基于深度学习的慢回放式化学实验教学研究

李根薰 黄明浩

摘   要： 基于化学课程标准要求设计了基于深度学习的慢回放式钠与水反应教学思路，以任务驱动、小组合作形式完成教学。系列任务为：由主镜头捕捉到分解镜头寻找，培养学生在脑海中慢回放实验的技能；通过在微观视域下建立物质发生物理、化学变化的动态模型，实现实验操作及反应过程深入分析；通过钠块移动假说探讨，钠与水反应声音的微观来源探析，开展实验现象深入分析。在任务完成过程中引导学生寻找新技术开发思路，凸显化学学科价值。

关键词：化学实验；慢回放式分析法；深度学习；化学核心素养

普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）基于化学学科核心素养的培养提出普通高中化学课程目标，要求学生能够宏观上辨识物质形态变化，并能从微观上理解其组成；能够认识到物质是在不断运动的，物质变化是有条件的；能够发现和提出有探究价值的化学问题[ 1 ]。在化学实验教学中要实现这些教学目标就需要开展基于深度学习的教学。

深度学习是基于理解的学习，是指在教师的引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习[ 2-3 ]。将深度学习理念运用于化学教学是当前研究热点之一[ 4-6 ]。本文将介绍基于深度学习的慢回放式化学实验教学。即引导学生聚焦于化学实驗中某一情境，培养从宏观到微观、静态到动态、孤立到系统的认知角度及从知识学习到运用开展深入分析的教学过程。

1  教学目标与教学流程

1.1  制定深度学习教学目标

化学实验的深度学习需要基于学生已有知识，充分利用化学实验中蕴含的思维与方法从宏观、微观角度对实验问题进行深入分析。这一深入分析过程也是化学学科核心素养培育过程。基于此设计本节课教学目标如下：（1）能够将宏观现象与微观变化建立对应关系；（2）能从微观、动态角度对化学实验操作、化学反应过程进行深入分析；（3）能从微观分析中提出创新性、可操作性科学研究课题。

1.2  教学设计

基于深度学习的慢回放式钠与水反应实验教学设计思路见图1所示。

2  教学过程

选题依据：钠与水反应实验现象明显——游、熔、响、红。学生熟知这一系列实验现象，并能从表层对这些现象进行直观地分析。选择钠与水这一平凡的实验，通过逐步引导，让学生发现其中不平凡之处，能形成强烈认知反差，提高学生对深度学习的兴趣。

2.1  任务1：钠与水反应慢回放主镜头捕捉及分解镜头精选

[问题]请同学们思考如何像放电影一样将钠与水反应的主要过程一帧一帧的在脑中重现？能否选取该实验一些主要镜头进一步慢放，选取依据是什么？

[学生活动1]  对硫酸铜晶体图片开展观察讨论活动。并对比高中生、大学生、博士生认知差异。

[学生活动2]  小组讨论钠与水反应的主要步骤，并进一步将这些步骤呈现在纸上，形成主镜头。

[学生活动3]  小组讨论将钠与水反应主镜头进一步细化形成分镜头，并以框图形式呈现。

[教师]  组织学生讨论、总结，并展示如图2所示分镜头寻找结果，并与学生的选择做对比。师生讨论确定从三个角度选取如下四个镜头：

角度①实验操作：切割钠块；

角度②反应过程：钠与水接触瞬间；

角度③实验现象：钠块发生无规则快速移动，发出“嘶嘶”响声。

任务1各活动设计意图见表1。

2.2 任务2：钠与水反应实验操作及反应过程慢回放式深入学习

[问题]  是否有一套分析方法可以用于精选镜头的深入分析？

[学生活动1]讨论如何由浅入深分析切割钠块的实验过程？

教师引导学生按照图3思路展开分析

[学生活动2]活动1讨论中学生会产生一些疑问。问题1：切割过程是否会将原子切开？问题2：将小刀逐渐变细直至变为“纳米光刀” 通过光刀切割法是否可能得到极薄的钠材料？纳米级别的钠材料活泼性如何？

[资料卡片]  核反应简介及激光切割法。

资料1：化学反应中原子不会发生改变，如果将原子发生改变（裂变、聚变）则属于核反应，核反应需要巨大的能量才能引发。

资料2：激光切割是应用激光聚焦后产生的高能量光束，以瞬间的高温熔化或气化被加工的材料，从而形成切口的一种加工手法。

[师]  组织学生讨论，并得出初步结论：小刀切割过程是挤开原子而非切开，如果将小刀变为光刀，入射光的高能量将会融化金属钠，形成极细的切口，多次切割有可能获得较薄的钠片。

[生]  自主学习纳米金属的制备，理解通过控制合成过程的条件，让金属生成速率变慢从而获得纳米金属的方法。并分析纳米金属钠的高活泼性。

[师追问]  较宽的小刀切割钠块，切面在微观上凹凸不平，表面的钠原子将很快被氧化，这些氧化钠会脱落吗？

[生]  学生认为金属钠、氧化钠都是固体，两者相互吸附力很小，因此有可能脱落。

[学生活动3]  教师展示氧化铝薄膜图片如图4，并引导学生自主阅读铝氧化膜对铝单质的保护作用。学生通过类比法分析钠形成氧化膜是否会脱落，并说明原因。

[师]  组织学生讨论这里氧化膜是氧气与金属钠在表面发生发应过程中逐渐形成一定厚度的膜，这层膜紧紧吸附于钠表面，与粉末状金属氧化物不同。

[学生活动4] 开展典型反应过程：钠块入水瞬间的深入分析。引导学生将反应物先放大（见图5），并将水分子类比成海洋球，利用宏观模型模拟钠块入水过程，并开展由浅入深，由静态到动态深入分析。

[生]  ①宏观：瞬间发生剧烈发应，钠块开始熔化、游动；②微观上：Na+H2O=NaOH+H2↑；③入水过程氧化膜先破坏。

[习题]  （2019新课标Ⅰ改编） 固体界面上强酸的吸附和离解是多相化学在环境、催化、材料科学等领域研究的重要课题。图6为少量HCl气体分子在253 K冰表面吸附和溶解过程的示意图。下列叙述错误的是

A．冰表面第一层破坏最严重

B．冰表面第二层中，氯化氢与水作用发生电离

C．冰表面第三层中，冰的网络结构保持不变

D．冰表面各层之间，均存在可逆反应HCl ？圹 H++Cl-

参考答案：D （图片来源于2019新课标Ⅰ化学试卷）。

[学生活动5]  小组活动讨论HCl如何一层一层破坏冰表面？运用类比迁移法分析钠氧化膜被破坏的动态过程，可以让学生参考军队攻城，水分子扑向钠块表面。

[生]  水分子会先破坏氧化膜有缺陷或者膜比较薄的地方，氧化膜破坏后水接触内层钠原子，发生剧烈的钠与水反应。

[师追问]  如果在工业上给金属镀膜，要注意什么问题？

[生]  膜的厚度，均匀度等。

[师]组织学生总结开展钠与水反应微观动态分析的方法。

任务2各活动设计意图见表2。

2.3  任务3：钠与水反应实验现象慢回放式深入学习

[问题]  钠与水反应实验现象明显，对这些肉眼观察到的表观现象能否由浅入深，开展深入分析？

[生] 宏观：钠块受力不均，钠块无规则运动与钠与水反应放出氢气以及反应放热有关。

微观：气体推动巨大钠块金属球快速移动。

[学生活动1]  金属钠快速运动问题较为复杂，我国学者有提出一些假说如①“气体推动说” [ 8-9 ]；②“表面张力说”[ 10 ]。请学生以小组讨论形式设计实验证明这两个学说是否正确。

[资料]  “气体推动说”认为钠与水反应产生的气体推动钠块移动。“表面张力说”认为钠与水反应的区域，氢氧化钠浓度较大，这部分氢氧化钠有向外扩散的趋势，从而带动钠块移动。

[演示实验]  实验发现用嘴吹少量气体很难推动金属球快速运动，气体推动说不准确。将钠块放入氢氧化钠溶液中，钠块仍旧快速无规则运动。证明表面张力并非钠块快速运动主要动力。

[学生活动2]  有关钠块无规则快速移动的解释还有“氢气垫说”，请学生自主学习“氢气垫说”，并总结要点[ 11 ]。

[资料]  2004年李振荣提出氢气垫说。认为钠与水反应在交界处产生一层连续不断的氢气泡沫——氢气垫，钠与水接触后立刻在界面上发生反应，这些氢气泡沫将水与钠隔开，氢气泡沫不断生成、破裂、发生振动。氢气泡沫源源不断将水分输送到金属表面从而维持化学反应继续进行。由于氢气泡沫破裂方向不均匀，推动熔成小球的钠块在氢气泡沫上朝某一方向运动。

[生]  氢气钠块表面形成泡沫，并以“氢气垫”形式将钠与水隔开，但是氢气泡沫源源不断将水汽输送到钠表面，氢气泡沫会破裂，从而造成钠块移动。

[师]  引导学生总结钠块移动的一些假说，并更综合看待钠块移动的动力来源：气体推动，氢气垫、水等。

[学生活动3]  请学生思考钠与水反应发出嘶嘶响声的可能原因有哪些？教师投影展示曾显林老师使用高清摄像机捕捉钠与水反应的各个流程的图片（图7）[ 12 ]。并让学生分析这些图片中哪些反应过程会发出声音？

[生]  a、e、f、g这几个过程都有可能产生声音，学生总结声音主要来源：水汽挥发、氢气泡破灭、燃烧、钠块炸裂等过程。

[學生活动4]  请学生小组合作从微观角度寻找“嘶嘶”响声的主要来源，结果见表3。

[师] 指导学生总结钠与水反应的微观声音来源：原子、分子碰撞；分子的剧烈振动等。

[归纳整理]带领学生归纳总结本节课所学实验分析方法。

[学生活动5]组织学生总结深度分析实验所用的分析流程如图8所示。

任务3各活动设计意图总结见表4。

3  教学反思

3.1  慢回放式化学实验深入分析构建宏观、微观桥梁

本节课构建了一套慢回放式化学分析方法，让学生将发生变化的主体先在微观层面放大，并结合物质的模型实现在脑中重现反应过程，接着再将化学变化过程慢放，形成一个个分镜头，选取并分析重要的镜头实现对实验过程的动态分析。这种分析方法潜移默化地培养学生从宏观现象走向微观变化的认知思路。慢回放式分析化学实验不仅可以运用于钠与水反应，还可以迁移到大多数高中化学性质类实验深入研究中。

3. 2  微观动态分析促进学生科学素养，创新意识提升

要科学捕捉微观过程的分镜头首先要准确了解物质微观组成、结构，对于高一学生这方面的知识比较欠缺，教师可以直接展示；其次要建立微观世界物质发生物理变化、化学反应的动态模型，可以引导学生利用类比迁移法进行推理分析。通过微观、动态分析，学生在潜移默化中发现一些具有运用价值的信息，例如给金属镀膜的品控问题，钠的堆积方式差异带来性质的差异等等。这种学习方式能够激发学生创新热情，加深对科学方法的理解。

4  总结

新高考背景下，高一教师面临吸引学生选化学以及提升化学教学质量的双重挑战。深度学习提供了解决这一矛盾的方向。以教科书实验为出发点，让学生从平凡的实验中看到不平凡，利用书本实验的深度挖掘实现深度学习，既能避免学生由于陌生素材产生畏难情绪，又能在任务完成中培养学生学习兴趣，提升学生科学素养，培育创新意识。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（ 2017 版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020．

［2］ 何玲，黎加厚.促进学生深度学习[J].计算机教与学·现代教学，2005（5）： 29 - 30．

［3］ 郭华.深度学习及其意义[J].课程·教材·教法，2016（11）：25-32.

［4］ 胡久华，罗滨，陈颖.指向深度学习的化学教学实践改进[J].课程·教材·教法，2017，37（3）：90-96.

［5］ 王春阳.促进深度学习的化学课堂教学案例研究[J].化学教育，2017，38（9）：34-37.

［6］ 杨晓东.深度学习视野下的化学教学设计：以高中化学必修二甲烷教学为例[J].化学教与学，2018（1）：66-70.

［7］ 李俊生. 铝箔钝化机理以及钝化膜性质的研究[J].化学教育，2010，31（4）：81-86.

［8］ 化学教学编辑部.也谈钠与水反应中的三种现象[J].化学教学，1990（6）：41-43.

［9］ 赵江东.也谈钠与水反应中的三种现象[J].化学教学，1994（6）：6-7.

［10］ 何斌华.钠与水反应中三种现象之我见[J].化学教学，1989（3）：43-44.

［11］ 李振荣.金属钠与水反应实验现象分析[J]. 辽林师专学报（自然科学版），2004（1）：26.

［12］ 曾显林.基于数字影像技术的高中化学实验观察与辨识：以钠与水反应为例[J].中国现代教育装备，2019（22）：42-45。