基于提升學(xué)生實驗科學(xué)素養(yǎng)的“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)研究*——以“探究銅與濃硫酸反應(yīng)的異常現(xiàn)象”為例

江合佩

（廈門市教育科學(xué)研究院　福建廈門　361003）

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基于提升學(xué)生實驗科學(xué)素養(yǎng)的“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)研究*——以“探究銅與濃硫酸反應(yīng)的異常現(xiàn)象”為例

江合佩

（廈門市教育科學(xué)研究院福建廈門361003）

摘要：以“探究銅與濃硫酸反應(yīng)的異常現(xiàn)象”為例，探索了在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下基于提升學(xué)生實驗科學(xué)素養(yǎng)，將科學(xué)探究的提出問題和提供背景信息材料環(huán)節(jié)置于課前，課中從實驗及理論兩個角度進(jìn)行相互印證，提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)與思維品質(zhì)，強(qiáng)化師生互動，促進(jìn)情感交流，拓展師生交互性。

關(guān)鍵詞：實驗探究；核心素養(yǎng)；翻轉(zhuǎn)課堂

*福建省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題：翻轉(zhuǎn)課堂下的高中化學(xué)教學(xué)研究。課題編號：FJJG15-21。

一、問題的提出

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。化學(xué)實驗有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，創(chuàng)設(shè)生動活潑的教學(xué)情景，幫助學(xué)生理解和掌握化學(xué)知識和技能，啟迪學(xué)生的科學(xué)思維，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和價值觀［1］。國際課程改革的發(fā)展趨勢從關(guān)注學(xué)生“素質(zhì)”轉(zhuǎn)向“核心素養(yǎng)”的研究［2］，以學(xué)生核心素養(yǎng)模型來推動和促進(jìn)課程改革的發(fā)展。化學(xué)學(xué)科的六大核心素養(yǎng)分別為實驗探究、分類表征、宏微結(jié)合、模型認(rèn)知、變化守恒、綠色應(yīng)用，其中實驗探究能力又排在了第一位，足見實驗對于化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)的重大價值所在。

然而在實際教學(xué)過程中，由于學(xué)科總課時的限制以及教材中關(guān)于教師演示實驗和學(xué)生探究實驗界限模糊，使得新課程實施以來學(xué)生和教師的實驗?zāi)芰φw下降是個不爭的事實。雖然教材在編排上都很重視學(xué)習(xí)的過程，重視探究，但是由于課堂時間緊、任務(wù)重，學(xué)生的實驗探究往往演變成了老師指導(dǎo)下的驗證實驗，對培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和科學(xué)思維產(chǎn)生了莫大的傷害。鑒于此，將實驗探究當(dāng)中的演示實驗前置，并且在課前自主學(xué)習(xí)階段給予學(xué)生足夠的學(xué)習(xí)支架，重新建構(gòu)教學(xué)流程，設(shè)計基于提升學(xué)生實驗科學(xué)素養(yǎng)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式（圖1）。

圖1實驗探究翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

二、教學(xué)過程

1.生成學(xué)習(xí)資源包

本節(jié)課的教學(xué)對象是已經(jīng)在必修1學(xué)過銅與濃硫酸反應(yīng)的高二學(xué)生，學(xué)習(xí)的課題是選修6《實驗化學(xué)》模塊第四單元研究型實驗《課題三綜合實驗設(shè)計（選學(xué)）》，學(xué)生們在學(xué)習(xí)必修1的時候都知道銅與濃硫酸反應(yīng)會生成藍(lán)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(xiàn)明顯的藍(lán)色，甚至在實驗過程當(dāng)中試管底部會出現(xiàn)灰白色固體，銅片表面會產(chǎn)生黑色物質(zhì)［3-6］。本節(jié)課的設(shè)計意圖就是通過學(xué)生的自主探究來解決與實際實驗事實產(chǎn)生的巨大認(rèn)知沖突。

在學(xué)習(xí)資源包的準(zhǔn)備上，首先要讓學(xué)生感受真實的實驗事實，其次根據(jù)元素守恒的觀點(diǎn)確定思考問題的維度，再次根據(jù)在解決問題當(dāng)中需要提供給學(xué)生的相關(guān)背景知識。基于此，生成了相關(guān)學(xué)習(xí)資源包。當(dāng)然，老師在思考解決整個問題當(dāng)中可能還會存在思維的盲區(qū)或者遺漏的關(guān)鍵點(diǎn)，因此可以通過給予學(xué)生相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)檢索方面的素材讓學(xué)生根據(jù)探究目標(biāo)主動查閱有效的資料。

2.微課的設(shè)計

微課的設(shè)計的目標(biāo)主要有四方面，一是通過演示實驗給學(xué)生創(chuàng)造巨大的認(rèn)知沖突，二是根據(jù)實驗現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生思考并解決問題的方向，三是根據(jù)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(guān)定量方法確定使用恰當(dāng)?shù)姆椒ń鉀Q相關(guān)的問題，四是提供學(xué)生在解決問題過程中的有價值的信息材料。基于此，微課設(shè)計見表1。

表1“探究銅與濃硫酸反應(yīng)的異常現(xiàn)象”微課設(shè)計

3.課前自主學(xué)習(xí)

學(xué)生進(jìn)行課前自主學(xué)習(xí)是個系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)過程，微課視頻的觀看只是提供給學(xué)生思考問題的視角。在具體學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生應(yīng)結(jié)合多種平臺整合學(xué)習(xí)資源，形成對問題的基本理解，提出合理的假設(shè)，進(jìn)而與同學(xué)進(jìn)行交流，得出初步統(tǒng)一的意見后，與老師進(jìn)行在線交流或者面對面交流，進(jìn)一步確定研究問題的方向。

4.課堂學(xué)習(xí)

（1）提出假設(shè)小組討論

學(xué)生以學(xué)習(xí)小組為單位進(jìn)行研討、交流、針對老師課前布置需要解決的問題提出假設(shè)、設(shè)計實驗方案，然后由各組代表在班級交流本組已經(jīng)確定的實驗方案，同學(xué)相互點(diǎn)評進(jìn)行思維碰撞，教師適時進(jìn)行點(diǎn)評，確定合理研究方向。全班同學(xué)根據(jù)三個問題提出相應(yīng)假設(shè)并設(shè)計的相關(guān)實驗方案如表2所示。

表2學(xué)生針對3個問題提出的假設(shè)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(xué)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(jīng)一系列操作稱量沉淀的質(zhì)量。

方案二：取樣，向其中滴加足量硫化氫溶液，經(jīng)一系列操作稱量沉淀的質(zhì)量。

方案三：取樣，進(jìn)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(chǎn)生氣體體積。

老師根據(jù)上述實驗方案，提出問題讓學(xué)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(yōu)化?說明理由。

學(xué)生在進(jìn)行分組討論后，對四個方案進(jìn)行了如下評價：

方案一通過測定反應(yīng)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(yīng)生成的硫酸銅溶液中也存在SO42-，因此不能根據(jù)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(jù)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(xì)細(xì)品味，就會發(fā)現(xiàn)，問題2已經(jīng)引導(dǎo)同學(xué)們思考在實驗過程中會產(chǎn)生黑色物質(zhì)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(diǎn)的確定，三是一定要進(jìn)行平行實驗確認(rèn)數(shù)據(jù)的有效性。

方案四通過測定H2的體積，根據(jù)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(shù)的問題。

（2）分組實驗成果展示

學(xué)生分三個大組九個六人小組分別完成問題1-3的相關(guān)實驗，然后分享各組觀察到的實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論。

表3問題1實驗、現(xiàn)象、解釋

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

表4問題2實驗、現(xiàn)象、解釋

有同學(xué)針對問題2實驗一提出質(zhì)疑：試管底部為什么會產(chǎn)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(dǎo)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(xué)針對問題2實驗二提出兩點(diǎn)質(zhì)疑：

1.根據(jù)強(qiáng)酸（H2SO4）制弱酸（H2S）原理，應(yīng)該不存在Cu2S和CuS，如何解釋?

2.根據(jù)查閱文獻(xiàn)資料：反應(yīng)①2Cu+2H2SO4（濃）=2CuS+2H2O+3O2的熱力學(xué)數(shù)據(jù)△H=969.3 kJ·mo1-1和△S=508.38 J·mo1-1·K-1反應(yīng)可能發(fā)生的最低溫度為1633.5℃，計算出的結(jié)果是△G=807.74 kJ·mo1-1＞0不可能自發(fā)進(jìn)行；反應(yīng)②4Cu+2H2SO4（濃）=2Cu2S+ 2H2O+3O2的熱力學(xué)數(shù)據(jù)△H=907.3 kJ·mo1-1和△S= 550.58 J·mo1-1·K-1反應(yīng)可能發(fā)生的最低溫度為1374.7℃，計算出的結(jié)果是△G=733.34 kJ·mo1-1＞0不可能自發(fā)進(jìn)行。而實驗過程中卻出現(xiàn)了與理論計算相悖的結(jié)果，如何解釋?

根據(jù)實驗結(jié)果與學(xué)生認(rèn)知相悖的實際情況，組織學(xué)生進(jìn)行討論，問題1組織學(xué)生從沉淀溶解平衡角度進(jìn)行思考，得到反應(yīng)：CuS+2H+=H2S+Cu2+，查閱相關(guān)數(shù)據(jù)得到如下計算過程：

該反應(yīng)K值過小，因此不能自發(fā)進(jìn)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(yīng)論反應(yīng)其計算過程天衣無縫，但是在實際反應(yīng)過程中，其產(chǎn)物是非常復(fù)雜的，查閱相關(guān)化學(xué)手冊及研究文獻(xiàn)可以得知反應(yīng)①會產(chǎn)生耦合反應(yīng)：14Cu+2H2SO4（濃）=2CuS+6Cu2O + 2HO，其反應(yīng)的△G=-70.42 kJ·mo1＜0可以自發(fā)進(jìn)2-1行；反應(yīng)②會產(chǎn)生耦合反應(yīng)：16Cu+2H2SO4（濃）= 2Cu2S+6Cu2O +2H2O，其反應(yīng)的△G=-144.82 kJ·mo1-1＜0可以自發(fā)進(jìn)行。

表5問題3實驗、現(xiàn)象、解釋

5.反饋與評價

反饋與評價是反映教學(xué)效果改善教學(xué)過程最重要的環(huán)節(jié)，因此可采取多種反饋與評價方式，具體針對學(xué)生可以采用實驗檢測的方式，將實驗過程設(shè)計成試題，抓住典型問題和難點(diǎn)問題進(jìn)行設(shè)問，檢測學(xué)生學(xué)習(xí)的效果；同時應(yīng)結(jié)合調(diào)查問卷和師生直接交流談話的方式直接反映學(xué)生的心聲。當(dāng)然學(xué)科教師直接的互相點(diǎn)評，找出改進(jìn)意見也是必要的途徑之一。

三、教學(xué)反思

1.翻轉(zhuǎn)后的課堂培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)質(zhì)疑的精神

學(xué)貴有疑，尊重科學(xué)實驗事實，從異常現(xiàn)象當(dāng)中發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而提出假說，是進(jìn)行科學(xué)研究必備的素質(zhì)。從學(xué)生們最熟悉的教材實驗出發(fā)，有助于從最近發(fā)展區(qū)展開教學(xué)，有助于激發(fā)學(xué)生深入研究教材實驗的興趣，有助于培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神，有助于培養(yǎng)學(xué)生利用實驗及已學(xué)反應(yīng)原理知識綜合解決化學(xué)問題的能力。將演示實驗中的異常現(xiàn)象提前到微課學(xué)習(xí)，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(xué)研究過程，幫助學(xué)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(jìn)度而降低學(xué)生思維的品質(zhì)，將最重要的提出假設(shè)環(huán)節(jié)棄之如履，而科學(xué)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(zhuǎn)后的課堂培養(yǎng)了學(xué)生實驗探究的方法

由于將演示實驗及提出假設(shè)與查閱資料環(huán)節(jié)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(xué)生和老師完全有足夠的時間進(jìn)行交流研討，提出改進(jìn)意見。在接下來的3個問題解決環(huán)節(jié)，利用問題1使用單一控制變量的方法幫助學(xué)生理清了自變量、因變量、不變量之間的相互關(guān)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(xué)生深刻理解了產(chǎn)物為什么可以穩(wěn)定存在的原因。利用問題3使用發(fā)散思維幫助學(xué)生學(xué)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(shù)據(jù)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(xué)生如何進(jìn)行科學(xué)探究，使用合理的探究方法是值得借鑒的案例。

3.翻轉(zhuǎn)后的課堂培養(yǎng)了學(xué)生系統(tǒng)思考問題的能力

仔細(xì)研究新課程改革以來全國卷實驗題的難度情況不難發(fā)現(xiàn)，難度值基本都維持在0.4左右。為什么學(xué)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(xué)用語、反應(yīng)原理等方面知識的綜合，而在日常教學(xué)過程當(dāng)中，我們的老師往往是割裂開來展開教學(xué)，缺乏系統(tǒng)性。但是這節(jié)課則是將學(xué)生化學(xué)實驗之外的化學(xué)方程式的書寫（化學(xué)用語）、平衡計算（反應(yīng)原理）等多個模塊知識有機(jī)融合，為解決問題服務(wù)。這樣基于真實情境的系統(tǒng)教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的高階思維無疑有著不可估量的作用，這樣的翻轉(zhuǎn)課堂無疑會促進(jìn)實驗教學(xué)過程中學(xué)生實驗?zāi)芰φ嬲奶岣摺?/p>

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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(xiàn)標(biāo)識碼：B