“科學探究中的實驗設計”教學案例及反思

林愛華

（南京市中華中學上新河初級中學 江蘇南京 210017）

“科學探究中的實驗設計”教學案例及反思

林愛華

（南京市中華中學上新河初級中學 江蘇南京 210017）

以“科學探究中的實驗設計”教學設計為例，對初中化學科學探究主題中的實驗方案的設計進行了總結、歸納和提升，并創新了一些實驗設計。

實驗設計；情境創設；轉換法；對比法；復習課

一、背景分析

化學是一門以實驗為基礎的科學。著名化學界老前輩、化學史權威袁翰青說，學生不做實驗是學不好化學的。戴安邦教授曾經指出：“搞化學實驗，不管怎樣增加，都不會過分?！边@是他們在一生科學生涯中總結出來的精辟論斷，同時也說明了化學實驗在化學教學中所起的不可估量的作用。在化學教學中，實驗是學生學習的前進動力，是學生學習興趣培養的催化劑。尤其是在新課程改革中，更強調了實驗的重要性?；瘜W實驗對于化學課程目標的全面落實具有重要的作用，在復習課中要圍繞核心知識內容精選有關的實驗內容，設計有科學探究意義的實驗活動，應用化學知識探究和解決實際內容。學生科學探究中怎樣進行實驗設計以及設計什么樣的實驗進行科學探究是制約著學生進行科學探究的主要因素。

科學探究是化學新課標內容的一級主題，它既作為學習的方式，又作為學習的內容和目標，必須落實到其他各主題的學習中。科學探究屬于方法性內容、程序性知識，不能用準確的語言和符號來表達，長期以來沒有作為狹義的知識出現，教材中也沒有以文本形式體現，只是大量的具體探究實例。對于科學探究學習的評價，在目前的紙筆測試中也無法全面的對學生的科學素養進行評價，學生喜歡實驗卻缺乏科學探究的意識。掌握科學探究的一般方法可以提高學生的科學探究能力，促進學生的可持續發展。

基于這樣的認識，在對人教版初中化學教材中有關內容進行歸納整合后并借鑒學生平時反饋情況的基礎上，筆者開設了一節科學探究中如何進行實驗設計的復習課。通過學生分組實驗引出科學探究的一般要素，點出本節課要解決的問題：如何進行實驗的設計。通過回歸教材、總結歸納、嘗試設計實驗等環節層層深入，提煉出常用實驗設計的方法，使科學探究的內容和方法明朗化、顯現化。

本節課的目的是讓學生：（1）從學生分組實驗中不同實驗裝置類似實驗原理出發，激疑進而展開猜想等活動引導學生了解科學探究的一般要素。（2）分析歸納實驗設計的一般方法，再次認識教材中的許多實驗設計。為此，筆者一方面借助于分組實驗，動手實踐的切身體驗，將學生進一步置身于探索者、發現者的角色，引導學生了解常用實驗設計方法的基礎之上，交流討論、合作探究完成實驗設計；另一方面又借助于多媒體教學手段，將自然、社會、生物等各個領域中的相關知識有效整合進本課教學，充分放大知識點的應用，努力折射出枯燥的實驗設計背后所散發的獨特魅力。

二、教學案例描述

1．情景1

將班級學生分組，每六人一小組完成兩個興趣小實驗。

圖1

實驗1：將注射器內的液體注入到錐形瓶中，振蕩，觀察現象。

實驗2：將小氣球內的液體注入到軟塑料瓶中，振蕩，觀察現象。

實驗3：將注射器內的液體注入到集氣瓶中，振蕩，觀察現象。

師：你看到了什么現象？

生：展示裝置并描述裝置發生的現象。

師：三套裝置產生的現象各不相同，它們的實驗原理類似嗎？

生：三套裝置都是密閉的，由裝置內壓強減小引起裝置中部分器材產生形變從而觀察到明顯的現象。

師：哪些液體和氣體能讓裝置產生這樣的形變呢？

生：互相討論后回答。（1）氫氧化鈉溶液和二氧化碳氣體；（2）水與二氧化碳或二氧化硫或氯化氫氣體；（3）水與氨氣；（4）稀硫酸與氨氣……

師：針對剛才老師的疑問，你們做出了猜想，接下來我們還需要設計實驗、進行實驗、驗證猜想、得出結論、反思與評價等。這就是一般進行科學探究的要素。

師：剛才同學們的實驗裝置中的液體是氫氧化鈉溶液，瓶內氣體是二氧化碳。我們知道氫氧化鈉與二氧化碳的反應無明顯的實驗現象，你能通過老師的實驗設計明白其中的設計原理嗎？（教師分步演示實驗。見圖2）

圖2

師：演示實驗1、2、3步，此時能證明氫氧化鈉可以與二氧化碳反應嗎？

生：可以，先讓二氧化碳與水反應，當反應不再進行時加入固體氫氧化鈉，通過塑料瓶的變癟程度可以判斷出氫氧化鈉能與二氧化碳反應。

師：象這種沒有明顯現象的反應，通過巧妙的實驗設計，讓隱性實驗顯現化。這種實驗設計的方法可以歸納為轉換法。

師：要證明一個化學反應是否發生，我們除了通過觀察實驗過程中伴隨的明顯現象外，還可以有什么方法呢？

生：檢驗是否有新的生成物。

師：演示實驗4。

師：在設計實驗驗證化學反應能否發生時，不要忘記緊扣化學反應的本質有新物質生成，通過后續實驗檢驗有新的生成物或檢驗反應物消失（減少）也是途徑之一。

學以致用：提供氫氧化鈉和碳酸鈉分別在水和乙醇中的溶解度，讓學生根據信息設計實驗，證明二氧化碳能與氫氧化鈉反應。

表1 NaOH、Na2CO3在水中的溶解度：

表2 NaOH、Na2CO3在乙醇中的溶解度：

學生分組討論設計實驗、分組匯報、評價實驗方案、演示實驗。

師：人教版九年級化學上下冊教材中哪些實驗設計用到了轉換法？實驗的目的分別是什么？

學生分組討論，匯報。

生答：如分子運動看不見，可轉換成可見的酚酞溶液的變紅證明分子的運動，把微觀粒子的運動宏觀化。又如，探究空氣中氧氣含量的實驗，該實驗氧氣的體積看不見也不易測量，可轉換成水的體積進行觀察，把間接的現象直觀化。再如氫氧化鈉溶液和二氧化碳的反應無明顯現象，可轉化成先在氫氧化鈉溶液中滴入無色酚酞，然后再加稀鹽酸至紅色突然褪去，證明酸和堿之間確實發生了化學反應，等等。

2．情景2

師：剛才同學們的分組實驗中，密閉容器內的壓強減小導致部分裝置發生形變可以證明氫氧化鈉能與二氧化碳反應嗎？

生：氫氧化鈉溶液中的水也可以和二氧化碳發生反應導致裝置內的壓強減小，所以僅通過密閉裝置壓強減小無法判斷氫氧化鈉能否與二氧化碳反應。

師：如何用這樣的裝置設計實驗證明氫氧化鈉能與二氧化碳反應呢？

生：將剛才裝置中的氫氧化鈉溶液換成等體積的水做對比實驗即可。

師：很好！對比法也是我們常用的實驗設計法之一。設計對比實驗時關鍵要弄清楚實驗的目的是什么？實驗中的相同因素和不同因素分別是什么？下面請同學們回顧一下教材中哪些實驗設計運用了這種方法？

生：互相討論。

生答：⑴對人體吸入的空氣和呼出的氣體的探究；⑵探究二氧化錳對過氧化氫溶液分解速率的影響以及不同種類的催化劑對化學反應速率的影響；⑶木炭、硫磺、鐵絲等分別在空氣與氧氣中燃燒；⑷探究燃燒的條件；⑸探究金屬活動性順序的實驗等等

師：下面我們來討論幾個比較典型的對比實驗（見表3）。

表3 典型的對比實驗

學生討論歸納，教師引導糾錯，深刻理解每個實驗的目的及相同與不同的因素。

師：鐵在潮濕的環境下會生銹，銅如果也置于潮濕的環境中是否也會生銹呢？

生：也會生銹，有銅綠生成。

學以致用：李明同學視力不好，戴了一副眼鏡（銅制眼鏡框），某日發現鏡框上出現了綠色物質，通過學習知道，該物質是銅銹，主要成分是Cu2（OH）2CO3（俗稱銅綠）。

【提出問題】銅在什么條件下生銹？

【假設猜想】根據銅綠的化學式，猜想銅生銹可能是銅與_______、_______、_______共同作用的結果。猜想的依據是______________。

【設計與實驗】

實驗裝置實驗現象

師：實物投影學生設計的實驗方案，與學生一起評價各種實驗方案的優缺點，并確定最佳實驗方案。

師：通過今天的學習，同學們對科學探究不再茫然，對實驗設計不再無助。實驗設計的能力有了一定的提高。在現實生活和今后的學習中要針對不同實驗目的靈活運用多種實驗設計方法進行科學探究。

三、教學反思

學生是課堂的主體、學習的主人，在課堂教學中只有將學生的興趣激發出來，潛能挖掘出來，課堂才會有生命力。本節課通過分組實驗步步設疑、創新實驗設計激發思維、身邊熟悉的變化層層剖析使得整節課上同學們個個興趣盎然，紛紛獻計獻策設計實驗方案完善實驗方案。

思維是課堂生成的前提和內核，啟發學生進行思維不但可以是枯燥難解的教學活動變得生動有趣，而且更易達成教學目標。如何在課堂上讓學生保持持久的求知欲，這就需要教師分析學情，研究教材，精心設計課堂教學，引導學生在課堂中主動需要和探索新的未知知識。

1．注重情境創設，助推學生的認知行為

教學情境的功能不只是導課。好的教學情境對學生的認知活動、情感活動和實踐活動等都具有激發、推動、維持、強化和調整的作用，在教學的全過程中發揮著作用。本節課選著學生分組實驗“密閉容器中液體和氣體混合”的情境，在教學進程的不同階段出現，起到了三個作用：一是引入新課，激趣質疑；二是利用實驗情境突出實驗裝置設計的巧妙性，引出了實驗設計的方法——轉換法；三是承上啟下的過渡到另一種實驗設計的方法——對比法。一組興趣實驗的情境創設串起整節課的主干知識，讓學生通過親自實踐形成感性認識，在剖析實驗原理、歸納實驗設計方法的過程中促進學生進行思維聯想，便于學生對知識進行重組和改造，幫助學生知識的同化和順應，最終促進學生理性認知的發展。

2．改進實驗設計，彰顯實驗的方法功能

《義務教育化學課程標準》明確要求科學探究氫氧化鈉的性質，氫氧化鈉與二氧化碳的反應是一個無明顯現象的重要反應。從各類教參資料及近幾年中考實驗命題來看，設計該實驗一般采用對比的方法或直接檢驗生成物的方法。筆者重新設計實驗：在塑料瓶中充滿二氧化碳氣體，倒入半瓶蒸餾水（在瓶口掛上裝有片狀氫氧化鈉固體的塑料小藥瓶）振蕩，觀察實驗現象；倒置塑料瓶，讓氫氧化鈉與剩余的二氧化碳反應，觀察現象；用注射器注入稀鹽酸，觀察現象。將該實驗與學生分組實驗對比分析，總結出兩種常見實驗設計方法，突破了本節課的教學重點和認知難點。

優化整合的實驗起到了構建新知、形成概念、運用知識、培養探究能力等多種功能。

3．注重知識遷移，全面發展科學素養

學習的最終目的不是將知識儲存于大腦中，而是要將知識靈活運用于不同的實際情境中，解決現實生活中的各種問題。為了提高學生綜合應用知識的能力，教師需要幫助學生夯實“雙基”，將所學的知識條理化、系統化，構建知識體系。通過知識的遷移和綜合運用，把科學思維的方法教給學生，提高學生應用化學知識和科學方法解決實際問題的能力與技巧，為學生的可持續發展奠定必要的基礎。

［1］中華人民共和國教育部制定．全日制義務教育化學課程標準（2011年版）［S］．北京：北京師范大學出版社，2012

1008-0546（2015）07-0050-03

G632．41

B

10.3969／j．issn．1008－0546．2015．07．017