运动与平衡 稳定与相对

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[摘 要]

基于培养学生的科学素养为目标，以氧循环知识内容为载体，让学生体验物质与能量相互关联，理解大气组分稳定性和物质活泼性的相对性，充分利用运动观、平衡观预设教学，建构教学，实现富有思考氛围、充满思辨的课堂。

[关键词]

科学思维;氧循环;教学设计

从宏观天体到微观粒子运动，无不体现着物质世界的运动性，而运动的结果使世界在不断的变化中趋于动态平衡。动态平衡反映了事物内部总量的变化规律，即指总量内部各组成要素之间具有相对平衡关系，运动与平衡是自然界普遍规律。

《科学》教材涉及大量的平衡教学内容：溶解平衡、生态平衡、二力平衡、杠杆平衡，质量守恒、体温调节、血糖调节等人体内环境的稳定等等。授人以鱼不如授人以渔，教会学生一种方法，使其会迁移、类比探究未知事物，其意义是尤其重大的，因为科学教学应该是对学生科学方法、科学思维等形成的引领，而不仅仅只是科学知识的传授。

鉴此，笔者以科学教材中“氧循环”为例阐述如何培养学生运动与平衡、稳定与相对等认识事物的基本规律。从教学内容分析，其核心知识是围绕氧元素而铺展的。氧元素，是地球上含量最大的元素，在岩石圈、大气圈、水圈和生物圈中都有着极大丰度。它的游离态以氧气和臭氧存在，化合态以水、二氧化碳、碳酸盐、大量有机物质等等存在，在生物界和非生物界都有极其重要的地位。当然，其存在并不是一成不变，而是处于不断的运动变化之中。教学剖析其怎样变化、为什么变化，是对知识的认知主体和认知客体相互依存整体性教学。只有在此基础上，才能让初中学生充分体验世界的运动性、运动的平衡性、平衡的稳定性，稳定的相对性，在思考中实现认知能力在思维层面上的提升。

一、课引

（一）新课引入

问题呈现：生物存在需要能量的供给，我们是如何获取能量的？

分析预设：细胞通过呼吸作用利用氧气分解营养物质，从而获取能量。

（二）设计意图

引出氧气，并凸显氧气对于人类、乃至其他需氧生物的意义;同时使学生在潜意识里埋下物质转变往往伴随着能量转化的基本观点。

二、物理动态平衡的建构

（一）构建物理循环

问题呈现：呼吸作用的存在必将不断消耗氧气，在教室这个有限空间里，氧气含量会不会明显降低？甚至导致我们缺氧？

课堂分析：不会。因为教室外面的氧气会进入教室。

问题呈现：那教室中的氧气的体积分数是否会超过1/5呢？

课堂分析：不会，由于分子无规则运动会使空气各组分处于最大的混乱度，从而使教室内空气各组分的含量保持稳定。

板书设计如图1。

（二）设计意图

从简单的物理变化着手，在物质转移中使学生初步体验平衡是动态的平衡，在一个相对封闭的空间内体会平衡包含着生长与消耗两个不断变化、且能循环往复的相互依存的过程。

三、化学动态平衡的建构

（一）构建氧气与二氧化碳循环

问题呈现：相对于教室，大气层是一个开放的大空间，例举其他耗氧渠道。

课堂分析：燃烧等氧化反应。

问题呈现：大气中氧气会不会越来越少呢？

课堂分析：不会，植物的光合作用会将二氧化碳转化成氧气。

问题呈现：当我们处于黑夜时，那该区域氧气含量会有明显变化吗？

课堂分析：不会。因为地球总是保持昼夜各半球，所以整个大气层的氧气总量基本保持不变;再者，夜半球氧气消耗量大，昼半球氧气产生量大，必然通过分子无规则运动、风、大气环流等方式，使其转移，保持不同空间氧气含量相对的稳定，循环往复而建立平衡。

结论：至此，我们完全有理由下一个结论，所谓的大气组分及含量的稳定，是一种相对的稳定。

问题呈现：请大家尝试比较上述这两种循环，你会得出什么结论？

课堂分析：从求同的角度分析，我们不难发现平衡是动态的、循环的过程。从求异的角度分析，我们会发现氧气的转移，是一个物理过程，而氧气与二氧化碳之间的转化是一个化学过程。

板书设计如图2。

（二）设计意图

由物理转移走向化学转化，由教室这个相对封闭的空间走向开放的自然空间，是对事物认知由简单走向复杂的过程。让学生明白所谓的大气层氧气体积分数约为1/5只是相对的总量稳定，且在地球同一时间的不同区域，不同时间的同一区域，氧气乃至大气其他组分都处在动态的变化中，也让学生体验氧气与二氧化碳相互转变隐藏着光能与化学能的转化。

（三）构建氧气与臭氧循环

问题呈现：氧气和二氧化碳之间的循环是氧元素在游离态与化合态之间的变化。氧元素的化学转化一定就发生在游离态与化合态之间吗？

课堂分析：氧元素还有另一游离态单质存在，臭氧。它呈蓝色，有鱼腥味，这是物理性质。它的化学性质较为活泼，很不稳定。

问题呈现：化学性质活泼往往极易与其他物质反应，那大气中臭氧是否会越来越少？

课堂分析：近地面处，臭氧含量虽然极低，但是在高空20～35km处，却集中了大约地球90%的臭氧，并形成臭氧层。

问题呈现：近地面和高空环境存在怎样的差异呢？

课堂分析：该高度空间是一个高能环境，因为臭氧层会吸收大量的紫外线。

小结：可见，物质的变化往往伴随着能量的变化。地面附近，相对是低能量环境，氧元素游离态以氧气而稳定存在，而相对是高能环境的高空，氧元素则以臭氧而稳定存在;可见所谓的稳定是相对的。我们也有理由相信，在地球46亿年的演变过程里，臭氧层的出现到现在，是已经达到了一种平衡，而平衡必然源于动态的循环。

问题呈现：但是，近年来我们发现臭氧层变薄、甚至出现空洞。你觉得是什么因素致使氧气与臭氧之间的平衡遭受到破坏？

课堂分析：在动态的循环过程中，可能出现臭氧的消耗大于生成。

问题呈现：为什么消耗会增大，是谁破坏了原有的平衡？

课堂分析：制冷剂氟氯烃的出现与使用，破坏了臭氧原有的平衡。

问题呈现：比较上述三个循环，你有什么发现？

课堂分析：氧气与二氧化碳、臭氧之间的循环有较大的相似之处，因为同属于物质转化，是一个化学过程。当然也有一定的差异，前者是氧元素在游离态和化合态之间的转化，后者则是游离态与游离态之间的转化。

板书设计如图3。

（四）设计意图

从氧气与臭氧循环进一步让学生体验平衡是动态的循环，其包含着生成与消耗两个过程。再从氧元素游离态在地表不同区域不同单质存在，让学生树立物质存在所谓的稳定性、活泼性都是相对的;物质的变化往往伴随着能量的变化。如果说前两个循环是从生成与消耗正向推导平衡的存在与特性，那么氧气与臭氧则是从平衡的被打破逆向推演生成与消耗两个过程的变化，培养学生为正、逆向线性思维的深化，为复杂的发散和整合思维的建立夯实基础。

四、结语

科学不是简单的知识说教、识记，而是用理性的方法、思维去认知纷杂、感性的世界，去挖掘世界存在的关联与规律。对于本节内容的分析、定位，如图4，不难发现其知识内容并不复杂，但隐藏于知识之后的思维能力层面的教学目标突破，则属于教学重点与难点。只有逻辑而科学的设计才能做到事半功倍，让学生体验不管是转移的循环、还是转化的循环，其归根结底是因为生成与消耗之间达成的平衡。消耗与生成是一个极其复杂多变的动态的过程，正因为世界的多变，才有了我们万紫千红、异彩纷呈的生命存在。