從教育實(shí)驗(yàn)研究的角度設(shè)計(jì)高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)

邵冰

摘? 要：本文從教育實(shí)驗(yàn)研究的角度，以《Fe（OH）2快速轉(zhuǎn)化成Fe（OH）3》的探究實(shí)驗(yàn)為例，給讀者介紹了一項(xiàng)成功的教育實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確把握的三個(gè)要素以及高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的一般程序。

關(guān)鍵詞：教育實(shí)驗(yàn)研究? 變量

中圖分類號：G633.8? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-1578（2020）01-0117-02

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，近年來高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)部分的考查偏重于化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究，這類試題命題格式相對固定，主要是針對某一化學(xué)情境提出問題，然后針對問題作出合理假設(shè)，再對假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。科學(xué)研究開始于問題，首先要能創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)問題，提出科學(xué)問題。

以《Fe（OH）2轉(zhuǎn)化成Fe（OH）3》的實(shí)驗(yàn)為例：常規(guī)高中化學(xué)教材的實(shí)驗(yàn)方法是把吸有NaOH溶液的膠頭滴管伸入新制的FeSO4溶液的液面以下，可以看到瞬間存在的白色Fe（OH）2沉淀，白色沉淀迅速變成灰綠色，振蕩試管，最終變成紅褐色的Fe（OH）3沉淀。可是事實(shí)上即使半個(gè)小時(shí)后再觀察，試管內(nèi)的物質(zhì)仍為灰綠色，只是在試管壁上有少量的紅褐色物質(zhì)附著。這個(gè)實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間很長而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，怎么樣操作能夠使Fe（OH）2快速轉(zhuǎn)化成Fe（OH）3呢？灰綠色的物質(zhì)究竟是什么呢？筆者做了如下兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)：

1? ?Fe（OH）2快速轉(zhuǎn)化成Fe（OH）3的探究實(shí)驗(yàn)

思考：影響物質(zhì)氧化還原能力的外界因素有哪些？

1.1 實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象

注明：制備氫氧化亞鐵后，用抽濾代替過濾，即節(jié)約時(shí)間又現(xiàn)象明顯。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

改變酸堿度和接觸面積的第II、III組實(shí)驗(yàn)中灰綠色物質(zhì)變成紅褐色物質(zhì)的時(shí)間均比對照組所需時(shí)間短，尤其是第IV組現(xiàn)象非常明顯，片刻間灰綠色物質(zhì)變成紅褐色。

1.3 原因分析

Fe（OH）2轉(zhuǎn)化成Fe（OH）3的過程中發(fā)生了下述反應(yīng)：

4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3，此反應(yīng)中氧氣是氧化劑，影響氧氣氧化Fe（OH）2能力的因素主要有三點(diǎn)：

1.3.1 氧氣的濃度

常規(guī)實(shí)驗(yàn)制備的Fe（OH）2存在于溶液中，因?yàn)檠鯕庠谒械娜芙舛群苄。曰揖G色物質(zhì)變成紅褐色所需的時(shí)間很長而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。抽濾得到的Fe（OH）2直接與空氣中的氧氣接觸，相當(dāng)于增大了氧氣的濃度，縮短觀察灰綠色物質(zhì)變成紅褐色所需的時(shí)間。

1.3.2 介質(zhì)的酸堿性

根據(jù)資料可查，介質(zhì)的酸性越強(qiáng)，氧氣的氧化能力越強(qiáng)。濾紙?zhí)崆坝孟←}酸潤濕的目的就是為了提高氧氣的氧化能力，增大反應(yīng)速率，縮短觀察灰綠色物質(zhì)變成紅褐色所需的時(shí)間。

1.3.3 反應(yīng)物的接觸面積

增大反應(yīng)物的接觸面積，可以增大化學(xué)反應(yīng)速率。實(shí)驗(yàn)中用玻璃棒將濾紙上的Fe（OH）2攤開，就是為了增大Fe（OH）2與空氣中氧氣的接觸面積，縮短觀察灰綠色物質(zhì)變成紅褐色所需的時(shí)間。

其實(shí)上述過程就是一次簡單的教育實(shí)驗(yàn)。教育實(shí)驗(yàn)是研究者根據(jù)研究目的和計(jì)劃，適當(dāng)控制條件，（即排除無關(guān)因素的干擾），對研究對象施加可操縱的影響，然后根據(jù)研究對象的變化，比較準(zhǔn)確地尋找出所施加的影響同教育效果之間是否存在因果關(guān)系的一種研究方法。

我們把教育實(shí)驗(yàn)中涉及到的可以變化的“因素”統(tǒng)稱為“變量”。變量按其在實(shí)驗(yàn)過程中的作用可以分為“自變量”、“因變量”、和“無關(guān)變量”三種。自變量是實(shí)驗(yàn)前假定存在的因果關(guān)系中的原因變量，即本實(shí)驗(yàn)中的酸堿度和接觸面積為自變量。本實(shí)驗(yàn)如何操縱自變量呢？第一種操縱自變量的方法是要使自變量發(fā)生合乎實(shí)驗(yàn)要求的變化：這種變化可以是從無到有的變化，例如：以I組為參照物，II、III、IV組就發(fā)生了從無到有的變化;這種變化也可以是有教育影響，但在形式上、層次上有差異，例如：II、III、IV組相對于I組有層次上的差異。第二種操縱自變量的方法是使自變量真正有效地作用于研究對象：例如改變酸堿度時(shí)，沒有設(shè)置用氫氧化鈉溶液潤濕濾紙這組實(shí)驗(yàn)，就是因?yàn)樵瓉碇苽錃溲趸瘉嗚F就是堿性環(huán)境，再用氫氧化鈉溶液潤濕濾紙也沒有明顯的效果。因變量是實(shí)驗(yàn)前假定存在的因果關(guān)系中的結(jié)果變量，即本實(shí)驗(yàn)中的灰綠色物質(zhì)變成紅褐色所需的時(shí)間為因變量。無關(guān)變量是指教育實(shí)驗(yàn)中除了自變量與因變量以外的其他一切變量，如II和IV組實(shí)驗(yàn)需要提前將濾紙用稀鹽酸潤濕，以便將灰綠色物質(zhì)等分成四份后同時(shí)開始實(shí)驗(yàn)，消除時(shí)間差帶來的干擾。由此可見一項(xiàng)成功的教育實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確把握住自變量、因變量和無關(guān)變量這三者之間的關(guān)系。

2? ?灰綠色物質(zhì)組成成分的探究實(shí)驗(yàn)

在教學(xué)中經(jīng)常有學(xué)生會(huì)問：白色的Fe（OH）2在空氣中迅速變成灰綠色，最終變成紅褐色，灰綠色物質(zhì)是什么呢？借此問題我們熟悉一下實(shí)驗(yàn)探究的一般程序：提出問題——作出假設(shè)——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。假設(shè)灰綠色物質(zhì)是Fe（OH）2和Fe（OH）3的混合物，我們設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

第I組實(shí)驗(yàn)中溶液不變紅色，證明溶解后的溶液中沒有Fe3+生成，說明新制的灰綠色物質(zhì)中沒有Fe（OH）3;第II組實(shí)驗(yàn)中酸性高錳酸鉀溶液褪色，說明溶解后的溶液中含有Fe2+;第III組實(shí)驗(yàn)中生成藍(lán)色的沉淀，說明溶解后的溶液中含有Fe2+。綜合以上三組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們推測灰綠色物質(zhì)不是Fe（OH）2和Fe（OH）3的混合物，應(yīng)該是二價(jià)鐵的化合物，具體是什么有待有興趣的同學(xué)查閱資料繼續(xù)研究。

教師從實(shí)際出發(fā)針對教學(xué)中的困惑與問題開展研究，通過問題的解決，提供可推廣的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際操作方法，這種研究與教學(xué)具有高度的一致性，這是最有生命力的實(shí)踐性研究。在基于真實(shí)問題的真正教育實(shí)驗(yàn)研究過程中教師不僅豐富了自身的教育理論，思維更加縝密嚴(yán)謹(jǐn)，而且教師對自身教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)會(huì)有更多本質(zhì)上的思考，會(huì)有發(fā)自內(nèi)心的研究沖動(dòng)。筆者希望教育科研能夠成為每一位教師的工作方式，做一名研究型的教師，是新時(shí)代教師的光榮職責(zé)，也應(yīng)是新時(shí)代教師追求卓越的目標(biāo)。