余 静，王小兵，邱书文，曾懋华

(韶关学院 化学与土木工程学院，广东 韶关 512005)

5E教学法最早起源于生物学科的教学，是由美国生物学课程研究(BSCS)开发出的一种建构主义教学模式，其强调“以学生为主”及让学生进行科学探究，是一种有效的探究性教学模式[1-2]。五个“E”具体为参与(Engagement)、探究(Exploration)、解释(Explanation)、迁移(Elaboration)、评价(Evaluation)，因为5个学习阶段都以“E”开头，所以又被称为“5E”教学模式。5E教学模式的每个教学环节充分发掘了学生的主体地位，激发学生的认知兴趣和思维，注重学习的过程，突出知识的创新和应用，与深度学习的理念如出一辙，不仅对我国的科学教育有一定的启示作用，还对我国科学教育的实施与实践、促进科学教育改革、科学素养的培养具有重要意义[3]。

手持技术数字化实验是一种基于“传感器+数据采集器+分析软件”的数字化实验手段。手持技术应用传感器测定实验过程中的数据，依据对现象和数据的关联分析获得实验结论，从而达到实验研究的目的[4]。手持技术具有便携性、实时性、准确性、直观性和综合性等特点，可以实时、精确地测量实验过程中涉及的各类物理量，并通过计算机呈现可视的图像信息。因此，手持技术在化学研究和教学中的应用越来越广泛。

本研究利用手持技术数字化实验探究茶垢清洁剂的成分，基于5E模式，以“教师为主导，学生为主体”的教学原则设计了以茶垢清洁剂为主题的中学化学探究性教学设计。

1 教学设计

1.1 教学与评价目标

1)通过实验探究茶垢清洁剂的成分，回顾碳酸钠和过氧化氢的化学性质，培养学生证据推理、宏观辨识的化学学科核心素养。

2)通过设计实验探究茶垢清洁剂在热水中所产生的气体成分，回顾氧气和二氧化碳的检验的相关知识，培养学生科学探究与创新意识的化学学科核心素养。

3)通过认识茶垢清洁剂和手持技术数字化实验，让学生体会到化学与科学、技术、社会、生活之间的联系，培养学生科学态度与社会责任的化学学科核心素养。

1.2 教学重难点

1)重点：氧气与二氧化碳的检验。

2)难点：碳酸钠与过氧化氢的化学性质。

1.3 教法与学法

1)教法：情景引入法、实验探究法、手持技术法。

2)学法：以科学探究为主线，坚持以“教师为主导，学生为主体”的教学原则，引导学生在课堂上进行合作探究、小组讨论、迁移应用，完成本节课的学习。

1.4 教学与评价思路

1)参与环节

创设问题情境，激发学生学习兴趣。在充分了解学生前概念的基础上，从学生的生活入手，以茶垢清洁剂为主题创设问题情境，引发学生认知冲突，激发学生探索欲望，诊断并发展学生对生活中化学现象的认知水平。

2)探究环节

探究是“5E”教学模式的中心环节。教师引导学生逐一探究茶垢清洁剂的成分，充分发挥学生的主体作用，培养学生观察、思考以及探究的能力，诊断并发展学生的证据推理和实验探究能力。

3)解释环节

学生对探究结果进行解释，初步建构相应的概念。教师在此基础上给出科学的解释，让学生真正理解和内化初步建构的概念，进一步了解茶垢清洁剂以及其中蕴含的化学知识，并初步认识手持技术，诊断并发展学生的化学定量思维。

4)迁移环节

教师通过创设新的问题情境，鼓励学生在新情境中应用或扩展所学的概念，改进传统实验，加强对新知识、新技术的理解和应用，并提高解决问题的能力，诊断并发展学生的创新意识。

5)评价环节

评价过程贯穿于整个教学活动的始终，采用教师点评、学生自评等多种评价方式，以此来检测学生的知识掌握情况。并在课堂最后通过评价茶垢清洁剂这一物质的其他用途，诊断并发展学生的社会价值视角。

1.5 教学过程

1.5.1 参与环节

【学习任务1】：通过情景引入法让学生了解“茶垢清洁剂”这一物质。

【评价任务1】：诊断并发展学生对生活中化学现象的认知水平。

【师】同学们在生活中有没有见过茶垢呀？你们知道茶垢究竟是什么吗？

【生】见过！用久了的茶壶和茶杯中有茶垢，但是不知道茶垢是什么。

【师】茶垢是茶中的有机物经系列变化所形成的。长时间没有清洗茶垢的茶具在湿润环境中有可能滋生霉菌，从而危害人体健康。那同学们有没有清洗过茶垢？

【生】清洗过，但是很难把茶垢清洗干净。

【师】随着当今科学技术的进步，现在市场上出现一种名为“茶垢清洁剂”的产品，我们来看看它的清洁效果如何(播放视频)。

【师】今天让我们一起来了解这种能把茶垢清洗得干干净净的神奇物质——茶垢清洁剂。

首先教师通过生活中的现象引起学生的注意，激发学生兴趣。其次，通过学生的亲身经历引出茶垢清洁剂这一物质。最后教师播放用“茶垢清洁剂”清洗茶垢视频，通过视频让学生初步了解茶垢清洁剂，让学生体会到化学与科技、生活的联系。

1.5.2 探究环节

【学习任务2】：通过实验探究茶垢清洁剂在热水中产生的气体成分。

【评价任务2】：通过实验探究，诊断并发展学生的证据推理和实验探究能力。

【师】展示“茶垢清洁剂”的资料卡片。

【生】阅读资料卡片。

【师】“茶垢清洁剂”的主要成分为过碳酸钠，该物质兼具有碳酸钠和过氧化氢的化学性质。通过茶垢清洁剂的使用说明我们了解到它遇到热水会迅速产生气体，同学们认为这种气体可能是什么呢？

【生】氧气！

【师】为什么是氧气呢？你的依据是什么？

【生】茶垢清洁剂中含有过氧化氢，过氧化氢受热分解会产生氧气。

【师】同学们还有没有其他的不同答案呢？

【生】产生的气体还有可能是二氧化碳！

【师】为什么还可能是二氧化碳呢？

【生】茶垢清洁剂中还含有碳酸钠，碳酸钠受热也会分解，产生二氧化碳。

【师】但是通过查阅资料我们知道碳酸钠要在 1744 ℃ 以上才能分解，故说明碳酸钠在目前的实验条件下是不能产生二氧化碳的。那么碳酸盐能在什么情况下产生二氧化碳呢？

【生】与酸反应！

【师】而反应体系中并没有酸，显然不能产生二氧化碳，究竟有没有二氧化碳产生呢？我们可以通过实验来验证，我们该如何检验二氧化碳这种气体呢？

【生】将产生的气体通入澄清石灰水。

【师】那氧气又该用什么检验？

【生】带火星的木条。

【师】接下来请同学们进行分组实验来探究产生的气体究竟是什么。

【布置任务】向茶垢清洁剂中加入热水后产生的气体可能是什么？如何检验？

若学生不能顺利地完成实验，教师通过图片和文字给予一定的指导：

1)取少量样品于试管中，再加入热水(没过固体即可)，塞上单孔塞；

2)将试管浸于热水浴；

3)将生成的气体通入澄清石灰水；

4)撤去单孔塞，深入带火星的木条。

【师】第一小组的同学观察到了什么现象？结论是什么呢？

【生】反应产生了气泡，但澄清石灰水没有变浑浊，说明该气体不是二氧化碳；而带火星的木条复燃，说明该气体为氧气。

【师】其他组的实验现象也和这组的一样吗？

【生】一样。

通过查阅资料让学生进一步了解茶垢清洁剂的成分及相关性质。让学生根据资料卡片中的信息推测茶垢清洁剂遇热水产生的气体成分。通过茶垢清洁剂的使用说明具体情况设问“茶垢清洁剂遇到热水会迅速产生气体，同学们认为这种气体可能是什么呢？”了解学生的推理思路，培养学生证据推理的核心素养。接着“为什么是氧气呢？你的依据是什么？”“为什么还可能是二氧化碳呢？”双重追问，让学生能够表达出推理的依据。纠正学生推理中的不妥之处，并让学生从碳酸钠的性质出发寻找其产生二氧化碳的方法。同时也复习二氧化碳和氧气的检验方法。此环节，发挥教师的主导作用，学生的主体作用，培养学生的动手能力和科学探究与创新意识的核心素养。

1.5.3 解释环节

【学习任务3】：通过手持技术实验进一步学习“茶垢清洁剂”这一物质。

【评价任务3】：通过手持技术数字化实验，诊断并发展学生的化学定量思维。

【师】现在我们可以得出的结论是茶垢清洁剂遇热水产生的气体为氧气，即过碳酸钠遇热水迅速释放出氧气，而正是由于其过程中产生的氧具有很强的氧化性且可以深入微小的缝隙，从而使茶垢分解、剥离和脱落。这就是茶垢清洁剂的作用原理。

【生】认真听讲。

【师】为什么茶垢清洁剂需要配合热水使用，而不用冷水呢？

【生】在冷水中反应比较慢，在热水中反应比较快。

【师】你的依据是什么？

【生】温度越高，过氧化氢的分解速率越快。

【师】为了增强实验的可视性，现在老师运用一种新兴的数字化技术——手持技术，利用氧气传感器来探究茶垢清洁剂分别在冷水和热水中产生氧气的速率，请同学们注意观察实验现象。

【师】同学们，通过观察图1、图2，你们发现了什么？对此你们能得出什么结论呢？

图1 冷水中氧气质量分数随时间的变化曲线

图2 热水中氧气质量分数随时间的变化曲线

【生】单位时间内图1氧气含量上升的幅度远远小于图2，表明温度越高茶垢清洁剂反应速率越快。

【师】对于茶垢清洁剂也就是过碳酸钠而言，温度越高，反应速率越快，但在温度低的时候并不是不反应，而是反应速率太缓慢，以至于需要很长时间才能看得到效果，这也是我们在使用茶垢清洁剂时为了保证温度足够高，需要及时补充热水的原因。

【生】认真听讲。

本环节解释茶垢清洁剂的作用原理，让学生加深对茶垢清洁剂的了解。通过提出新问题“茶垢清洁剂需要配合热水使用，而不用冷水呢？”，为下一步实验探究做准备。引入手持数字化技术实验，通过曲线表征解释了茶垢清洁剂的使用与温度之间的关系，开拓学生视野，培养学生观察、分析图表的能力和证据推理的能力。

1.5.4 迁移环节

【学习任务4】：通过手持技术实验改进传统实验。

【评价任务4】：通过实验改进，诊断并发展学生的创新意识。

【师】我们刚刚了解到了手持技术实验，而这种技术的应用范围非常广，例如我们在探究茶垢清洁剂在热水中产生的气体成分时就可以通过手持技术来检验是氧气传感器，那可不可以用它检验产生气体中有没有二氧化碳呢？

【生】学生看到桌面上放置一个二氧化碳传感器，纷纷猜想可以。

【师】演示基于氧气(图3)和二氧化碳(图4)连用的手持技术装置。

图3 氧气质量分数随时间的变化曲线

图4 二氧化碳质量分数随时间的变化曲线

【师】同学们，通过观察图3、图4能够得出什么结论呢？

【生】跟刚刚做的实验一样，茶垢清洁剂在热水中产生的气体为氧气，而不是二氧化碳。

【师】对比两个实验，同学们有没有发现运用手持技术数字化实验，有什么优点？

【生】手持技术数字化实验更加实时、准确和快捷。

【师】手持技术作为一种利用现代电子数码科技进行实验的新兴测量技术，具有便携性、实时性、准确性、直观性和综合性等特点，可以实时、精准地测量实验过程中涉及的各类物理量，并通过计算机呈现可视的图像信息。同学们可以多多在网上了解一下这门新兴技术。

【师】到目前为止我们基本都围绕着茶垢清洁剂中过氧化氢产生的氧气在探究，但是茶垢清洁剂中还有一种物质也就是碳酸钠我们该如何证明它的存在呢？

【生】检验碳酸钠中的碳酸根离子。

【师】那么茶垢清洁剂中的碳酸根离子该怎么检验呢？

【生】将茶垢清洁剂在热水中溶解后，滴加稀盐酸，若有气泡产生且产生的气体能使澄清石灰水变浑浊，则证明该溶液中含有碳酸根离子。

【师】同样在这里我们也引入手持技术，通过二氧化碳传感器来检测是否有二氧化碳的生成。

【师】同学们通过观察实验现象和图5能得出什么结论？

图5 二氧化碳质量分数随时间的变化曲线

【生】由图5可以得出向溶液中滴加盐酸后产生了二氧化碳气体，因此表明溶液中含有碳酸根离子。

将手持技术数字化实验迁移至实验课堂中，代替传统的实验步骤，让学生了解手持技术实验与传统实验的区别，让学生体会到科技与化学之间的联系。详细介绍手持技术，增强学生对手持技术的兴趣。从茶垢清洁剂中过氧化氢过渡到碳酸钠，进一步探究茶垢清洁剂的成分。迁移应用手持技术，培养学生观察分析图表的能力。

1.5.5 评价环节

【学习任务5】：通过茶垢清洁剂的成分探究茶垢清洁剂的其他用途。

【评价任务5】：通过运用所学知识解决生活实际问题，诊断并发展学生的社会价值视角。

【师】这节课我们学习了茶垢清洁剂这一种物质，现在请同学们动动脑筋，根据这一节课所学的知识，想一想茶垢清洁剂除了清洗茶垢以外还能有其他的妙用吗？

【生】在一些紧急的时刻制取氧气！

【师】非常好，这利用了茶垢清洁剂所具有的过氧化氢的性质。

【师】假如同学们在做实验时突然发现缺少碳酸钠这一试剂，可以怎么办呢？

【生】如果身边有茶垢清洁剂的话可以用茶垢清洁剂来代替！

【师】很棒！老师之前为了清洗茶垢，决定在网上购买茶垢清洁剂，然后发现茶垢清洁剂的种类五花八门且价格不一，你们认为该产品价格是由什么决定的呢？

【生】产品的质量。

【师】该产品的质量又由什么决定呢？

【生】茶垢清洁剂中有效成分即过碳酸钠的含量。

【师】请同学们课后在网上了解一下工业制备过碳酸钠的流程，并根据所学内容尝试设计实验测定茶垢清洁剂中过碳酸钠的含量，实验可引入手持技术。

通过猜想茶垢清洁剂的其他用途，发散学生的思维，培养学生的创新意识。进一步通过茶垢清洁剂的成分来引导学生思考茶垢清洁剂的妙用。让学生体会化学与科学、技术、社会、生活之间的联系，培养学生的创新意识和社会责任感。

2 总结

本文通过对茶垢清洁剂的成分以及其相关性质的探究，找到了茶垢清洁剂与中学化学教学的融合点，基于5E教学模式，设计了以茶垢清洁剂为主题的化学探究性教学，且其中以教师为主导，学生为主体的教学过程中引入了新兴的数字化手持技术，有利于学生的全面发展以及化学学科核心素养的培养。