基于提升學生實驗科學素養的“翻轉課堂”教學研究*——以“探究銅與濃硫酸反應的異常現象”為例

江合佩

（廈門市教育科學研究院　福建廈門　361003）

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基于提升學生實驗科學素養的“翻轉課堂”教學研究*——以“探究銅與濃硫酸反應的異?，F象”為例

江合佩

（廈門市教育科學研究院福建廈門361003）

摘要：以“探究銅與濃硫酸反應的異?，F象”為例，探索了在翻轉課堂教學模式下基于提升學生實驗科學素養，將科學探究的提出問題和提供背景信息材料環節置于課前，課中從實驗及理論兩個角度進行相互印證，提升學生的化學核心素養與思維品質，強化師生互動，促進情感交流，拓展師生交互性。

關鍵詞：實驗探究；核心素養；翻轉課堂

*福建省教育科學“十二五”規劃課題：翻轉課堂下的高中化學教學研究。課題編號：FJJG15-21。

一、問題的提出

化學是一門以實驗為基礎的學科?；瘜W實驗有助于激發學生學習化學的興趣，創設生動活潑的教學情景，幫助學生理解和掌握化學知識和技能，啟迪學生的科學思維，訓練學生的科學方法，培養學生的科學態度和價值觀［1］。國際課程改革的發展趨勢從關注學生“素質”轉向“核心素養”的研究［2］，以學生核心素養模型來推動和促進課程改革的發展?；瘜W學科的六大核心素養分別為實驗探究、分類表征、宏微結合、模型認知、變化守恒、綠色應用，其中實驗探究能力又排在了第一位，足見實驗對于化學學科學習的重大價值所在。

然而在實際教學過程中，由于學科總課時的限制以及教材中關于教師演示實驗和學生探究實驗界限模糊，使得新課程實施以來學生和教師的實驗能力整體下降是個不爭的事實。雖然教材在編排上都很重視學習的過程，重視探究，但是由于課堂時間緊、任務重，學生的實驗探究往往演變成了老師指導下的驗證實驗，對培養學生的探究精神和科學思維產生了莫大的傷害。鑒于此，將實驗探究當中的演示實驗前置，并且在課前自主學習階段給予學生足夠的學習支架，重新建構教學流程，設計基于提升學生實驗科學素養的翻轉課堂教學模式（圖1）。

圖1實驗探究翻轉課堂教學模式

二、教學過程

1.生成學習資源包

本節課的教學對象是已經在必修1學過銅與濃硫酸反應的高二學生，學習的課題是選修6《實驗化學》模塊第四單元研究型實驗《課題三綜合實驗設計（選學）》，學生們在學習必修1的時候都知道銅與濃硫酸反應會生成藍色硫酸銅溶液和能使品紅褪色的SO2，但實際上實驗過程中很難觀察到溶液呈現明顯的藍色，甚至在實驗過程當中試管底部會出現灰白色固體，銅片表面會產生黑色物質［3-6］。本節課的設計意圖就是通過學生的自主探究來解決與實際實驗事實產生的巨大認知沖突。

在學習資源包的準備上，首先要讓學生感受真實的實驗事實，其次根據元素守恒的觀點確定思考問題的維度，再次根據在解決問題當中需要提供給學生的相關背景知識?；诖?，生成了相關學習資源包。當然，老師在思考解決整個問題當中可能還會存在思維的盲區或者遺漏的關鍵點，因此可以通過給予學生相關的網絡文獻檢索方面的素材讓學生根據探究目標主動查閱有效的資料。

2.微課的設計

微課的設計的目標主要有四方面，一是通過演示實驗給學生創造巨大的認知沖突，二是根據實驗現象引導學生思考并解決問題的方向，三是根據實驗研究問題的方法即控制變量、平行實驗、對比實驗、空白實驗與相關定量方法確定使用恰當的方法解決相關的問題，四是提供學生在解決問題過程中的有價值的信息材料。基于此，微課設計見表1。

表1“探究銅與濃硫酸反應的異?，F象”微課設計

3.課前自主學習

學生進行課前自主學習是個系統性的學習過程，微課視頻的觀看只是提供給學生思考問題的視角。在具體學習過程中，學生應結合多種平臺整合學習資源，形成對問題的基本理解，提出合理的假設，進而與同學進行交流，得出初步統一的意見后，與老師進行在線交流或者面對面交流，進一步確定研究問題的方向。

4.課堂學習

（1）提出假設小組討論

學生以學習小組為單位進行研討、交流、針對老師課前布置需要解決的問題提出假設、設計實驗方案，然后由各組代表在班級交流本組已經確定的實驗方案，同學相互點評進行思維碰撞，教師適時進行點評，確定合理研究方向。全班同學根據三個問題提出相應假設并設計的相關實驗方案如表2所示。

表2學生針對3個問題提出的假設與實驗方案

針對問題3中的濃硫酸最低濃度定量測定問題，學生提出了四種實驗方案：

方案一：取樣，向其中滴加足量氯化鋇溶液，經一系列操作稱量沉淀的質量。

方案二：取樣，向其中滴加足量硫化氫溶液，經一系列操作稱量沉淀的質量。

方案三：取樣，進行酸堿中和滴定操作，測定殘余H+濃度。

方案四：取樣，加入足量鋅粉，量取產生氣體體積。

老師根據上述實驗方案，提出問題讓學生反思與評價，測定問題3的四個方案中哪些方案不合理?哪些方案需要優化?說明理由。

學生在進行分組討論后，對四個方案進行了如下評價：

方案一通過測定反應停止后溶液中SO42-的濃度是不合理的。因為不僅殘留的稀硫酸溶液中存在SO42-，反應生成的硫酸銅溶液中也存在SO42-，因此不能根據電荷守恒推出硫酸的濃度，所以方案一不合理。

方案二通過測定溶液中生成的銅離子的濃度，然后根據元素守恒計算出消耗的濃硫酸的量，由總的濃硫酸的量減去消耗的量即為溶液中殘余的硫酸的濃度。表面上思維沒有任何問題，但是細細品味，就會發現，問題2已經引導同學們思考在實驗過程中會產生黑色物質CuxSy，這樣會消耗一部分銅離子，自然元素就不守恒了，因此方案二也不合理。

方案三通過酸堿中和原理測定溶液中殘余的H+濃度沒有問題。但是需要注意三個問題，一是酸堿指示劑的選擇，二是滴定終點的確定，三是一定要進行平行實驗確認數據的有效性。

方案四通過測定H2的體積，根據元素守恒計算出溶液中殘余的H+也沒有問題，但是需要注意在移液過程中液體不能有任何損耗基于定量觀的問題，其次要注意因為氣體熱脹冷縮如何確定有效讀數的問題。

（2）分組實驗成果展示

學生分三個大組九個六人小組分別完成問題1-3的相關實驗，然后分享各組觀察到的實驗現象，得出結論。

表3問題1實驗、現象、解釋

實驗結論：使用可抽動的鎳鉻絲（頂端纏繞細銅絲）與15 mo1·L-1的濃硫酸共熱，控制反應溫度低于150℃（或溫度高于250℃）。

表4問題2實驗、現象、解釋

有同學針對問題2實驗一提出質疑：試管底部為什么會產生白色無水硫酸銅固體，此時恰好可以通過解釋濃硫酸的吸水性導致生成的硫酸銅溶液由飽和溶液變成過飽和溶液析出白色硫酸銅晶體。

有同學針對問題2實驗二提出兩點質疑：

1.根據強酸（H2SO4）制弱酸（H2S）原理，應該不存在Cu2S和CuS，如何解釋?

2.根據查閱文獻資料：反應①2Cu+2H2SO4（濃）=2CuS+2H2O+3O2的熱力學數據△H=969.3 kJ·mo1-1和△S=508.38 J·mo1-1·K-1反應可能發生的最低溫度為1633.5℃，計算出的結果是△G=807.74 kJ·mo1-1＞0不可能自發進行；反應②4Cu+2H2SO4（濃）=2Cu2S+ 2H2O+3O2的熱力學數據△H=907.3 kJ·mo1-1和△S= 550.58 J·mo1-1·K-1反應可能發生的最低溫度為1374.7℃，計算出的結果是△G=733.34 kJ·mo1-1＞0不可能自發進行。而實驗過程中卻出現了與理論計算相悖的結果，如何解釋?

根據實驗結果與學生認知相悖的實際情況，組織學生進行討論，問題1組織學生從沉淀溶解平衡角度進行思考，得到反應：CuS+2H+=H2S+Cu2+，查閱相關數據得到如下計算過程：

該反應K值過小，因此不能自發進行，同理可得Cu2S也能存在于稀硫酸中。

問題2如果僅僅就反應論反應其計算過程天衣無縫，但是在實際反應過程中，其產物是非常復雜的，查閱相關化學手冊及研究文獻可以得知反應①會產生耦合反應：14Cu+2H2SO4（濃）=2CuS+6Cu2O + 2HO，其反應的△G=-70.42 kJ·mo1＜0可以自發進2-1行；反應②會產生耦合反應：16Cu+2H2SO4（濃）= 2Cu2S+6Cu2O +2H2O，其反應的△G=-144.82 kJ·mo1-1＜0可以自發進行。

表5問題3實驗、現象、解釋

5.反饋與評價

反饋與評價是反映教學效果改善教學過程最重要的環節，因此可采取多種反饋與評價方式，具體針對學生可以采用實驗檢測的方式，將實驗過程設計成試題，抓住典型問題和難點問題進行設問，檢測學生學習的效果；同時應結合調查問卷和師生直接交流談話的方式直接反映學生的心聲。當然學科教師直接的互相點評，找出改進意見也是必要的途徑之一。

三、教學反思

1.翻轉后的課堂培養了學生科學質疑的精神

學貴有疑，尊重科學實驗事實，從異?，F象當中發現問題，進而提出假說，是進行科學研究必備的素質。從學生們最熟悉的教材實驗出發，有助于從最近發展區展開教學，有助于激發學生深入研究教材實驗的興趣，有助于培養學生的質疑精神，有助于培養學生利用實驗及已學反應原理知識綜合解決化學問題的能力。將演示實驗中的異?，F象提前到微課學習，有助于提供充分的時間思考解決問題的方法，有充分的空間利用多種媒體、平臺查閱資料，還原真實的科學研究過程，幫助學生建立解決問題的思維模型，使得實驗探究不是為了探究而探究，不是為了追求進度而降低學生思維的品質，將最重要的提出假設環節棄之如履，而科學精神的消亡也許正從忽略提出微不足道的問題開始。

2.翻轉后的課堂培養了學生實驗探究的方法

由于將演示實驗及提出假設與查閱資料環節前置，為整個課堂爭取了10分鐘左右的時間。在這騰挪出來寶貴的時間里，學生和老師完全有足夠的時間進行交流研討，提出改進意見。在接下來的3個問題解決環節，利用問題1使用單一控制變量的方法幫助學生理清了自變量、因變量、不變量之間的相互關系。利用問題2使用實驗事實與理論計算相互印證的方法幫助學生深刻理解了產物為什么可以穩定存在的原因。利用問題3使用發散思維幫助學生學會從定量的角度分別從重量法（沉淀法）、容量法（酸堿中和滴定）、氣體法來解決定量問題。在獲取有效數據過程中如何合理利用平行實驗、對比實驗、空白實驗等思想方法解決問題，對學生如何進行科學探究，使用合理的探究方法是值得借鑒的案例。

3.翻轉后的課堂培養了學生系統思考問題的能力

仔細研究新課程改革以來全國卷實驗題的難度情況不難發現，難度值基本都維持在0.4左右。為什么學生恐懼實驗題，主要是實驗題往往涉及到元素化合物知識、基本概念、化學用語、反應原理等方面知識的綜合，而在日常教學過程當中，我們的老師往往是割裂開來展開教學，缺乏系統性。但是這節課則是將學生化學實驗之外的化學方程式的書寫（化學用語）、平衡計算（反應原理）等多個模塊知識有機融合，為解決問題服務。這樣基于真實情境的系統教學對培養學生的高階思維無疑有著不可估量的作用，這樣的翻轉課堂無疑會促進實驗教學過程中學生實驗能力真正的提高。

參考文獻

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doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.003

文章編號：1008-0546（2016）02-0011-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B