“科學探究”引領的化學實驗教學

姚毅

【摘 ?要】在實驗教學中，通過創設情境激發探究、實驗開啟探究、實驗深化探究、實驗拓展探究等環節的設計，明晰科學探究素養引領下的化學實驗教學脈絡，形成可操作的流程，同時按照“預測性質→設計實驗方案→實驗→現象分析討論→得出結論”的思路開展探究活動。本文以人教版（2019）必修1《鈉及其化合物》第一課時“鈉與水的反應”的教學為例，探討基于科學探究的教學設計，發展學生的學科核心素養。

【關鍵詞】科學探究;化學實驗教學

一、問題的提出

實驗探究是一種重要的科學實踐活動，應基于學生的證據意識培養和實際行為改善來設計教學?，F行化學課程標準也要求培養學生能發現和提出有探究價值的問題;能從問題和假設出發，根據探究目的，設計探究方案;提高課堂教學效率，培養學生的學習能力，認真開展驗證性實驗和探究性實驗教學。目前，高中化學實驗教學在實驗準備不充分、實驗證據缺乏的情況下，有些教師通過講實驗、視頻實驗 “圓滿”地完成實驗教學。這樣做割裂了證據和結論的聯系，實驗教學仍舊重驗證和培養學生的基本操作;這樣做，學生雖然參與了，但動“手”多，動“腦”少，只要得出了結論就好，而在得出結論的過程中所要蘊含的科學方法和思想一律忽略，這種只關注“探”而不重視“究”最大的問題是缺失了證據意識和科學素養的形成和發展。本文以“鈉與水的反應”的教學為例，探討基于科學探究的教學設計，發展學生的學科核心素養。

二、教材與學情分析

教材分析：“鈉與水的反應”內容，課程標準中對應的學業要求是，能夠描述、辨認識別鈉的重要物理性質及實驗現象;能寫出鈉的主要化學性質的化學方程式或離子方程式;能用價-類二維認識模型，設計實驗驗證預測，并能通過實驗收集證據，分析證據得出結論并解釋有關實驗現象。本部分內容承接第一章“物質及其變化”，鋪墊第三章“鐵和金屬材料”及第四章的“元素周期律”等內容。所以本節課內容既可以鞏固前面所學習的物質的分類及轉化、離子反應和氧化還原反應等理論知識，又可以為后面繼續學習其他元素、建構物質結構和元素周期律、了解化學反應與熱量等知識打下學習的方法基礎。

學情分析：初中階段學生已學過鐵、鋅等金屬，初步接觸了金屬單質的研究方法，已經學會從金屬活動性順序的角度去研究金屬的共性和特性。通過第一章的學習，學生已經具備從類別、化合價角度研究物質的知識基礎和素養儲備，但理解不夠深入，缺乏應用氧化還原反應知識推測鈉的性質并加以證明的科學方法。故在教學中需要在教師的引導下進行基于證據推理的有關科學探究，這也是本節課的關鍵和創新。

三、教學進程

（一）教學目標

（1）了解鈉與水反應的現象和本質，正確書寫有關的化學方程式。

（2）以鈉與水反應的學習為線索，逐步形成價-類二維認識模型。

（3）在研究鈉與水反應的過程中，能依據預測設計實驗方案，經過實驗證實或證偽，培養證據推理意識。

（二）教學重點和難點

重點：鈉與水反應;價-類二維認識模型的建構。

難點：鈉與水的實驗探究。

（三）設計思路

從生活場景引入新課，并布置任務：鈉著火能否用水滅火，后繼學習中圍繞這一任務展開;緊接著用實驗開啟探究，讓學生通過預測鈉與水反應的產物，再從教材實驗和氧化還原理論兩個角度予以驗證;繼續就如何改進教材實驗使鈉與水反應的產物可見，通過實驗設計和實驗來深化探究;最后就鈉能否置換出銅等不活潑的金屬，通過鈉與CuSO4溶液反應和鈉與CuO反應來拓展探究，得出鈉置換出不活潑金屬的條件。這樣環環相扣，層層遞進，讓學生在科學探究中興趣盎然，在掌握知識的同時培養其實驗設計能力、動手操作能力、證據意識，提高學生的綜合素養。

（四）教學過程

1.情境創設，激發探究

【新聞視頻】沈陽一企業庫存金屬鈉爆燃致廠房起火。

師：你是現場指揮者，將采取什么樣的措施救火？

學生1：用水滅火。

學生2：用泡沫滅火器滅火。

學生3：用干冰滅火器滅火。

師：以上物品能否用來滅火呢？用提供的試劑和藥品經過實驗得出結論。

設計意圖：真實具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，為學生化學學科核心素養提供了真實的表現機會。本環節以生活中真實發生的工廠鈉起火、滅火事件引入該課，迅速將學生帶入本節課的探究情境：鈉與水的反應。同時將滅火物質的選擇設計成課時學習的線索，貫穿課堂的始終，使該資源的價值和功能發揮得淋漓盡致。

2.實驗開啟探究

【實驗】用鑷子夾取一小塊鈉，用濾紙吸干表面的煤油，用刀切去外皮，取綠豆大的一粒鈉，投入有水的燒杯中。

【問題】

（1）描述鈉與水反應的實驗現象，并分析得出對應的結論。

（2）通過以上實驗，試歸納鈉單質的物理性質，并說出推斷理由。

（3）預測Na與H2O反應的化學方程式并說明理由。

教師強調安全注意事項，學生分組實驗，合作討論匯報。

學生1：鈉浮在水面上（結論：鈉密度小于水的密度）;鈉熔化成小球（結論：鈉的熔點低，鈉與水的反應放熱）;鈉球四處游走（產生氣體反推作用）;有“嘶嘶”聲（產生氣體）;鈉最終消失（鈉反應完全）。

學生2：鈉單質物理性質：質軟（刀切），銀白色，密度大于煤油而小于水，熔點低（在水面上可熔）。

學生3：2Na+2H2O=2NaOH+H2↑，理由：活潑金屬可與水或酸反應置換出H2。

師生一起點評，評價其合理性及不足之處。

設計意圖：本環節將教材上“觀察鈉的顏色”和“鈉與水的反應”探究活動整合在一起，帶領學生認識鈉與水的反應;取消了教材上滴加酚酞的操作，調整了預測化學方程式和動手實驗的順序，這一處理把學生將要學習的鈉當作完全未知的東西，增強其演示的意義和教學的價值，能更好地將“教材”變“學材”，并引導學生學會從物質類別和化合價的角度去認識物質的性質，逐步建立價-類二維認識模型。

3.實驗深化探究

師：剛才我們從鈉的結構和化合價的角度預測了鈉與水反應的產物，但從實驗現象不能得到很肯定的結論，那么可設計哪些方案來驗證我們預測的產物。

方案一：往水中滴加酚酞，再加鈉，觀察溶液是否變紅。思路：NaOH溶液呈堿性，遇酚酞變紅。

方案二：用香煙盒里的“錫紙”包好一小塊鈉，用針在“錫紙”上刺幾個小孔，用鑷子夾住，放入水中的試管口下方，并用排水法收集氣體，靠近火焰，檢驗是否有爆鳴聲。

方案三：用實驗室制CO2的裝置，將水滴到鈉上，用產生的氣體吹肥皂泡，再將氣泡點燃。

師生一起評價、篩選最佳可行的方案，并動手驗證，分析得出結論。

學生1： 加了酚酞的水變紅，證明有NaOH生成。

學生2：肥皂泡點燃后，有清脆的爆鳴聲，證明氣體產物是氫氣。

師：能否用含水溶液的滅火劑來滅鈉引發的火災？

學生：不能，因為鈉與水會反應放熱且產生H2。

師：火災現場存放有大量的鈉時，需要用干燥的沙土來滅火。至于CO2為什么不能用于滅火，我們將在下一節課學習。

設計意圖：Na與H2O反應產物的探究是本課時的教學重點。先從化合價角度預測鈉與水反應的產物，再引導學生從已有的知識出發，設計實驗使鈉與水反應的產物“可見”，并實驗驗證之?；趯W生最近發展區進行分析推理、證實假設的科學探究思維，診斷并評價學生科學探究水平。滴加了酚酞的水變紅、鈉塊在水層中“跳舞”、肥皂泡炸裂的爆鳴聲給了學生無限成功的喜悅，極大促進學生愿意探究的欲望。

師：談談這節課的收獲。

學生1：鈉元素的常見化合價是+1，所以鈉單質在反應中化合價會升高體現出還原性。

學生2：研究物質性質的方法：根據結構或化合價等知識預測性質→設計實驗方案→實驗→現象分析討論→得出結論。

設計意圖：在一節課結束時，讓學生對這一節所學所思做一個小結，有利于知識的結構化、認識思路的結構化，能更好地將知識和方法內化，指導今后的學習，有利于學生核心素養的形成和發展。

四、教學反思

（一）開展有效的探究

本節課在教材探究實驗的基礎上引導學生設計實驗使氣體等產物“可見”并驗證其成分，同時探究鈉置換出不活潑金屬的條件。在創設的真實情境中學生主動參與整個探究過程，既認識金屬鈉的性質，掌握實驗操作，也感受到化學實驗的變化之美，同時更重要的是知曉實驗為什么要這樣設計，這樣設計的原因是什么。知識的學習和探究素養的形成并重。

（二）對教材實驗的再認識

人教版《化學》必修1中將“鈉與水的反應”設計成了探究實驗，給出了非常明確的探究步驟：預測、實驗、觀察描述實驗現象，基于實驗得到的證據，分析推理得出結論。這樣有利于學生探究思路的結構化，同時教材上的探究又是不完美的，主要是生成氣體及氣體成分確定證據不足。而正是教材實驗的這種缺陷和不足給我們留下了探究的空間，能更好地引導學生發現問題、提出問題、解決問題，培養學生的科學素養。

【參考文獻】

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[3]馬文靜.以“元素周期表”為例對IB高中課程化學教材與人教版教材比較分析[D].鄭州：河南大學，2020.

[4]于寶忠，崔利新，張國昶.基于核心素養，指向深度學習的高中化學學歷案設計——以“鈉”主題教學為[J].化學教與學，2019（1）：10.

（基金項目：湖南省教育科學“十四五”規劃2021年度課題《新課標背景下高中化學課堂教學實踐研究》（課題批準號：XJK21CJC080）階段研究成果;湖南省教育科學研究工作者協會“十四五”規劃2021年度立項課題《核心素養視域下農村高中化學情境化教學的應用研究與實踐》（課題編號：XJKX21B411）階段研究成果）