深度學習下的化學啟蒙實驗教學
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深度學習是一種基于批判性理解的學習，是學習者以高階思維的發展和實際問題的解決為目標，以整合的知識為內容，積極主動地、批判性地學習新的知識和思想，并將它們融入原有的認知結構中，且能將已有的知識遷移到新的情境中的一種學習。[1]九年級是化學基礎教育的啟蒙階段,是激發學生學習興趣、培養化學思維的重要階段。實驗是化學的靈魂，化學啟蒙教學離不開實驗。《義務教育化學課程標準》明確指出：“教師在教學中應高度重視實驗教學，充分發揮實驗的教育功能，盡可能多地為學生提供動手做實驗的機會，鼓勵開展微型實驗、家庭小實驗等。”[2]在化學啟蒙實驗教學中，教師運用深度學習理念，可有效調動學生學習興趣，培養化學思維。基于此，筆者從四個方面探討化學啟蒙實驗教學如何促進學生深度學習，以期拋磚引玉。
一、創設生活情境，著意遷移應用
深度學習要求學生對學習情境的深刻理解，對關鍵要素的準確判斷和把握，在相似的情境中舉一反三，也能在新情境中分析判斷差異，并能遷移應用。學習心理學研究表明，學生對知識理解得越好，越有可能發生遷移應用。在實驗教學時，教師應創設生活情境，引導學生運用已有知識和方法解釋生活現象，促進學生對所學知識的理解。案例1酸和堿之間發生的反應教師出示三瓶廢液，是分別來自三個工廠排出的三種廢水：含鹽酸的廢水（廢液A）、含硫酸的廢水（廢液B）以及含氫氧化鈉的廢水（廢水C）。提出問題：這些廢液能直接排到環境中去嗎？你有什么解決辦法？那種辦法最好？學生思考回答：不能。用堿把酸反應掉，用酸把堿反應掉。最好的辦法是將廢液A與廢液C、廢液B與廢液C直接混合反應。教師說明，這只是猜想，需要通過實驗來檢驗和確認。教師介紹本節課的框架：酸和堿都能發生化學反應嗎？酸和堿反應的實質是什么？酸和堿反應在生活和生產中有何應用？教師演示：氫氧化鐵與稀鹽酸、氫氧化銅與稀硫酸的反應。學生觀察：氫氧化鐵沉淀消失，氫氧化銅沉淀消失，說明它們發生了化學反應。教師設計兩個問題：問題1：由于廢液都是無色溶液，反應無明顯現象。廢液A（B）與廢液C能反應嗎？如何設計實驗檢驗廢液A（B）與廢液C是否發生了反應？這是一個真實的問題，這個問題具有開放性和一定的探究性，這樣產生深度學習。方案一：依據酸和堿的性質，用金屬、金屬氧化物等檢驗酸是否存在，用紫色石蕊、無色酚酞等檢驗堿是否存在。方案二：依據溶液的酸堿性，用PH試紙，測量變化前后溶液的酸堿性變化。方案三：化學反應的過程中伴有能量的變化，用溫度計，測量變化前后溶液的溫度變化。引導學生分析三個方案，其中方案一最簡單，方案三可能溫度變化不明顯，方案二是定量實驗，將實驗現象和結論填入表1中。問題2：從微觀角度看，酸和堿反應的實質是什么的？以鹽酸和氫氧化鈉反應為例。學生分析如下：HCl=H++Cl-、NaOH=Na++OH-，反應前四種離子H+、Cl-、Na+、OH-，水是難電離的物質，反應后只有Cl-、Na+，說明酸和堿反應的實質是H++OH-=H2O,即每個氫離子和氫氧根離子反應生成一個水分子。情景1：被蚊子叮咬處腫成大包，這是蚊子在人的皮膚內分泌出蟻酸，使皮膚腫痛。你有什么辦法減輕癥狀嗎？學生知道可以涂抹含堿性的物質，根據以往經驗，認為可以涂抹牙膏、肥皂水、花露水等，但不能涂抹氫氧化鈉，因為它的腐蝕性強，會造成皮膚的二次傷害。情景2：用熟石灰改良酸性土壤，說出其中的原理。學生知道，熟石灰是堿性物，能與土壤中的酸性物質發生反應，但不能用氫氧化鈉，因為它的腐蝕性強，雖然熟石灰也有腐蝕性，但熟石灰微溶于水，所以它的腐蝕性對農作物影響較小。本案例以“廢液的處理”這一生活問題引入新課，在實驗過程中，讓學生根據自己的理解設計實驗方案，培養學生的創造性思維，歸納得出酸和堿能反應生成鹽和水的實質，并運用演繹法進行遷移，了解酸堿反應在生產和生活中的應用，讓學生體驗“從生活走向化學，從化學走向生活”的課程理念。
二、進行證據推理，促進知識建構
深度學習的基礎是理解性學習，關鍵在于主動的知識建構，價值則體現為學生對知識的內化和遷移。建構主義認為，知識不是通過教師傳授得到的，而是學習者在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得的。在實驗教學中，教師引導學生進行證據推理，挖掘知識的內在聯系，有效構建原有知識與新知識結構的聯系，有助于學生對知識的理解和內化。案例2鹽酸的化學性質教師提供紫色石蕊、無色酚酞、鐵釘、鋅粒、銅片、生銹的鐵釘、氧化銅粉末和碳酸鈣（雞蛋殼）、硝酸銀，要求學生分類。學生分類：這些物質可分為指示劑（石蕊、酚酞），金屬（鐵釘、鋅粒、銅片），金屬氧化物（鐵銹、氧化銅粉末），鹽類（碳酸鈣和硝酸銀）。教師演示實驗：讓鹽酸和不同的物質反應，學生觀察并記錄實驗現象。教師設置三個引導性問題：問題1：你認為它們是否發生了化學變化？哪些證據支持你的推斷？此問題難以直接觀察獲得答案，這樣就產生了深度學習的動機，避免學生走馬觀花。問題2：從以上幾個實驗看出，鹽酸具有哪些性質呢？問題3：鹽酸的這些性質分別具有什么用途？匯報交流：以分組的形式進行匯報，并嘗試對實驗現象進行適當的推理。其他組的同學進行評價或質疑，并由該組學生做出解釋。最后，思考：物質的性質與用途有什么關系？此問題具有一定綜合性，實際上是知識的深度應用，最后畫出知識結構圖，如圖1所示。證據推理是指依據事實根據，進行合理推理從而得出結論的方法。本案例從探索物質的一般框架入手，要求學生收集證據，進行證據推理，激發學生深度學習的動機，他們自我建構鹽酸的性質知識體系，將所學習的化學性質遷移到生活中，促進深度學習發生。
三、關注實驗內涵，強調信息整合
深度學習強調信息整合，提倡將新知識與已知概念和原理聯系起來，整合到原有的認知結構中，從而引起對新知識的理解、長期保持及遷移應用。在實驗教學過程中，教師挖掘課本中實驗的內涵，尊重和利用學生的前概念，啟發學生思考，對其進行恰當的引申、拓展、反思、整合，進而轉化錯誤前概念，促進學生實驗能力的提升。案例3二氧化碳與水是否發生化學反應可樂、雪碧等飲料中都含有二氧化碳，但卻叫碳酸飲料，為什么不叫二氧化碳飲料？打開瓶蓋看到飲料冒泡，這些氣體是溶解在水中的二氧化碳因氣壓減小而生成，還是因為二氧化碳與水反應生成碳酸，而碳酸分解生成二氧化碳？對上述問題的解答，教師往往忽視學生的相關前概念，學生由此產生認知上的困難。怎樣幫助學生轉化前概念，促進學生深度學習呢？教學設計如下：教師演示：在一個充滿二氧化碳的軟塑料瓶里，迅速倒入少量水，立即將瓶蓋擰緊振蕩，觀察有什么現象，如圖2所示。思考與討論：二氧化碳溶于水的過程中，有沒有發生化學變化呢？如何檢驗？設計實驗：取兩支試管，分別加入少量蒸餾水及圖2中變扁的瓶中液體。然后分別滴加少量紫色石蕊試液，觀察兩支試管中液體顏色的變化，如圖3所示。質疑問難：二氧化碳能溶于水，通常1體積水中能溶解1體積的二氧化碳。那么，二氧化碳是酸性氧化物能否也能使紫色石蕊試液變紅色？人感知客觀現象的能力是有限的，懂科學的人并非只用眼睛看世界。我們需要有懷疑的態度，在行進的過程中暫時停下來想一想：是這樣的嗎？我們有沒有搞錯？課堂開始躁動，學生紛紛提出自己的猜想。假設1：二氧化碳溶于水，但不與水反應，二氧化碳使石蕊試液變色。假設2：二氧化碳溶于水，與水反應，生成碳酸，碳酸使石蕊試液變色。學生自選實驗器材：水、石蕊試液浸泡過的干花，石蕊試紙、二氧化碳等。設計一個實驗，證明是二氧化碳還是二氧化碳與水反應生成的碳酸使石蕊變紅。實驗方案如圖4所示。美國著名數學家波利亞指出：“在教授一門科學（或一個理論，或一個概念）時，我們應該讓兒童重走人類在大腦進化過程中走過的重要幾步。”[3]本案例圍繞二氧化碳是否與水反應的前概念，引導學生自我質疑提出新的假設，學生能夠通過自身思維方法批判性理解學習活動，為他們終身發展提供了一種新思路，促進學生深度學習。
四、進行創新評價，指向問題解決
深度學習的目的是要解決認知過程中的實際問題，強調批判性學習，這就要求教師在教學中不斷通過評價調控學習過程及結果，以促進學生解決問題，促進高階思維的發展和深度學習的實現。實驗中異常現象的出現，會對學生產生認知沖突。[4]在實驗教學中，針對異常的實驗現象，教師不要采取回避的態度，甚至可以設計一些“異常”的實驗，引導學生進行深入反思和探究，從而解決問題并對原有實驗建立新的認知。案例4測定空氣中氧氣的含量“空氣中氧氣的含量的測定”這個實驗在小學科學里可能已經做過，但因燃燒的物質是蠟燭而不是磷，實驗誤差較大。為了理解教科書的實驗裝置和實驗原理，先讓學生閱讀拉瓦錫對空氣成分的科學實驗（如圖5），然后回答下列問題：在拉瓦錫研究空氣成分的實驗中實驗原理是什么？在拉瓦錫研究空氣成分的實驗中會有哪些現象？拉瓦錫研究空氣成分的實驗中實驗結論是什么？學生討論得出：用汞與空氣中氧氣反應并耗盡，瓶內減少空氣的體積與進入鐘罩內汞的體積相等；鐘罩內的汞上升且體積約占剩余氣體體積的1/5，加熱氧化汞后產生的氣體體積與實驗中消耗的氣體體積相等；拉瓦錫研究空氣成分的實驗，說明空氣中氧氣的體積約占1/5。教師演示實驗，（如圖6）實驗過程中，點燃燃燒匙內的紅磷，立即塞緊瓶塞，突然，瓶塞被沖出，筆者趕緊塞緊，繼續實驗。火焰熄滅后，振蕩集氣瓶，打開導管上的夾子，學生發現燒杯內的水沒有被大氣壓壓入集氣瓶中。這些異常現象，產生的原因是什么？討論1：為什么同樣用紅磷來實驗，實驗的結果偏小呢？學生討論得出，紅磷不足，氧氣未完全燃燒；裝置漏氣，瓶內氣壓變化較小；未冷卻到室溫就打開止水夾，瓶內剩余氣體受熱膨脹，這樣為學生改進實驗做好鋪墊。討論2：在實驗過程中，為什么瓶塞會被沖出？為什么水不被壓入集氣瓶？由于燃燒放出大量的熱量，瓶內氣體受熱膨脹，如果瞬間沒有塞緊，容易導致瓶塞被沖出，此時再塞瓶塞，導致瓶內氣壓變化不大，所以水也不會壓入。討論3：應如何從減小實驗誤差的角度來改進本實驗？學生考慮換用白磷，白磷的著火點低，采用光加熱，如果還是用紅磷，則采用電加熱，避免空氣進入和瓶塞沖出等。針對實驗意外事件，從學生視角設計三個開放性問題，從問題解決的角度，給學生充分時間討論，讓學生暴露學習的困難和錯誤，并為學生提供自糾和互糾的機會，這是一種高階思維的鍛煉，也是學生深度學習的體驗。
五、結語
學生是否深度學習具有三個基本特征：注重批判性思維的運用，強調知識的遷移和應用，指向問題解決。在化學啟蒙實驗教學中，不僅要提升學生的動手操作能力，更要體現學生對所學知識的遷移應用，培養其學習積極性、主動性，真正把學習的主動權交給學生，使他們體會到化學學習的樂趣，引導應用、分析、綜合、評價，促進深度學習，發展學生的核心素養。
參考文獻：
[1]安富海.促進深度學習的課堂教學策略[J].課程•教材•教法，2014，（9）：57-62.
[2]中華人民共和國教育部．義務教育化學課程標準[M].北京：人民教育出版社，2012：35.
[3]鄭青岳．鄭青岳科學教育講演錄[M]．杭州：浙江教育出版社,2015：32.
[4]胡尚生，趙玉珍．基于深度學習的化學實驗優化實踐與思考[J]．中學化學教學參考，2017，（3）:17-19.
作者：陳懋 費志明 單位：海寧市斜橋中學