中學化學探究性實驗設(shè)計

1、中學化學探究性實驗設(shè)計 【 內(nèi)容提要 】布魯納的發(fā)現(xiàn)學習理論告訴我們：“理解是一個過程，而不是一種品。”學習不但是讓 學生掌握知識，更要讓學生去體驗知識、原理的產(chǎn)生過程。本文從“驗證性實驗”為“探究性驗”、 中學化學探究性實驗教學模式、中學化學探究性實驗設(shè)計過程和方法等三方面入手介紹中學化學探究 性實驗設(shè)計的經(jīng)驗和思考。 “授之以魚，不如授之以漁?！睂W習需要思考，掌握知識固然重要，但掌握方法，提升水平卻更重 要，實驗教學是化學的一個重要的特點，但現(xiàn)行中學化學教材中的實驗，從設(shè)計形式上看多是協(xié)助學 生形成概念，理解和鞏固化學知識的驗證實驗。這種實驗的內(nèi)容、原理、方法和步驟教材中均有明確 的規(guī)定，

2、實驗的啟發(fā)性和探索性受到限制使學生在實驗中處于被動地位，易導致實驗重結(jié)果、輕過 程，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新水平，不利于培養(yǎng)學生實行科學方法的教育和訓練，而且難于 發(fā)揮實驗的多重教育功能。為改變上述現(xiàn)狀，我們選擇了探索性實驗為教學的突破口，并對此實行了 深入地研究和探索。 一、改“驗證性實驗”為“探究性實驗” 在高中化學教材中安排了很多演示實驗，這些實驗往往只起到驗證結(jié)論的作用，對培養(yǎng)學生的探 究意識往往達不到應有的作用，所以在實際教學中能夠把一些演示實驗設(shè)計為探究性實驗，對當前化 學學習中的重、難知識實行專項研究，可促使學生對當前學習到的知識予以鞏固，達到對重點知識的 深層次理解，以便

3、對難點知識的有效突破。例如：在用乙醇與濃硫酸混合加熱到 170 C制取乙烯時，發(fā) 現(xiàn)得到的乙烯往往有刺激性氣味，而課本明明告訴學生純凈的乙烯是無色稍有氣味的氣體，那就說明 我們制取的乙烯不純，有雜質(zhì)，那么這雜質(zhì)氣體又是什么呢？是怎樣產(chǎn)生的呢？又怎樣能夠把雜質(zhì)除 去而得到較純凈的乙烯氣體呢？針對這些問題，我只作了啟發(fā)性的點撥，至于整個探究過程由學生自 己設(shè)計實驗方案，自己動手實驗 , 自己得出結(jié)論，從而使學生在探索中既激活了原有知識，又獲得了新 的知識和方法。 所以“驗證性實驗”與“探究性實驗”是有區(qū)別的，那如何設(shè)計探究性實驗，使用什么模式呢？ 二、中學化學探究性實驗教學模式 （一） 對探索性實

4、驗教學的理解 探索性實驗來自“探索性學習”，是在 20 世紀 50 年代美國掀起的教育現(xiàn)代化運動中，由施瓦布 （Schwab）倡導提出來。我們對探索性實驗的定義是：由教師給出實驗課題，提供實驗器材，提出實驗要 求，讓學生自己擬定實驗方案，制訂實驗步驟，獨立地通過實驗的觀測和分析去探索研究，從而發(fā)現(xiàn) “新”的化學現(xiàn)象，并通過解釋實驗現(xiàn)象，總結(jié)出他們原來并不知道的規(guī)律性理解的實驗。 （二） 探究性實驗教學的整體模式 提出問題（教師或?qū)W生）提出假說（教師或?qū)W生）收集資料設(shè)計實驗（學生） 一- T論證假設(shè)實行實驗（學生） 作出判斷得出結(jié)論（學生） 3由整體模式而分的具體模式 1 、引導探究模式 模式實

5、例 氯氣的化學性質(zhì) （ 1 ）樣品展示、初步感知 教師活動 展示氯氣樣品，初步感知氯氣的物理性質(zhì) （ 2）系列實驗、引導探究 教師演示 實驗一、氯氣通入石蕊試液中現(xiàn)象：先變紅后褪色。 學生分析 先變紅：說明生成了氫離子。 設(shè)疑 是誰使變紅的石蕊褪色了？ 教師演示 實驗二、干燥的氯氣中放入干燥的含石蕊的紙片現(xiàn)象：不褪色。 實驗三、干燥的氯氣通過用水潤濕的含石蕊的紅色紙片現(xiàn)象：先變紅后褪色。 實驗四、在氯水中加入硝酸銀溶液和稀硝酸現(xiàn)象：產(chǎn)生白色沉淀。 實驗五、在鹽酸中加入石蕊試液現(xiàn)象：變紅 學生討論 結(jié)合氧化還原反應原理，討論以上實驗現(xiàn)象說明了什么？ 匯報討論結(jié)果A、氯氣分子沒有漂白性，與水反應后

6、的生成物中產(chǎn)生了有漂白性的物質(zhì)。 B、氯氣與 水反應的產(chǎn)物中有氯離子。 C、氯離子沒有漂白性。 D、在反應中氯氣轉(zhuǎn)化為 HCI，氯元素化合價降 低，必有一種元素化合價升高，在反應中沒有氧氣生成，故另一種產(chǎn)物必然是一種氯元素化合價比零 價高的化合物。 （ 3）得出結(jié)論、知識小結(jié) 教師講授 通過實驗可知：氯氣與水反應，生成了 HCI 和一種有漂白性的物質(zhì)，這種有漂白性的物質(zhì)是 HCIO 。寫出化學方程式。 模式的特點 （1） 本模式是在教師帶動下的實驗探究，與傳統(tǒng)的教學組織形式差別不大，易于老師掌握。 （2） 在分析大量實驗現(xiàn)象的過程中，能充分培養(yǎng)學生分析問題、篩選有效信息的水平。 （ 3）本模式

7、教學過程中學生的主動性略差一些。 2、步進探究模式 模式實例 鈉與硫酸銅溶液反應研究 （ 1）根據(jù)舊知，發(fā)現(xiàn)問題 引入 我們已學過了鈉能與水劇烈反應，金屬也能與鹽溶液反應并置換出鹽中的金屬，在硫酸銅溶液中 既有水，又有能與鈉反應的鹽，它們應怎么反應？ （ 2）理論分析、提出實驗假設(shè) 思考并回答 如果與水反應產(chǎn)生什么現(xiàn)象？與硫酸銅反應產(chǎn)生什么現(xiàn)象？ 小結(jié) 如果鈉與水反應應能觀察到有氣體產(chǎn)生，若與硫酸銅反應應能觀察到有紅色（或黑色）固體產(chǎn) 生。 （ 3）實驗探索、得出結(jié)論 學生實驗探究 將一小塊金屬鈉投入硫酸鈉溶液中，觀察實驗現(xiàn)象，并記錄。 小組匯報 產(chǎn)生了氣體說明生成了氫氣，故鈉與水發(fā)生了反應。

8、同時產(chǎn)生了藍色沉淀，說明鈉先與水反 應生成的氫氧化鈉再與硫酸銅發(fā)生了反應，生成了藍色的氫氧化銅沉淀。 （ 4）發(fā)現(xiàn)新問題 學生置疑 部分小組實驗過程中產(chǎn)生了黑色沉淀，這黑色沉淀是什么？ （ 5）小組討論、理論分析 分組討論 這黑色沉淀產(chǎn)生的各種可能原因。 小組匯報 可能原因之一：鈉與硫酸銅反應生成了疏松狀態(tài)的銅；可能原因之二；因為鈉與水反應很劇 列，放出大量的熱量，使生成的氫氧化銅分解成了氧化銅。 （ 6）設(shè)計實驗 思考并回答 如何用實驗證明生成的黑色固體是銅還是氧化銅？ 小結(jié) 比較簡便的方法是在所得黑色固體中加入過量的鹽酸，觀察黑色固體是否溶解。 （ 7）實驗探索、得出結(jié)論 學生活動 分組完

9、成實驗：在所得黑色固體中加入過量的鹽酸固體完全溶解。 結(jié)論A、生成的黑色固體是氧化銅，產(chǎn)生的原因是鈉與水反應放出的大量熱量使氫氧化銅分解。 B、 鈉與硫酸銅溶液反應的過程是：鈉先與水反應生成氫氧化鈉和氫氣，生成的氫氧化鈉再與硫酸銅溶液 反應。若鈉的用量大、硫酸銅溶液濃度大或硫酸銅溶液在燒杯中太少導至鈉不能游動時，可能導至生 成的氫氧化銅分解成氧化銅。 模式的特點 （ 1） 教學過程體現(xiàn) “發(fā)現(xiàn)問題實驗探究解決問題在實驗過程中發(fā)現(xiàn)新的問題再實驗探究再發(fā) 現(xiàn)新問題 ”的一般性認知規(guī)律，在下一級的探究活動中總是研究更深一層次的問題，呈逐 步遞進關(guān)系。 （2）探究過程是在教師引導下的探究，在教學設(shè)計和

10、實驗準備中必需設(shè)置一些學生意想不到的一些實 驗結(jié)果，以此引發(fā)學生進一步探究的興趣和熱情。 3、 綜合探究模式 模式實例 簡易啟普發(fā)生器的設(shè)計 （ 1）精講原理、作好知識準備 教師講授 啟普發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、原理和操作方法 （ 2）提出問題、小組討論 分組討論 利用實驗室的一些常規(guī)儀器或生活中的物品，設(shè)計一個能使反應隨時發(fā)生和停止的制取氣體 的裝置，并將設(shè)計的思路畫成草圖。 （ 3）小組匯報、組間互評 學生活動 小組長把設(shè)計的草圖用實物投影儀展示出來，并解說設(shè)計思想。其它人員對設(shè)計方案實行補 充、置疑。 教師 小結(jié)評價各方案的優(yōu)缺點。 （ 4）實施實驗、體驗成功 學生活動 利用提供的儀器和藥品實行實

11、驗儀器的安裝。 實驗儀器藥品的準備 燒杯、銅塊、 U 型管、破底的試管，有孔塑料板、長頸漏斗、廣口瓶，飲料瓶、 氣球、長銅絲、鋅粒、稀鹽酸等。 模式的特點 （ 1）本模式強調(diào)的是小組內(nèi)人員的協(xié)作，在協(xié)作中交流，在交流中獲知。所以小組討論、匯報和組間 互評成為了教學過程中最重要的環(huán)節(jié)。 （ 2）各小組圍繞同一個問題實行充分討論，最終方案眾多，重點培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和創(chuàng)新思維水 平。 （ 3）從教學內(nèi)容上看，主要是在理論指導下的實驗探究，對學生實驗設(shè)計水平的培養(yǎng)高于利用化學實 驗來實行探究。 所以，根據(jù)不同的教學內(nèi)容，選擇不同的教學模式，那如何具體的實施呢？ 三、中學化學探究性實驗設(shè)計過程和方法

12、1. 第一階段：準備、確定探索問題 提出一個問題往往比解決一個問題更重要，這是因為解決一個問題也許僅是一個教學上的或?qū)嶒?上的技能而己，而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創(chuàng)造性的想力。 2 . 第二階段：精心設(shè)計、探索實驗 探索性實驗設(shè)計是教師對所提出的問題在課堂結(jié)構(gòu)上實行的總體規(guī)劃過程，或者是學生根據(jù)自己所學 的化學知識和技能，獨立的或在教師的啟發(fā)指導下，靈活并創(chuàng)造性的對所提出的問題制定解決方案。 它是實行實驗探索的關(guān)鍵一步，決定著探索的問題能否順利解決。 3挖掘?qū)嶒瀮?nèi)容改為探索性實驗 在現(xiàn)行教材當中，據(jù)統(tǒng)計，在高中化學 106個演示實驗中，先有結(jié)論后演示驗證的有

13、55 個之多，占 了近 51.9的比例。如何能夠利用教材的現(xiàn)有實驗，深挖其內(nèi)容，尋求將其轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿餍詫嶒灥暮侠?途徑，在實驗中我們做了一些探索。例如：高一教材 （鹵素 ）中在相關(guān) HClO 的漂白性的教學中，就能夠 將此驗證性實驗改為探索性實驗實行教學。 （1） 提出問題：通入 C12，能夠使?jié)駶櫟乃{色石蕊試紙先變紅后褪色，說明了什么 ？ （2） 提出假說 HCIO能夠使試紙先變紅后褪色，說明了 HCIO具有酸性和漂白性。 HCIO能夠使藍色的石蕊試變紅， C12能使其褪色。 （3） 設(shè)計實驗： 將C12通入放有干燥的紅色石蕊試紙的集氣瓶中。 將C12通入放有濕潤的藍色石蕊試紙的集氣瓶中。 （

14、4） 驗證假說 （5） 提出結(jié)論： HCIO 具有漂白性。 上述探究使學生擴展了知識，訓練了創(chuàng)新水平，同時初步了解科學實驗的現(xiàn)象往往是復雜的、多 因素的。這種學習方法，學生是在主動探求中發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造新知識的，體現(xiàn)了學生的主體作用。 4設(shè)置探索性實驗 如在學習S02還原性時，提出問題： S02有還原性嗎？假設(shè) S02有還原性。學生自學教材收集資料, 設(shè)計論證過程： 1) S02能被催化氧化，教師指出這是 S02在催化劑存有條件下所發(fā)生的氧化還原反應。 2) 提問：能否用我們已有的知識通過實驗來證明它的還原性呢？ 學生根據(jù)教師提供的實驗用品設(shè)計了：將 S02分別通入： Cl2 Br2 水 酸性KMnO

15、 4 現(xiàn) 象 分析解釋 學生自己動手實驗，分析 S02在反應硫元素價態(tài)的變化，得出結(jié)論： S02有還原性，假設(shè)成立。此后再 引導學生認知 H2S03、Na2S03的還原性，提示學生注意反應物間量的關(guān)系，并提供有效的應用場所使 知識加以鞏固。由此訓練學生創(chuàng)造思維的新穎性和批判性，使學生由知識單一型轉(zhuǎn)變?yōu)橹R綜合型。 5.注重實驗的改革、設(shè)計創(chuàng)新 教材中有些實驗設(shè)計及操作方法雖然都是經(jīng)過反復驗證了的，但實際操作中仍存有著這樣或那樣的 不足，為體現(xiàn)科學方法是需要創(chuàng)新而且是能夠創(chuàng)新的，教師應鼓勵學生對其不足之處加以改進，這樣 既符合學生的認知發(fā)展特點，又能促動學生對化學理論、化學知識的理解和掌握，并且

16、通過對學生有 步驟、有針對性的訓練，提升學生的實驗設(shè)計水平。 例如：銅和稀硝酸反應實驗中，因為一氧化氮極易與空氣中的氧氣化合而生成紅 棕色的二氧化氮氣體，學生難以從實驗現(xiàn)象上直觀地得出稀硝酸與銅反應生成無 色的N0氣體的性質(zhì)，通過改進的實驗裝置(如右圖)就能夠克服上述缺點。打 開分液漏斗活塞，用稀硝酸裝滿 U型管，將管內(nèi)空氣排除，然后關(guān)閉活塞實行反 應，生成的一氧化氮氣體將稀硝酸排入右端的漏斗中，避免了生成的 N0氣體與 空氣中氧氣接觸的可能，而且將N0氣體的制備與性質(zhì)熔為一體，既能夠清楚地看 到實驗的主要產(chǎn)物：無色不溶于水的 N0氣體和藍色的硝酸銅溶液。當打開分液 漏斗的活塞時，又可演示 N

17、0與氧氣反應生成紅棕色 N02氣體，避免了 N02氣體對空氣形成污染，且 該裝置能重復使用。 6 指導學生設(shè)計探索性實驗方案 學生設(shè)計探索性實驗方案，要求學生不但要有實驗操作的直觀體驗，而且要有深入的全面的思 考。例如：某光鹵石(KCl -MgCl2 6H20)樣品中含有不與 Na0H溶液、鹽酸反應的雜質(zhì)，請設(shè)計實驗 測定樣品中KCl -MgCl 2 6H2O的質(zhì)量分數(shù)。要求根據(jù)所提供的實驗試劑，選擇精確度較高的實驗測定方 案?？蛇x擇的實驗試劑有： a mol/L Na0H 溶液，b mol/L Na 2C03溶液，c mol/L HCl溶液，d mol/L AgN0 3溶液，酚酞試液，紫色石蕊試液。 這是一個開放性的實驗題，學生可設(shè)計出多種實驗方案。但教師應引導學生思考： (1) 根據(jù)題目的要求應采用什么方法來測定？(滴定法)。 (2) 可選用什么溶液滴定？哪種精確度最高？ ( HCI溶液滴定過量的 NaOH溶液)。 (3) 用何種指示劑？(酚酞) (4) 具體操作時應注意什么問題？(沉淀必須過濾洗滌，準確判斷滴定終