素養(yǎng)導向的初中化學必做實驗教學*
——以“多角度認識太空艙的制氧原理”為例

商曉緒 趙亞楠

（1.朝陽區(qū)教育科學研究院 北京 100018；2.北京中學 北京 100026）

一、初中學生必做實驗教學背景分析

《義務教育化學課程標準（2022 年版）》［1］修訂原則提出堅持目標導向，堅持問題導向，堅持創(chuàng)新導向。將重大的主題教育有機融入課程，注重對實際問題的有效回應，強化課程的實踐性，推動育人方式變革，著力發(fā)展學生核心素養(yǎng)。教學和評價都是基于學生素養(yǎng)發(fā)展的，隨著發(fā)展學生核心素養(yǎng)的提出，考試評價方式也由知識立意轉向了能力立意和素養(yǎng)立意的學習評價，即將知識置于簡單或復雜的情境中，考查學生運用知識解決問題的能力，從而來考查學生的學科知識和素養(yǎng)，如下圖所示：

圖1 基于核心素養(yǎng)的教學評價體系

基于真實情境，以解決真實有意義的問題為任務驅動，運用結構化的化學知識解決實際問題，發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)?；瘜W是研究物質組成、結構、性質、轉化及應用的一門基礎學科，學習和運用化學實驗技能和科學探究方法，離不開實驗活動。教師應結合具體的教學內容和學校實際，積極創(chuàng)造條件，通過多種途徑，安排和組織學生至少完成下列化學實驗活動。

表1 初中學生必做實驗分析

學生核心素養(yǎng)發(fā)展的實質是建立物質組成、物質制備、物質分離、物質結構探究、反應規(guī)律探究、物質性質探究的核心活動經(jīng)驗，理解核心活動經(jīng)驗并能在簡單情境中應用，進而遷移到復雜情境中創(chuàng)造性地應用。從活動對象和目標來看，實驗探究活動可以分為兩類：利用性質和規(guī)律實現(xiàn)目標的應用類活動和探究物質變化和物質性質的探究類活動。第一類活動的特點是其不指向發(fā)現(xiàn)新的事物或規(guī)律，而是應用已知的物質和規(guī)律進行設計以獲得新的產(chǎn)品或實現(xiàn)目標，以設計為特征；第二類活動則是指向發(fā)現(xiàn)規(guī)律或性質，以假設檢驗和建構解釋為特征［2］。因此，在教學中，應深入挖掘八個必做實驗的功能和價值，多角度尋找適合的真實問題的情境素材設計實驗教學。

基于以上分析，本文以“多角度認識太空艙的制氧原理”為例，探究水的組成及變化，建構基于解決真實問題的知識框架，梳理基于“宏觀-微觀-符號-圖形”四重表征的必做實驗的教學策略，聚焦核心素養(yǎng)發(fā)展。

二、素養(yǎng)導向的必做實驗教學案例

1.教學背景分析

電解水的學習在人教版教材第四單元課題3“水的組成”。在該課題內容學習后，學生知道水通電分解后生成氫氣和氧氣，反應過程中能看到兩極有氣泡產(chǎn)生，與電源正極相連的一端產(chǎn)生的氣體和與電源負極相連的一端產(chǎn)生的氣體的體積比為1∶2，會寫反應的化學方程式等。但是這些知識都是零散的、缺少關聯(lián)的。特別是應用知識解決實際問題時提取知識信息比較困難。同時利用電解水的實驗來研究水的組成，啟發(fā)學生認識到“可以通過不斷分解物質直至不能分解為更簡單的成分為止”得到元素的游離態(tài)，進而確定物質的組成，這是人類研究和認識物質組成的一般方法。通過對電解水實驗生成氫氣和氧氣體積比2∶1的分析，為水的化學式的確定提供事實依據(jù)［3］。

因此，“水的組成”的學習重在認識電解水實驗的實質，掌握通過化學實驗研究物質元素組成的科學過程與方法。在教學中應當將教學內容融于真實問題的解決，建構結構化知識，同時調動多種教學感官，如宏觀、微觀、符號、圖形，發(fā)展學生多角度認識水的組成及其變化，還能為學生從元素觀的角度研究物質組成提供有力的證據(jù)支撐。

2.教學主線分析

在真實的問題情境下展開必做實驗“水的組成”的學習，需要對學生結構化的知識進行建構與梳理。在教學中以太空艙中制氧原理為真實的情境素材，學生在認識學習太空艙制氧氣的原理過程中，從純凈物分解的角度認識水的組成，宏微結合認識水的分解實驗，定性與定量結合認識電解水，實現(xiàn)“多角度認識太空艙的制氧原理”，教學問題與活動設計見圖2。同時，從宏觀、微觀、符號、圖形四個角度分析與總結，建構關于水的組成的結構化的知識體系。

圖2 水的組成教學流程

圖3 太空艙制取氧氣系統(tǒng)的剖面圖

圖4 電解水微觀實質

圖5 電解水過程中水的質量和生成氧氣的質量的關系

3.教學流程

4.教學過程

環(huán)節(jié)一：情境引入激發(fā)興趣

【教師】載人航天是我國幾代航天人的夢想，如今我國已成功完成了多次載人飛行任務。最長的一次，宇航員要在太空艙中工作生活180天，在這個密閉的環(huán)境下生活，每天所需的氧氣從哪來呢？

【學生】用高錳酸鉀制取氧氣，用過氧化氫制取氧氣……

【教師】選擇的依據(jù)是什么？這些方法可以用于太空艙制氧氣嗎？

【學生】理論依據(jù)是均含有氧元素。討論，思考。

【教師】它主要是由這個神秘的制氧系統(tǒng)提供的。這個制氧系統(tǒng)真的那么神秘嗎？下面我們就來看一看這個制氧系統(tǒng)主要結構的剖面圖。從這個圖示中你看到了什么？

【學生】空間站利用電解水的方法制取氧氣。

設計意圖：利用我國高科技的事件不僅可以培養(yǎng)學生的愛國情感，同時能夠激發(fā)學生的興趣、創(chuàng)新意識與社會責任，讓學生認識到化學在解決真實問題方面的應用。引導學生借助剖面圖的分析揭開制氧系統(tǒng)的神秘面紗，其實就是熟知的電解水這個反應的實際應用。進一步建立了物質的性質與物質的用途之間的關系，物質的性質決定了物質的用途，物質的用途能夠體現(xiàn)物質的性質的學科思想。

環(huán)節(jié)二：宏觀認識“電解水”

【教師】分析剖面圖，你能根據(jù)你所學的知識描述一下這個設備的內部結構為什么是這樣的嗎？

【學生活動】根據(jù)實驗室中水電解器的原理，在設備中應該有一個具有兩個盛放氣體容器的連通器，兩個電極和一個電源。對比分析實際裝置與實驗室所學的熟悉裝置得出一致性的結論。

【學生實驗】電解水實驗

【教師】請同學們進行實驗，并描述實驗現(xiàn)象。

【學生】兩極有氣泡產(chǎn)生，且正極與負極產(chǎn)生氣體的體積比為1∶2，正極產(chǎn)生的氣體能支持燃燒，負極產(chǎn)生的氣體能燃燒。

設計意圖：通過對該問題的分析，明確該反應對應的實驗現(xiàn)象，正由于這些現(xiàn)象的產(chǎn)生才進一步給水具有通電條件下分解的性質提供了證據(jù)，提升了學生的證據(jù)意識及獲取證據(jù)的路徑和方法。學生了解到水在通電條件下分解是水的一條化學性質，這條性質可以用于太空艙的制氧裝置，并通過電解水實驗裝置對應的現(xiàn)象給水通電能分解這條性質找到了實驗證據(jù)，無論是裝置、現(xiàn)象、性質還是用途，都是從宏觀的視角認識電解水這個反應，建構了宏觀表征相關知識之間的相互關系。

環(huán)節(jié)三：微觀認識“電解水”

【教師】為什么我們會看到這樣一系列的宏觀表象呢？

【學生活動】借助電解水的微觀示意圖，從該反應的微觀實質來分析。

水是由水分子構成的，水分子在通電條件下分解為氫原子和氧原子，水中的氫原子顯正電性，向負極移動，每兩個氫原子構成一個氫分子，氫分子在負極聚集成氫氣，而水中的氧原子顯負電性，向正極移動，每兩個氧原子構成氧分子，氧分子在正極聚集成氧氣，且生成氫分子和氧分子的個數(shù)比是2∶1，于是我們就看到了上述的現(xiàn)象。

設計意圖：通過對電解水的微觀反應過程的分析，了解該反應的微觀表征，同時進一步理解了宏觀現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，從而建立起宏觀表征與微觀表征之間的關系。

環(huán)節(jié)四：定量認識“電解水”

【教師】我們還可以想一想，如果宇航員在太空平均一天要消耗0.8 kg 的氧氣，理論上一天至少需要電解多少水？

【學生活動】借助電解水的化學方程式進行計算。

以此類推，我們可以分別得出，若電解1.8份質量的水則生成1.6份質量的氧氣，電解3.6份質量的水則生成3.2份質量的氧氣，電解9份質量的水則生成8份質量的氧氣。

表2 電解水過程中物質定量關系

【學生活動】繪制消耗的水的質量和生成氧氣的質量的關系圖。

設計意圖：通過計算的過程理解符號表征與圖形表征之間的邏輯關系，并從定量的角度認識電解水的化學反應，同時采用列表和圖像的方式記錄相關數(shù)據(jù)，促進學生理解化學反應的定量表示方法及定量關系。通過圖像的方式將電解水的過程表示出來，目的是更好地幫助學生理解實驗過程與圖形之間的內在關系，促進學生對圖形表征的理解及圖像信息的獲取與加工能力的提升。

環(huán)節(jié)五：結構化認識“電解水”

【學生活動】自我梳理，歸納總結，建構如圖6所示的電解水的四重表征，多角度地認識水。

圖6 結構化認識電解水

設計意圖：通過該環(huán)節(jié)的分析與梳理，使學生不僅從宏觀表征、微觀表征、符號表征和圖形表征四個角度認識了電解水的化學反應，還了解到這四重表征之間的內在聯(lián)系，拓展遷移到化學的學習方法，利用四重表征的視角不僅可以認識物質的變化，還可以認識物質。

三、素養(yǎng)導向的知識結構化建構

在實際教學中應當挖掘情境素材，設置具有挑戰(zhàn)性的問題，宏微結合，運用證據(jù)推理與模型認知的思維方式，建立解決問題的思路方法［4］。在任務驅動下實現(xiàn)學生積極參與、產(chǎn)生情感共鳴、深度理解、自主建構，形成結構化、系統(tǒng)化的知識體系，如圖7。運用四重表征的視角學習化學，認識化學物質和物質的變化，形成多角度認識物質的視角，不僅有助于知識之間建立起關聯(lián)，還能夠幫助學生加深對化學知識的理解，促進深度學習的真正發(fā)生。

圖7 基于真實問題解決建構結構化知識體系

四、素養(yǎng)導向的必做實驗教學策略

四重表征是認識物質及其變化的學習方法，不僅適用于初中化學的學習，而且適用于高中化學的學習。四重表征給學生留下了思考的空間，激發(fā)學生進一步學習的欲望，聯(lián)系太空艙這一特定的環(huán)境，如制氧裝置的結構、攜帶物質的用量、哪些物質可以循環(huán)使用等問題，為學生的進一步學習及系統(tǒng)思考解決問題奠定了基礎，促進課內、課外學習的有機結合?；谒闹乇碚饕暯窍碌恼n堂教學模式，如圖8所示，是將知識結構化、系統(tǒng)化的重要手段，為真實問題的解決提供了條件。

圖8 基于四重表征的課堂教學策略

我們在解決實際問題時，首先要將情境中的問題轉化為化學問題，調取已有的結構化的知識來解釋情境中的問題，從而評價情境中的問題是否得到解決。情境中的問題是變化多樣的，也是我們抓不住的，但是我們具有的結構化的知識是不變的，只有從四重表征的認知視角建構知識之間的關聯(lián)，才能促進認知的邏輯化和思維的系統(tǒng)化，才能真正做到運用結構化的知識解決實際問題。

綜上所述，四重表征既是化學的學習內容，也是激活化學課程內容的重要的認識視角，它能夠幫助我們認識到知識的共同特征和知識之間的關聯(lián)性，將所學知識在頭腦中組織形成知識結構網(wǎng)絡，并能夠在外界刺激下成功提取，運用結構化的知識解決真實的、復雜的問題。