉與氧氣在常溫下的反應(yīng)構(gòu)建“預(yù)測—觀察—解釋”的研究思路，然后在定量驗證鈉與氧氣在常溫下的反應(yīng)、鈉與氧氣在加熱條件下的反應(yīng)探究中，自主應(yīng)用該研究思路進(jìn)行學(xué)習(xí)。該研究思路可以為元素化合物的教學(xué)提供一定的幫助。