基于主題式教學和創新思維培養的實驗教學研究

胡珺晶 張澤 尤菲

摘要：分析了“反應熱的測量與計算”實際教學中存在的3個問題：重理論輕實踐，實驗教學環節的展開不充分，難以凸顯學生的主體作用;單一、純粹的知識性教學大多呈碎片化，內在邏輯性不強，難以凸顯科學知識的意義及價值;簡化的數據分析、重復的數字計算，難以讓學生的創新思維得以培養。提出創設主題式情境進行實驗教學，以期凸顯學生的主體作用，培養學生的創新思維。呈現了“反應熱的測量與計算”的教學實錄，包括“選”薯片、“吃”薯片、“用”薯片等3個環節。通過本節課學生的學習表現分析了教學效果、存在的問題及教學改進的方向。

關鍵詞：反應熱的測量;主題式;創新思維;教學實錄

文章編號：1008-0546（2021）02-0083-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.021

“科學探究與創新意識”是化學學科的核心素養之一。高中化學實驗教學是培養該素養的重要平臺。而“反應熱的測量”作為高中化學實驗教學的重要內容，卻往往在“反應熱的測量與計算”這課時教學設計中被弱化。筆者擬通過創設主題式情境進行實驗教學初探，以期凸顯學生的主體作用，培養學生的創新思維。

一、教學主題內容及教學現狀分析

本節課的內容是高中化學蘇教版選修教材《化學反應原理》專題1“化學反應與能量變化”第一單元“化學反應中的熱效應”第2課時“反應熱的測量與計算”。

本課時的主要內容包括：（1）介紹常見的獲得化學反應熱數據的方法;（2）以“中和熱”的測定為例，讓學生了解反應熱測量的實驗原理、實驗裝置、實驗步驟等;（3）運用蓋斯定律進行計算。

在檢索到的教學設計中的教學思路具有如下共性：一方面，弱化反應熱測量的實驗教學，單一強調可能引起中和熱測量誤差的可能原因。另一方面，強化運用蓋斯定律計算，著重凸顯數據分析與計算。引導學生學會從多個繁雜的熱化學方程式中，理清其之間的關系，結合各種數據計算，再運用類比、歸納等方法小結出此類試題的解題策略，借此培養學生獲取及加工有效信息的能力。

存在3個問題值得關注：（1）重理論輕實踐，實驗教學環節的展開不充分，難以凸顯學生的主體作用;（2）單一、純粹的知識性教學大多呈碎片化，內在邏輯性不強，難以凸顯科學知識的意義及價值，難以養成學生良好的思維習慣，難以提升學生優良的思維品質;（3）簡化的數據分析、重復的數字計算，難以讓學生體驗科學探究的過程，難以讓學生體會科學研究的復雜性，難以讓學生的創新思維得以培養。

二、教學思想與創新點

（1）筆者經“中國知網”進行文獻檢索并結合生活經驗發現，“反應熱的測量”在工業生產上及日常生活中應用廣泛。將與之相關的部分文獻進行梳理（見表1），遴選合適的富有教育教學意義的素材，結合學生生活中熟悉的食品和話題創設主題式實驗教學情境以期重建教學內容呈現的順序、方式和側重點，從而將零散的知識融合一體，增強其內在邏輯性、關聯度，體現化學學科知識或思想的發展內涵。

（2）古語有云：“吾聽吾忘，吾見吾記，吾做吾悟”。蒙臺梭利也曾說過：“我聽過，我就忘了;我看見，我就記得;我做過，我就理解。”這都說明親身體驗的重要性。化學實驗的過程恰恰為學生提供了體驗學習的可能性。同時，實驗是化學學科的重要組成部分，其不僅是學生獲取科學知識、培養創新意識、鍛煉實踐能力的主要方式，也是提升學生核心素養的重要途徑。

在主題式實驗教學中，創設實驗情境、設置任務驅動、優化實驗方案、規范實驗意識。通過學生設計實驗、動手實驗、觀察實驗、改進實驗等環節來增強學生的親身體驗，最大限度地讓學生在自主探索中完成探究能力與創新意識的提升，發展學生的化學思維。

三、教學目標

（1）通過閱讀資料卡，初步認識到“反應熱的測量”在日常生活及化工生產中的廣泛應用，提高對熱化學方程式內涵的認識，理解熱量、熱值與燃燒熱之間的關系。加深對科學本質的認識，感悟化學的學科價值。

（2）通過測量薯片燃燒熱的實驗，理解測量反應熱的基本原理，初步學會反應熱測量的實驗方法。知道定量實驗研究對化學發展的重要作用。

（3）通過對實驗誤差的分析與實驗數據的處理，加深理解蓋斯定律產生的意義，進一步認識到實驗研究與理論形成之間的關系。

（4）通過設計實驗、分組實驗、改進實驗等環節，加深學習體驗，規范實驗意識，提升探究能力，培養創新思維，形成科學精神。

四、教學流程

本節課設置問題驅動，創設以“薯片燃燒”為明線的主題式教學情境，分別以三個環節展開教學，教學流程如表2所示。

五、教學實錄

[環節一]選”薯片

[師]展示圖片--超市一角，在貨物架上擺放各式薯片。

[師]同學們平時吃過薯片嗎？你們知道超市里賣的薯片都有哪些品牌么？你們經常會選擇哪一種？為什么？

[生]樂事。味道好。

[師]有沒有同學不吃薯片？為什么？

[生]吃薯片會變胖。薯片是垃圾食品。

[PPT]在眾多薯片品牌中，我們選擇哪一種會更好？吃薯片真的會胖嗎？薯片是垃圾食品嗎？

[師]實物展示：樂事、可比克的薯片。提問：以咱們常買的兩種品牌薯片為例，我們選哪種呢？

[PPT]提供資料卡：滋補類食品富含眾多營養元素，能供給身體較多營養成分，對人體健康起重要作用。食品的熱值因其化學組成、有機成分含量、種類等的不同而有所差異。食物進入機體后會發生化學物質能量釋放過程，熱值高的物質中化學物質總含量較高。食品的能量價值在一定程度上能從熱值上反映出來，燃燒熱值常用于衡量營養膳食能量的大小，也作為衡量食品品質的一個重要物理科學數據。

[師]讀完資料卡，你能獲取的關鍵信息是什么？

[生]燃燒熱值是作為衡量食品品質的一個重要物理科學數據。

[師]那大家能不能設計一組實驗，讓食品“品質”顯性化呢？

[生]交流討論、匯報實驗方案。

[生]實物投影：實驗裝置圖（見圖1）。

[師]請同學們開始實驗，并及時記錄實驗現象。

[生]分組實驗，匯報現象，得出結論：通過剛才的實驗，我們發現，如果從燃燒產生的熱效應來看食品品質的話，我們可以選擇購買“樂事”。

設計意圖：（1）還原真實的生活場景，取材學生日常熟悉的零食，結合直觀明了的資料卡信息，讓學生迅速融入課堂，輕易即可建立起反應熱測量與薯片燃燒之間淺顯聯系的橋梁。（2）實驗操作簡單且成功率高，讓學生獲得成功的體驗，調動了學生積極參與課堂的情緒，為后續實驗教學的展開奠定基礎。

[環節二]“吃”薯片

[師]提問：“薯片是垃圾食品嗎？吃薯片會變胖嗎？”

[PPT]資料卡：什么是熱量？人體每時每刻都在消耗能量。這些能量是由食物中的產熱營養素提供的。食物中能產生熱量的營養素有蛋白質、脂肪和碳水化合物。它們經過氧化產生熱量，供身體維持生命、生長發育和運動。

生物氧化是指有機物質在生物體細胞內氧化分解產生二氧化碳、水，并釋放出大量能量的過程，主要為機體提供可利用的能量。生物氧化和有機物質體外燃燒在化學本質上是相同的，遵循氧化還原反應的一般規律，所耗的氧量、最終產物和釋放的能量均相同。因此，采用燃燒薯片的方法測定其熱量。

熱值指某種燃料完全燃燒放出的熱量與其質量之比，是一種物質特定的性質，即不同燃料在燃燒過程中化學能轉化為內能的本領大小。在食品化學中，熱值是表示食物能量的指標，指1g食物在體內氧化時所放出的熱量。

[PPT]教材9頁，介紹標準燃燒熱與熱值的概念。

[PPT]測定原理：將待測樣品放人測熱器燃燒室中完全燃燒，并用水吸收釋放的全部熱量而使水溫升高，在常溫常壓下，每1g水升高1℃需吸收4.184J熱量，記錄水的質量和水溫的變化，就可以計算出樣品釋放的能量。此外，要用酒精燃燒做對比實驗。固體燃料完全燃燒釋放的熱量的計算公式是：Q放=mq，式中Q放表示熱量（J），q表示熱值（J/kg），m表示固體燃料的質量（kg），有q=Q放/m（固體）;熱能計算公式是：Q=c·△t·m，式中C是比熱容，m是質量，△t是溫度差。

[師]請大家討論，依據所給的幾段資料，以及桌上的實驗器材，可以設計怎樣的實驗？實驗過程中，需要測量哪些物理量？大家可以邊討論邊嘗試繪制觀察量表，以便于實驗過程中，記錄數據。

[生]分組討論選擇裝置（見圖2），設計實驗數據采集量表（見表3），同時達成共識，本實驗取用50mL水，進行分組實驗。

[師]實驗數據如何處理？

[PPr]提供參考數據C=4.2x10³J·（kg·℃）。q酒精=2.9×10⁴kJ/kg;q碳=3.0×10⁴kJ/kg（摘自百度百科）。

[生]計算。匯報：實驗一組計算結果為樂事薯片每30g的熱量的標準值為684kj，故誤差為56%。實驗二組計算結果為樂事薯片每30g的熱量的標準值為68410，故誤差為52%。

[師]展示樂事薯片配料表。提問：對比配料表，實驗結果出現了誤差。請大家分析討論，形成誤差的原因可能是什么？

[生]裝置熱損失太大;燃燒不充分;溫度計讀數各人有誤差;薯片初始質量太小;這種測量方法是基于食物完全氧化釋放出的能量。由于食物中的能量營養素很多，不會被全部吸收，且消化率也各不相同，因此，消化吸收后在體內也不一定完全被氧化分解釋放能量。

[師]能否在此基礎上做改進呢？

[生]需要特殊材料減少熱散失。

[師]展示圖片淘寶上售賣的酚醛保溫板。

[生]減小裝置敞口范圍。聯想到以前的煤爐燒水--改進裝置（見圖3）。

[師]展示課前改用3片薯片DIS實驗圖（見圖4、圖5）。計算結果：Q薯片=q薯片×m標準值=642kJ

實驗誤差=6.1%，說明確實誤差減小了，但是，還有沒有更精確的測量儀器呢？

[PPT]資料卡：恒溫氧彈式量熱計。

[師]是不是所有物質的燃燒熱都可以用氧彈計測量得到呢？以碳生成CO為例。

[生]不可以。

[師]為什么？怎么辦？

[生]閱讀教材，了解蓋斯定律，完成教材7頁例題。

設計意圖：（1）教師為學生設置的分組實驗任務，讓學生在任務驅動下發揮主觀能動性，選擇裝置、動手實驗、分析數據、改進實驗，從而有效培養學生的創新思維，強化證據意識，提升分析推理能力。（2）測量“薯片”燃燒熱的主線清晰，知識間邏輯性強，借助改進實驗引出量熱計，繼而讓“蓋斯定律”自然而然融入到學生原有的知識體系當中。使學生加深理解蓋斯定律產生的意義，進一步認識到實驗研究與理論形成之間的關系。（3）結合主題式教學情境，開發教材以外的實驗，盡可能地創設實驗條件，讓學生在直觀的感性現象中記憶、理解知識。學生在實驗體驗的基礎上，感受科學發展的艱辛歷程，進一步感悟化學學科的價值和意義。

[環節三]“用”薯片

[師]教材5-6頁“拓展視野”。我們今天運用定量實驗探究了薯片中的熱量，知道薯片中含有的熱量確實很高。據稱，大量食用薯片，容易造成飽脹感，不僅影響正常進餐，而且妨礙身體對營養物質的吸收，破壞營養均衡。據教材介紹，若能量攝入過剩，則會在體內貯存起來。人體內能量的貯存形式是脂肪，脂肪在體內的異常堆積，會導致肥胖和機體不必要的負擔，并可成為心血管疾病、某些癌癥、糖尿病等疾病的誘發因素。因此，薯片要少吃，嘗兩片即可，吃多了會影響健康。當然，實在想嘗幾片，據今天的課堂實驗結果，那就請選擇“樂事”吧。當然，大家已經知道薯片燃燒放出的熱量可以使一定量的水沸騰，那你還知道哪些用途嗎？

[生]討論、交流。是不是只要量夠大，還可以自熱米飯？自嗨鍋？但是這個量怎么控制？

[師]這就還是回到了今天的課題，需要做定量實驗。當然，“反應熱的測量”可不僅僅局限在“薯片”上，在實際生產生活中，“反應熱的測量”應用廣泛。

[PPT]“反應熱的測量”在能源、材料、食品等方面的應用（見表1）。

設計意圖：“反應熱的測量”的實驗貌似不難理解與操作，但為何要學習這塊內容，學生往往并不理解，或者說，學生對定量實驗的興趣往往不如定性實驗。環節三的設計是為了讓學生能夠清晰的感受到定量實驗在科研、生產、生活中的廣泛應用，感悟到本節實驗課的價值和意義。

六、教學效果與反思

1.巧立主題，凸顯主體作用

與主題式教學相關的研究已較為系統，但基于主題式的實驗教學尚不多見。本節課確定“反應熱的測量”為教學重點，重組教學內容，并巧立“薯片”這一學生熟悉的素材作為教學主題的載體，創設了與“測量薯片燃燒熱”相關的多實驗真實情境，引導學生進行自主探究，凸顯學生的主體作用，提高學生運用多學科知識提出、分析、解決問題的高階思維品質。

2.自主探究，培養創新思維

創新思維，人類思維的高級形態。某些專家對創新思維的構成和維度進行了研究，提出，創新思維主要涵蓋：聚合思維和發散思維、邏輯思維和直覺思維、創造思維和形象思維等。本節課不僅提供初中物理、大學實驗、高中選修等多版本多種類教材以及多份文獻資料，讓學生通過閱讀分析提取有效信息，進行加工重組，還布置任務卡，設置多個問題串，提出有效問題激發學生主動質疑，繼而通過自主設計實驗、動手實驗、改進實驗等環節或尋找證據證實猜想或尋求解決問題的方案。在這個過程中，培養了學生的創新思維，即學生學會以問題為中心，多方向、多角度輻射思考，突破已有知識經驗局限，改變固有思維模式，實現對事物新認識，完成實踐創新活動。

3.關注實驗，增強個體體驗

著名化學家戴安邦曾提出：“化學實驗教學是實施全面化學教育的一種最有效的形式。”高中化學實驗教學具有活動性、探究性、參與性等符合培養核心素養的教學要求，故不能在日常教學中重理論輕實踐，一味壓縮實驗教學的比重和教學時間，而應深挖新課程理念下的化學實驗課程內涵，提升學生的核心素養。本節課調整教學內容比例，關注實驗教學過程，重視學科知識的真實情境化創設，提升知識之間的內在邏輯性。本節課從“日常會不會吃薯片？選擇何種薯片？薯片是垃圾食品嗎？”等設問開始，創設“薯片燃燒”主題實驗情境，增強學生的個體體驗，激發學生的學習興趣，促進學生的學習方式轉變，培養學生的創新精神及實踐能力。