基于模型建構的實驗創新

王琴花

基于模型建構的化學實驗創新，是化學教育領域中的一次重要嘗試與突破。因此，我們有必要引入模型建構的理念，以創新的視角重新審視化學實驗教學，從而推動化學教育的現代化與科學化。

一、教材分析

“金屬資源的利用和保護”是人教版九年級下冊課題三的內容，通過實驗探究了解金屬資源保護——導致鋼鐵銹蝕的因素，從內容來看，本實驗為高中電化學知識打下基礎；從學科價值來看，能夠培養學生的科學探究能力，從而使學生認識到化學與生活密切相關。

二、學情分析

學生已經知道鐵制品在潮濕的空氣下容易生銹，有了一定的邏輯思維能力和實驗探究能力，也有了辯證思維的萌芽。但是學生已有的知識和能力不能全面地了解導致鋼鐵銹蝕的各種因素，不能多角度、多手段運用控制變量法設計實驗。

三、教學目標

體驗的核心素養功能在于以鋼鐵銹蝕為例研究金屬的銹蝕，進一步形成變化是在一定條件下發生的化學觀念，認識、分析、比較、歸納、控制變量等科學方法培養通過科學探究解決實際問題的能力，以及形成嚴謹的科學態度（如圖1）。

科學探究與實踐：通過實驗探究建構鋼鐵銹蝕的模型，了解影響鋼鐵銹蝕速率的因素，發展科學探究能力。

化學觀念：通過科學探究形成化學變化發生需要一定的條件的化學觀念。

科學思維：發展運用歸納、演繹、推理等思維的方法探究物質性質及變化和建構模型的能力。

科學態度與責任：通過實驗探究培養學生科學嚴謹的學習態度和責任。

四、教學重難點

教學重點：探究金屬銹蝕的條件及防銹方法。

教學難點：探究金屬銹蝕的條件。

五、實驗創新設計

利用課本實驗我們可以得到金屬銹蝕的條件——分別做三個實驗，一周后觀察實驗結果得出結論（如表1）。但是這樣的做法存在以下問題：（1）實驗周期長（一周時間），課堂展示預先準備好的實驗結果，學生對實驗結果的真實性可能存在疑問。（2）只從生成物角度定性研究該反映研究角度單一且帶有主觀性。（3）只從物質變化的角度分析未關注到能量的變化。

★創新設計一：多種實驗手段促進鋼鐵銹蝕模型建構

傳統實驗使用的器材：鐵釘、試管、橡膠滴管。

數字化實驗使用器材：氧氣傳感器、數據收集表、電腦、鐵粉、集氣瓶。

趣味實驗使用器材：燒杯、試管、濕巾、碳粉、鹽、膠頭滴玻璃棒。

通過傳統實驗探究鋼鐵銹蝕的條件，不探究影響鋼鐵銹蝕的速率，學生很容易通過該實驗從生成的角度認識鋼鐵銹蝕時需要氧氣和水。然后通過數字化實驗引入氧氣傳感器，將鐵釘換為鐵粉，分別測定在不同條件下氧氣含量隨時間的變化曲線。通過具體的實驗分析，學生從反應物角度進一步證明鋼鐵銹蝕需要氧氣和水，由此在傳統實驗的定性認識和數字化實驗的定量分析下，共同建立鋼鐵銹蝕的模型（如圖2），氧氣和水缺一不可。

★創新設計二：趣味實驗直觀體驗影響鋼鐵銹蝕速率的因素

在探究影響鋼鐵銹蝕速率的因素時，我和學生一起完成：將分割好的鐵粉、鹽、碳粉均勻地鋪在濕巾上，用玻璃棒抹平，鋪開以后稍微用力將濕巾卷起，放到試管中再放到紅墨水中。很快觀察到：紅墨水上升，說明該反應速率很快，這說明增大接觸面積、增加碳粉和鹽會加快反應速率。實驗結束后將濕巾取出用手觸摸會感受到微熱，說明該反應為放熱反應（如圖3）。

★創新設計三：與生活密切聯系

將鐵制品放置在干燥的環境中；在鐵制品表面涂上一層保護膜，如可涂油、刷漆；在鐵制品表面鍍上其他金屬；用化學方法使鋼鐵表面形成致密的氧化膜，如烤藍；改變金屬內部結構制成合金，如將鐵制成不銹鋼，使學生認識到鋼鐵銹蝕在生活中的應用等。

小結：學生看書總結：干——保持鐵制品表面潔凈和干燥；膜——在鋼鐵表面覆蓋保護層；鍍——在鋼鐵表面鍍一層其他金屬；烤——用化學方法使鋼鐵表面形成致密的氧化膜；改——加入其他金屬，改變其組成。

學以致用：你知道自行車的鏈條、支架、鋼圈分別采取了什么措施防銹嗎？學生各抒己見。

實驗反思：數字化傳感技術在化學實驗中的應用，使化學實驗由傳統走向現代。數字化實驗的應用拓展了創新實驗的視角，而在動畫實驗的應用過程當中，實驗用時短，幾分鐘就可以觀察到實驗現象；操作簡便，連接就可收集實驗數據；數據明顯、直觀、客觀。在不易察覺的氧氣減少的同時，則出現明顯的數據，對比效果明顯。但是在實際操作中有一定的缺陷，我們在實驗的時候只有一個氧氣傳感器，如果有三個效果更佳。

（設計意圖：創新實驗引入新的實驗技術和手段，在實驗的同時為學生提供開放、多元的實驗環境，從而培養了他們的實踐動手能力和創新精神。模型的建構不僅能夠幫助學生更直觀地理解實驗原理和操作過程，還能夠激發他們的探究興趣和創新思維。）

★突破知識點：金屬資源保護

學生看書，歸納出金屬資源保護的相關內容。師出示PPT進行拓展和補充（如圖4）。此環節培養了學生的歸納總結能力和語言表達能力、概括能力。

六、歸納總結與板書設計

七、課后反思

（一）教學實施概述

在本次教學中，我采用了基于模型建構的實驗創新方法，以“金屬資源的利用和保護”為主題，引導學生進行探究性學習。課堂上，我首先通過引入金屬資源的重要性及其面臨的問題，激發學生對課題的興趣。然后，我通過創新實驗展示和講解金屬利用和保護的基本模型，幫助學生理解相關概念和原理。接著，我指導學生分組進行實驗設計，并親自動手操作，探究金屬腐蝕的原因及防護措施。最后，各小組匯報實驗結果，我進行總結（如圖5）和評價，最后用學到的知識解決問題。

（二）教學效果分析

通過模型建構和實驗設計，學生能夠更直觀地理解金屬利用和保護的過程，激發了他們的好奇心和探究欲，使得學生更加積極地參與到課堂討論和實驗操作中。通過親手操作實驗，學生能夠在實踐中加深對金屬腐蝕原理、防護措施等知識的理解，形成更加深刻的印象。在實驗設計環節，學生需要發揮創新思維，結合所學知識解決實際問題。這不僅鍛煉了學生的動手能力，還培養了他們的創新能力和解決問題的能力。

（三）存在問題及改進措施

由于實驗材料準備不充分（氧氣傳感器），部分學生在實驗過程中無法順利進行。未來教學中，我應提前準備好充足的實驗材料，確保實驗的順利進行。在模型建構環節，部分學生對模型的構建過程理解不夠深入，導致后續實驗設計出現偏差。因此，在后續教學中，我應加強對模型建構過程的講解和演示，確保學生能夠充分理解并掌握。由于實驗環節較多，課堂時間緊張，部分學生的實驗進度受到影響。未來教學中，我應合理安排實驗時間，確保學生有充足的時間進行實驗操作和討論。

（四）總結與展望

通過本次基于模型建構的實驗創新教學，我深刻認識到實驗教學在培養學生創新能力和實踐能力方面的重要作用。雖然在教學過程中存在一些問題，但通過反思和改進，我相信能夠進一步提高教學效果，為學生的全面發展奠定堅實的基礎。展望未來，我將繼續探索基于模型建構的實驗創新教學方法，結合學科特點和學生實際，設計更多具有挑戰性和趣味性的實驗項目，激發學生的學習興趣和探究欲望，培養更多具有創新精神和實踐能力的人才。

編輯：溫雪蓮