高中化學挖掘實驗教育教學功能的行動研究

王延 王鋒

摘? ?要：采用行動研究法開展研究活動，以“合成乙酸乙酯”課堂教學為載體，通過三輪行動研究從實驗附加于課堂教學，到實驗融合于課堂教學，再通過課外實驗拓展課堂教學，聚焦如何挖掘高中化學實驗教育教學功能的研究活動，發展學生的高階思維及學科核心素養。

關鍵詞：高中化學實驗教學；行動研究；教材實驗優化；模塊融合

1? 研究背景

化學是一門以實驗為基礎的科學，化學實驗既是研究和學習化學科學的方法，更是化學教育教學的重要內容和手段。高中化學實驗課程究竟可以給學生帶來什么？是化學實驗知識的識別和記憶，還是通過化學實驗課程學習后，理解并應用化學實驗中所蘊含的思想方法，從識記實驗知識轉變為思考實驗事實、形成實驗觀念，提升思維能力，培育學科核心素養。

2? 研究方案

本研究采用行動研究法，整個行動研究過程由多輪行動研究串聯組成，每輪行動研究都包含行動、觀察和分析這三個關鍵環節，環節之間相互聯系且具有內在反饋機制[ 1 ]。

本次行動研究過程的主要內容包括以下幾個方面：

（1）問題：以“合成乙酸乙酯”一課為例，思考在新課程背景下如何深入挖掘高中化學實驗的教育教學功能。

（2）計劃：制定行動研究總計劃，主要包括教學目標、活動設計和效果評測等方面。

（3）行動：實施高中化學挖掘實驗教育教學功能的行動研究方案，至少兩輪以上。

（4）觀察：對背景、行動和結果的考察。本研究所收集的資料，主要來源于課堂觀察記錄、學生調查問卷、學生課后測驗與訪談記錄、教師課后反思等。

（5）分析：對學習過程的可操作性和有效性進行反思，調整和改進學習活動方案設計，為下一輪行動研究做準備。

3? 研究過程

3.1? 第一階段——實驗附加于課堂教學

“合成乙酸乙酯”是中學化學教材中一個重要的有機實驗，第一輪行動研究在學生高一下學期學習《化學 必修第二冊》時進行，教學的關注點更多在教材的顯性知識內容，重視達成教材中的知識與技能目標，實驗主要以協助課堂教學中知識的掌握而開展的活動。

3.1.1? ?行動

教師從“酸脫羥基、醇脫氫”的視角解釋酯化反應原理，學習乙酸的化學性質。通過演示實驗，理解冰醋酸、濃硫酸與飽和碳酸鈉等藥品的作用，掌握實驗基本技能和形成實驗基本觀念。

3.1.2? ?觀察

這個過程的學習方式雖然直接，但學生是被動的接受，而非通過自主探究感受知識的生成過程。在課后學習效果評測中，可以看出學生對改進實驗儀器后的反應裝置理解不到位，對于合成其他酯類有機物的試題完成度較差。

3.1.3? ?分析

為整合學生的實驗知識、提升實驗能力、形成實驗思想、發展高階思維，教師需對該實驗中蘊含的教育教學功能進行深層次的開發。該實驗充分體現了有機物制備實驗的思想和方法，對學生后續深入學習有機化學具有很好的示范作用，同時該實驗蘊含了豐富的學科本體知識，值得引導學生對這部分內容進行深入學習。

3.2? 第二階段——實驗融合于課堂教學

通過第一輪行動研究發現，在實際的教學中，片面關注實驗教學的基本認知功能，忽略實驗教學方法、創新育人等隱形功能的現象比較普遍。怎樣從教師教學生做實驗以達到驗證性實驗的功能化教學，轉化為讓學生自主參與實驗獲得新知、感受實驗的魅力、充分發揮化學實驗的教學功能，即是第二輪行動研究中需要攻克的重點問題。

第二輪行動研究，在高二下學期學習《選擇性必修3有機化學基礎》時進行。在課堂上，學生通過復習合成乙酸乙酯的實驗，鞏固有機實驗的基本實驗操作；能以合成乙酸乙酯實驗為例，從原理、藥品、裝置、提純四個維度進行實驗的優化與改進，提煉與建構有機物合成的一般思路；能基于熟悉的教材情境，自主展開學習探索活動，掌握運用控制變量法設計實驗方案的實驗思維能力；能基于宏觀現象分析濃硫酸濃度對催化反應速率的影響，并結合微觀視角分析濃硫酸催化乙酸乙酯合成的催化機理，做出合理猜測，提出新的問題，展開探究活動，發展化學學科核心素養。

3.2.1? 行動

活動設計及實施過程由2個學習任務組成。

（1）學習任務1：評價教材實驗

[演示實驗]? 完成教材中有關合成乙酸乙酯的實驗。

[學生]? ?觀察到異常現象：試管內溶液顏色不斷加深，最終變為棕褐色。

[教師] 如何改進實驗，制得較為純凈的乙酸乙酯？

[學生] 對于教材中實驗裝置及藥品選擇，做出合理評價。

學生1：課本上選擇酒精燈加熱，導致反應溫度過高，改用水浴加熱是否更好；

學生2：稀硫酸能否代替濃硫酸做催化劑；

學生3：想通過實驗來驗證飽和碳酸鈉的作用，若使用其他試劑效果如何；

學生4：乙酸和乙醇的沸點較低，應選擇效果更好的冷凝回流裝置。

在課堂教學時間允許條件下，可以讓更多學生發言。

（2）學習任務2：探究優化條件

[分組活動]分別對“加熱方式”“裝置改進”“藥品選擇”“產品提純”這四個角度展開探究活動，提出合理的解決思路，并設計探究方案。

[第1小組] 探究合適的加熱方式。學生采用水浴加熱的方式進行實驗，其他條件與教材實驗相同。實驗中發現耗時過多，并且試管內的分層現象也不明顯，同時由于加熱溫度接近水的沸點，有大量水蒸氣釋放，較為危險，因此仍選擇酒精燈加熱。

[第2小組] 改進實驗裝置。由學生自主選擇實驗儀器進行搭建，如三頸燒瓶、溫度計、恒壓滴液漏斗、球形冷凝管、分水器等，并向同學解釋所選儀器的作用。有學生提出從冷凝管的長度及其與水平面的夾角這些方面，探究對產率的影響。

[第3小組] 探究不同濃度硫酸的催化效率。從實驗中可以觀察到硫酸濃度降低時，合成酯過程中溶液炭化現象減少，但硫酸濃度過稀時，分層現象逐漸不明顯。

[第4小組] 驗證飽和碳酸鈉溶液對提高產率的作用。完成加與不加飽和碳酸鈉溶液的對照實驗，比較所得油層高度；學生還設置了加NaOH溶液組別，觀察到油層高度下降，驗證了酯水解的性質。

3.2.2? 觀察

重做教材實驗，得到異常現象；重審教材實驗，進行合理評價，培養學生勇于質疑、敢于創新的科學精神。提出問題后，教師有意識地幫助學生對猜想進行分類，從“加熱方式”“儀器選擇”“藥品選擇”和“分離提純”這四個方面展開探究活動，學生切實感受到科學家進行科學探究中“提出猜想”的思想過程。在探究加熱方式過程中，體會到反應條件控制的重要性，培養了學生實驗的安全觀；在改進實驗裝置過程中，加深對儀器功能的理解，鞏固實驗的基礎知識和基本技能；在探究硫酸濃度影響過程中，感受“量變引起質變”的哲學思想；在探究碳酸鈉作用過程中，體會分離提純操作的重要價值。通過一系列有層次的探究活動，有意識地引導學生自主進行有機合成的思維建模活動。

3.2.3? 分析

在高中實驗課程學習中，“合成乙酸乙酯”不僅是性質驗證型實驗，更是有機合成型實驗的范本。因此在第二輪行動研究中，要從合成型實驗所蘊含的實驗觀念入手，圍繞著“產率、速率、純度”三方面展開探究活動。對高二下的學生來說，已具備化學反應原理和基礎有機化學的知識儲備，學生可以從反應速率和化學平衡移動的角度展開分析。從藥品選擇、裝置選擇、方案設計、產品提純等角度對合成酯實驗進行了優化改進，建構有機合成的思維模型，理解并熟練應用對照實驗法對發掘的新問題進行探究，同時要兼顧實驗的安全性和綠色化等。

3.3? 第三階段——課外實驗拓展課堂教學

學生在進行第二輪行動研究后，學生對實驗中出現的問題有了更深刻的探究欲望。學生在課后查閱資料了解濃硫酸的催化機理，試圖尋找其他高效環保的催化劑。學生自發開展的課外實驗探究成為拓展課堂教學的極有價值的學習渠道。

3.3.1? 行動

活動設計及實施過程由3個學習任務組成。

（1）學習任務1：探究濃硫酸催化機理

[提出問題] 實驗中觀察到，當硫酸濃度過濃或過稀時，分層現象都不明顯，原因是什么？

[做出猜想] 濃硫酸催化合成乙酸乙酯是否與H+濃度有關。

[查閱資料] 濃硫酸催化乙酸乙酯制備的反應機理[ 2 ]及反應過程中能量圖像[ 3 ]如圖1。

[小組討論] 從圖1中可以看出“成質子化”這一步的活化能最高，是酯化反應的決速步驟。濃硫酸以分子形態為主，c（H+）較小，隨著硫酸濃度的降低，濃硫酸逐漸電離出大量的H+，c（H+）增大加快了決速步驟的反應速率，從而使酯化反應速率加快。而當硫酸濃度再進一步降低之后，硫酸的電離作用小于體積的稀釋作用，c（H+）減少使得酯化反應速率減慢。

[得出結論] 在合成乙酸乙酯反應中，起催化作用的微粒是H+。

（2）學習任務2：驗證濃硫酸催化機理

[驗證實驗] 設計實驗進行驗證：采用教材中的實驗裝置，其他條件不變，分別加入飽和Na2SO4溶液、36.5% 濃鹽酸、8mol·L-1濃硫酸各1mL，反應相同時間，測量油層的厚度。

[小組討論] 在實驗中可觀察到：用飽和Na2SO4溶液代替濃硫酸，反應一段時間后，仍然沒有明顯油層生成，排除SO42-對酯化反應的影響；改用濃鹽酸時，酯化反應的速率明顯加快，通過對比實驗，證實在酯化反應中起到催化作用的微粒為H+。而用濃鹽酸做催化劑的效果與濃硫酸相比，反應時間需要更長，得到的酯層厚度也相對薄些，這可能是由H+濃度較低以及濃硫酸具有吸水性的原因導致。

（3）學習任務3：尋找新型催化劑

[提出問題] 濃硫酸具有強氧化性，且使用過程有較大的安全隱患，根據濃硫酸的催化機理，是否可以找到其他的綠色環保的催化劑？

[做出猜想]? NaHSO4固體可以做合成乙酸乙酯的催化劑。

[完成實驗]? 與空白實驗對照，NaHSO4·H2O可以加快酯化反應的速率，NaHSO4·H2O沒有強氧化性和脫水性，副反應較少，且NaHSO4·H2O為固體，分離回收更容易。

[查閱資料] 可用于酯合成的催化劑種類還有很多，如加入少量FeCl3·6H2O為催化劑，少量硅膠為吸水劑，反應效率很高。

[提出問題] FeCl3并不能電離出H+，催化反應的機理是什么呢？

[小組討論] 與濃硫酸催化機理對照，可能是Fe3+吸引乙酸羧基上氧的孤對電子，使羰基的極性增強，從而使羰基容易被醇進攻發生加成反應。NaHSO4·H2O與FeCl3·6H2O這些新型催化劑，催化效率高，無毒、無污染，很適合在課堂上制備乙酸乙酯。

3.3.2? 觀察

教材上用濃硫酸作為催化劑合成乙酸乙酯，但濃硫酸引起的副反應多，反應后的酸性廢棄液不容易分離，易造成環境污染。學生在第二輪行動研究中發現了這個問題，于是自發的開展課外實驗探究，從探究濃硫酸的催化機理、到實驗驗證催化機理、再到尋找綠色環保的物質替代濃硫酸，展開一系列的探究活動。在第三輪行動研究中，主要以化學興趣小組合作方式，自主選擇探究方向、查閱資料、開展有價值的科學探究活動，解決在課堂教學中出現的難以解決的實際問題，有利于學生拓展實驗思維，發展創新能力，了解和掌握有于環境保護的合成方法。將化學課從有限的教材內知識延伸到了無限的課外，學生對化學學科的興趣得到了極大的提升。

3.3.3? 分析

第三輪行動研究中，學生需要運用多模塊知識來綜合解決在實驗探究中遇到的化學問題。如學生能從活化能的視角解決硫酸濃度大小對反應速率的影響因素；能從微粒結構的視角類比遷移H+與Fe3+的催化反應機理，這些真實問題的解決過程，有利于學生對不同版塊知識的融會貫通。學生通過查閱資料，進行理論研究，設計驗證性實驗對理論研究加以證實，再從理論研究出發，展開新的探究活動。學生在其中充分體會了科學研究的過程，感受到了理論研究和實驗研究是科學研究的兩個重要方面，二者相輔相成，互相推進。

4? 研究結果討論及研究啟發

本次行動研究過程通過三輪行動研究，深入挖掘高中化學實驗教育教學功能。第一輪行動研究主要局限于教材內的實驗知識，內容較為基礎，受課時和知識儲備的限制，常只能以驗證性而非推導探究的模式開展學習活動，實驗教學的主要功能作為課堂教學的輔助手段而存在。在這樣的教學觀念下，學生動手實驗的機會減少，學習化學的興趣下降。課后訪談中，同學們談到，“對化學學習失去興趣的主要原因是動手實驗的機會越來越少，課堂上以老師演示或者觀看視頻實驗為主，而且實驗都是按照規定的實驗步驟完成，也無法對自己的一些想法付諸實踐。大量的知識點記憶讓化學不再有趣，學習變得枯燥。”

第二和第三輪行動研究，作為第一輪教材基礎實驗的拓展探究，與教材實驗課程構成了互補，學習場地可以在課內或在課外，讓學生充分體驗科學研究的過程，激發學習興趣，強化探究意識，轉變學習方式，在實踐中培養學生的創新意識和實踐能力。在課后觀察中發現，面對這樣的課題研究，學生的接受度很高，學習熱情也空前高漲，通過小組成員之間互助式的研究討論，學生積極思考，踴躍發言，主動推動研究不斷深入發展。課后訪談中，學生談到：“原來化學課堂可以這么玩”“原來化學實驗也不一定要按照規定的實驗步驟進行按部就班的操作，可以按照自己的想法來玩，太有趣了”“我們高一學習了乙酸乙酯的制備，我們對教材中的實驗裝置和內容沒有任何質疑，居然教材的實驗也可能有值得探討和優化的方面”“通過對乙酸乙酯合成實驗的全方位探究，我對有機物合成制備有了一個大致的理解，對相關知識的理解更加深刻了”。還有學生參與了第三輪行動研究后談到：“原來濃硫酸并不是合成乙酸乙酯的唯一催化劑，我們可以從催化劑的機理出發尋找新的催化劑，這樣的探究方式太吸引我了！”等等。

在日常的教學過程中，教師應重視教材實驗，將教材實驗中的有關問題轉化為研究性學習的課題，指導并參與學生的研究，對學生獲得研究體驗，了解科學研究的一般過程和基本方法，在學習中夯實基礎知識、提升高階思維能力、發展學科核心素養有著重要的意義，同時也為教師自身研究性學習能力的提升及專業發展提供了平臺和動力。

參考文獻：

［1］ 楊小微.教育研究的原理與方法[M].上海：華東師范大學出版社，2002.

［2］ 曾昭瓊.有機化學（第四版下）[M].北京：高等教育出版社，2004.

［3］ 王海勛，薛德興.乙酸乙酯制備中催化劑的探討[J].化學教學，2009（10）：106-108.