基于證據推理的教材實驗拓展教學

呂旭東 劉文 鹿杰

摘要：以教材中的兩個實驗進行拓展為例，引導學生對出現的“異常現象”提出問題，并開展基于證據推理的實驗探究。在“證偽”和“證實”過程中強化學生對知識的理解，培養學生化學學科核心素養。

關鍵詞：證據推理;實驗探究;教材實驗;拓展教學

文章編號：1008-0546（2021）05-0095-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.024

教材中的化學實驗不僅僅是課堂教學的重要組成部分，也是幫助學生理解化學知識和提升實驗技能的關鍵突破口。從隱性的價值來看，化學實驗可以激發學生學習的興趣和探究的欲望，有效培養學生的觀察能力、實踐能力及思維能力，同時也是發展學生化學核心素養，形成化學學科觀念的重要途徑。倘若把教材中的一些實驗進行適當拓展和延伸，精心設置情境，有目的地引導學生進一步開展實驗探究，勢必會加強學生科學探索的體驗，擴大學生思維的深度和廣度，對增強教學效果起到事半功倍的作用。

筆者從證據推理的視角，以“草酸和高鎰酸鉀酸性溶液反應”和“氫氧化鎂沉淀溶于氯化銨溶液”兩個教材實驗為例，開展實驗拓展教學，旨在探索培養學生化學學科核心素養。

一、基于證據推理的實驗拓展教學

1.草酸和高鎰酸鉀酸性溶液反應

“草酸和高鎰酸鉀酸性溶液反應”是人教版高中化學選修4第20頁實驗2-2的內容，該實驗在教材中的功能是探究反應物濃度對化學反應速率的影響，探究結果為：在相同條件下，0.2moI/L的草酸比0.1 mol/L 的草酸使高鎰酸鉀溶液褪色時間短，以此說明了增大反應物的濃度，可以加快化學反應的速率。查閱相關文獻，不少文章幾乎一致的深入探討了該實驗實施的最佳條件或理論解釋實驗出現的特殊現象，而鮮有人介紹它在拓展教學中的功能。

綜合教材實驗內容和劉文芳⑴老師對該實驗最佳條件的研究，并結合實際情況，課堂教學采用以下濃度和體積的試劑進行實驗，見表1所示。

根據該反應的離子方程式引導學生思考比較實驗1和實驗2反應快慢的方法。經小組討論，主要提出以下方法：對比溶液褪色的先后;對比溶液pH變化快慢;對比封閉條件下產生CO？的快慢等。根據溶液褪色判斷， 雖然實驗操作簡單，現象明顯，但學生無法感受到反應的進程。因此，為了更詳盡地表達該反應，便于后續的拓展實驗，要求學生采用數字化實驗開展探究。

【探究1】分別向兩個塑料瓶（容積300mL）中加入表1中的試劑：溶液—硫酸溶液—不同濃度 H2C2O4溶液，振蕩后利用CO2傳感器（Vernier， T同）同時測封閉條件下CO2的含量，如圖1（a）所示。

實驗曲線不難發現，單位時間0.2mol/L草酸溶液反應產生的CO2含量大，得出了反應物濃度大，化學反應速率快的結論。除此以外，不少學生敏銳地發現了曲線呈現出來的特殊性：反應剛開始生成CO2的速率較慢，過一段時間迅速加快。就濃度的角度考慮，隨著反應的進行，反應物濃度減小，反應速率應該減小， 什么原因導致了速率的“異常現象”呢？針對這一問題，學生展開了討論，老師從影響反應速率的因素方面適時引導，最終假設集中在兩個方面：

假設一：反應放熱，溫度升高導致反應速率迅速增大;

假設二：反應生成的MnSO4起到了催化作用。

【探究2】基于假設一，用表1中實驗2的試劑及用量開展探究，采用溫度傳感器測反應溫度的變化（見圖2）。

證偽：由圖2可知，反應過程中溫度變化由開始的25.0℃至最高26.2℃，說明該反應放熱，但熱效應非常小。學生通過查閱資料：經驗告訴我們，溫度每升高10℃，許多反應的速率會增大2?4倍⑵。然而，由圖1發現，0?200s時間段CO2含量增加了約500ppm，而200?400s時間段CO2含量增加了約3000ppm，僅僅升高了1.2℃，反應速率卻增大已超6倍，遠遠超越了溫度對速率的影響，因此，假設一不成立。

如何設計實驗證明是MnSO4起到了催化作用呢？很多學生都設計出了實驗方案，但部分學生卻忽略了控制變量的原則，經各小組討論，最終達成一致并進行探究。

【探究3】取完全相同的兩份表1中實驗2的試劑和用量，其中一份加入少量MnSO4固體，同時進行對比實驗測CO2的含量（見圖3）。

證實：加入MnSO4固體的塑料瓶中，單位時間產生 CO？多，即反應速率快，證明MnSO4起到了催化作用。

2.氫氧化鎂沉淀溶于氯化銨溶液

學習“難溶電解質的溶解平衡”這一節時，教材就“沉淀的溶解”內容安排了一組實驗，但并沒有說明實驗藥品的濃度及用量，筆者課前經過反復實驗嘗試后，課上要求學生分組進行定量實驗（見表2），并提出以下幾個拓展性問題。

【問題l】Mg（OH）2沉淀溶解在5mol/L NH4C1溶液中的原因可能是什么？

經討論，排除溶劑水使其溶解的基礎上，大部分同學認為是溶液水解產生的H+與OH-結合生成水，從而促進了 Mg（OH）2溶解平衡正向移動所致。少部分同學則堅持是NH4C1電離出的NH;直接結合OH-所致，如圖4所示。

【問題2】如何設計實驗證明自己所持觀點正確呢？

方案一：配制與5.0mol/L NHQ溶液（經測定pH=4.6）相同pH的鹽酸，向2mL Mg（OH）2懸濁液中加入2mL pH為4.6的鹽酸后充分振蕩，實驗如圖5所示，渾濁無明顯溶解。

方案二：向2mL Mg（OH）2懸濁液中加入2mL 5.0mol/L CH3COONH4溶液。實驗如圖6所示，渾濁變澄清。

理論解釋：已知25℃時，學生根據方案一實驗現象可知，Mg（OH ）2沉淀的溶解顯然不是水解產生的酸性所致。有一組學生則認為，由于所以CH3COONH4溶液發生了雙水解且溶液呈中性，Mg （OH）2沉淀溶解在中性的CH3COONH4溶液中必然是銨根離子所致。此時，教師及時引導學生從定量的角度進行計算，CH3COONH4的水解常數：水解程度較大，因此，等濃度的CH3COONH4和NH4CI溶液，后者溶液中較大，所以進一步佐證了 Mg （OH）2沉淀溶解在NH4C1溶液中是結合促進了沉淀溶解平衡正向移動的結果。最后，還可以根據反應：的平衡常數進行判斷，該反應為典型的可逆反應，增大反應物的濃度將有利于Mg（OH）2沉淀的溶解。

二、教材實驗拓展教學的思考

1.教材實驗是教學創新的源泉

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，若離開實驗，化學將會失去最燦爛的底色。中學化學教材中設置了許多演示實驗、學生實驗、科學探究等內容，這些素材恰恰是教學創新的源頭活水。教師只要在教學過程中不斷深入研究教材實驗，注重素材的遴選與構思，不懈探索，親身實踐，長此以往便會創造性地使用教材，引導學生開展高質量的探究活動。對學生而言，化學實驗充滿著魔幻的力量，深深吸引著學生去發現和探索奧秘。因此，在教材實驗的基礎上，教師要善于引導學生完成“發現問題-思考原因-尋找證據T合作探究T解決問題”進階拓展過程，這將有效提升學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。如在“草酸和高鎰酸鉀酸性溶液反應”實驗中，學生發現一段時間后反應速率迅速增大的問題，從而思考影響反應速率的因素，進一步尋找可能的證據（溫度和催化劑），再通過實驗探究進行證偽和證實，最終得出了該反應為自催化反應的結論。

課本上還有很多實驗適用此模式進行拓展教學， 如人教版化學必修1教材中“鈉在増蝸中燃燒”實驗， 產物除了淡黃色固體外為什么還有黑色物質;“Na2O2與H2O反應”實驗結束以后滴入酚猷，溶液變紅后為什么又褪色;“濃H2SO4與Cu反應”實驗過程中溶液為什么會變黑;必修2教材中“KI溶液中加入氯水”，少量氯水和過量氯水現象為什么不同等等。教師只要善于思考，愿意為同學們搭建發現問題和探究問題的平臺，學生就會在科學探究的過程中體驗快樂、增強興趣和收獲知識。

2.拓展教學是提升化學核心素養的重要途徑

教材中的內容大多數是以結論的形式直接呈現， 教學過程中若教師只以講授的方式把結論傳遞給學生，長此以往學生就會重記憶輕理解，養成死記硬背的習慣，這與推進素質教育是相違背的。拓展教學則是對課本內容再加工、再整合、再創造的過程。教師精心設置問題情境，鼓勵學生從已有知識尋找證據， 設計實驗并合作探究，通過實驗現象進行推理獲取結論和新知。兩組拓展實驗的方案設計，從定性到定量突出了控制變量的思想;從證偽到證實，突出了化學核心素養的滲透。因此，教材實驗拓展教學對學生的學科觀念和學科思維的發展起到了至關重要作用，值得一線化學教師大膽嘗試。

三、結語

蘇霍姆林斯基認為，在人的心靈中，都有一種根深蒂固的需要，這就是希望感到自己是一個發現者、研究者、探索者，這種需要之于學生尤為強烈⑷。學生如果獲取知識的方式是通過查閱資料分析出來、科學實驗探究出來、文獻數據計算出來，必將保持對化學學科的濃厚興趣，樂于沉浸在學習科學知識的海洋中。

參考文獻

[1]劉文芳.濃度對草酸與酸性高鎰酸鉀溶液褪色反應速率的影響研究[J].化學教育，2011（10）：86-88

[2][3]北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學編.無機化學（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：273，409， 410，420

[4]蘇霍姆林斯基·杜殿坤編譯.給教師的100條建議[M].北京：教育科學出版社，2015：63