基于科學素養的小組合作實驗探究

朱清勇

[摘 要]

小組合作探究利用合作實驗營造一個適合養成科學素養的良好氛圍。結合空氣組成實驗教學，從走進化學史培養科學方法科學精神；走進實驗改進發展創新思維；走進小組合作養成團隊探究習慣；走進小組合作提高信息處理能力四方面來提升初中生的科學素養。

[關鍵詞]

科學素養；小組合作；實驗探究

義務教育2011化學新課標明確指出：“義務教育階段的化學教育，要激發學生學習化學的好奇心，使每一個學生以愉快的心情去學習生動有趣的化學，激勵學生積極探究化學變化的奧秘，增強學生學習化學的興趣和學好化學的信心，培養學生終身學習的意識和能力；引導學生體驗科學探究的過程，學習科學方法，在“做科學”的探究實踐中培養學生的創新精神和實踐能力，全面提高學生的科學素養，促進學生得到全方位的發展”。化學作為一門以實驗為基礎的自然科學，化學實驗教學對培養學生科學素質有得天獨厚的優勢，也有義不容辭的責任。通過小組合作討論設計實驗、協作完成實驗、交流總結得出結論，不僅可以培養初中生對化學的興趣，促進學生找到內在的原動力；而且可以培養學生的合作意識和團隊精神。新時代的化學教師要善于用奇妙的化學實驗把化學展示出來，讓學生終生難忘。下面談談筆者在進行滬教版空氣組成測定實驗教學時，是如何挖掘其科學素養教育因素的。

一、走進化學史，加強對學生科學方法、科學精神的培養

空氣組成測定教學蘊涵著諸多科學精神教育因素。實驗教學中我先創設情境，圖片展示240多年前法國化學家拉瓦錫定量研究了空氣的成分。方法是把少量汞放在密閉容器里加熱12天，發現部分液態汞變成了紅色粉末，同時容器里空氣體積減少了約1/5，他發現剩余氣體就是我們學習過的氮氣。拉瓦錫又把紅色粉末放在放在另一個較小的容器中再加熱，得到汞和氧氣，且氧氣體積恰好等于密閉容器中減少的空氣體積。通過實驗拉瓦錫得出空氣由氧氣、氮氣組成，且氧氣約占總體積的1/5。

多位化學家在空氣組成發現史上做出了卓越的貢獻，拉瓦錫測定空氣組成實驗加熱就用了12天，兩位英國科學家發現稀有氣體氬氣用了兩年。化學實驗教師應注重科學方法指導：關注學生實驗時信息記錄的完整性，適時調控學生情緒，實驗觀察要有序、敏銳，眼觀色，手感溫，鼻聞味，耳聽音，多感官協同收集信息才能對實驗有最全面的認識。鮮活的化學史知識能激勵學生敢于進取、勇于奉獻的科學精神，敢于樹立懷疑前人、超越前人的遠大志向。

二、走進實驗改進，促進學生科學創新思維的發展

【師】展示一個密閉的125ml空集氣瓶，如何測定其中氧氣的含量呢？首先要選擇能消耗氧氣又不產生新氣體的物質，且最好實驗過程環保；其次要找到一種測量所消耗氧氣體積的簡單方法。同學們可以小組討論后回答。

【生1】選擇固體紅磷燃燒；用量杯量體積。

【生2】選擇蠟燭燃燒；用量筒量體積。

【師】綜合評價學生建議，符合條件的物質很多，本課我們選擇紅磷和活性鐵粉（也可用暖寶中鐵粉代替）兩種物質。紅磷在點燃的條件下能與空氣中的氧氣反應生成五氧化二磷固體，五氧化二磷固體易溶于水；鐵生銹時消耗空氣中的氧氣，生成暗紅色鐵銹也是固體。

【師】如下面圖2裝置，從左側導管吸氣進行實驗后有何現象？追問為何水會發生倒吸？

【師】如何使測定空氣組成實驗準確、簡潔、高效？滬教版教材P13圖1裝置結合量筒我們可以如何改進裝置？

【生3】圖1選擇用量筒代替燒杯準確量出水的體積變化。

【生4】選擇試管代替集氣瓶減少空氣總量。

【師】確定改進后的裝置圖3和圖4，利用改進裝置我們來小組完成實驗。

教學中我注重鼓勵學生敢于突破常規，求新求異，重視啟發創新思維。為什么改？怎樣改？改進后效果如何？怎樣改，學生小組合作交流集思廣益，將實驗設計改進通過圖示法表達出來。同時將我從資料中收集的改進方法與學生們分享，并把網絡上獲取的傳感器定量測定信息介紹給學生，擴寬學生的視野，讓學生了解最新的初中化學實驗手段，啟發學生的創新思維。創新是一個民族進步的靈魂，而創新思維又是創新的靈魂，傳統的實驗教學忽視了學生主觀能動性和創新思維的發展。

三、走進小組合作實驗，科學團隊探究習慣的養成

實驗小組分工：班級48人平分成6個實驗小組，每組有組長、實驗操作員、觀察記錄員。實驗前期準備：檢查好6套裝置的氣密性；測定的集氣瓶（125ml）和大試管（20mm*200mm）加了橡皮塞之后的容積；將3g還原性鐵粉和烘干的3.4g活性炭粉充分混合研磨后平分成6份。

【師】1、2、3小組用紅磷燃燒測定空氣中氧氣含量；4、5、6小組用還原性鐵粉和鹽水自發反應來測定空氣中氧氣含量。

【生】小組合作實驗探究實驗操作、收集信息、計算得出氧氣體積含量。

【師】我們能夠測出瓶內和管內消耗的氧氣的體積嗎？思考后再交流討論。提示：紅磷燃燒和鐵粉反應前后，集氣瓶和大試管內什么條件發生了變化？

【生5】紅磷在燃燒匙里有剩余，說明氧氣已消耗完了。進入集氣瓶中紅墨水的體積相當于集氣瓶內空氣中氧氣的體積。通過改進：量筒讀數變化可以準確確定反應的氧氣的體積。

【生6】鐵粉在鹽水條件下快速生銹，消耗氧氣使大試管內壓強變小，打開彈簧夾后量筒中紅墨水被吸入導管，被吸入紅墨水的體積等于反應的氧氣體積，量筒讀數好操作。

【師】各小組展示實驗成果（小數后保留一位有效數字），你們測定的氧氣體積百分比是多少？你覺得你們的實驗成功嗎？談談你們的感受和想法？

【生7】我們的紅磷燃燒測定實驗成功了，氧氣占總體積18.8%，我們分工明確速度快。

【生8】我們組用鐵粉實驗成功了，缺點是鐵粉不太容易撒到試管內，但我們最后實驗數據為20.4%，準確度較高，接近科學家拉瓦錫的1/5。

【生9】我們的實驗失敗了，紅磷燃燒現象明顯，量也足夠，就是水沒有倒吸，我們懷疑是不是裝置漏氣了？

【師】成功了5個小組，氧氣含量都是有效的，最佳數據20.4%值得點贊，第3組雖然失敗了，但他們分析了失敗的原因也值得鼓勵。下面我們來討論下他們的糾結的是不是裝置漏氣，課前實驗員準備的應該是氣密性良好的，我來試試氣密性究竟如何？

【拓展探究】用第3組裝置演示氣密性檢查，連接好裝置，先將導管伸入到小燒杯的水中，雙手緊握集氣瓶外壁，觀察到有三個氣泡冒出說明氣密性很好。那么第三組為何水未倒吸呢？

【生10】我們的實驗時用力旋緊了橡皮塞，第3組是不是沒有塞緊。

【師】回答的很精彩，我分析也是未塞緊橡皮塞導致裝置漏氣有空氣進入。歡迎第3組同學課后抽時間到實驗室再試身手，直到實驗成功。

【師】我們在化學第一節中曾經學習了氮氣的用途，知道氮氣可以做保護氣，保護文物，瓜果、糧食等食品，還可以做燈泡的填充氣。通過今天你們小組的實驗探究，你對氮氣有何新的認識？

【生11】氮氣不活潑，不能和紅磷反應，也不支持燃燒。

【生12】空氣中氮氣最多，約占總體積的80%，氮氣不溶于水。

【師】隨著科學的不斷發展，英國的兩位科學家發現通過長期合作實驗研究和推理發現了空氣中另一類氣體——氬氣等稀有氣體。也正是由于科學實驗的不斷發展，才誕生的與生活生產緊密相連的化學學科。下面我們來看一段視頻了解兩位科學家發現氬氣的過程。

小組合作實驗探究根本目的是希望學生有自己的想法，并能親自動手或在他人幫助下完成化學實驗探究，促使學生能提出的更深層次的想法。學生小組討論參與設計實驗方案，在小組實驗過程中，要求學生分工明確、各盡其職，并能主動去分析、推理、交流實驗結論，體驗實驗探究的每一個環節，這對剛接觸初三化學的學生來說挑戰很大。小組合作實驗探究激發了學生的求知欲，學生參與學習的積極性非常高，各組成員紛紛發表自己的意見，教學效果好，其在具體實施目標達成時要有一個循序漸進的過程，不可以操之過急。

四、走進小組合作問題解決，提高學生信息處理能力

【師】空氣中氧氣的體積分數為21%，我們成功的5組實驗數據分析都低于低于1/5，請各小組分析可能是什么原因造成的？

【生13】裝置未完全冷卻；鐵粉或紅磷量不足夠消耗完氧氣；氣密性不好。

【生14】集氣瓶、試管提供的原始體積測量數據偏小了；量筒讀數時錯誤操作導致測出吸入的紅墨水的體積偏小。

【生15】足量的紅磷和鐵粉都不能將空氣中的氧氣反應完；紅磷即使迅速伸入集氣瓶里，還是有氧氣從集氣瓶口逸出。

【師】你們的分析都很棒，量筒讀數原因體現細致，氧氣是否能全反應完和紅磷伸入時氣體的逸出分析很有深度，我們一同來綜合評價這些原因的準確性。

【師】最后我們再來反思我們的兩套實驗改進裝置，通過實驗你覺得優點和缺點有哪些？課后你還可以繼續再改進。

為了使學生的學習從被動轉向主動性，教師要善于抓住學生的好奇心理，促使學生的好奇心向探究心轉化。先讓學生小組實驗自主探究，每個人都能主動投入到學習活動中；再由教師的合理引導，促進學生不斷發現問題，自我解決問題，從而促進學生信息處理能力的提高。在科學研究活動中，處理信息比收集信息更重要。對信息進行有效的篩選、整合，得出科學的判斷是科學探究的核心。在教學中，既要引導學生全面進行信息收集，更要指導他們合理取舍、正確判斷。教師要有意識把實驗探究帶來的直覺興趣引導到對實驗本質的探索上來；同時，教師對學生的設計、操作、結論、反思等探究過程予以鼓勵性評價，這往往會激發學生動手探索的強烈愿望，消減不良的心理因素，提高信息處理能力。

初中化學是啟蒙學科，學生小組合作實驗探究能提高教學效果，更重要的是小組合作實驗探究有利于培養和諧寬松的課堂氛圍。今天的社會也包括學校，競爭被日益重視，以至于學生之間有時漠不關心，更談不上互相幫助。而小組合作探究利用化學實驗能為全班學生提供相互了解、相互關心、相互提高的機會，創造一個適合學生養成科學素養的良好環境。小組合作實驗探究是打開學生心靈之門的一把鑰匙，利于學生有更多的機會體驗化學的神奇、感受團隊共進退的樂趣。

教師要鼓勵學生善于合作而非僅僅是善于競爭，合作多快樂也就多了。小組合作實驗探究能讓學生快樂地學習化學，自然地提高科學素養，這也是我們化學教師畢生追求的目標。

[參 考 文 獻]

[1]義務教育教科書九年級化學上冊[M].上海：上海教育出版社出版，2015（6）.

[2]義務教育化學課程標準（2011年版）.教育部制定[M].北京：北京師范大學出版社.

[3]江軍.利用數字化實驗系統探究鐵的吸氧腐蝕實驗[J].化學教育，2014（7）.

（責任編輯：張華偉）