中学化学探究性实验设计

中学化学探究性实验设计【内容提要】布鲁纳的发现学习理论告诉我们：“认识是一个过程，而不是一种产品。”学习不仅是让学生掌握知识，更要让学生去体验知识、原理的产生过程。本文从“验证性实验”为“探究性实验”、中学化学探究性实验教学模式、中学化学探究性实验设计过程和方法等三方面入手介绍中学化学探究性实验设计的经验和思考。【关键词】中学化学探究性学习实验“授之以鱼，不如授之以渔。”学习需要思考，掌握知识固然重要，但掌握方法，提高能力却更重要，实验教学是化学的一个重要的特点，但现行中学化学教材中的实验，从设计形式上看多是帮助学生形成概念，理解和巩固化学知识的验证实验。这种实验的内容、原理、方法和步骤教材中均有明确的规定，实验的启发性和探索性受到限制使学生在实验中处于被动地位，易导致实验重结果、轻过程，不利于培养学生的创新精神和创新能力，不利于培养学生进行科学方法的教育和训练，而且难于发挥实验的多重教育功能。为改变上述现状，我们选择了探索性实验为教学的突破口，并对此进行了深入地研究和探索。一、改“验证性实验”为“探究性实验”在高中化学教材中安排了许多演示实验，这些实验往往只起到验证结论的作用，对培养学生的探究意识往往达不到应有的作用，所以在实际教学中可以把一些演示实验设计为探究性实验，对当前化学学习中的重、难知识进行专项研究，可促使学生对当前学习到的知识予以巩固，达到对重点知识的深层次理解，以便对难点知识的有效突破。例如：在用乙醇与浓硫酸混合加热到170℃制取乙烯时，发现得到的乙烯往往有刺激性气味，而课本明明告诉学生纯净的乙烯是无色稍有气味的气体，那就说明我们制取的乙烯不纯，有杂质，那么这杂质气体又是什么呢？是怎样产生的呢？又怎样可以把杂质除去而得到较纯净的乙烯气体呢？针对这些问题，我只作了启发性的点拨，至于整个探究过程由学生自己设计实验方案，自己动手实验,自己得出结论，从而使学生在探索中既激活了原有知识，又获得了新的知识和方法。所以“验证性实验”与“探究性实验”是有区别的，那如何设计探究性实验，使用什么模式呢？二、中学化学探究性实验教学模式1．对探索性实验教学的认识探索性实验来自“探索性学习”，是在20世纪50年代美国掀起的教育现代化运动中，由施瓦布(Schwab)倡导提出来。我们对探索性实验的定义是：由教师给出实验课题，提供实验器材，提出实验要求，让学生自己拟定实验方案，制订实验步骤，独立地通过实验的观测和分析去探索研究，从而发现“新”的化学现象，并通过解释实验现象，总结出他们原来并不知道的规律性认识的实验。2．探究性实验教学的整体模式提出问题（教师或学生）——→提出假说（教师或学生）——→收集资料设计实验（学生）——→论证假设进行实验（学生）——→作出判断得出结论（学生）3．由整体模式而分的具体模式（一）、引导探究模式1、模式实例－氯气的化学性质（1）样品展示、初步感知[教师活动]展示氯气样品，初步感知氯气的物理性质（2）系列实验、引导探究[教师演示]实验一、氯气通入石蕊试液中－现象：先变红后褪色。[学生分析]先变红：说明生成了氢离子。[设疑]是谁使变红的石蕊褪色了？[教师演示]实验二、干燥的氯气中放入干燥的含石蕊的纸片－现象：不褪色。实验三、干燥的氯气通过用水润湿的含石蕊的红色纸片－现象：先变红后褪色。实验四、在氯水中加入硝酸银溶液和稀硝酸－现象：产生白色沉淀。实验五、在盐酸中加入石蕊试液－现象：变红[学生讨论]结合氧化还原反应原理，讨论以上实验现象说明了什么？[汇报讨论结果]A、氯气分子没有漂白性，与水反应后的生成物中产生了有漂白性的物质。B、氯气与水反应的产物中有氯离子。C、氯离子没有漂白性。D、在反应中氯气转化为HCl，氯元素化合价降低，必有一种元素化合价升高，在反应中没有氧气生成，故另一种产物必然是一种氯元素化合价比零价高的化合物。（3）得出结论、知识小结[教师讲授]通过实验可知：氯气与水反应，生成了HCl和一种有漂白性的物质，这种有漂白性的物质是HClO。写出化学方程式。2、模式的特点（1）本模式是在教师带动下的实验探究，与传统的教学组织形式差别不大，易于老师掌握。（2）在分析大量实验现象的过程中，能充分培养学生分析问题、筛选有效信息的能力。（3）本模式教学过程中学生的主动性略差一些。（二）、步进探究模式1、模式实例－钠与硫酸铜溶液反应研究（1）根据旧知，发现问题[引入]我们已学过了钠能与水剧烈反应，金属也能与盐溶液反应并置换出盐中的金属，在硫酸铜溶液中既有水，又有能与钠反应的盐，它们应怎么反应？（2）理论分析、提出实验假设[思考并回答]如果与水反应产生什么现象？与硫酸铜反应产生什么现象？[小结]如果钠与水反应应能观察到有气体产生，若与硫酸铜反应应能观察到有红色（或黑色）固体产生。（3）实验探索、得出结论[学生实验探究]将一小块金属钠投入硫酸钠溶液中，观察实验现象，并记录。[小组汇报]产生了气体说明生成了氢气，故钠与水发生了反应。同时产生了蓝色沉淀，说明钠先与水反应生成的氢氧化钠再与硫酸铜发生了反应，生成了蓝色的氢氧化铜沉淀。（4）发现新问题[学生置疑]部分小组实验过程中产生了黑色沉淀，这黑色沉淀是什么？（5）小组讨论、理论分析[分组讨论]这黑色沉淀产生的各种可能原因。[小组汇报]可能原因之一：钠与硫酸铜反应生成了疏松状态的铜；可能原因之二；由于钠与水反应很剧列，放出大量的热量，使生成的氢氧化铜分解成了氧化铜。（6）设计实验[思考并回答]如何用实验证明生成的黑色固体是铜还是氧化铜？[小结]比较简便的方法是在所得黑色固体中加入过量的盐酸，观察黑色固体是否溶解。（7）实验探索、得出结论[学生活动]分组完成实验：在所得黑色固体中加入过量的盐酸－固体完全溶解。[结论]A、生成的黑色固体是氧化铜，产生的原因是钠与水反应放出的大量热量使氢氧化铜分解。B、钠与硫酸铜溶液反应的过程是：钠先与水反应生成氢氧化钠和氢气，生成的氢氧化钠再与硫酸铜溶液反应。若钠的用量大、硫酸铜溶液浓度大或硫酸铜溶液在烧杯中太少导至钠不能游动时，可能导至生成的氢氧化铜分解成氧化铜。2、模式的特点（1）教学过程体现“发现问题－实验探究解决问题－在实验过程中发现新的问题－再实验探究－再发现新问题．．．．．．”的一般性认知规律，在下一级的探究活动中总是研究更深一层次的问题，呈逐步递进关系。（2）探究过程是在教师引导下的探究，在教学设计和实验准备中必需设置一些学生意想不到的一些实验结果，以此引发学生进一步探究的兴趣和热情。（三）、综合探究模式1、模式实例－简易启普发生器的设计（1）精讲原理、作好知识准备[教师讲授]启普发生器的结构、原理和操作方法（2）提出问题、小组讨论[分组讨论]利用实验室的一些常规仪器或生活中的物品，设计一个能使反应随时发生和停止的制取气体的装置，并将设计的思路画成草图。（3）小组汇报、组间互评[学生活动]小组长把设计的草图用实物投影仪展示出来，并解说设计思想。其它人员对设计方案进行补充、置疑。[教师]小结评价各方案的优缺点。（4）实施实验、体验成功[学生活动]利用提供的仪器和药品进行实验仪器的安装。[实验仪器药品的准备]烧杯、铜块、U型管、破底的试管，有孔塑料板、长颈漏斗、广口瓶，饮料瓶、气球、长铜丝、锌粒、稀盐酸等。2、模式的特点：（1）本模式强调的是小组内人员的协作，在协作中交流，在交流中获知。因此小组讨论、汇报和组间互评成为了教学过程中最重要的环节。（2）各小组围绕同一个问题进行充分讨论，最终方案众多，重点培养学生的发散思维和创新思维能力。（3）从教学内容上看，主要是在理论指导下的实验探究，对学生实验设计能力的培养高于利用化学实验来进行探究。所以，根据不同的教学内容，选择不同的教学模式，那如何具体的实施呢？三、中学化学探究性实验设计过程和方法1第一阶段：准备、确定探索问题提出一个问题往往比解决一个问题更重要，这是因为解决一个问题也许仅是一个教学上的或实验上的技能而己，而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想像力。2第二阶段：精心设计、探索实验探索性实验设计是教师对所提出的问题在课堂结构上进行的总体规划过程，或者是学生根据自己所学的化学知识和技能，独立的或在教师的启发指导下，灵活并创造性的对所提出的问题制定解决方案。它是进行实验探索的关键一步，决定着探索的问题能否顺利解决。3．挖掘实验内容改为探索性实验在现行教材当中，据统计，在高中化学106个演示实验中，先有结论后演示验证的有55个之多，占了近51.9％的比例。如何能够利用教材的现有实验，深挖其内容，寻求将其转变为探索性实验的合理途径，在实验中我们做了一些探索。例如：高一教材(卤素)中在有关HClO的漂白性的教学中，就可以将此验证性实验改为探索性实验进行教学。(1)提出问题：通入C12，能够使湿润的蓝色石蕊试纸先变红后褪色，说明了什么?(2)提出假说①HClO能够使试纸先变红后褪色，说明了HClO具有酸性和漂白性。②HClO能够使蓝色的石蕊试变红，C12能使其褪色。(3)设计实验：①将C12通入放有干燥的红色石蕊试纸的集气瓶中。②将C12通入放有湿润的蓝色石蕊试纸的集气瓶中。(4)验证假说(5)提出结论：HClO具有漂白性。上述探究使学生扩展了知识，训练了创新能力，同时初步了解科学实验的现象往往是复杂的、多因素的。这种学习方法，学生是在主动探求中发现创造新知识的，体现了学生的主体作用。4．设置探索性实验如在学习SO2还原性时，提出问题：SO2有还原性吗？假设SO2有还原性。学生自学教材收集资料，设计论证过程：1）SO2能被催化氧化，教师指出这是SO2在催化剂存在条件下所发生的氧化还原反应。2）提问：能否用我们已有的知识通过实验来证明它的还原性呢？学生根据教师提供的实验用品设计了：将SO2分别通入：Cl2Br2水酸性KMnO4现象分析解释学生自己动手实验，分析SO2在反应硫元素价态的变化，得出结论：SO2有还原性，假设成立。此后再引导学生认知H2SO3、Na2SO3的还原性，提示学生注意反应物间量的关系，并提供有效的应用场所使知识加以巩固。由此训练学生创造思维的新颖性和批判性，使学生由知识单一型转变为知识综合型。5.注重实验的改革、设计创新教材中有些实验设计及操作方法虽然都是经过反复验证了的，但实际操作中仍存在着这样或那样的不足，为体现科学方法是需要创新而且是可以创新的，教师应鼓励学生对其不足之处加以改进，这样既符合学生的认知发展特点，又能促进学生对化学理论、化学知识的理解和掌握，并且通过对学生有步骤、有针对性的训练，提高学生的实验设计能力。例如：铜和稀硝酸反应实验中，由于一氧化氮极易与空气中的氧气化合而生成红棕色的二氧化氮气体，学生难以从实验现象上直观地得出稀硝酸与铜反应生成无色的NO气体的性质，通过改进的实验装置（如右图）就可以克服上述缺点。打开分液漏斗活塞，用稀硝酸装满U型管，将管内空气排除，然后关闭活塞进行反应，生成的一氧化氮气体将稀硝酸排入右端的漏斗中，避免了生成的NO气体与空气中氧气接触的可能,而且将NO气体的制备与性质熔为一体，既可以清楚地看到实验的主要产物：无色不溶于水的NO气体和蓝色的硝酸铜溶液。当打开分液漏斗的活塞时，又可演示NO与氧气反应生成红棕色NO2气体，避免了NO2气体对空气形成污染，且该装置能重复使用。6．指导学生设计探索性实验方案学生设计探索性实验方案，要求学生不仅要有实验操作的直观体验，而且要有深入的全面的思考。例如：某光卤石（KCl·MgCl2·6H2O）样品中含有不与NaOH溶液、盐酸反应的杂质，请设计实验测定样品中KCl·MgCl2·6H2O的质量分数。要求根据所提供的实验试剂，选择精确度较高的实验测定方案。可选择的实验试剂有：amol/LNaOH溶液，bmol/LNa2CO3溶液，cmol/LHCl溶液，dmol/LAgNO3溶液，酚酞试液，紫色石蕊试液。这是一个开放性的实验题，学生可设计出多种实验方案。但教师应引导学生思考：（1）根据题目的要求应采用什么方法来测定？（滴定法）。（2）可选用什么溶液滴定？哪种