素养导向的初中化学必做实验教学*
——以“多角度认识太空舱的制氧原理”为例

商晓绪 赵亚楠

（1.朝阳区教育科学研究院 北京 100018；2.北京中学 北京 100026）

一、初中学生必做实验教学背景分析

《义务教育化学课程标准（2022 年版）》［1］修订原则提出坚持目标导向，坚持问题导向，坚持创新导向。将重大的主题教育有机融入课程，注重对实际问题的有效回应，强化课程的实践性，推动育人方式变革，着力发展学生核心素养。教学和评价都是基于学生素养发展的，随着发展学生核心素养的提出，考试评价方式也由知识立意转向了能力立意和素养立意的学习评价，即将知识置于简单或复杂的情境中，考查学生运用知识解决问题的能力，从而来考查学生的学科知识和素养，如下图所示：

图1 基于核心素养的教学评价体系

基于真实情境，以解决真实有意义的问题为任务驱动，运用结构化的化学知识解决实际问题，发展学生化学学科核心素养。化学是研究物质组成、结构、性质、转化及应用的一门基础学科，学习和运用化学实验技能和科学探究方法，离不开实验活动。教师应结合具体的教学内容和学校实际，积极创造条件，通过多种途径，安排和组织学生至少完成下列化学实验活动。

表1 初中学生必做实验分析

学生核心素养发展的实质是建立物质组成、物质制备、物质分离、物质结构探究、反应规律探究、物质性质探究的核心活动经验，理解核心活动经验并能在简单情境中应用，进而迁移到复杂情境中创造性地应用。从活动对象和目标来看，实验探究活动可以分为两类：利用性质和规律实现目标的应用类活动和探究物质变化和物质性质的探究类活动。第一类活动的特点是其不指向发现新的事物或规律，而是应用已知的物质和规律进行设计以获得新的产品或实现目标，以设计为特征；第二类活动则是指向发现规律或性质，以假设检验和建构解释为特征［2］。因此，在教学中，应深入挖掘八个必做实验的功能和价值，多角度寻找适合的真实问题的情境素材设计实验教学。

基于以上分析，本文以“多角度认识太空舱的制氧原理”为例，探究水的组成及变化，建构基于解决真实问题的知识框架，梳理基于“宏观-微观-符号-图形”四重表征的必做实验的教学策略，聚焦核心素养发展。

二、素养导向的必做实验教学案例

1.教学背景分析

电解水的学习在人教版教材第四单元课题3“水的组成”。在该课题内容学习后，学生知道水通电分解后生成氢气和氧气，反应过程中能看到两极有气泡产生，与电源正极相连的一端产生的气体和与电源负极相连的一端产生的气体的体积比为1∶2，会写反应的化学方程式等。但是这些知识都是零散的、缺少关联的。特别是应用知识解决实际问题时提取知识信息比较困难。同时利用电解水的实验来研究水的组成，启发学生认识到“可以通过不断分解物质直至不能分解为更简单的成分为止”得到元素的游离态，进而确定物质的组成，这是人类研究和认识物质组成的一般方法。通过对电解水实验生成氢气和氧气体积比2∶1的分析，为水的化学式的确定提供事实依据［3］。

因此，“水的组成”的学习重在认识电解水实验的实质，掌握通过化学实验研究物质元素组成的科学过程与方法。在教学中应当将教学内容融于真实问题的解决，建构结构化知识，同时调动多种教学感官，如宏观、微观、符号、图形，发展学生多角度认识水的组成及其变化，还能为学生从元素观的角度研究物质组成提供有力的证据支撑。

2.教学主线分析

在真实的问题情境下展开必做实验“水的组成”的学习，需要对学生结构化的知识进行建构与梳理。在教学中以太空舱中制氧原理为真实的情境素材，学生在认识学习太空舱制氧气的原理过程中，从纯净物分解的角度认识水的组成，宏微结合认识水的分解实验，定性与定量结合认识电解水，实现“多角度认识太空舱的制氧原理”，教学问题与活动设计见图2。同时，从宏观、微观、符号、图形四个角度分析与总结，建构关于水的组成的结构化的知识体系。

图2 水的组成教学流程

图3 太空舱制取氧气系统的剖面图

图4 电解水微观实质

图5 电解水过程中水的质量和生成氧气的质量的关系

3.教学流程

4.教学过程

环节一：情境引入激发兴趣

【教师】载人航天是我国几代航天人的梦想，如今我国已成功完成了多次载人飞行任务。最长的一次，宇航员要在太空舱中工作生活180天，在这个密闭的环境下生活，每天所需的氧气从哪来呢？

【学生】用高锰酸钾制取氧气，用过氧化氢制取氧气……

【教师】选择的依据是什么？这些方法可以用于太空舱制氧气吗？

【学生】理论依据是均含有氧元素。讨论，思考。

【教师】它主要是由这个神秘的制氧系统提供的。这个制氧系统真的那么神秘吗？下面我们就来看一看这个制氧系统主要结构的剖面图。从这个图示中你看到了什么？

【学生】空间站利用电解水的方法制取氧气。

设计意图：利用我国高科技的事件不仅可以培养学生的爱国情感，同时能够激发学生的兴趣、创新意识与社会责任，让学生认识到化学在解决真实问题方面的应用。引导学生借助剖面图的分析揭开制氧系统的神秘面纱，其实就是熟知的电解水这个反应的实际应用。进一步建立了物质的性质与物质的用途之间的关系，物质的性质决定了物质的用途，物质的用途能够体现物质的性质的学科思想。

环节二：宏观认识“电解水”

【教师】分析剖面图，你能根据你所学的知识描述一下这个设备的内部结构为什么是这样的吗？

【学生活动】根据实验室中水电解器的原理，在设备中应该有一个具有两个盛放气体容器的连通器，两个电极和一个电源。对比分析实际装置与实验室所学的熟悉装置得出一致性的结论。

【学生实验】电解水实验

【教师】请同学们进行实验，并描述实验现象。

【学生】两极有气泡产生，且正极与负极产生气体的体积比为1∶2，正极产生的气体能支持燃烧，负极产生的气体能燃烧。

设计意图：通过对该问题的分析，明确该反应对应的实验现象，正由于这些现象的产生才进一步给水具有通电条件下分解的性质提供了证据，提升了学生的证据意识及获取证据的路径和方法。学生了解到水在通电条件下分解是水的一条化学性质，这条性质可以用于太空舱的制氧装置，并通过电解水实验装置对应的现象给水通电能分解这条性质找到了实验证据，无论是装置、现象、性质还是用途，都是从宏观的视角认识电解水这个反应，建构了宏观表征相关知识之间的相互关系。

环节三：微观认识“电解水”

【教师】为什么我们会看到这样一系列的宏观表象呢？

【学生活动】借助电解水的微观示意图，从该反应的微观实质来分析。

水是由水分子构成的，水分子在通电条件下分解为氢原子和氧原子，水中的氢原子显正电性，向负极移动，每两个氢原子构成一个氢分子，氢分子在负极聚集成氢气，而水中的氧原子显负电性，向正极移动，每两个氧原子构成氧分子，氧分子在正极聚集成氧气，且生成氢分子和氧分子的个数比是2∶1，于是我们就看到了上述的现象。

设计意图：通过对电解水的微观反应过程的分析，了解该反应的微观表征，同时进一步理解了宏观现象产生的原因，从而建立起宏观表征与微观表征之间的关系。

环节四：定量认识“电解水”

【教师】我们还可以想一想，如果宇航员在太空平均一天要消耗0.8 kg 的氧气，理论上一天至少需要电解多少水？

【学生活动】借助电解水的化学方程式进行计算。

以此类推，我们可以分别得出，若电解1.8份质量的水则生成1.6份质量的氧气，电解3.6份质量的水则生成3.2份质量的氧气，电解9份质量的水则生成8份质量的氧气。

表2 电解水过程中物质定量关系

【学生活动】绘制消耗的水的质量和生成氧气的质量的关系图。

设计意图：通过计算的过程理解符号表征与图形表征之间的逻辑关系，并从定量的角度认识电解水的化学反应，同时采用列表和图像的方式记录相关数据，促进学生理解化学反应的定量表示方法及定量关系。通过图像的方式将电解水的过程表示出来，目的是更好地帮助学生理解实验过程与图形之间的内在关系，促进学生对图形表征的理解及图像信息的获取与加工能力的提升。

环节五：结构化认识“电解水”

【学生活动】自我梳理，归纳总结，建构如图6所示的电解水的四重表征，多角度地认识水。

图6 结构化认识电解水

设计意图：通过该环节的分析与梳理，使学生不仅从宏观表征、微观表征、符号表征和图形表征四个角度认识了电解水的化学反应，还了解到这四重表征之间的内在联系，拓展迁移到化学的学习方法，利用四重表征的视角不仅可以认识物质的变化，还可以认识物质。

三、素养导向的知识结构化建构

在实际教学中应当挖掘情境素材，设置具有挑战性的问题，宏微结合，运用证据推理与模型认知的思维方式，建立解决问题的思路方法［4］。在任务驱动下实现学生积极参与、产生情感共鸣、深度理解、自主建构，形成结构化、系统化的知识体系，如图7。运用四重表征的视角学习化学，认识化学物质和物质的变化，形成多角度认识物质的视角，不仅有助于知识之间建立起关联，还能够帮助学生加深对化学知识的理解，促进深度学习的真正发生。

图7 基于真实问题解决建构结构化知识体系

四、素养导向的必做实验教学策略

四重表征是认识物质及其变化的学习方法，不仅适用于初中化学的学习，而且适用于高中化学的学习。四重表征给学生留下了思考的空间，激发学生进一步学习的欲望，联系太空舱这一特定的环境，如制氧装置的结构、携带物质的用量、哪些物质可以循环使用等问题，为学生的进一步学习及系统思考解决问题奠定了基础，促进课内、课外学习的有机结合。基于四重表征视角下的课堂教学模式，如图8所示，是将知识结构化、系统化的重要手段，为真实问题的解决提供了条件。

图8 基于四重表征的课堂教学策略

我们在解决实际问题时，首先要将情境中的问题转化为化学问题，调取已有的结构化的知识来解释情境中的问题，从而评价情境中的问题是否得到解决。情境中的问题是变化多样的，也是我们抓不住的，但是我们具有的结构化的知识是不变的，只有从四重表征的认知视角建构知识之间的关联，才能促进认知的逻辑化和思维的系统化，才能真正做到运用结构化的知识解决实际问题。

综上所述，四重表征既是化学的学习内容，也是激活化学课程内容的重要的认识视角，它能够帮助我们认识到知识的共同特征和知识之间的关联性，将所学知识在头脑中组织形成知识结构网络，并能够在外界刺激下成功提取，运用结构化的知识解决真实的、复杂的问题。