化學探究性實驗在研究性學習項目中的設計與實施

鄭沅

摘 要：本文系統探討了化學反應的研究性學習項目設計及實施。首先，通過酸堿中和、金屬與酸反應等實驗，深入探討了化學反應的熱效應，通過測量溫度變化揭示了反應中的能量轉化原理。其次，通過設計載人航天器用化學電池與氧氣再生方案的微項目，學生在整合化學知識的同時，研究能源與氧氣再生問題，培養了跨學科整合的能力。這一綜合研究旨在提高學生的實驗設計和科學研究能力，為未來化學在科學與工程領域的應用奠定基礎。

關鍵詞：化學探究性實驗；研究性學習；化學反應；能量轉換；學科整合

研究性學習作為一種強調學生主動參與、探究和發現的學習方式，在當今教育中得到了廣泛的關注和應用。而化學作為自然科學的一個重要分支，其實驗教學一直以來都是培養學生科學素養的重要手段。因此，將化學探究性實驗融入研究性學習項目，對于激發學生的學科興趣、提高他們的實驗技能和科學思維能力具有重要的意義。

一、研究性學習對深度學習的促進作用

學生的主動參與、學科興趣的激發、實踐與理論的結合以及批判性思維的培養共同推動了學生在化學領域的深度學習，為其未來的學科發展奠定了堅實基礎。

（一）鼓勵學生主動參與

在高中化學教育中，引入研究性學習是為了突顯學生主動參與的關鍵性，這對于促進深度學習至關重要。傳統的教學方式往往是教師向學生傳遞知識，而研究性學習則強調學生在學習過程中的主動性。通過實驗設計、操作和數據分析，學生積極參與到學習的全過程中，從而不再僅僅是被動地接受知識。這種主動性的參與有助于學生更深層次地理解和鞏固學科知識，同時培養了他們在面對新問題時靈活運用知識的能力，進一步提升了問題解決的技能。

（二）激發學生的學科興趣

研究性學習通過提供更富挑戰性和實踐性的學科任務，成功地激發了學生對高中化學的興趣。學生參與實驗項目時，他們通過主動設計和操作實驗，使得對化學領域產生了更加濃厚的好奇心和興趣。這種興趣的培養不僅在短期內帶動了學科學習的積極性，更在長期內為學生未來的專業發展奠定了積極的基礎。通過實踐性的學習體驗，學生更容易認識到化學領域的廣闊可能性，從而更愿意深入學習相關知識。

（三）實踐與理論知識的有機結合

研究性學習的核心在于將實踐性的實驗與理論知識有機結合，從而推動學生對深度學習的追求。通過實驗操作，學生能夠更生動地理解抽象的理論概念，并將所學知識應用到實際問題的解決中。這種實踐與理論的有機結合有助于學生形成更為全面深刻的學科認識。實驗項目不僅是理論知識的驗證，更是學生思考、實踐和創新的舞臺，促使他們將所學知識更加深刻地融入實際應用中。

（四）培養批判性思維

研究性學習強調在實驗設計和數據分析中運用批判性思維。學生需要審慎評估實驗步驟的合理性，分析實驗數據的可靠性，并從中得出科學結論。這種思維方式的培養不僅提高了學生的實驗技能，還促進了他們在面對復雜問題時的獨立思考能力。通過批判性思維，學生能夠更全面地審視問題，不僅關注實驗結果，更關注實驗的過程和方法，培養了他們在未知領域中主動探究的精神[1]。

二、高中化學探究性實驗的現狀和不足

通過深入分析高中化學探究性實驗的現狀和不足，可以更全面地認識到存在的問題，并在今后的教學實踐中有針對性地改進，提升高中化學教育的質量。

（一）現狀分析

目前高中化學教育中，探究性實驗逐漸受到重視，但在實際教學中存在一些問題。首先，由于教學資源和設備的限制，一些學校難以提供充足的實驗條件，導致學生在實踐中的機會受到制約。這種限制可能阻礙學生在實驗中充分發揮創造性思維和動手能力，從而影響其實踐能力的培養。其次，教師在實驗設計和指導中可能面臨時間和能力的壓力，難以全面引導學生深入參與。這可能導致實驗過程變得機械和單一，無法真正激發學生的學科興趣。此外，考試導向的評價體系也使得實驗教學往往被邊緣化，學生更關注應試而非真正的學科探究。

（二）不足之處

高中化學探究性實驗在實施中存在一些不足之處。首先，一些實驗設計可能缺乏足夠的創新性，難以引發學生的濃厚興趣。這可能導致學生對實驗過程缺乏熱情，影響其主動參與的積極性。其次，實驗中的安全問題需要更加重視，確保學生在實踐中的安全性。教育機構和教師需要確保學生在實驗操作中掌握正確的安全知識和技能，以避免潛在的危險。同時，由于一些學校的師資力量和實驗設備水平有限，導致一些學生無法充分體驗到探究性實驗的樂趣和價值。這使得教育資源的不平衡成為制約學科素養全面提升的瓶頸。

（三）未來展望

隨著高中教育改革的不斷深入，相信高中化學探究性實驗將迎來更好的發展機遇。通過全社會的關注和支持，可以逐步解決實驗條件不足的問題，為學生提供更廣闊的學科實踐空間。投入更多的資金和資源，提高學校實驗設備水平，有助于創造更有挑戰性和實際意義的實驗環境。同時，加強教師隊伍建設，培養更多高水平的化學教育專業人才，將有助于提升探究性實驗在高中教育中的地位和作用。期待未來，高中化學探究性實驗能夠更好地服務于學生的全面發展和科學素養的培養。這需要教育體制、學校和教師共同努力，形成有利于學科探究和實踐的教學環境[2]。

三、化學反應與能量轉換實驗設計

（一）化學反應的熱效應

在化學反應的研究性學習項目中，選擇了化學反應的熱效應作為一個重要的實驗方向。通過測量不同反應過程中的溫度變化，學生可以深入了解反應過程中的能量轉化。具體實驗包括以下兩個子實驗：

1.酸堿中和反應

在酸堿中和反應實驗中，學生選擇強堿氫氧化鈉（NaOH）與強酸鹽酸（HCl）反應為例。該反應化學方程式如下：

HCl?+ NaOH →NaCl ?+H2O

學生在實驗中按照一定的摩爾比例混合NaOH和HCl，通過測量混合溶液的溫度變化，記錄反應前后的溫度差。通過實驗數據的分析，學生能夠計算反應過程中釋放或吸收的熱量，從而了解該酸堿中和反應的熱效應。

2.金屬與酸反應

在金屬與酸反應實驗中，學生選擇鋅（Zn）與鹽酸（HCl）反應為例。該反應化學方程式如下：

Zn + 2HCl → ZnCl2+H2↑?

學生按照一定的摩爾比例將鋅片與鹽酸混合，同樣通過測量反應前后的溫度變化，記錄反應過程中釋放或吸收的熱量。通過對實驗數據的分析，學生能夠比較不同反應的熱效應，深入理解金屬與酸反應的能量轉化過程。學生不僅能夠實際操作化學實驗室中的反應，還能通過數據分析和計算，深入理解化學反應中的熱效應原理，為研究性學習項目的深入進行奠定基礎[3]。

（二）化學能轉化為電能——電池

在這個研究性學習項目中，將設計一個關于電池的實驗，以便學生深入了解化學能如何轉化為電能的過程。以下是實驗的詳細步驟：

1.實驗目的

通過構建簡易電池裝置，觀察金屬溶液反應，深入研究化學能轉化為電能的機制，并探究不同金屬對電池性能的影響。

2.實驗材料

兩塊相同大小的銅片

兩塊相同大小的鋅片

母液槽

銅和鋅的硫酸溶液

導線

電流計

電壓計

3.實驗步驟

（1）準備材料

在進行電解實驗之前，首先需準備實驗材料。

（2）銅片和鋅片處理

將銅片和鋅片分別插入兩個母液槽中，確保它們不直接接觸，以避免直接的電化學反應。

（3）溶液倒入

在兩個母液槽中分別倒入銅和鋅的硫酸溶液。

確保液面充分覆蓋銅和鋅片，使它們完全浸泡在溶液中，為電化學反應提供足夠的反應物。

（4）連接電路

使用導線將銅片和鋅片連接，建立電池電路。

通過電流計和電壓計分別連接電路，以準確測量電流和電壓。

（5）測量和記錄

啟動電路后，記錄實驗過程中電流和電壓的數值。

仔細觀察反應過程中的現象，如氣體產生、電極表面的變化等。

定期記錄實驗數據，包括電流隨時間的變化、電壓的波動等信息。

（6）重復實驗

使用不同金屬或調整硫酸溶液的濃度，以研究它們對電池性能的影響。可以改變銅和鋅的組合，或者調整硫酸的濃度，記錄并比較不同實驗條件下的電流和電壓數據。通過這一系列實驗步驟，學生將深入了解不同因素對電池性能的影響，并培養實驗設計和數據分析的能力。

4.實驗數據示例

在使用銅和鋅的硫酸溶液時，記錄的電流和電壓數據參照如下：

電流：0.5安培（A）

電壓：1.2伏特（V）

通過比較不同金屬組合和溶液濃度下的實驗數據，學生可以深入研究電池的工作原理，了解不同條件下化學能如何轉化為電能。這樣的實驗設計旨在提高學生對電池性能和化學能轉化的理解，并培養他們的實驗技能和科學思維能力。

（三）氫氧化亞鐵的制備實驗設計

1.實驗目的

理解并掌握制備氫氧化亞鐵的方法；

觀察氫氧化亞鐵的顏色和狀態；

了解氫氧化亞鐵不穩定的原因及保存方法。

2.實驗原理

氫氧化亞鐵【Fe（OH）2】是白色固體，難溶于水，但易被氧化。制備氫氧化亞鐵通常采用將可溶性鐵鹽與強堿溶液反應的方法。為了防止氫氧化亞鐵被氧化，制備過程中應嚴格控制反應條件，如氧氣濃度、溶液酸堿性、反應溫度等。

3.實驗材料和儀器

硫酸亞鐵溶液；

氫氧化鈉溶液；

蒸餾水；

試管；

（特別長的）膠頭滴管；

離心管；

離心機。

4.實驗步驟

組裝密閉裝置，并將適量的氫氧化鈉溶液滴入硫酸亞鐵溶液中，同時攪拌；當觀察到生成白色沉淀物時，停止滴加氫氧化鈉溶液；

將試管中的混合物用離心機進行離心分離，分離出上層清液和下層沉淀物；

將離心后的沉淀物用蒸餾水洗滌多次，直至洗滌液中不含硫酸根離子；

將洗滌后的沉淀物離心分離，得到較純凈的氫氧化亞鐵固體。

5.實驗結果分析

通過觀察離心后的上層清液和下層沉淀物的顏色和狀態，確定是否成功制備了氫氧化亞鐵；

分析實驗過程中可能影響實驗結果的因素，如：氧氣濃度、溶液酸堿性、反應溫度等；

根據實驗結果討論如何保存氫氧化亞鐵，并探討其在實際應用中的可能性。

（四）金屬的腐蝕與防護

在金屬的腐蝕與防護的研究性學習項目中，致力于讓學生深入了解金屬在不同環境中的化學反應過程。通過模擬大氣、水等不同條件，學生將觀察金屬的腐蝕現象，并通過設計防護措施來延緩金屬的腐蝕過程。這一實驗旨在培養學生解決實際問題的能力，并使他們在化學知識的基礎上掌握材料科學的應用。

1.實驗步驟與數據記錄

（1）腐蝕實驗：模擬大氣環境

在這個實驗中，學生選擇不同金屬樣品（如鐵、銅、鋁），將它們暴露于模擬大氣條件中，包括潮濕環境或含有鹽分的空氣。學生定期測量金屬表面的腐蝕程度，并記錄環境條件，如濕度和鹽分濃度。通過這些數據，學生可以計算腐蝕速率等參數，深入分析金屬在大氣環境中的腐蝕情況。實驗旨在揭示不同金屬在不同大氣條件下的耐腐蝕性能，為腐蝕防護提供實驗基礎。

（2）腐蝕實驗：模擬水中環境

在這一實驗中，學生將金屬樣品浸泡在模擬水中的容器中，以模擬水中腐蝕環境。通過定期測量金屬的腐蝕情況，并記錄水的酸堿度等環境參數，學生可以分析水中環境對金屬腐蝕的影響。實驗旨在研究水質對金屬的腐蝕性，為水處理和防腐工程提供實驗數據支持。通過這兩個實驗，學生能夠更全面地了解不同環境條件下金屬腐蝕的機制和影響因素，為相關領域的應用提供科學依據[4]。

2.防護措施設計

（1）涂層防護

在涂層防護方面，學生可以設計多種類型的涂層，例如油漆或涂層膜，以覆蓋金屬表面。首先，選擇合適的涂層材料，并在金屬表面均勻涂覆。隨后，通過周期性地測量金屬表面的腐蝕情況，學生可以評估涂層對金屬的保護效果。使用腐蝕速率等指標進行定量分析，了解不同涂層類型對金屬的抗腐蝕性能，為實際應用提供有效的防護策略。

（2）電化學防護

學生可以嘗試采用電化學方法，如電鍍，來保護金屬表面。在電化學防護實驗中，學生需要選擇適當的電鍍材料和條件，進行電化學處理。通過對處理前后金屬性質的測量，例如電位、電阻等，學生可以分析電化學防護的效果。這種方法的優勢在于能夠形成均勻且致密的保護層，提高金屬的抗腐蝕性能。學生還可以考慮不同電化學方法對金屬表面的影響，以優化防護效果。

（五）微項目：設計載人航天器用化學電池與氧氣再生方案——化學反應中能量及物質的轉化利用

在微項目中，學生將致力于解決載人航天器長期航行中的能源和氧氣供應問題，通過設計一種化學電池并研究氧氣再生方案，旨在實現能量及物質的高效轉化利用。以下是微項目的詳細設計：

設計一種具有高能量密度和穩定性的化學電池，并研究一種可行的氧氣再生方案，以滿足載人航天器在太空中長期航行的能源和氧氣需求[5]。

結束語

通過對化學探究性實驗在研究性學習項目中的設計與實施進行深入探討，本文旨在為化學教育領域提供一種有效的教學模式。通過合理設計實驗項目，結合研究性學習的理念，能夠更好地促進學生的深度學習，培養其學科素養，為其未來的學科發展奠定堅實基礎。希望本文的研究能夠為化學教育的改革和創新提供一些有益的啟示。

參考文獻

[1]楊益鳳.試論高中化學實驗改進的探究與實踐[J].讀與寫（上，下旬），2015（19）：385.

[2]鞠小虎.高中化學實驗體系構建分析[J].文理導航（中旬），2018（5）：66.

[3]王曉宇.“深度學習”視野下高中化學實驗教學：問題與對策[J].文淵（高中版），2019（10）：350.

[4]何榮華.淺析創新高中化學試驗[J].湖南農機，2010，37（9）：182-183.

[5]楊軍.淺談高中化學試驗課教學[J].金田，2015（5）：235.

本文系南平市“十四五”中小學（幼兒園）學科教學帶頭人培養對象教育科研課題“化學探究性實驗在研究性學習項目中的應用案例研究”的研究成果。