巧用實驗教學 落實核心素養

劉生文 林 祥

(1.安徽省石臺中學;2.安徽省池州市第六中學)

化學實驗作為一項重要的教學實踐活動,在教學中的地位日益提高,不僅是化學課堂教學的重要途徑,也是學生認識化學、理解化學、應用化學的重要途徑,同樣也是培養學生化學學科核心素養的重要載體。通過創設生動活潑的學習情境,激發學生學習化學的興趣,幫助學生理解和掌握化學知識和技能,引導學生學習科學方法,發展學生的科學探究與創新意識,培養學生的科學態度與社會責任。引導學生積極參與科學探究的過程,更好地理解與掌握課本知識,親身體驗化學知識的發現、創新與學以致用的科學實踐活動,也能訓練學生的思維與創新能力。

鈉及其化合物來源于人教版普通高中教科書化學(2019版)必修第一冊。無機物的性質與應用是化學學科的重要研究領域,也是具有培養價值的學習主題,是中學化學課程的重要組成部分。鈉是典型的金屬元素,將其編排在第二章第一節,學生可以利用前一章所學知識,從物質的分類、離子反應及氧化還原反應的角度,預測鈉及其化合物的化學性質及反應產物,有助于引導學生從物質分類的視角認識化學物質及其變化,也為后續元素周期律的學習做鋪墊。

一、傳統教學過程

鈉與水的反應是學習鈉及其化合物性質的重要組成部分,傳統課堂教學一般都是從物質組成及氧化還原反應的角度預測鈉與水反應的生成物,再在敞口的燒杯中進行鈉與水反應的實驗,記錄現象、分析原因,最后將實驗結果與預測進行比較并得出結論。學生觀察實驗現象并總結以下結論:鈉浮在水面上,熔成銀白色的光亮小球;在水面上游動,并發出響聲;待鈉完全反應后,向溶液中滴入2滴酚酞,溶液變紅。學生對此作出解釋:鈉的密度比水小;鈉與水反應放熱,熔點很低;反應生成氣體,推動小球在水面游動;生成堿性物質使酚酞變紅。

傳統的實驗教學往往是教師預先設計好實驗方案,學生則按照教師的思路去思考分析、動手操作。雖然也能根據實驗現象得出結論,但學生在學習過程中,沒有深入思考,只是被動地接受知識,學生的學習主體性很難體現出來。而這種與新課程理念相違背的“填鴨式” “灌輸式”的教學方式,對學生建立和發展化學學科核心素養是不利的。

二、創新實驗教學

【教師】魔術實驗:在石棉網上放上一團脫脂棉,中間放一小塊鈉,滴幾滴水到脫脂棉上,能夠看到脫脂棉燃燒。(圖1、2)

圖1

圖2

【教師】任務1:分析魔術實驗背后的科學原理。

【學生】活動1:從燃燒條件分析需要滿足哪些條件才能使脫脂棉燃燒?同學們經過討論,得出結論:鈉與水反應放出熱量,溫度達到棉花的著火點,使棉花燃燒。

任務2:棉花溫度升高,達到著火點而燃燒,能夠說明鈉一定與水發生了反應嗎?若是發生了反應,又是什么原因,產生了何種產物?

活動2:學生以小組為單位進行實驗,在盛水的燒杯中放入鈉,記錄實驗現象,并分析產生現象的原因,然后對鈉的物理性質和化學性質進行歸納。

任務3:利用所學知識——質量守恒定律和氧化還原反應規律,預測鈉與水反應的產物并設計實驗進行檢驗。

活動3:向反應后的溶液中滴加酚酞,溶液變紅,說明反應中生成了NaOH,產生的氣體可能為H2。教材中鈉與水反應的實驗方案簡單、易操作,但難以從鈉四處游動并伴有嘶嘶的響聲來判斷產物為氫氣,要想檢驗氣體產物,必須在密閉容器中收集生成的氣體。對此學生設計以下實驗裝置。(圖3、4、5)

圖3

圖4

圖5

圖6

第一種裝置是將在試劑瓶中反應生成的氣體,通過單孔橡膠塞連接的導管,在導管的末端點燃,對氣體進行檢驗。第二種是在肥皂水中通入反應生成的氣體,產生氣泡,然后點燃火柴靠近氣泡,聽到爆鳴聲,表示氫氣已在反應中產生。以上兩種裝置直接點燃氣體,容易發生爆炸,存在安全隱患。第三種是利用注射器作為反應容器,可同時達到儲氫、驗氫的目的。

教師利用常用的實驗儀器,在課堂上演示學生設計的實驗,學生對實驗現象進行觀察,從實驗原理、實驗操作、藥品使用、實驗安全性等方面進行評價,找出各種實驗方案的優缺點,從而確定最終的實驗方案,并對實驗過程中出現的問題進行評價。

實驗操作:從煤油中取出鈉,切下一小塊,用濾紙吸干表面煤油,投入注射器中,排出注射器中的空氣,再吸入滴有酚酞的水,反應結束后,將注射器中的溶液排出,然后在針頭處點燃,由于注射器中氣體純度較高,可以看到氣體能夠燃燒。

設計意圖:學生迫切希望了解魔術成功的秘訣,積極思考并運用所學知識說明原因,通過魔術實驗的介紹,激發了學生學習的興趣,讓學生設計具有創新性的探究實驗方案,既有殊途同歸的實驗驗證,又有發散思維的分析,最后對探究結果進行科學分析,總結經驗,發現不足,有利于提高學生的思維能力,培養學生的動手操作能力,有利于學生科學探究與創新意識學科核心素養的發展。

三、定量實驗探究

在上述實驗過程中,學生雖然檢驗出產物中有NaOH和H2,但也有學生提出疑問,會不會既生成了NaOH和H2,又生成了O2,這樣也符合質量守恒定律和氧化還原反應規律。針對學生提出的疑問,教師引導學生設計定量實驗,或者利用數字化實驗進行改進創新,對產物氣體進行深入研究。

實驗儀器:溫度傳感器、溶氧傳感器、數據采集器、電腦、針筒、三頸燒瓶、單孔橡膠塞、玻璃導管、蒸發皿、鑷子、濾紙、玻璃片、刀具。

實驗試劑:鈉、水、酚酞、肥皂水。

學生認真思考分析后設計實驗方案:用電子天平準確稱取一定質量的鈉,放入注射器中,吸入10 mL水,充分反應后,將溶液全部排出,通過注射器刻度讀出產生的氣體體積,通過計算得出,參加反應的鈉與生成的氣體物質的量之比為2∶1,根據化學方程式判斷,生成的氣體只有氫氣。

教師改進實驗:(1)按圖7組裝儀器,將溫度傳感器和溶氧傳感器連接數據采集器和計算機;(2)檢查裝置氣密性,在三頸燒瓶中加入蒸餾水,滴入2滴酚酞試液,切下一塊黃豆大小的鈉,用濾紙吸干表面煤油放入三頸燒瓶中;(3)點擊數據采集按鈕,觀察溫度的變化及含氧量的高低;(4)待蒸發皿中產生較多氣泡時,用點燃的火柴靠近氣泡;(5)待鈉完全反應后點擊結束按鈕。

圖7

實驗現象及解釋:(1)如圖8所示,反應過程中,溶液中氧氣的含量從7.5 mg/L降至6.9 mg/L,溶液的溫度從9.7℃升至12.0℃,說明鈉與水反應無氧氣生成,溶液溫度升高使得溶解的氧氣略微減少;(2)溶液變紅,說明生成堿性物質;(3)導管末端產生的氣泡,用燃著的火柴靠近,聽到輕微的爆鳴聲,說明產生的氣體是氫氣。

圖8

實驗評價:氧氣傳感器的應用,使溶液中含氧量的變化可視化、直觀化。利用溫度傳感器改善傳統實驗中放熱現象不易覺察的特點的同時,解決了學生是否有氧氣生成的疑問,給學生提供了一個全新的視角,增強了實驗的說服力,鍛煉了學生利用科學手段分析和解決問題的能力。將研究鈉和水的反應現象和產物檢驗一次性完成,讓學生對實驗現象全面的觀察分析,教學效果好,安全性高,增強了實驗的趣味性,給學生留下深刻的印象。

設計意圖:化學實驗不僅可以從定性角度進行探究,還可以從定量角度分析。定量實驗能讓實驗過程可視化,學生能更直觀地通過數據了解反應過程中的變化,對于學生定量分析及計算能力的提升具有非常重要的作用。通過數字化實驗等直觀教學手段,將化學原理具體化、形象化、直觀化,使學生的已有認識及認識障礙得以外顯,思維從而得到啟發,完成了從感性認識到理性認識的跨躍。培養學生敢于質疑、嚴謹求實的科學態度,發展科學態度與社會責任的學科核心素養。

四、教學評價

1.立足情境,激發學習動機:學生學習了前一章的理論知識后,認為化學是一門以記憶為主的學科,學習起來比較枯燥,而元素化合物知識章節的學習,是化學基本理論的具體應用,使學生感受到理論知識有了用武之地,更愿意學好化學,用好化學。

2.設置問題,引發深度思考:問題來自情境,學生在學習過程中遇到問題,想要解決問題,就要開動腦筋深入思考,從而加深了對知識的理解與應用。

3.回歸現實,落實核心素養:書本知識來源于生活,學習知識是為了更好地服務生活。通過鈉的使用與保存等知識的學習,讓學生端正科學的學習態度,培養學生的社會責任感。