基于科學(xué)本質(zhì)觀的學(xué)生必做實驗教學(xué)實踐

【摘 要】新課標(biāo)增設(shè)學(xué)生必做實驗“水的組成及變化的探究”，以“為什么分解水、如何分解水、分解水說明什么”引導(dǎo)學(xué)生展開對科學(xué)實踐活動的思考。學(xué)生通過推理分析、自制裝置、自繪圖例、自評互評，在進(jìn)階式互動中不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，提升對實驗體系三要素的認(rèn)識水平，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析素養(yǎng)，形成研究物質(zhì)組成的思路與方法，實現(xiàn)從“科學(xué)探究”到“科學(xué)實踐”的轉(zhuǎn)向。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)本質(zhì)觀；電解水；學(xué)生必做實驗

【中圖分類號】G633.8 ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ?【文章編號】1005-6009（2023）29-0073-04

【作者簡介】郭建虹，江蘇省蘇州市教育科學(xué)研究院附屬實驗學(xué)校（江蘇蘇州，215000）教師，高級教師。

一、新舊課標(biāo)探究內(nèi)容對比分析

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》和《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》均規(guī)定了學(xué)生必做的8個實驗，但2022年版的課標(biāo)在原有基礎(chǔ)上刪除了“溶液酸堿性的檢驗”，增加了“水的組成及變化的探究”，該實驗為什么會成為學(xué)生實驗的內(nèi)容呢？筆者對此進(jìn)行了初步探索與實踐。

（一）值得探究的知識

九年級化學(xué)教材遵循化學(xué)史發(fā)展的邏輯線，以對物質(zhì)組成的兩個基本問題的思考（構(gòu)成物質(zhì)世界的基本本原是什么？物質(zhì)的基本本原是怎樣構(gòu)成物質(zhì)世界的？）展開敘述。認(rèn)識“水的組成”，是培養(yǎng)學(xué)生將“宏觀—微觀—符號”三重表征建立關(guān)聯(lián)的重要聯(lián)結(jié)點，也是學(xué)生認(rèn)識“物質(zhì)的組成”的事實性基礎(chǔ)知識。這一內(nèi)容既深化、發(fā)展和完善元素觀，又引導(dǎo)學(xué)生對微觀粒子形成具象的認(rèn)識，初步體會從定性與定量、元素組成與微粒構(gòu)成相結(jié)合的角度認(rèn)識物質(zhì)及其反應(yīng)。

有關(guān)物質(zhì)組成的內(nèi)容具有抽象性高、概括性強(qiáng)的特點。實驗的增設(shè)，可以豐富學(xué)生體驗，為學(xué)生的理論構(gòu)想提供素材，有利于學(xué)生破除“水由氫氣和氧氣組成”的誤解，形成“元素是物質(zhì)本原”的觀念。“化學(xué)反應(yīng)中，氫氣和氧氣存在固定的、整數(shù)的體積比關(guān)系”的現(xiàn)象，有利于學(xué)生產(chǎn)生“物質(zhì)是由一份一份的、具有一定質(zhì)量的微粒構(gòu)成的想象”，建立“原子是元素在物質(zhì)中存在形式”的觀念，初步形成通過對產(chǎn)物定性檢驗、定量計量，運(yùn)用分析、推理、想象等方法研究無機(jī)化合物組成的一般思路和方法。

（二）能夠探究的知識

從學(xué)生的因素考慮，物理和歷史學(xué)科亦在同時段有“電”的教學(xué)內(nèi)容。通過物理的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了連接電路的方法，具備安全使用“電”進(jìn)行實驗探究的能力；通過歷史的學(xué)習(xí)，學(xué)生認(rèn)識到“電”對社會發(fā)展的影響。那么，作為一種新的能量形式，“電”對于物質(zhì)組成的研究，對于化學(xué)學(xué)科的發(fā)展會起著怎樣的促進(jìn)作用呢？電，激蕩起社會、生活、科學(xué)的革命性變化，激蕩起學(xué)生進(jìn)行化學(xué)實驗的好奇心和探究欲望。

從儀器材料的角度考慮，學(xué)生已經(jīng)具備了安全、方便地獲得和使用電的能力，物理電學(xué)知識為學(xué)生提供了尋找實驗用品的判斷力。因此，學(xué)生能夠借助物理器材、生活用品組裝電解水裝置，并根據(jù)實驗室制取氧氣、二氧化碳的經(jīng)驗設(shè)計氣體收集裝置。

從難易程度的角度考慮，太簡單的實驗，不值得探究；太難的實驗，探究不了。水作為研究對象，經(jīng)歷過加熱、煮沸等操作，但未能“分解”，實驗具有挑戰(zhàn)性。從實驗操作看，學(xué)生熟悉的是傾倒、混合、加熱等操作，但未在化學(xué)實驗里用過電。從實驗裝置的角度看，反應(yīng)產(chǎn)生兩種氣體，需要分開收集；水既是反應(yīng)物，又起著排空氣的作用，需要將發(fā)生裝置和收集裝置合為一處，實驗雖有難度但可完成。

綜上，學(xué)生具備自主設(shè)計、組裝電解水裝置，完成“水的組成及變化探究”的能力。

二、基于科學(xué)本質(zhì)觀的教學(xué)整體設(shè)計

（一）基于科學(xué)本質(zhì)觀的教學(xué)目標(biāo)分析

教學(xué)圍繞“拉瓦錫為什么認(rèn)為水可以分”“學(xué)生自制電解水裝置”“學(xué)生繪制氫氣燃燒過程微觀圖示”三個任務(wù)展開，在理論推演、實踐活動、思維外顯圖示繪制中達(dá)成如下目標(biāo)：

1.通過對“氫氣燃燒生成水”兩種解釋，認(rèn)識到理論具有負(fù)載性，受科學(xué)家的理論、信念、學(xué)識經(jīng)驗等影響，其研究結(jié)果也是社會和文化相互作用的產(chǎn)物。

2. 通過“氫氣燃燒、碳和水的反應(yīng)、電解水”的實驗，認(rèn)識到科學(xué)家的定論是基于一定證據(jù)的支撐，而并非主觀臆想的。

3. 通過對實驗現(xiàn)象的推理，分析水的元素組成，認(rèn)識到觀察和推理存在不同。

4. 通過繪制“氫氣燃燒生成水”的模型，基于證據(jù)，進(jìn)行想象，建構(gòu)理論，認(rèn)識到理論是對自然現(xiàn)象的解釋，和定律有區(qū)別。

5. 在實驗、推理、想象、建構(gòu)模型的過程中，認(rèn)識到科學(xué)方法并不單一，具有多樣性。

（二）學(xué)生實驗評價要素分析

學(xué)生設(shè)計、組裝、試驗、討論、修正、再設(shè)計、展示電解水裝置。從以下要素展開評價：

1.概念理解：能運(yùn)用“合”和“分”的方法探究簡單化合物的元素組成

（1）通過水的合成、分解實驗，診斷并發(fā)展單質(zhì)、化合物的概念。

（2）通過繪制反應(yīng)微觀模擬圖，診斷并發(fā)展原子、分子的概念。

2.實驗?zāi)芰Γ簭膶嶒炄兀ㄑb置、藥品、操作）進(jìn)行評價

（1）試劑選用能力：小蘇打、食鹽的作用分析；電極材料的分析。

（2）儀器選用能力：收集容器口徑宜細(xì)、材料宜透明的依據(jù)分析。

（3）操作能力：電池連接方式的選擇；裝置密閉性的考量。

（4）解決問題的能力：從試劑、電極的角度分析提升反應(yīng)速率的方案。

（5）分析推理能力：依據(jù)現(xiàn)象，推理、分析得出水是化合物的結(jié)論。

3.實驗思想

（1）設(shè)計思想：方案設(shè)計必須符合科學(xué)性、準(zhǔn)確性、安全性要求；對實驗中出現(xiàn)的問題，能提出優(yōu)化方案（電極材料、電解質(zhì)的選擇）；對霍夫曼電解水器的理解與評價。

（2）創(chuàng)新意識：創(chuàng)造性解決未學(xué)的問題 （發(fā)生裝置和收集裝置合二為一）。

（3）證據(jù)推理與模型認(rèn)知：對實驗現(xiàn)象的推理和建模要講究證據(jù)、合乎元理論設(shè)定；合理運(yùn)用科學(xué)的模型去認(rèn)識、分析和解決問題。

三、教學(xué)流程

1.任務(wù)一：剖析實驗背景，認(rèn)識研究物質(zhì)組成的一般思路

【化學(xué)史資料】拉瓦錫用硬質(zhì)玻璃管持續(xù)加熱水101天，發(fā)現(xiàn)水的質(zhì)量并沒有減少，加入碳，重新加熱，得到兩種可燃?xì)狻＝?jīng)檢驗，兩種氣體密度不同，重的可燃空氣燃燒生成二氧化碳；極輕的一種氣體燃燒生成水，命名為hydrogen（產(chǎn)生水的要素）。

【問題鏈】（1）鎂條和醋酸反應(yīng)生成一種可燃性氣體。如何確定該可燃性氣體是什么？

（2）對于可燃?xì)馊紵慕忉專妓卣f認(rèn)為是“可燃?xì)?燃素→水”；氧化說認(rèn)為是“可燃?xì)?氧氣→水”，兩種解釋的區(qū)別是什么？如何證明？

（3）拉瓦錫于1794年去世，伏打1800年發(fā)明電堆。沒有電的幫助，拉瓦錫如何“分”水？

（4）碳和水在高溫條件下生成一氧化碳和氫氣，能說明水可分嗎？

【實驗】將該可燃?xì)庖来瓮ㄈ胧宜⒆仙镌囈褐校冱c燃并檢驗其產(chǎn)物。

【設(shè)計意圖】教師從相關(guān)化學(xué)史中提取問題，擯棄了實驗開展的盲目性和神秘性，使學(xué)生體悟到科學(xué)家的實驗設(shè)計是建立在對實驗事實的觀察、邏輯推理之上的，了解科學(xué)的一般方法和思維。學(xué)生認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)條件是化學(xué)反應(yīng)的靈魂所在，體悟到技術(shù)對科學(xué)的促進(jìn)作用。

2.任務(wù)二：自制電解水器，認(rèn)識研究物質(zhì)組成的一般方法

【演示實驗】觀察霍夫曼電解水器和學(xué)生電源。用霍夫曼電解水器演示電解水實驗并檢驗產(chǎn)物。

【學(xué)生活動】設(shè)計、組裝、測試，課堂上演示自制電解水器，展開自評、互評活動。（見表1）

【設(shè)計意圖】學(xué)生自制的電解水器雖然簡單，但成功率低，在設(shè)計過程中，遇到一系列問題，如金屬做電極、氯化鈉做電解液會參加反應(yīng)，反應(yīng)速率慢，產(chǎn)生氣體量少，難以檢驗。學(xué)生在尋求解決問題的方法的過程中，認(rèn)識到尋求證據(jù)嚴(yán)密性的實驗方案，認(rèn)識到影響反應(yīng)速率的因素。從失敗到成功，本身就是科學(xué)方法、科學(xué)精神的探究過程。

3.任務(wù)三：繪制微觀圖示，體驗科學(xué)理論的形成過程

【實驗事實】2體積氫氣在1體積氧氣中燃燒，產(chǎn)生2體積水蒸氣。

【化學(xué)史資料】1803年，化學(xué)家道爾頓發(fā)表原子說，基本觀點如下：

（1）化學(xué)元素由非常微小的，不可再分的物質(zhì)粒子——原子組成。原子在所有化學(xué)變化中均保持自己的獨特性質(zhì)，原子既不能被創(chuàng)造，又不能被消滅。

（2）同一元素的原子質(zhì)量完全相同。原子的質(zhì)量是元素的基本特征。

（3）不同元素的原子以簡單數(shù)目的比例相結(jié)合，形成化合物，其組成遵循“最簡式原則”。

1805年，化學(xué)家蓋·呂薩克針對氣體化學(xué)反應(yīng)，對物質(zhì)的體積變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)氣體反應(yīng)簡比定律：同溫同壓條件下，相同體積的不同氣體含有相同數(shù)目的原子。

【學(xué)生活動】依據(jù)實驗事實和元理論知識，學(xué)生繪制氫氣在氧氣中燃燒的微觀圖示并進(jìn)行評價。（見圖1）

【設(shè)計意圖】學(xué)生通過對自繪微觀示意圖的評價，能區(qū)分“混合”和“化合”，認(rèn)識到水不是由氫氣和氧氣組成的；認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)中元素的種類不變，微粒種類發(fā)生變化，元素在物質(zhì)中以原子的形式存在，化學(xué)變化中原子是不可再分的微粒；認(rèn)識到“原子學(xué)說”發(fā)展到“原子-分子理論”不是一蹴而就的，而是基于實驗事實推理、想象、修正的歷程。

四、教學(xué)反思

本課以“致敬拉瓦錫”為思維活動線，引導(dǎo)學(xué)生在對“拉瓦錫為什么認(rèn)為水可以分”的推演中，感悟邏輯推理之妙；在“自制電解水裝置”的實踐活動中，體驗制作技術(shù)與科學(xué)原理相互促進(jìn)、彼此成就的緊密關(guān)系；以“拉瓦錫為什么沒有使用電解法”的歷史局限，啟迪學(xué)生“跨學(xué)科”融合思維，從元素數(shù)量爆發(fā)式增長的事實認(rèn)識“電”對化學(xué)發(fā)展研究的促進(jìn)作用；以繪制“氫氣在氧氣中燃燒”思維外顯圖示的創(chuàng)作，經(jīng)歷“原子-分子說”的演變歷程，感受想象力在科學(xué)理論建立過程中的強(qiáng)大作用。

本課以 “致敬霍夫曼電解水器”為實驗活動線，通過“自制電解水裝置”的實踐活動，啟迪學(xué)生“跨學(xué)科”融合思維，即從物理學(xué)科的角度認(rèn)識“電路”連接及其控制，并審視“電”的利用對第二次工業(yè)革命的影響，從此元素數(shù)量爆發(fā)式增長，認(rèn)識“電”對化學(xué)發(fā)展研究的促進(jìn)作用，體驗制作技術(shù)與科學(xué)原理相互促進(jìn)、彼此成就的緊密關(guān)系；學(xué)生設(shè)計的裝置雖然簡陋，但均可以分解水，稍加改進(jìn)也能收集氣體并檢驗。在閱讀資料“拉瓦錫的生卒時間是1743—1794。1800年，意大利教授伏打發(fā)明了世界上第一個連續(xù)發(fā)電器，為電學(xué)研究提供了穩(wěn)定的容量較大的電源”時，學(xué)生不禁扼腕嘆息：“只差6年！”那一刻，是化學(xué)史融入課堂的另一重意義，以生命激蕩生命，以悲憫之情、敬重之心培育珍惜時光的善良之人。

【參考文獻(xiàn)】

［1］拉瓦錫.化學(xué)基礎(chǔ)論［M］.任定成，譯.北京：北京大學(xué)出版社，2008.

［2］王偉群，陸真.簡明化學(xué)史［M］.上海：上海教育出版社，2021.