基于手持技术“3×n”教学模式的“金属钠与氧气反应”教学设计

陈德成 钱扬义 黄倩莹

摘要： 在分析“金属钠与氧气反应”已有教学研究和教学现状的基础上，立足问题解决理念，基于手持技术“3×n”教学模式对“金属钠与氧气反应”进行教学设计。通过“3×5”教学模式梳理出情境线、问题链、活动线、方法链、形式线和方式链，驱动学生在真实问题解决过程中，基于实验曲线分析金属钠与氧气的反应，形成对金属钠与氧气反应实质的认知，培养定量思维和曲线分析的能力。

关键词： 手持技术; “3×n”教学模式; 金属钠与氧气反应; 曲线分析; 教学设计

文章编号： 10056629（2022）02003607

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

1.1 问题解决教学

问题解决教学是以问题为出发点和教学中心来展开的课堂教学样态，是在真实或模拟真实的问题情境中，由开放性的问题而引发，有明确的学习目标，需要学习者在“问题空间”内通过个体探究、协作共享、平等对话、批判创新来认知和理解，以实现问题的分析与解决[1]。在实际的课堂教学中，要实现学生积极参与其中，需要通过设置问题和情境为他们提供进入化学世界的“钥匙”。问题解决教学有助于培养学生的自主学习能力、协作探究能力、实践创新能力和终身学习能力[2]。鉴于此，有必要基于问题解决理念进行教学设计和实施。

1.2 已有教学研究进展

在中国知网以“金属钠与氧气”和“教学”为关键词，检索2016～2021近6年中学教学研究文献，共得57篇相关文献。对这些文献进一步分析，发现“金属钠与氧气反应”教学研究主要呈现以下特点： （1）从教学目的看，大部分研究均聚焦核心素养和化学课程标准以促进学生对“金属钠及其化合物”的认识思路结构化;（2）从教学方式看，主要表现为通过传统的实验教学的形式。

综合分析已有研究，“金属钠与氧气反应”教学尚有改进之处： 第一，在教学理念上，问题解决理念渗透不够深入，基于问题解决模式的课例有所欠缺;第二，在教学方式上，以传统实验教学为主，尚无运用手持技术进行主题教学，数字化实验与该主题整合的课例基本空白。

1.3 本研究解决的问题

基于钱扬义提出的“手持技术数字化实验‘3×n’教学模式”[3]，对“金属钠与氧气反应”内容进行教学设计。与传统实验相比，手持技术数字化实验能够快速、便捷、可视和精确地采集各种数据，更好地认识物质在化学反应中变化的事实[4]。因此，本研究旨在利用手持技术改进传统教学，通过“3×n”教学模式开展教学，帮助学生认知“金属钠与氧气反应”的实质，培养学生收集、分析数据和综合解决实际问题的能力，发展学生的学科核心素养。

2 基于手持技术数字化实验“3×n”教学模式

2.1 “3×n”教学模式的框架

手持技术数字化实验“3×n”模式是基于问题解决理念“教学评一体化”和情境教学理念以实现“素养为本”的教学[5]。“3×n”模式框架的纵向维度为教学环节，横向维度为教学板块，见图1。在“3×n”模式中，课堂被划分为n个教学环节，每个环节均由三个板块构成，分别是“在情境中提出问题”“在活动中解决问题”“在应用中评价问题”。

2.2 “3×n”教学模式的具体内容

在“3×n”模式中，在情境中提出问题分为情境线和问题链，在活动中解决问题分为活动线和方法链，在应用中评价问题分为形式线和方式链，构成“三线三链”[6]，具体见表1。

3 基于“3×n”教学模式的教学实践

3.1 教学内容分析

本节课为高一化学新授课，选自人教版高中化学必修第一册第二章第一节“钠及其化合物”的“活泼的金属单质——钠”。教材主要内容包括： （1）钠的物理性质;（2）钠在室温和加热条件下与氧气反应;（3）钠与水反应。本节课着重探究、分析金属钠与氧气在不同条件下的反应;金属钠与水的反应主要作为拓展提升，不作重点分析。

本節内容在高中元素化合物的学习中有承上启下的作用。主要体现在： 第一，学生在初中已基本掌握Fe、 Mg、 Al的化学性质以及金属活动性顺序表;第二，学生已学习物质分类、氧化还原反应，为进一步认识金属钠的化学性质打下基础;第三，金属钠作为活泼金属的代表，有助于形成学习活泼金属单质的思路。

3.2 教学现状分析

结合教材和文献研究发现如下问题： 第一，教材实验概念存在片面性，教材根据金属钠在空气中失去金属光泽，默认其仅与空气中的氧气反应[7]，忽略了空气中的水蒸气、二氧化碳等气体对金属钠的影响。第二，鲜有改进实验和课例对金属钠与氧气的反应进行定量研究，学生对此反应的认识仅限于定性层面。

3.3 教学思想和创新点

（1） 证据推理式教学理念。以驱动式问题为载体，学生借助手持技术从实验曲线上获取定量证据，认识钠与氧气反应。

（2） 问题解决式教学模式。本节课以递进式问题为核心规划教学活动，使学生在真实的情境中解决实际问题。

（3） 四重表征教学策略[8]。本节课依照“宏观—曲线—符号—微观”的表征顺序，帮助学生建立“金属钠与氧气反应”实质的认知。

（4） 手持技术实验教学方式。本节课引入手持技术实验改进教材实验，由定性到定量研究，体现信息技术与化学课程的有效融合。

3.4 教学目标

（1） 基于金属钠储存在煤油中的情境，通过分析金属钠的原子结构预测化学性质，培养“结构决定性质”的思维。

（2） 通过小组讨论的形式，基于手持技术实验观察现象、分析室温和加热条件下金属钠与氧气反应的异同。能书写化学方程式;绘制并分析氧气含量变化曲线，培养收集实验数据、分析实验图像的能力。

（3） 通过小组讨论的形式，设计实验方案，分析曲线和现象，认识金属钠能与空气中的H2O、 CO2发生反应，完善对“金属钠与空气中氧气反应”的认知，发展“科学探究与创新意识”的素养。

3.5 教学流程——“3×n”教學模式

手持技术“3×n”教学流程见图2。在本节课中，学生通过解决四个核心问题更科学地认识“金属钠与空气中氧气反应”的实质。

3.6 教学实录

环节一： 预测金属钠的化学性质

[情境1]金属钠储存在煤油中。

[核心问题1]为什么钠须保存在煤油中？观察钠在煤油中的位置，得出什么结论？

[学生]分组讨论，预测可能会与空气中的氧气反应;金属钠的密度比煤油大，煤油可以隔绝空气。

[教师]请说明依据。

[学生活动1]分组讨论： 从物质分类、元素价态和原子结构解释。

[点评]评价学生做出的解释，诊断学生“结构决定性质”的意识。

环节二： 手持实验探究金属钠在室温条件下与氧气反应

[核心问题2]如何证明室温条件下钠与氧气发生化学反应？

[学生]切割金属钠，观察切面颜色的变化。

[教师]空气中不仅含有氧气，金属钠的切面失去金属光泽一定说明其与氧气反应吗？

[学生]不一定。

[教师]有何方法精确证明？需要什么样的仪器和条件？

[学生]可以测氧气含量是否减少来证明;需要密闭条件和能检测氧气含量变化的仪器。

[点评]可以用氧气传感器实现，引入手持技术实验。介绍实验装置组成和氧气测定工作原理。反应装置见图3。

[情境2]金属钠在室温下于T形管中反应。

[教师]请在实验记录表上绘制室温下氧气含量变化曲线A（注意： 为确保实验安全和氧气过量，取用一颗黄豆大小的金属钠进行实验探究）。

[学生活动2①]绘制室温下氧气含量变化曲线A（见图4）。

[点评]曲线A主要有4种情形： （1）直线快速下降后不变（图4a）;（2）曲线平缓下降后不变（图4b）;（3）直线平缓下降（图4c）;（4）曲线快速下降后不变（图4d）。

[教师演示实验1]真实的曲线应该是怎样的？我们

需要通过实验来证明。进行实验1，在电脑端用Logger Pro软件实时呈现曲线图（见图5）。

[学生]描述现象： 金属钠表面由银白色变成灰白色。

[教师]请标出曲线A的起点、终点、突变点等特殊点并读取各点数据。

[学生]记录氧气含量变化，见表2。

[学生活动2②]结合实验现象分析实验曲线，表3为曲线分析作答记录表。

[教师]请写出室温下反应的化学方程式。

[学生活动2③]4Na+O22Na2O。

环节三： 手持实验探究金属钠在加热条件下与氧气反应

[核心问题3]加热时钠与氧气反应会有什么不同？

[情境3]金属钠在T形管中加热（装置见图3）。

[教师]请画出氧气含量变化曲线B。

[学生活动3①]绘制氧气含量变化曲线B（见上图4）。

[点评]曲线B主要有4种情形，与A相比： （1）直线下降速度更快后不变，消耗氧气量相同（图4a）;（2）下降更快后不变，相同时间内氧气消耗更多（图4b）;（3）下降先慢后快，氧气消耗更多（图4c）;（4）下降更快后不变，氧气消耗更多（图4d）。

[教师演示实验2]进行实验2，曲线见图5。

[学生]描述现象： 剧烈反应，发出黄色火焰，固体由银白色变黑色后又转变成淡黄色。

[教师]请标出曲线B的起点、终点、突变点等特殊点并读取各点数据。

[学生]记录氧气含量的变化，见表4。

[学生活动3②]结合实验现象分析实验曲线，表5为曲线分析作答记录表。

[教师]请写出加热时反应的化学方程式。

[学生活动3③]2Na+O2△Na2O2。

[教师]为什么在燃烧过程中有黑色固体出现，最后又消失？试分析原因。

[学生]原因可能是： 煤油未完全吸干，一开始不充分燃烧生成炭黑。随着温度的升高，其完全反应变成CO2。

[点评]另一原因是过氧化钠在高温下呈现黑色的过渡色，温度越高颜色越深[9]。

[教师]对比两个反应，能得出什么结论？

[学生]加热时反应更剧烈，产物也不同。相同物质的量的金属钠在加热条件下消耗氧气更多。

环节四： 手持实验探究金属钠与空气中的H2O、 CO2反应

[情境4]金属钠在T形管中放置一段时间。

[核心问题4]钠在空气中是否会和H2O、 CO2反应？

[学生]钠会和空气中的H2O反应。

[教师]请设计实验证明。

[学生]小组讨论： 使用相应传感器在T形管中测定H2O、 CO2的浓度变化。

[教师演示实验3]进行实验3，装置见图6。

[学生]H2O、 CO2的含量也减少了（实验曲线见图7）。

[教师]课后请试着解释H2O、 CO2的含量减少的原因，并写出反应的化学方程式。请问课本中金属钠的切割实验能否说明其仅与氧气反应呢？

[学生]不能，还可能是与H2O、 CO2发生反应导致的。

环节五： 课堂小结（略）

3.7 教学反思

（1） 帮助学生形成对“钠与空气中氧气的反应”的科学认知。学生通过氧气、水蒸气和二氧化碳的含量变化数据认识到： 金属钠在空气中不仅会与氧气反

应，还会发生其他反应。手持技术的引入弥补了教材实验的不足，有利于发展学生的证据意识和科学素养。

（2） 推動学生完善解决问题的思路和深度思考。本节课基于“3×n”的教学模式，设计四个核心问题，引发学生认知冲突。学生基于情境和问题思考： 金属钠在空气中可能发生的所有反应，并设计实验方案，获取定性证据与定量数据有效解决问题。

（3） 促进学生定量思维发展和提高数据、图像分析的能力。在本节课中，学生基本能画出曲线大致趋势，但无法较为准确地捕获曲线上的关键点，尚不能对曲线进行有效的分段分析。教师通过引导与学生一起具体分析图像和曲线的特殊点，并将数据变化与宏观现象一一对应。

4 研究价值

4.1 为教师拓展学生思维深度、发展核心素养提供有效手段

“3×n”教学模式中的核心问题链驱动学生积极思考，推动学生在解决问题的过程中逐步形成清晰的分析

思路、提高思维容量。手持技术的运用有助于攻克学生的认知难点和误区，改进教与学的方式，促进了信息技术与化学课程的整合，为发展学生基于证据合理推理、解决问题的核心素养提供了有效手段。

4.2 为教师深度钻研教材内容、优化教学设计提供方法指引

“3×n”教学模式中的“三线三链”有助于教师快速确定一堂课的核心知识与核心问题，进一步挖掘教学素材，精心设计教学活动和梳理教学过程。此外，“3×n”教学模式要求教师在教学设计的过程中充分体现“以学生为中心”，促进教师在备课的过程中更加关注学生情况。“3×n”教学模式为教师深度钻研教材内容、优化教学设计提供了方法指引，并为教师运用手持技术进行课堂教学提供了行动智慧。

参考文献：

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[2]胡先锦. 基于问题解决 指向学科理解——高中化学教学转型的探寻[J]. 化学教学， 2021， （3）： 34～37.

[3][5][6]钱扬义， 王立新， 林惠梅. 手持技术数字化化学实验教学研究： 理论构建与创新实践[M]. 北京： 科学出版社， 2021： 3.

[4]麦裕华， 钱扬义. “中学化学手持技术数字化实验案例”的多维分析——以钱扬义工作室20年研究的期刊论文为例[J]. 化学教育（中英文）， 2020， 41（19）： 83～89.

[7]刘国庆. 金属钠与氧气反应实验的改进[J]. 实验教学与仪器， 2013， 30（4）： 24.

[8]林建芬， 盛晓婧， 钱扬义. 化学“四重表征”教学模式的理论构建与实践研究——从15年数字化手持技术实验研究的回顾谈起[J]. 化学教育， 2015， 36（7）： 1～6.

[9]李俊生， 张笑宇， 胡志刚. 对过氧化钠颜色的研究[J]. 化学教学， 2012， （12）： 70～74.

[10]吴永福， 杨帆. 金属钠燃烧现象的探究及实验改进[J]. 丽水师范专科学校学报， 2003， （2）： 111～112.