“過氧化氫制氧氣中二氧化錳的作用”實驗的教學與思考

沈莉萍

摘要：以單元整體理解為基礎，以問題驅動為方式，以實驗素養發展為目的，設計“過氧化氫分解制氧氣中二氧化錳的作用”的探究實驗，為學生從定性研究到定量探究做一個過渡，構建較為科學的、具有代表性的實驗探究模型，在評價和改進中提升實驗素養。

關鍵詞：二氧化錳;反應速率;裝置改進;實驗素養

文章編號：1008-0546（2022）06x-0074-04?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.019

化學實驗是化學教學的核心。實驗的設計和評價能力是學生形成高階思維的必備能力。教材中的探究實驗是培養學生實驗能力的重要依托，教材中的探究實驗之間雖是基于不同知識不同問題的探究，但是從能力發展上來看，這些實驗之間存在相互繼承和發展的關系。實驗教學中，教師如果對教材中探究實驗的能力目標不明確，單純從知識本位出發，按部就班，循著操作步驟依葫蘆畫瓢進行教學，實驗做成功了，但缺乏了探究的意味和批判性思維的培養。因此，精心設計實驗探究教學內容，將教材所體現的科學性和邏輯性運用到教學實踐中，構建具有化學學科特點的思維模型，推動學生在化學實驗探究中形成一定的實驗能力顯得尤為重要。下面就以“過氧化氫分解制氧氣中二氧化錳的作用”一課為例，淺談實驗教學設計的思路。

一、單元整體理解

中學化學實驗素養的內涵包括實驗知識和技能、實驗思維和方法、實驗情意和品行三個方面[1]。探究“過氧化氫分解制氧氣”中二氧化錳的作用是人教版初中化學第二單元的實驗探究課題，是在第一單元探究“蠟燭的燃燒”和“吸入的空氣和呼出的氣體有什么不同”后學生接觸的第3個探究性實驗。在前兩個實驗探究中，主要培養學生對實驗現象的觀察和描述能力，初步體會科學探究需要經過“提出問題—做出猜想—實驗探究—得出結論—評價反思”的一般過程，主要是知識和技能的學習，屬于定性研究。知識技能在中學化學實驗教學中屬于顯性內容，即只要按照教學目標設計教學過程，就能使學生較快掌握[1]。在探究“過氧化氫分解制氧氣”中二氧化錳作用之后，第五單元開篇就是有關化學反應前后物質質量關系的探究，也就是質量守恒定律，對學生的實驗能力提出了更高的要求，需要學生對實驗裝置、天平平衡或者不平衡等現象進行分析和解釋，屬于定量探究實驗;通過波意耳和拉瓦錫實驗裝置的差異對比，體會拉瓦錫在實驗探究中嚴謹求實、勇于探索的精神，是對學生實驗情意和品質范疇的培養。實驗思維和方法、實驗情意和品行屬于隱性內容，這在課程標準中雖有一定說明，但在教材的實驗設計中屬于持續滲透的要素，是要在實驗教學中隱性發展的實驗素養[2]。因此，在“過氧化氫分解制氧氣”中二氧化錳作用的實驗探究中，除了實踐上述對實驗現象的觀察和描述技能，體會科學探究的一般步驟外，如果能在實驗的分析評價、定量研究上做一個過渡，在實驗思維和方法上有一個銜接，將更有利于學生實驗素養的穩步形成（如圖1）。

二、教學目標

根據教材和課程標準，以實驗素養的形成為目的，制定以下具體的教學目標：

（1）通過實驗探究逐步認識二氧化錳在過氧化氫分解中的作用，認識催化劑及催化作用;在實驗探究的過程中，鞏固實驗的觀察和描述技能;滲透催化劑在化學變化中“變與不變”的學科素養。

（2）通過對實驗現象嚴謹的分析，得出科學的實驗結論;在嘗試評價和改進的過程中，初識實驗探究中的定量分析，培養科學的實驗思維和方法，形成一定的批判意識。

三、實驗教學設計

根據人教版初中化學教材中有關“過氧化氫制氧氣中二氧化錳的作用”的主要內容，設計教學流程（如表1）：

四、實驗教學的改進與思考

1.生活化教具實現一物多用

教材中的實驗是在試管中進行的，首先，在實驗過程中由于二氧化錳是黑色粉末，在過氧化氫溶液中形成了黑色懸濁液，不便于觀察氣泡的產生;其次，試管中產生的氧氣不能定量測量其體積，所以學生不能通過該實驗了解催化劑的特點;由于不能定量，無法比較不同催化劑的催化效果（如圖3）。改用注射器進行實驗，從取材的角度看，注射器價格便宜、易操作、氣密性好，可以通過活塞的移動來觀察氣泡的產生;從用途的角度看，注射器實現了一物三用，既是量取裝置，也是反應裝置，還充當氣體的收集裝置;從思維角度看，注射器可以解決定量測量氧氣體積的問題，使實驗探究從定性研究走向定量研究。

2.定量化裝置形成探究模型

在人教版初中化學中，還有不少涉及反應速率的實驗探究，尤其是在氣體的制取實驗中。如在“二氧化碳制備的研究”中，教材側重建立學生對實驗室制取氣體的一般步驟的認識，重點探究了實驗裝置的選擇，并沒有關于反應速率的探究。但是在后續學習酸、堿、鹽的時候，就出現了碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鈣分別與酸反應，隨之可遷移到二氧化碳制備的原料選擇問題上，解決為何不用碳酸鈉或者碳酸氫鈉，而用石灰石來制備二氧化碳的問題，這是對實驗室制二氧化碳原料選擇探究的補充。

圖4是對教材中有關氣體制取內容的分析整理。

再如，教材在制取氫氣上并沒有濃墨重彩的介紹，只是在介紹氫能源的時候順便提了氫氣的制取。一是由于在活潑金屬和酸的反應中，將會學習到鋅和酸反應產生氫氣;二是氣體制備的一般方法已經在制備二氧化碳的時候研究過了，也適用于氫氣的制取，所以對于裝置的選擇無需再重復。但是，教材第九單元從金屬（鎂、鋅、鐵、銅）能否和酸反應產生氫氣的角度說明金屬的活動性順序，沒有提及金屬（鎂、鋅、鐵）與酸反應的速率問題，因此學生并不知道為什么制氫氣要用金屬鋅，而不用鎂、鐵等，出現了知識銜接的斷層。在此教師只要稍加引導，通過控制變量的方法和本課中的實驗裝置就可以來探究金屬（鎂、鋅、鐵）與酸反應的速率。如此，裝置的定量化改進不是解決一個問題，而是解決了一類反應速率的探究問題，在今后的學習中，遇到相似問題，學生還能利用該實驗裝置設計其他探究實驗，解決其他問題，給了學生很好的思維延伸。

3.可測性問題推動思維發展

問題是科學探究的起點，是思維的動力，設計有層次性、探究性、可測性的問題，能激發學生的深層次認知。本節課第一個模塊要解決的問題是：實驗時能否用過氧化氫來制氧氣？這一個問題對于學生來講并沒有實際的可操作性，屬于過渡型問題。要把這樣的問題變得具有可測性，就要將其分解成具體可操作的若干個小問題，如怎么知道過氧化氫產生了氧氣？學生第一反應就是觀察，那就立即實驗操作，通過實踐觀察，并沒有發現明顯的氣泡。于是有了第2個追

問：還有什么方法可以證明氧氣的產生？學生依據已學知識，很容易就想到用帶火星的木條檢驗，立即實驗操作，發現帶火星的木條不復燃，引發再次疑問：木條不復燃是否說明沒有氧氣生成？學生否定，因為情境資料中已經說明了過氧化氫可以給魚塘增氧，說明過氧化氫是可以產生氧氣的，由此猜測可能是過氧化氫產生氧氣的速率太慢。接著引出問題：如何加快過氧化氫分解？將教學帶入到第二模塊，探究二氧化錳的作用。這種可測性問題的設置將學生的思維引導向深處，驅動學生運用化學學科思維方式和方法理解和表征問題，并且利用一定的證據不斷地對問題空間進行搜索，更新狀態空間，形成最終的結論，實現問題的解決[3]，在問題解決過程中實現知識的結構化與思維能力的提升。

4.探究型設計助力素養提升

實驗思維和方法是實驗素養的核心。實驗的思維需要學生在實驗過程中通過對實驗現象和實驗數據的歸納比較、抽象概括，得出結論規律，獲得實驗事實的本質屬性的高階能力[4]。實驗方法是獲取實驗知識和技能的途徑與渠道，學生通過觀察實驗現象、記錄實驗數據、繪制實驗曲線等方法，逐漸形成解決化學實驗問題的認知結構[5]。過氧化氫制氧氣中二氧化錳作用的探究實驗中涉及的操作較為簡單，這為實驗的探究設計留出空間。整個教學設計切合學生學情，變教材邏輯為教學邏輯，變知識邏輯為素養邏輯，按照“提出問題——猜想假設——實驗探究——證據推理——得出結論——反思評價”六個環節進行，通過“反思評價”將教材中的探究性實驗進行適當補充和延伸，評價實驗方案的不足，進而提出新問題，改進裝置、設計新的探究實驗（如圖5），是一種開放式、循環式的教學模型，同時將教材中隱含的對實驗思維和方法的要求從注重觀察分析到滲透高階化學思維的創新設計轉變。

學生經歷了以觀察分析為基礎的實驗后，反復投入到這種創造性活動中，在獲得實驗事實、資料、數據后，進行分析、綜合、抽象、概括、判斷等思維活動，挖掘本質聯系，發現科學規律，感受到實驗探究的魅力，并潛移默化地將這種實驗探究意識帶到后面的學習中，經過多次實踐和發展，最終實現實驗素養的全面提升。

五、小結

教師應在整體上把握教材中的探究實驗，充分理解教材編排中顯現的學科特點，變教材邏輯為教學邏輯，變知識邏輯為素養邏輯，構建較為科學的、具有代表性的思維模型，推動學生在化學實驗探究中形成一定的實驗素養和創新能力。

參考文獻

[1]吳俊明.中學化學實驗研究導論[M].南京：江蘇教育出版社，1997.

[2]胡紅杏.中學化學實驗素養體系及其發展研究[J].課程·教材·教法，2021（6）：116-122.

[3]楊梅.實驗探究教學中證據推理內涵特征及其影響因素初探[J].化學教學，2021（9）：26-30.

[4]鄧永財.試論中學化學實驗思維能力的結構與構建[J].課程·教材·教法，2004（10）：53-58.

[5]刑紅軍，陳清梅.論“智力-技能-認知結構”能力理論[J].首都師范大學學報（自然科學版），2005（3）：41-47.