矫正“相异构想”,建立科学概念

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  摘要:化学是一门与实际生活联系非常密切的学科,所以学生在学习系统的化学学科知识前,已经形成了极其丰富的化学“前概念”,其中属于“相异构想”的居多。在教学中,教师应利用好学生“前概念”中与科学概念相一致的部分,使之成为构建科学概念的基础及“脚手架”;矫正和转变与科学概念有偏差的“相异构想”。教学《奇妙的二氧化碳》一课,通过前测了解学生的“前概念”及“相异构想”,并针对性地设计与实施教学,矫正“相异构想”,而后通过后测了解教学效果。
  关键词:前概念相异构想科学概念《奇妙的二氧化碳》
  人从出生就开始踏上探索世界的旅程。随着对物质世界及各种现象的认识,会慢慢地在头脑中形成一些对相关问题的个人观点,这就是日常经验,在心理学上被称为“前科学概念”,简称“前概念”。初中生生活经历简单、思维能力不成熟,因此,他们形成的“前概念”有可能与科学观念不一致,有一定的偏差,甚至是完全相悖的。这就给科学概念的形成造成了很大的困难。在心理学上,把这些与科学概念有偏差的、甚至完全相悖的“前概念”称为“相异构想”或“迷思概念”。
  化学是一门与实际生活联系非常密切的学科,所以学生在学习系统的化学学科知识前,已经形成了极其丰富的化学“前概念”,其中属于“相异构想”的居多。在教学中,教师应利用好学生“前概念”中与科学概念相一致的部分,使之成为构建科学概念的基础及“脚手架”;矫正和转变与科学概念有偏差的“相异构想”。这既是教学的重点,更是难点。教学沪教版初中化学九年级上册《奇妙的二氧化碳》一课,笔者通过前测了解学生的“前概念”及“相异构想”,并针对性地设计与实施教学,矫正“相异构想”,继而通过后测了解教学效果。
  一、教学前测及分析
  二氧化碳是学生生活中较为熟悉的物质,在小学科学等课程中已有所涉及,这为学生进一步学习二氧化碳的性质、用途及制法等知识奠定了基础。然而,学生的这些“前概念”是否都是构建科学概念的“脚手架”呢?是否存在着较为隐蔽且顽固的“相异构想”呢?这是教师教学本部分内容前必须掌握的信息。
  笔者设计了如下的前测题来了解学生学习《奇妙的二氧化碳》前的“前概念”及“相异构想”:
  请根据实际情况选择;若选择“知道”,请在横线上写出具体内容。
  1.打开汽水瓶或啤酒瓶时,常常会有气泡冒出,冒出气体的主要成分是什么?()
  A. 知道:
  B. 不大清楚
  C. 不知道
  2.我们都知道,人类呼吸时吸入氧气,呼出二氧化碳。你认为,我们呼出的气体中二氧化碳的含量大概有多少?()
  A. 知道:
  B. 不大清楚
  C. 不知道
  3.某品牌的雪月饼中会填充一种“冰”,保证其不会融化。你知道这种“冰”是什么物质吗?()
  A. 知道:
  B. 不大清楚
  C. 不知道
  4.你知道绿色植物在进行光合作用时,反应物和生成物分别是什么吗?()
  A. 知道:
  B. 不大清楚
  C. 不知道
  5.在机场、大型商场、隧道等场所,常设有通风设施,你知道其中的原因吗?()
  A. 知道:
  B. 不大清楚
  C. 不知道
  6.你知道用什么方法检验某气体是不是二氧化碳吗?()
  A. 知道:
  B. 不大清楚
  C. 不知道
  7.如果图书馆着火,最好用什么方法灭火?()
  A. 知道:
  B. 不大清楚
  C. 不知道
  8.在火灾现场逃生时,应该蹲下匍匐还是站着前行?()
  A. 知道:
  B. 不大清楚
  C. 不知道
  由于学生较为熟悉二氧化碳这种物质,所以对于以上问题的回答很快,但结果却不尽如人意,表现出较多的“相异构想”。第1题,学生大多回答是“二氧化碳”,但也有学生填了“氧气”;第2题,很多学生都选了“知道”,但答案五花八门,填得最多的是“二氧化碳的含量为100%”;第3题,有学生回答是“冰”;第4题,学生大多回答是“氧气”;第5题,学生基本回答是“二氧化碳”,但也有学生填了“一氧化碳”;第6题,大部分学生回答“石灰水”;第7題答案也较多,其中有接近60%的学生回答是“水”,超过30%的学生回答是“干冰”;第8题,回答“站着前行”的学生占了一半以上。
  这些对二氧化碳的“相异构想”,有的是学生在生活中观察并自发总结出来的,如:某品牌雪月饼中填充的“冰”,外表看起来跟一般的冰差不多,用作制冷剂,所以就被认为是冰了;第7题,学生之所以回答“用水来灭火”,因为他们在生活中或电视等媒体中观察到的灭火方式几乎全部是用水。有的是受到生活中一些“常识”的影响,如:第2题,学生之所以认为呼出的气体全部是二氧化碳,主要是受“吸进去的是氧气,呼出来的是二氧化碳”这句话的“误导”。有的是已经学习的知识,且印象较深,如:检验二氧化碳气体用澄清石灰水,大部分学生已经掌握。但已学知识有时也会产生干扰,如:第8题,学生之所以回答“站着前行逃生”,一是觉得站着前行逃生速度快,二是知道二氧化碳的密度比空气大,所以不考虑场合,就认为靠近地面的地方二氧化碳的浓度高。
  二、教学过程
  要想有效地矫正学生的这些“相异构想”,在教学设计时就要采取合适的方法与策略。而让学生产生认知冲突,然后用实验现象作为证据,是有效的方法之一。
  (一)二氧化碳的密度研究
  师在相同情况下,二氧化碳的密度比空气大还是小?举例说明。
  生大。比如,往气球里吹气,在没有风的房间里,气球往下沉,飘不起来。   师观察得很仔细!请同学们观看一段视频,分析原因。
  (教师播放视频《屠狗洞》:某地有个奇怪的山洞,人走进山洞安然无恙,而狗走进洞里往往会一命呜呼,因此,当地居民称之为“屠狗洞”。学生观看后讨论。)
  生二氧化碳的密度比空气大,贴近地面的地方二氧化碳的浓度更高,狗比较矮小,吸进去的气体中二氧化碳的含量比人吸进去的高。由于二氧化碳不能供给呼吸,所以人和狗一起进洞,人没事,但狗往往容易死亡。
  (教师演示实验:如图1所示,点燃两支高度不一的蜡烛,将一个大烧杯罩在上面;一段时间后,高的蜡烛先熄灭。)
  师通常情况下,二氧化碳的密度大于空气。但这个实验告诉我们,火灾现场温度高,刚产生的二氧化碳与其他有害气体受热膨胀,密度反而小,漂浮在上方。所以,在火灾现场逃生时,人应该蹲下匍匐前行,同时,最好用湿的毛巾堵住口鼻。
  (二)二氧化碳灭火研究
  (教师演示实验:如图2所示,点燃两支高度不一的蜡烛,放在一个大烧杯里,然后将集气瓶中已经收集的二氧化碳气体沿烧杯壁慢慢倾倒;可观察到,下面的蜡烛先熄灭。)
  师实验的这一现象能说明二氧化碳的哪些性质?
  生二氧化碳的密度大于空气,所以能像倒水一样倒入烧杯中;同时,二氧化碳不能燃烧,也不能支持燃烧,所以,常常用于灭火。
  师所有燃烧的物质都可以用二氧化碳来熄灭吗?
  (学生交流、讨论。教师演示实验:如下页图3所示,将点燃的镁条伸入集满二氧化碳的集气瓶中。学生观察现象。)
  生镁条在二氧化碳中剧烈燃烧,发出白光,瓶壁上有小黑点出现。
  师镁条可以在二氧化碳中燃烧。所以,二氧化碳是常用的灭火剂,但并不是所有物质燃烧时都可以用二氧化碳来灭火。
  (三)二氧化碳与水的反应研究
  师二氧化碳能与水反应吗?
  生二氧化碳与水能发生光合作用,产生氧气。
  师非常好!二氧化碳和水在有叶绿素和太阳光照的条件下发生光合作用,生成氧气,这是自然界中氧循环重要的一部分。接下来,请大家注意观察实验现象。
  (教师演示实验:如图4所示,在集满二氧化碳气体的塑料瓶中,加入约13塑料瓶容积的水,立即旋紧瓶盖,振荡。)
  生塑料瓶变瘪,说明二氧化碳气体能溶解于水,使瓶内压力减小。
  师很好!二氧化碳气体能溶于水,1体积的水约能溶解1体积的二氧化碳气体;增大压强,还能溶解得更多。生产汽水等饮料就是利用了这一性质。
  师石蕊是一种从植物中提取出来的色素,遇酸性溶液变成红色。(演示实验:将塑料瓶中的溶液倒入试管中,滴入紫色石蕊试液。实验现象:溶液颜色从紫色变成红色)这一现象说明了什么?
  生说明溶液中有酸性物质。
  师对。二氧化碳与水反应能生成一种叫作碳酸的酸,(同步板书:H2O+CO2→H2CO3)碳酸使紫色石蕊试液变成了红色。
  师在不同的条件下,相同的物质间发生的反应可能有所不同。同样是二氧化碳与水,如果在叶绿素和光照的条件下,会发生光合作用;如果在常态环境下,就会生成碳酸。所以,反应的条件是同学们认识化学反应时必须关注的重要内容。
  (四)二氧化碳与澄清石灰水的反应研究
  师同学们知道如何检验二氧化碳气体吗?
  生二氧化碳能使澄清的石灰水变浑浊。所以要检验一种气体是不是二氧化碳,可将其通入澄清石灰水中,如果澄清石灰水变浑浊了,则气体为二氧化碳。
  师掌握得非常好!这一知识我们在小学科学课上学过。
  (指名一名学生上台通过一支吸管向澄清石灰水中吹气。实验现象:澄清溶液中有白色浑浊出现。)
  师看到这位同学吹得很累。其实,人类呼出的气体中二氧化碳的含量仅占4%左右,[同步板书:CO2 + Ca(OH)2→ CaCO3 ↓+ H2O]可见,用澄清石灰水来检验二氧化碳这一反应是很灵敏的。
  (教師演示实验:按下页图5所示连接好刚打开的汽水瓶和橡皮塞,将导管通入刚才变浑浊的石灰水中,轻轻摇晃。实验现象:浑浊的石灰水重新变澄清。)
  师过量的二氧化碳气体通入浑浊的石灰水中,[同步板书:CO2+CaCO3+H2O→Ca(HCO3)2]会继续发生反应,生成的物质叫作碳酸氢钙,是一种易溶于水的物质,所以溶液又变澄清了。这说明物质在发生化学变化时,不仅跟反应的条件有关,跟物质的浓度、数量也都有关系。比如,碳在氧气充足的情况下燃烧,生成的是二氧化碳气体,而在氧气不足的情况下燃烧,则会生成一氧化碳气体。在刚才的实验中,如果是适量的二氧化碳气体通入澄清石灰水中,则石灰水变浑浊,因为生成了难溶于水的碳酸钙;而在二氧化碳气体过量的情况下,则会继续反应,生成可溶于水的碳酸氢钙,所以溶液又变澄清了。
  三、教学后测及分析
  教学结束后,我们还应设计后测题,通过学生的反馈了解这堂课的教学效果,即学生“相异构想”的矫正情况。
  《奇妙的二氧化碳》一课,笔者设计了如下的后测题:
  1.二氧化碳与水发生的反应,你目前已经知道了几种?
  2.二氧化碳能够灭火,是否适用于所有的火灾场合?常用的灭火器分为几类,分别适合在哪些场合灭火?
  3.收集二氧化碳气体常用什么方法?主要是利用二氧化碳的什么性质?
  4.二氧化碳气体一定能使澄清的石灰水变浑浊吗?用久了的热水瓶内胆壁上是怎么形成水垢的?
  大部分学生对于以上后测题均能顺利解答,说明本节课的设计与实施符合学生的生活经验与认知水平,较好地达成了预设的教学目标,有效矫正了学生的“相异构想”。
  学生的“前概念”是教师在教学过程中必须面对的现实问题,矫正其中的“相异构想”是一项重要的教学任务。根据学生的“前概念”,有效利用学生生活经验中与科学概念相一致的部分,顺势同化;设计合理的教学内容,使用恰当的教学策略,有针对性地矫正与科学概念有偏差的“相异构想”,建立结构良好的科学概念。
  参考文献:
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