基于生活情境的探究式教學
——燃燒和滅火

潘 慧 李少坤 劉永茂

湖北省武漢市第一初級中學(430024)

1 教學主題內容和教學現狀分析

本節教學內容選自人教版化學九年級上冊第7單元“燃燒和滅火”[1]一課,屬于《化學課程標準(2022年版)》學習主題1“科學探究與化學實驗”和學習主題4“物質的化學變化”中的內容?！叭紵龡l件的探究”屬于學生必做實驗,探究類型為物質反應規律研究,涉及的核心知識、要求及其價值為:了解化學反應需要一定的條件、通過實驗探究認識燃燒的條件、理解燃燒和滅火的原理及其在生活中的應用、初步體會調控化學反應的重要意義,涉及的化學實驗探究思路與方法是形成反應規律探究的思路與方法,學習控制變量和對比實驗的實驗設計方法[2]。

該實驗探究活動有利于發展學生基于生活經驗提出問題和假設,基于變量控制思想設計實驗進行假設檢驗,基于證據建構模型,進而應用模型設計和調控化學反應,實現能量轉化和物質轉化的科學探究和實踐能力[3]。教學時應引導學生從化學反應的視角再認識“溫度達到可燃物的著火點”這一反應條件的重要意義,還應從“滅火”的角度設計開放性的方案,并以此為切入點體會條件改變對反應調控的作用[4]。

現有相關教學研究[5-8],有些在新授課過程中便設計實驗得出燃燒不一定需要氧氣的認知模型,超出了教材內容和課標要求;有些直接采用教材設計的實驗進行演示或改進后再進行演示,引導學生總結出燃燒的條件和滅火的原理,不利于學生主動建構知識、理解原理和本質、形成科學探究的方法,更不利于學生成為主動探索知識的“先行者”[9]。

基于以上分析和思考,本文以“燃燒和滅火”為例,介紹“基于生活情境的探究式教學”的課堂教學實施過程。

2 教學目標

(1)通過交流“火”在生活中的應用,初步認識燃燒的定義,培養變化觀念。

(2)通過“生火競賽”“實驗改進”“水下生火”“滅火競賽”等活動,建構“燃燒條件”和“滅火原理”模型,培養證據推理與模型認知能力,體會改變條件對調控反應的作用。

(3)通過對教材實驗不足的分析與改進,培養科學探究與實踐創新能力。

(4)通過探究高低蠟燭熄滅的順序,觀看“滅火與火場逃生”視頻,提高科學應對火災的能力,發展科學態度和社會責任素養。

3 教學流程與創新點

建構主義學習理論認為創建真實的教學情境,以探索問題來引導和維持學習者的學習興趣和動機,能使學生擁有學習的主動權[10]?！读x務教育化學課程標準(2022年版)》在教學策略中倡導“做中學”“創中學”“用中學”,建議教師選擇有意義的探究問題,引導學生經歷真實的探究過程,增進對化學學科及科學探究本質的理解。鄭長龍教授認為化學學科核心素養是解決化學問題的本事,即在真實情境中運用所具有的知識和所具備的能力及品質,解決真實問題的一種本領[11]。

為達成教學目標,本節課設計了5個環節:鏈接生活、 生火競賽、實驗探究、滅火競賽、知識應用。以豐富而真實的生活情境貫穿課堂教學始終,以問題解決驅動教學過程,具體教學流程見圖1。環節1、2、4中通過創設熟悉的生活情境,學生以此為生長點,積極參與課堂教學,通過歸納、總結,自主建構燃燒的定義,體驗燃燒的意義和價值,培養變化觀念;以競賽活動為驅動,促進學生調用已有知識、經驗,積極主動建構燃燒的條件和滅火原理認知模型。

圖1 教學流程圖

環節3以學生在“生火競賽”中獲得的知識和方法為基礎,引導學生反思課本實驗的不足之處,并進行合理改進,培養學生的科學探究與實踐創新能力,體現科學合理利用教材資源,優化教學效果的理念[12];以預測—討論—解釋—觀察—討論—解釋(即PDEODE)[13]教學模式為指導,引導學生開展實驗探究,進行對比分析,系統建構燃燒條件的模型,培養證據推理與模型認知能力,掌握設計對比實驗的方法。

環節3、5中通過創設問題情境,引發學生的認知沖突,產生學習驅動力[14],促進學生自主建構知識,體會改變條件對調控反應的作用,提高科學應對火災的能力,發展科學態度和社會責任素養,提升課堂教學的有效性。

4 教學實錄

4.1 鏈接生活,認識燃燒的定義

情境導入:播放物質燃燒的視頻,從燃氣燃燒用于烹制美味菜肴,到篝火燃燒用于增添旅游氛圍;從北京奧運圣火彰顯大國風范,到神舟十五號發射升空激勵科技強國意識。

提問:以上場景中均涉及化學變化——燃燒,燃燒對生產生活的意義和價值是什么?

學生:燃燒用于烹飪和篝火等可以改善和美化生活;燃燒用于發射火箭和火力發電可以為生產生活提供能源,促進人類發展。

追問:從不同角度進行分析,上述物質燃燒有哪些共同特點?由此得出燃燒的定義是什么?

學生:燃燒都屬于化學變化,而且反應非常劇烈。

學生:燃燒是燃料與空氣中的氧氣發生反應,屬于氧化反應。

學生:燃燒的過程中都伴隨發光、放熱的現象。

小結:燃燒的定義:通常情況下,燃燒是可燃物與氧氣發生的發光發熱的劇烈的氧化反應。

4.2 生火競賽,認識燃燒的條件

小組競賽:利用火柴、蠟燭、酒精燈、小紙條、木棍、煤塊、小石塊、坩堝鉗等物品,比較哪個小組能在較短時間內制造物質燃燒的現象。準備好后,每個小組派兩名代表上臺進行“生火競賽”實驗。

小組合作:根據競賽要求和提供的實驗用品,小組思考與討論,設計實驗方案,然后派代表上臺參加“生火競賽”實驗。

提問:為什么選擇點燃蠟燭、酒精燈或小紙條的人很多,而選煤或木棍的人很少?

學生:使蠟燭、酒精、小紙條燃燒起來,需要的溫度低一些,它們容易被點燃;使煤或木棍燃燒起來,需要的溫度高一些,它們不容易被點燃。這說明物質燃燒需要一定的溫度條件。

小結:使可燃物燃燒所需的最低溫度,叫該物質的著火點。

提問:為什么沒有人選擇小石塊?

學生:小石塊不是可燃物,沒有可燃性,不能被點燃。

追問:剛才的生火競賽中,有同學將燃著的酒精燈蓋上燈帽后,酒精燈就熄滅了。根據以上生火競賽過程,大家分析、猜想燃燒是否需要一定的條件?

學生:燃燒需要3個條件,它們分別是可燃物、氧氣、溫度達到可燃物的著火點。

4.3 實驗探究,建構燃燒的條件

創設情境:教材提供的探究燃燒條件的實驗裝置見圖2。根據上述生火競賽獲得的信息,以及猜想燃燒所需的條件,預測該實驗能觀察到哪些現象,并做出合理的解釋?

圖2 探究燃燒的條件

學生:水中的白磷被隔絕氧氣,不能燃燒;銅片上的紅磷溫度沒有達到其著火點,不能燃燒;銅片上的白磷燃燒,產生大量白煙,放熱,因為銅片上的白磷是可燃物,與氧氣接觸,且溫度達到了白磷的著火點。

提問:思考該實驗是否有不足之處?如果有不足之處,請說明理由,并提出合理的改進意見和實驗探究方案。

小組思考與討論,交流觀點,提出改進意見和實驗探究方案。

學生:此實驗存在不足之處,因為銅片上的白磷燃燒時會產生大量白煙,造成空氣污染。改進方法是將紅磷和白磷分別放入試管中,塞上橡膠塞,讓白磷在密閉的試管內燃燒。

學生:磷燃燒放熱,會導致試管內氣壓升高,使橡膠塞被沖開,依然有白煙逸出到空氣中,造成空氣污染?？梢允褂脦Ч芎蜌馇虻南鹉z塞來調節試管內的氣壓,改進裝置見圖3。

圖3 探究燃燒的條件改進裝置

提示:接下來,請同學們按照改進后的實驗裝置進行實驗。實驗前,請大家先預測,再仔細觀察實驗現象,并在表1中做好記錄。

表1 探究燃燒的條件

學生:先預測現象,再進行實驗、觀察現象,然后進行對比、分析、推理,得出實驗結論,見表1。

提問:通過實驗探究,尋找證據,同學們推理出燃燒需要哪些條件?它們之間的關系如何?請大家建構出燃燒的條件模型,并以圖形的方式將燃燒的條件模型表示出來。

學生:物質燃燒需要可燃物、氧氣、溫度達到可燃物的著火點3個條件,而且這3個條件缺一不可,燃燒的條件模型見圖4。

燃燒的條件——缺一不可圖4 燃燒的條件模型

創設情境:常言道“水火不容”,但我國在北京冬奧會期間成功實現了奧運史上首次機器人之間在水下的火炬傳遞,請大家運用所學知識解釋其中的奧秘。

學生:火炬里分別填充了可燃氣體和氧氣,可燃氣體和氧氣接觸,點火后溫度達到可燃物的著火點,就能實現“水中生火”。

提問:如何讓圖3中燒杯里②處白磷燃燒?設計好實驗方案的同學,請上臺完成“水中生火”實驗。

學生:設計、交流實驗方案:向水中白磷處通入氧氣,或者用裝滿氧氣的試管罩住水中的白磷,然后上臺完成“水中生火”的實驗。

4.4 滅火競賽,建構滅火的原理

創設情境:可控的燃燒能為人類服務,使用不當或不可控的燃燒則會給人們帶來危害或災難。理解滅火的原理、掌握滅火的方法非常重要。請大家利用現有驗用品:水、濕抹布、細沙子、剪刀、扇子、小燒杯、二氧化碳等物品,盡可能使用不同方法將燃著的蠟燭熄滅,再對滅火方法進行歸類,總結其本質,提煉出滅火的原理。

小組合作:根據競賽要求和提供的實驗用品,小組思考與討論,設計實驗方案,然后派代表上臺參加“滅火競賽”實驗。

學生:小組討論、交流,將滅火方法進行歸類,總結本質,提煉出滅火的原理,見表2。

表2 探究滅火的原理

提問:通過實驗探究,尋找證據,同學們推理出滅火的原理有哪些?它們之間的關系如何?請大家建構出滅火的原理模型,并以圖形的方式將滅火的原理模型表示出來。

學生:滅火的原理有3個:隔絕氧氣、降低溫度到可燃物著火點以下、清除可燃物,這3個原理有一即可,滅火的原理模型,見圖5。

圖5 滅火的原理模型

4.5 知識應用,提升防火的能力

創設情境:我們在第六單元學習過“傾倒二氧化碳”的實驗,該實驗中可以觀察到哪些現象?如何解釋其原因?

學生:觀察到低蠟燭先熄滅,高蠟燭后熄滅。原因是二氧化碳的密度比空氣的密度大,不能燃燒,也不能支持燃燒,使低蠟燭先浸沒在二氧化碳中,被隔絕氧氣而熄滅。

創設情境:如圖6所示裝置,若將兩支燃著的蠟燭用燒杯罩住,請同學們預測現象、討論原因,并做出合理的解釋。然后分小組完成實驗,作觀察現象,討論原因。

圖6 用燒杯罩住高低不同的燃著的蠟燭

實驗前,學生有不同的猜想和解釋;實驗后產生認知沖突:為什么高蠟燭先熄滅,低蠟燭后熄滅?

教師:常溫下二氧化碳的密度大于空氣的密度,因此教材實驗中低蠟燭先熄滅,高蠟燭后熄滅。但圖6實驗中蠟燭燃燒產生的二氧化碳氣體溫度高,會上升到燒杯頂部,因此高蠟燭先熄滅,低蠟燭后熄滅。

根據此實驗現象和原理,請大家分析:如果在火災現場,應如何科學逃生?

學生:用濕毛巾捂住口鼻,彎腰或匍匐前進,迅速往樓下逃離火災現場。

創設情境:發生失火,或燃燒失控產生火災時,你們知道哪些滅火方法或逃生方法?

小組討論、交流滅火方法或逃生方法。

創設情境:播放生活中油鍋著火及其滅火視頻,正確使用滅火器的方法視頻,電影院、居民樓或超市等場所發生火災時的科學逃生視頻。觀看視頻后,你們有哪些收獲與感想?

學生:火勢可控時,要盡可能根據滅火原理,尋找合適的滅火方法,消滅火情;火勢失控時,要盡快想辦法科學自救,遠離傷害。學好化學知識,才能更好運用知識,為我們的生活服務。

課后活動:了解幾種滅火器的使用方法和適用范圍,并根據自家住宅的特點,設計預防方案(包括萬一發生火災時需要采取的科學措施)。

4.6 優化板書,促進內容結構化

優質的板書設計能夠為教學內容的組織穿針引線,成為教師將教學內容結構化的有力抓手。本節課的板書設計以學生的認知水平為基礎,讓板書隨著教學活動的板塊化推進而生成,隨著知識的演繹與歸納而循序漸進地豐滿起來,發揮板書板演過程、牽引思路、佐證推理、建構模型的作用,促進學生知識關聯的結構化、認識思路的結構化與基于核心觀念的結構化[15]。具體內容,見圖7。

圖7 燃燒和滅火教學板書設計

5 教學反思

本節課立足學生的生活經驗,以學生熟悉的生活情境貫穿始終,有助于學生以生活經驗為“生長點”,主動建構燃燒和滅火相關知識,理解燃燒和滅火的本質,培養化學學科素養。學生通過觀看生活中與火相關的視頻,認識燃燒的本質,歸納燃燒的定義,體驗燃燒在生產生活中的意義和價值,培養變化觀念;積極參與生活中熟悉的“生火”和“滅火”競賽實驗,通過設計開放性的實驗方案進行實驗,以此為切入點提升課堂學習參與度,在真實情境中解決問題,認識、建構燃燒模型和滅火模型,培養證據推理與模型認知能力,體會改變條件對調控反應的作用;通過交流和觀看生活中常見的滅火方法,以及火場逃生自救方法的視頻,提高科學應對火災的能力,發展科學態度和社會責任素養。

在以后的新課教學中,探究燃著的蠟燭熄滅順序時,若將溫度傳感器、二氧化碳傳感器等數字化實驗引入其中,可以增強實驗教學的直觀性和趣味性,便于學生理解本質;若能將教材實驗進行改進,使用無毒無害的物質替代紅磷和白磷,讓學生進行分組實驗探究,教學效果會更好。在復習課階段,可以根據學情設計“燃燒一定需要氧氣嗎?”“有氧氣時加熱可燃物,一定能使它燃燒嗎?”“燃著的蠟燭或白磷熄滅時,容器中一定沒有氧氣嗎?”等探究性實驗,擴展學生視野,增強學生的思辨能力、實驗探究能力與實證能力,提升學生的學科素養水平。