啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)探究模型建構(gòu)

龔?qiáng)檴?/p>

【摘要】科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。新版人教版教材實(shí)驗(yàn)相關(guān)的欄目設(shè)計(jì)占了很大的比重，而很多學(xué)生容易在實(shí)驗(yàn)題失分，主要原因是對(duì)于實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有思考相應(yīng)的設(shè)計(jì)原理，每一種儀器、每一步操作的作用不明確，缺少思考探究的思維過(guò)程。因此，需要改變?cè)趯?shí)驗(yàn)中注重動(dòng)手但缺少思考的現(xiàn)狀，需要強(qiáng)調(diào)學(xué)生參與設(shè)計(jì)的高級(jí)思維過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】思考;設(shè)計(jì);實(shí)施;素養(yǎng)

一、本課的設(shè)計(jì)初衷。

新版《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版2020年修訂），在必修模塊的第一個(gè)主題“化學(xué)科學(xué)與實(shí)驗(yàn)探究”中，有一句話引起了我的思考“改變?cè)趯?shí)驗(yàn)中注重動(dòng)手但缺少思考的現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)高級(jí)思維過(guò)程”。確實(shí)，近些年，對(duì)于實(shí)驗(yàn)這一塊內(nèi)容，一直在強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，也規(guī)定了一些學(xué)生比作實(shí)驗(yàn)。但是在考試中，實(shí)驗(yàn)題依然是最容易失分的。這與很多學(xué)生沒(méi)有好好思考過(guò)，實(shí)驗(yàn)為什么要這樣做，每一種儀器、每一步操作是什么作用，與缺少這樣的思維過(guò)程有一定的關(guān)系。

《課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。包括提出問(wèn)題或假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、獲取證據(jù)、分析解釋或建構(gòu)模型、形成結(jié)論及交流評(píng)價(jià)等核心要素。從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)確定研究目的、依據(jù)研究目的設(shè)計(jì)方案。學(xué)習(xí)研究物質(zhì)性質(zhì)，探究反應(yīng)規(guī)律，進(jìn)行物質(zhì)分離、檢驗(yàn)和制備等不同類型化學(xué)實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)的核心思路與基本方法。

再分析人教版新教材必修部分內(nèi)容和欄目設(shè)置（如下表），我們看到“思考與討論”占比最大，“實(shí)驗(yàn)”其次，而“實(shí)驗(yàn)活動(dòng)”、“探究”、“研究與實(shí)踐”這些欄目大都與實(shí)驗(yàn)探究有所關(guān)聯(lián)。

所以，我希望通過(guò)帶著學(xué)生們一起設(shè)計(jì)、探究實(shí)驗(yàn)來(lái)給學(xué)生一點(diǎn)思維啟發(fā)。告訴他們，任何實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、操作、改進(jìn)都是由實(shí)驗(yàn)?zāi)康某霭l(fā)，通過(guò)一步一步的探究和實(shí)施來(lái)完成這一目的。也希望能夠啟發(fā)學(xué)生更全面的思考問(wèn)題。

二、課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。

通過(guò)四個(gè)主題實(shí)驗(yàn)展開(kāi)，逐步得出化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般方法。過(guò)程簡(jiǎn)要介紹如下：

1.引課的素材來(lái)自于知名動(dòng)畫(huà)片《名偵探柯南》，里面很多破案的方法都和化學(xué)知識(shí)有關(guān)，中南大學(xué)徐海教授曾做了一系列“柯南和化學(xué)探秘”的短視頻，通過(guò)視頻展示引課。柯南與學(xué)生一樣，也是高一學(xué)生，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的物質(zhì)檢測(cè)引發(fā)學(xué)生的積極性，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了操作和答題的規(guī)范性。

2.通過(guò)離子反應(yīng)概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，歸納出實(shí)驗(yàn)探究的一般方法。

3.根據(jù)性質(zhì)強(qiáng)弱比較實(shí)驗(yàn)，提示學(xué)生多角度思考，按要求改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。

4.通過(guò)以上鋪墊，進(jìn)行“菠菜中鐵元素的檢驗(yàn)”進(jìn)一步落實(shí)設(shè)計(jì)、探究、實(shí)施、操作各個(gè)環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中不斷克服困難，去嘗試、去分析、去查閱資料、去改進(jìn)優(yōu)化。得出更為完整的實(shí)驗(yàn)探究方法。也通過(guò)教師和學(xué)生的前幾次實(shí)驗(yàn)失敗經(jīng)歷，去加深實(shí)驗(yàn)成功后的喜悅感。

然后，設(shè)計(jì)了兩個(gè)應(yīng)用環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)一是根據(jù)“海帶中碘元素的檢驗(yàn)”得出“食品中元素檢驗(yàn)的一般方法”;環(huán)節(jié)二是2020年1月的浙江省學(xué)考真題中的實(shí)驗(yàn)情境分析。使學(xué)生將實(shí)驗(yàn)探究方法與生產(chǎn)生活、課堂學(xué)習(xí)和習(xí)題測(cè)試聯(lián)系起來(lái)。

最后，緊跟時(shí)事，聚焦兩會(huì)，利用“人民日?qǐng)?bào)”發(fā)布的“未來(lái)幾年最值得關(guān)注的行業(yè)新動(dòng)向”，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)探究方法的重要性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

三、課堂教學(xué)過(guò)程。

[引課]：化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，同學(xué)們參與操作了不少實(shí)驗(yàn)，也已經(jīng)做過(guò)非常多有關(guān)實(shí)驗(yàn)的題目。但是，你是否曾經(jīng)參與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，是否曾經(jīng)利用實(shí)驗(yàn)解決過(guò)實(shí)際問(wèn)題呢？我們一起來(lái)試一試。

某地發(fā)生一起命案，犯罪嫌疑人有十分明確的不在場(chǎng)證明，破案線索中斷，使得調(diào)查過(guò)程陷入僵局。就在這時(shí)，一位高一學(xué)生出現(xiàn)在大家面前，（播放《柯南與化學(xué)探秘》視頻片段）柯南指出，兇手很可能在犯罪現(xiàn)場(chǎng)撒了食鹽、生石灰和水，以混淆犯罪時(shí)間的判斷。請(qǐng)你幫助柯南，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

[探究一.樣品成分分析]：首先要確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罊z驗(yàn)的物質(zhì)是什么？（食鹽、生石灰。生石灰遇水就會(huì)反應(yīng)，是以Ca（OH）2形式存在，還有可能存在部分CaCO3。）

問(wèn)題1：拿到樣品首先需要做什么？（取樣—溶解—過(guò)濾—濾液）

問(wèn)題2：向?yàn)V液中加入什么試劑可以進(jìn)行檢驗(yàn)？（HNO3和AgNO3、Na2CO3溶液）

問(wèn)題3：怎樣加比較科學(xué)？（分裝到兩只試管操作）

操作的規(guī)范性很重要，否則將無(wú)法看清實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。同時(shí)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)題的答題時(shí)，也要注意答題的規(guī)范性！要按照“取樣、操作、現(xiàn)象、結(jié)論”的順序，完整規(guī)范地答題。

板書(shū)1：一.操作/答題規(guī)范性：取樣—操作—現(xiàn)象—結(jié)論。

[探究二.離子反應(yīng)驗(yàn)證]：首先還是要明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模訠a（OH）2溶液與稀H2SO4的反應(yīng)為例，驗(yàn)證該反應(yīng)是由離子參加的反應(yīng)。

問(wèn)題1：如何驗(yàn)證溶液中存在離子？（測(cè)定導(dǎo)電性，連接電路觀察燈泡是發(fā)光）

問(wèn)題2：如何驗(yàn)證溶液中的離子濃度發(fā)生了改變？（溶液導(dǎo)電性有溶液中離子的濃度及離子所帶電荷數(shù)決定。觀察隨著稀H2SO4逐滴加入Ba（OH）2溶液時(shí)，燈泡明亮程度，據(jù)此判斷溶液中自由移動(dòng)離子濃度的變化，從而證明該反應(yīng)是離子反應(yīng)）

問(wèn)題3：為了更加清晰的觀察到OH-濃度的變化，我們可以做一個(gè)改進(jìn)，滴加2滴酚酞，通過(guò)溶液紅色逐漸褪去的現(xiàn)象可以判斷OH-濃度的變化。

分析現(xiàn)象燈泡由亮變暗至熄滅后再變亮，溶液紅色褪去，產(chǎn)生白色沉淀。說(shuō)明原溶液有大量Ba2+和OH-，導(dǎo)電能力較強(qiáng);隨著H2SO4的加入，生成BaSO4沉淀和水，離子濃度降低，燈泡變暗至熄滅;又由于H2SO4過(guò)量，溶液中H+和SO42-濃度逐漸增大，但不會(huì)無(wú)限增大，最終逐漸接近于硫酸本身的導(dǎo)電能力。

通過(guò)以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出實(shí)驗(yàn)探究的一般方法。

板書(shū)2：二.實(shí)驗(yàn)探究一般方法：1.明確目的—設(shè)計(jì)方案—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—得出結(jié)論。

[探究3.判斷金屬活動(dòng)性]：對(duì)于物質(zhì)性質(zhì)強(qiáng)弱判斷的實(shí)驗(yàn)探究。依然要先明確目的，再設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

問(wèn)題1：現(xiàn)在有大小形狀相同的鐵絲、銅絲、鋁絲，你覺(jué)得可以采用什么方法比較他們的金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱？（與酸反應(yīng)置換出H2的劇烈程度，相對(duì)于其他方法，比較容易操作和觀察）

問(wèn)題2：一開(kāi)始的現(xiàn)象如何？（只有鐵絲上有氣泡）過(guò)一段時(shí)間后呢？（鋁絲上出現(xiàn)大量氣泡，鐵絲有氣泡，銅絲無(wú)一氣泡）

問(wèn)題3：該實(shí)驗(yàn)需要等待幾分鐘才能出現(xiàn)明顯的現(xiàn)象，可以改進(jìn)一下嗎？

改進(jìn)1：做驗(yàn)證試驗(yàn)前，需對(duì)金屬進(jìn)行怎樣的處理？（除去表面氧化膜）我們繼續(xù)思考，時(shí)間節(jié)省了，有沒(méi)有更好的方案沒(méi)讓藥品也節(jié)省一點(diǎn)呢？

改進(jìn)2：只用一支盛有少量稀鹽酸的試管，只需調(diào)整金屬絲的放入順序，也能證明三種金屬的活動(dòng)性順序。則放入金屬絲放入的順序怎樣更合理？（銅、鐵、鋁，除了考慮物質(zhì)本身的性質(zhì)，還要考慮鹽酸的濃度、甚至溫度的影響）

用更少的資源，更高效地完成，也是我們實(shí)研究和實(shí)際生產(chǎn)生活過(guò)程中經(jīng)常需要考慮的問(wèn)題。所以在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，我們有時(shí)候還需要改進(jìn)方案。

板書(shū)3：2.明確目的—設(shè)計(jì)方案—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—改進(jìn)方案—得出結(jié)論

在以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，接下來(lái)就要開(kāi)始我們這節(jié)課的重頭戲了，不僅需要同學(xué)們一起參與設(shè)計(jì)，還需要大家一起動(dòng)手操作和實(shí)施。我們一起來(lái)完成“菠菜中鐵元素的檢驗(yàn)”

[探究四：菠菜中鐵元素的檢驗(yàn)]：

明確目的：檢驗(yàn)菠菜中的鐵元素。

問(wèn)題1：檢驗(yàn)方法有哪些？（回顧Fe2+、Fe3+的檢驗(yàn)方法）

把菠菜處理一下，菠菜沒(méi)法溶于水，我們可以研磨出菠菜汁。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：菠菜—研磨—浸泡液

問(wèn)題2：綠色的是什么？（主要是葉綠素）能直接檢驗(yàn)嗎？（不利于觀察現(xiàn)象）如何除去？（活性炭吸附脫色）

改進(jìn)1：菠菜—研磨—浸泡液—活性炭—過(guò)濾—濾液

問(wèn)題3：菠菜中的鐵可能以什么形式存在？（Fe2+、Fe3+）向過(guò)濾后的濾液中加入NaOH溶液或酸性KMnO4會(huì)怎么樣？

演示實(shí)驗(yàn)1：取一根菠菜剪碎、加水研磨，加活性炭，攪拌后過(guò)濾，取少量濾液加入NaOH溶液（無(wú)明顯現(xiàn)象）;另取少量濾液加入酸性KMnO4溶液（不褪色）

問(wèn)題4：有沒(méi)有更靈敏的檢測(cè)方法？（先加KSCN溶液再加H2O2溶液）

演示實(shí)驗(yàn)2：再另取少量濾液加KSCN溶液（無(wú)現(xiàn)象）;再加H2O2溶液（仍無(wú)現(xiàn)象）

問(wèn)題5：實(shí)驗(yàn)失敗的最大原因是什么？（如果溶液中有Fe2+或者Fe3+，應(yīng)該是可以檢驗(yàn)的，肯定是還有什么我們沒(méi)有注意到的。這時(shí)候，我們就需要通過(guò)書(shū)籍或者網(wǎng)絡(luò)查詢資料了。）

信息查詢1：菠菜中的鐵元素以草酸亞鐵的形式存在于植物細(xì)胞中，主要以有機(jī)亞鐵鹽的形式存在，菠菜中的草酸和維生素C具有很強(qiáng)的還原性。高溫灼燒能夠破壞植物細(xì)胞壁和葉綠素，使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CO2和H2O除去。

問(wèn)題6：根據(jù)這個(gè)信息，我們剛才的實(shí)驗(yàn)為什么失敗？（濾液中可能沒(méi)有Fe2+、者Fe3+）可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行怎樣的改進(jìn)？（高溫灼燒）

改進(jìn)2：脫水菠菜—灼燒—溶解—過(guò)濾—取濾液加KSCN溶液、H2O2溶液

學(xué)生實(shí)驗(yàn)1：現(xiàn)有灼燒后的菠菜灰，請(qǐng)同學(xué)們完成檢驗(yàn)。（無(wú)明顯現(xiàn)象）為什么還是失敗呢？我們?cè)俨椴橘Y料，克服困難，學(xué)無(wú)止境嘛！

信息查詢2：菠菜中的鐵元素以草酸亞鐵形式存在，草酸亞鐵是一種淡黃色結(jié)晶性粉末，難溶于水，溶于強(qiáng)酸溶液，160℃時(shí)分解為氧化亞鐵。

那么我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)囊徊匠隽藛?wèn)題？

問(wèn)題7：那么我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)囊徊匠隽藛?wèn)題？（用水無(wú)法溶解）灼燒后的灰分中鐵主要以什么形式存在？（FeO或FeC2O4）如何改進(jìn)？（改用酸溶）

改進(jìn)3：脫水菠菜—灼燒—2mol/L稀硫酸溶解—過(guò)濾—取濾液加KSCN溶液、H2O2溶液。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)2：菠菜灰酸溶，過(guò)濾，取濾液加KSCN溶液（淺紅）、加H2O2溶液（紅色加深）

問(wèn)題8：FeO或FeC2O4酸溶后為Fe2+，為什么會(huì)有Fe3+？（灼燒過(guò)程中，有可能被氧化）實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程往往比較復(fù)雜，需要多角度，全面地分析。

我們終于在菠菜中檢驗(yàn)出鐵元素的存在，成功了！在這個(gè)過(guò)程中，我們不斷地改進(jìn)方案、查詢資料、改進(jìn)方案，使得實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程更加完善。因此實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程也需要繼續(xù)補(bǔ)充和完善。

板書(shū)4：3.明確目的—設(shè)計(jì)方案—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—查詢資料—改進(jìn)方案—得出結(jié)論

[拓展遷移1]：海帶中碘元素的檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施，其實(shí)很多食品中元素的檢驗(yàn)方法都會(huì)用到類似的方式。歸納如下：

我們考試的實(shí)驗(yàn)題，大都來(lái)自于生產(chǎn)生活中的這些真實(shí)的情境。

[拓展遷移2]：2020年1月浙江省學(xué)考29題

[聚焦時(shí)事]：通過(guò)不斷學(xué)習(xí)，掌握好科學(xué)探究的方法，不僅能夠提高我們對(duì)問(wèn)題的分析和解決能力，還能讓自己擁有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力！人民日?qǐng)?bào)根據(jù)兩會(huì)精神，匯總了未來(lái)幾年內(nèi)最值得關(guān)注的行業(yè)新動(dòng)向。新能源、新材料、藥物醫(yī)療、芯片研發(fā)、生態(tài)環(huán)境等，這些領(lǐng)域都需要科學(xué)的探究方法。化學(xué)與人類的衣食住行以及能源、信息、材料、國(guó)防、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥衛(wèi)生、資源利用等都有密切的聯(lián)系，它是一門社會(huì)迫切需要的實(shí)用學(xué)科。

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