實驗創新的成果應用于課堂教學的實踐與反思

許乃義

摘要：通過對“空氣中氧氣體積分數的測定”等幾則創新實驗案例的分析，從實驗創新理念及“生態化”、“定量化”、“習題化”等角度對實驗創新進行反思。提出將實驗創新的成果應用于課堂教學時，教師應從培養學生化學學科核心素養及訓練學生化學實驗基本操作技能等目標出發，牢固樹立“以學生發展為本”的實驗創新理念。

關鍵詞：化學課程標準；實驗創新；氧氣體積分數；課堂教學

文章編號：1005-6629（2018）1-0059-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題的提出

《義務教育化學課程標準》在“課程內容”中對“認識空氣”有如下活動與探究建議：通過實驗探究空氣中氧氣的體積分數。現行滬科版和人教版教材均采用如圖1裝置實驗驗證“空氣中氧氣的體積分數”。

在教學實踐中，教師發現用圖l裝置進行實驗時，存在如下幾點不足：（1）紅磷要在集氣瓶外先點燃，導致有少量五氧化二磷擴散在空氣中污染空氣可能危害人體健康；（2）紅磷點燃后伸入集氣瓶的過程中，因為有部分集氣瓶內的空氣向外擴散，導致實驗結果不準確；（3）導管內原有空氣和殘留在導管中的水可能影響實驗結果的準確性。

基于上述不足之處，通過查閱相關文獻資料，發現對該實驗可從以下三個方面作探究改進：（1）使實驗結果更加準確；（2）使實驗更加綠色化；（3）使實驗操作更加簡便、快捷。

本文擬結合“空氣中氧氣體積分數的測定”等幾則實驗改進的典型案例的分析，談談將化學實驗創新的成果應用于課堂教學的一些思考和建議。

2典型案例分析

2.1用現代化的數字傳感技術改進傳統實驗

數字化實驗已悄然走進中學化學課堂，在一次省級實驗創新調演比賽中，有近四分之一的實驗創新用到了數字化實驗，數字化實驗能快速、準確、實時地采集數據，并能自動記錄和處理數據，這是傳統實驗所不具備的。

某次市級初中化學評優課活動中，一位老師用數字傳感器代替圖1實驗，快速、準確地測出空氣中氧氣的體積分數，“節省”了寶貴的課堂教學時間。但這樣對圖1實驗的創新設計并沒有得到評委們的認可，因為圖1實驗為驗證性實驗，通過實驗得出空氣中氧氣的體積分數僅是實驗目的之一，另外，還應該讓學生領悟化學家們測定空氣中氧氣含量的實驗原理，通過對實驗誤差的分析，還能培養學生科學、嚴謹的實驗態度等。用數字傳感技術直接告訴學生實驗結果，顯然不能達到這樣的教學目標。

2.2可燃物的點燃方法

目前，對可燃物點燃方法的改進主要有以下2種：

這兩種改進優點是：提高了測定結果的準確性，又可以避免五氧化二磷的擴散，使得實驗更加綠色化。但圖2實驗很明顯受環境影響較大，如果是陰天或雨天，實驗就做不了；另外集氣瓶不是均勻受熱，實驗過程中集氣瓶還可能會爆裂。圖3實驗對電壓的控制等操作比較復雜，且讓電熱棒冷卻至室溫需要耗費一定的時間，課堂上的寶貴時間是否允許值得商榷。

2.3裝置

常見的對裝置的改進設計如下：

改進后裝置與圖1裝置相比，磷的燃燒自始至終都在密閉容器內發生，克服了圖1實驗的不足，且將注射器、破裂的試管用于實驗，對學生做家庭小實驗的取材等是很好的啟發。但筆者通過實踐發現：圖4和圖5實驗由于注射器活塞與筒壁間摩擦力的作用，實驗結果往往偏小，改進后三套裝置由于連接處較多，在保證氣密性良好的操作上遠沒有圖1實驗簡單。

2.4用其他可燃物代替紅磷

這種改進方法用銅和白磷代替紅磷最為常見。用銅代替紅磷的優點是克服了五氧化二磷可能產生的危害。但筆者通過實踐發現：銅與氧氣的反應消耗氧氣速度要比磷燃燒慢很多，從“向課堂45分鐘要效率”角度出發，顯然用紅磷比銅好。由于白磷著火點只有40℃，克服了圖1實驗在集氣瓶外點燃紅磷的缺點，但白磷有毒且易自燃，所以無論是取白磷的過程，還是對實驗結束后剩余白磷的處理等，遠沒有紅磷簡單；另從學生角度出發，做圖1實驗時，學生剛接觸化學不久，用白磷做實驗，還可能引起學生對化學實驗的恐懼感。綜合以上各因素，這也許是圖1實驗選用紅磷作可燃物的原因。

3幾點思考

3.1牢固樹立以“以學生發展為本”的實驗創新理念

“讓學生有更多的機會主動體驗科學探究的過程，在知識的形成、相互聯系和應用過程中養成科學的態度，學習科學方法，在‘做中學的探究實踐中培養學生的創新精神和實踐能力”，是新課程倡導的基本理念之一。化學實驗是學生進行科學探究的重要方式，通過實驗課教學所掌握的化學實驗技能是學生學習化學和進行探究活動的基礎和保證，也是學生獲取知識、發展化學能力的源泉。按照實驗目的，可將實驗分為驗證性實驗、探究性實驗和應用性實驗，不同類型的實驗，有不同的教學功能。對“空氣中氧氣體積分數的測定”這類驗證性實驗進行實驗創新，教師應牢固樹立“以學生發展為本”的實驗創新理念，發揮其最大教學功能。

3.2實驗創新要防止過度“生態化”

實驗創新的生態化是指在實驗創新過程中運用生活化素材優化實驗，實現化學實驗的無害化、綠色化。主要表現在以下幾個方面：（1）將可能產生有害物質的實驗由敞口體系改為封閉體系，如圖2等。（2）“集成化”處理實驗。如將圖1實驗燒杯中的水換成硫酸銅溶液，利用硫酸銅與五氧化二磷的反應，實現五氧化二磷的“零排放”，還可以利用硫酸銅溶液的藍色更方便地讀取實驗數據。（3）“微量化”處理藥品用量。如圖5，和圖1相比，反應容器變小了，藥品用量自然就少了。無論采取何種形式，其根本宗旨都是為燒杯A了實現“綠色化學”，減少環境污染，保護人體健康。

《義務教育化學課程標準》要求通過化學實驗，使學生“樹立綠色化學思想，形成環境保護的意識”。在實驗創新的過程中，教師對教材實驗進行“生態化”改進值得鼓勵，但這類實驗改進應把握好度。再如探究“微粒的運動”實驗，滬科版教材采用如圖7方法進行實驗，部分教師對此實驗作了如圖8的實驗改進。endprint

與圖7實驗相比，圖8實驗優點如下：（1）試劑“微量化”處理，節約了藥品用量；（2）實驗由敞口體系改為封閉體系，避免氨氣污染環境。但圖8實驗的“可視化”程度明顯降低，另外改進后實驗的安全性也不能完全保證。在某次市級實驗創新比賽中，有選手用圖8裝置進行實驗，發生了橡皮塞沖出試管口的安全事故。筆者認為，學生通過正確操作偶爾聞一下氨氣、氯化氫、氯氣等刺激性氣體的氣味也是必要的，由于學生聞過氯氣等氣體的氣味，當遇到類似氣體泄漏事故時，便能第一時間判斷是何種氣體，對他們進一步采取防范措施提供有益幫助。

3.3提倡定性實驗與定量實驗相結合的實驗新方法

定量實驗是化學實驗課程體系中的重要組成部分，它能有效地引導學生從量的角度認識物質的組成、性質及其變化規律。初中化學實驗大多是定性實驗，定量實驗很少。對教材部分定性實驗作定量研究，對初中學生形成“認識定量研究對化學科學發展的重大作用”的觀念有很大的啟發作用。

如圖1實驗可補充以下兩個定量研究：（1）計算實驗所需紅磷的量；（2）測量實驗結束后集氣瓶內的氧氣體積分數。

做圖1實驗時，為了說明集氣瓶內的氧氣已被“完全消耗”，教師在實際操作時，取紅磷的量比實際需要的量要多很多，從節約藥品的角度，教師可作如下定量研究：根據集氣瓶的體積，通過化學方程式估算出大約需要的紅磷的量，再用托盤天平稱量。

對于圖1實驗，在條件允許的情況下，還可用數字傳感器測量實驗結束后集氣瓶內的氧氣體積分數。通過測量讓學生明白：即使紅磷過量，也不能完全消耗集氣瓶內的氧氣。這一定量研究有助于培養學生“變化觀念與平衡思想”這一化學學科核心素養。

3.4慎用“實驗題”創新教材實驗

《義務教育化學課程標準》在“教材編寫建議”中指出：教材編寫過程中必須充分體現實驗在培養學生科學素養方面的獨特作用。教材實驗是學科專家們根據“課標”的要求，緊緊圍繞初中化學核心知識精心選擇的，能提供給學生感性認識，增強知識的直觀性，為學生的科學探究提供直接或間接的證據。考慮到初中生的實際，教材實驗裝置往往比較簡單，實驗所需儀器也是初中化學實驗室中比較常見且易于操作的。

在某次市級實驗創新比賽活動中，有選手用如圖9、圖10裝置對“驗證二氧化碳的性質”實驗進行創新改進（圖10中a、c為用紫色石蕊試液浸泡過的濾紙條，b為用紫色石蕊試液浸泡過的濾紙條且經過晾干處理）。

通過選手邊演示邊介紹得知：他們對實驗改進的“靈感”均來自于對一些“實驗題”的改編。這類“實驗題”往往是對教材實驗進行“集成化”、“綜合化”的加工和處理，能全面考查學生對教材實驗的掌握情況，但如將這些實驗直接應用于課堂教學，無疑脫離了實際，使原本簡單易操作的教材實驗變得比較復雜，且學生的注意力和思維的重心可能會被引到對實驗裝置的構造及實驗原理的分析上，反而忽略了對實驗現象的觀察，這顯然違背實驗教學的初衷。

4結語

從培養學生“實驗探究與創新意識”這一學科核心素養角度出發，對教材實驗進行“簡易化”、“生態化”、“可視化”、“數字化”、“趣味化”等實驗創新，化學實驗才會更加充滿活力，保持其在化學教學中的獨特魅力。在實驗創新過程中，教師應處理好實驗教學與實驗創新的關系，如將實驗創新的成果應用于課堂教學，則一定要牢固樹立“以學生發展為本”的實驗創新理念。endprint