中學應用型化學教學實驗的開發(fā)策略

呂琳　寧雪婷　吳娜蘋　吳星

摘要：文章以化學阻燃劑實驗的開發(fā)為例，闡明了應用型化學教學實驗的功能以及該類物質(zhì)體系的選擇、實驗過程的設計和教學策略等問題。

關鍵詞：應用型；化學教學實驗；化學阻燃劑實驗；實驗開發(fā)

文章編號：1005－6629(2013)7－0061－03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

新知識觀認為，知識是在一定的情景中產(chǎn)生，在一定的情景中加以應用，毫無疑問，知識的學習也離不開情景。因此，以中學化學課程的化學知識在生活、生產(chǎn)中的應用為切入口設計并進行相應的實驗教學(應用型化學教學實驗)，不僅能激發(fā)學生學習的興趣，而且可加深學生對物質(zhì)現(xiàn)實應用價值的認識，引導學生理解物質(zhì)性質(zhì)和用途之間復雜的關系，甚至還可以通過實驗引導學生感悟?qū)嶒灧椒ㄅc實際操作之間的差距。

但筆者通過對中學化學教師的教學觀摩和中學生的訪談，發(fā)現(xiàn)許多教師更強調(diào)在實驗中對物質(zhì)性質(zhì)的探究，而將物質(zhì)的應用作為附屬品一帶而過，因而導致學生對物質(zhì)的認識僅停在學科層面，而對物質(zhì)在人類生活、生產(chǎn)中發(fā)揮的巨大作用認識膚淺，這是與基礎教育階段化學學習的目的不相吻合的。

資料顯示，目前人們對應用型化學教學實驗的研發(fā)較少，這可能與人們對該類實驗隱含的教學功能認識不夠有關。另一方面，也與應用型化學教學實驗涉及的知識點多、有些實驗藥品或材料在中學難以獲得、涉及生產(chǎn)工藝等客觀因素有關。為此，筆者以高中化學必修模塊元素化合物知識為基礎，以化學阻燃劑的實驗開發(fā)為例，探討了該類實驗開發(fā)和教學過程中的一些策略，以期望更多的研究者積極探討這一課題。

1化學阻燃劑實驗教學體系的設計

中學階段實驗教學體系通常由實驗問題或任務、實驗目的、實驗方案、實施要求等幾個部分組成，為此，筆者從以上幾個方面將我們開發(fā)的“化學阻燃劑”實驗教學體系呈現(xiàn)出來，以此作為闡述中學應用型化學教學實驗開發(fā)和教學策略的載體。

1.1實驗背景及問題的提出

預防火災發(fā)生、保護人民生命財產(chǎn)是我們生活中的一項基本要求，為此，在工業(yè)上廣泛使用著各種改善可燃、易燃材料燃燒性能的技術。其中在纖維、塑料及各類裝修材料中人們常采用添加阻燃劑的手段，而使用的阻燃劑如氫氧化鋁、氫氧化鎂、聚磷酸鹽等物質(zhì)我們并不陌生。它們因為具有在高溫下能夠分解產(chǎn)生不燃氣體以及產(chǎn)物具有覆蓋阻燃等性質(zhì)而成為常用的無機阻燃劑。請根據(jù)你已學的知識以及上文中的信息分析上述三種物質(zhì)阻燃的原理。

1.2實驗目的

我們分析的三種物質(zhì)的阻燃原理是否科學，可通過實驗收集證據(jù)加以驗證。當然，從實驗中我們還可期望在其他方面有所收獲。為此，可確定如下的實驗探究目的：

(1)驗證氫氧化鋁、氫氧化鎂、磷酸銨等物質(zhì)是否具有阻燃功能；

(2)探究上述三種物質(zhì)的阻燃機理，分析反應過程中發(fā)生的主要化學變化；

(3)感悟在生產(chǎn)中人們是怎樣利用物質(zhì)性質(zhì)來造福人類的，感悟科學實驗與科學技術之間的關系。

1.3實驗方案的設計

根據(jù)自己的假設進行實驗方案的設計。也可以通過資料查閱，分析實驗設計中可能需要關注的一些細節(jié)問題。如果你沒有思路，下列實驗方案可供你參考：

(1)阻燃劑的制備：稱取2g氯化鎂、氯化鋁放入兩燒杯中，分別加入蒸餾水，制成飽和溶液，再分別逐滴滴加濃氨水，攪拌，待不再生成沉淀后，將反應體系在酒精燈上加熱至沸后冷卻，過濾，制得氫氧化鎂、氫氧化鋁待用。

取10mL濃磷酸于小燒杯之中，緩慢滴入濃氨水。由于反應過程中會放出大量熱量，建議邊滴加邊用玻璃棒攪拌，并將燒杯浸入水槽中冷卻。當觀察到燒杯中有晶體析出時停止滴加，并加熱煮沸半分鐘到一分鐘，趕走未反應的氨水，并形成比粘稠的熱飽和磷酸銨鹽溶液，冷卻待用。

(2)涂抹阻燃材料：取4塊5cm×5cm的紗布，其中3塊分別均勻涂抹自制的氫氧化鋁、氫氧化鎂、磷酸銨，并用吹風機風干。

(3)阻燃效果及機理的驗證：A.將未作處理的紗布用坩堝鉗夾住放于酒精燈火焰中，發(fā)現(xiàn)其迅速燃燒。B.分別將經(jīng)過處理的涂抹氫氧化鋁、氫氧化鎂的紗布用坩堝鉗夾住放于酒精燈火焰上方灼燒，并將干燥的表面皿倒扣于紗布上方，10余秒后紗布仍然完好，表面皿上有水蒸氣。離開火焰后，可觀察到紗布上有白色凝固狀物質(zhì)。C.將涂抹聚磷酸鹽的紗布放于火焰中灼燒，并在紗布上方倒扣貼有濕潤紅色石蕊試紙的表面皿，灼燒10余秒后紗布仍完好，表面皿中石蕊試紙變藍。

1.4思考與反思

結(jié)合下列問題進行實驗的探究，并在實驗結(jié)束后解答下列問題：

(1)在紗布上涂抹了阻燃劑后，為何要用吹風機將其吹干?

(2)上述實驗探究中，涉及到哪些化學知識的應用?

(3)阻燃劑利用了物質(zhì)的不穩(wěn)定性，通過該實驗，你對物質(zhì)不穩(wěn)定性有了哪些新的認識?

(4)如果將實驗成果應用于實際生產(chǎn)過程，你覺得還應考慮哪些因素?

2中學應用型化學教學實驗開發(fā)策略的探討

宋心琦教授在“化學實驗教學改革建議之一”一文中提出了化學實驗體系三要素：作為實驗對象的物質(zhì)體系、適當?shù)膬x器裝置和必要的安全措施、合理的實驗步驟和規(guī)范的操作技術。為此，筆者嘗試著從這三個方面探討中學應用型化學教學實驗開發(fā)的策略。

2.1物質(zhì)體系的選擇策略

應用型化學教學實驗是以物質(zhì)的實際應用為特征的，而物質(zhì)的應用極其廣泛，且涉及到很多知識的綜合應用和復雜的生產(chǎn)工藝，如果不加選擇，往往逾越學生的認知能力。為此，要結(jié)合學生的生活經(jīng)驗和未來發(fā)展的需要，篩選出學生在日常生活中所見、所聞的物質(zhì)功能作為探究點。首先，筆者之所以選擇阻燃劑進行相關的實驗開發(fā)，是因為防火滅火的方法是中學化學學習的內(nèi)容之一，也是生活中的需求之一，且目前阻燃技術高度發(fā)展，因此，選擇“阻燃”這一物質(zhì)功能，不僅能激發(fā)學生探究的欲望，而且學生在今后的工作或生活中都有可能有所應用。

其次，由于學生已有的化學知識和認知能力有限，選擇的承載該功能的物質(zhì)應該是中學階段涉及到的常見物質(zhì)。如工業(yè)中使用的阻燃劑種類繁多，依應用方式可分為添加型阻燃劑和反應型阻燃劑，添加型阻燃劑又包括無機阻燃劑、鹵系阻燃劑(有機氯化物和有機溴化物)、磷系阻燃劑(赤磷、磷酸銨鹽、磷酸酯及鹵代磷酸酯等)和氮系阻燃劑等。此外，具有抑煙作用的鉬化合物、錫化合物和鐵化合物等亦屬阻燃劑的范疇。對于中學生來說，無機阻燃劑中常用的氫氧化鋁、氫氧化鎂、磷酸鹽、硅酸鈉等都是學生學習到的物質(zhì)，其他類型的阻燃劑中學階段沒有接觸或試劑難以獲取，且在實驗過程中有安全隱患，所以，本課題選擇了三種無機阻燃劑進行探究。

再次，選擇的物質(zhì)其性質(zhì)和發(fā)生的主要反應應為中學階段的核心知識，同時，涉及的反應影響因素應較少或容易控制。如筆者選擇的無機阻燃劑其阻燃機理簡單：這些物質(zhì)的填充可使可燃物的濃度下降；在受熱時易分解，分解過程中會吸熱，以抑制燃燒物溫度的升高；分解放出的水汽(聚磷酸銨分解時還會釋放出大量的還原性氣體氨氣)稀釋了可燃氣體和氧氣的濃度，可有效阻燃。氫氧化鋁、氫氧化鎂分解后產(chǎn)生的氧化鋁、氧化鎂能形成一層保護膜，隔絕氧氣，阻止燃燒繼續(xù)?？梢?，無機阻燃劑實驗涉及到的反應和原理均為中學階段學習到的主要知識點，通過該實驗，能引導學生綜合利用物質(zhì)的穩(wěn)定性、吸熱作用、覆蓋作用、燃燒原理等知識來解決實際問題，加深理解化學性質(zhì)、作用機理與物質(zhì)用途之間的關系。

2.2實驗方案的設計策略

應用型化學教學實驗與一般化學實驗方案設計具有共同之處，均包括問題的提出，假設的形成，變量的選擇，實驗和非實驗變量的控制、因變量的測量和記載的方法以及結(jié)果的統(tǒng)計、分析、呈現(xiàn)等要素，它給研究者展示了如何進行實驗探究的概貌。但中學應用型化學教學實驗方案的設計也具有自身的特點，筆者以阻燃劑的實驗設計為例，說明在進行該類實驗設計時可采用的策略及應注意的事項。

2.2.1充分體現(xiàn)“性質(zhì)決定應用”的思想

要充分體現(xiàn)應用型化學教學實驗的功能，避免將這類實驗的設計滑入到性質(zhì)實驗的類型中，在進行該類實驗的設計時，應在情境創(chuàng)設、提出問題、形成假設等環(huán)節(jié)，充分體現(xiàn)“性質(zhì)決定應用”的思想。如上述阻燃劑實驗中，筆者在實驗情境中說明了阻燃劑的作用，并提出“請根據(jù)你已學的知識以及上文中的信息分析上述三種物質(zhì)阻燃的原理”的學習要求問題，就體現(xiàn)了該設計意圖。

2.2.2綜合考慮多種因素選擇合適的實驗儀器、藥品和實驗過程

因物質(zhì)實際應用過程復雜，往往需要多種物質(zhì)協(xié)同作用，需要特殊的制作工藝，需要苛刻的反應條件，而應用型化學教學實驗既要使實驗過程與工業(yè)生產(chǎn)相類似，又要易于學生操作、材料易得、操作簡單、現(xiàn)象明顯，為此需要綜合考慮科學性、學生的認知能力、學校實驗資源等因素變革和簡化實驗過程。

如在阻燃劑的實驗開發(fā)中，筆者選擇了紗布作為實驗載體，是因為紗布屬于易燃的棉、麻織品，比較稀疏，易滲透阻燃物質(zhì)，能較好地模仿添加型阻燃劑的阻燃過程。實驗過程則以比較實驗法為主，能簡單明了地驗證紗布在涂抹氫氧化鋁、氫氧化鎂等物質(zhì)后可否有效防止燃燒，以及比較出幾種物質(zhì)阻燃機理的異同。

2.2.3盡量體現(xiàn)應用型實驗的全過程

在設計實驗時，如果僅僅注重驗證某種物質(zhì)是否具有某種用途，還沒有充分發(fā)揮“通過實驗學習化學”的功能。為此，設計者可盡量體現(xiàn)應用型實驗的全過程，讓學生通過這類實驗的探究，初步了解實際應用過程中需要經(jīng)歷的環(huán)節(jié)。

如阻燃劑實驗方案中三種物質(zhì)均自制，并通過加熱(對應于工業(yè)生產(chǎn)中的水熱處理)、固液分離等過程制成阻燃性氫氧化鎂、氫氧化鋁。如有可能，方案中還可增加干燥、表面處理(研磨)等環(huán)節(jié)，以促使晶體各晶面均有不同程度的生長，促使生成表面積小、晶型較好的氫氧化鎂、氫氧化鋁，從而提高阻燃效果。通過這一制取過程，學生會意識到一種物質(zhì)的應用需要考慮許多因素，需要多種生產(chǎn)工藝的配合。

3中學化學應用型教學實驗教學策略的探討

實驗開發(fā)的目的是要服務于教學，因此，需要我們深入研究應用型化學教學實驗的教學問題。筆者認為，應用型化學教學實驗既可作為驗證性實驗進行，也可作為學生的自主探究課題，實驗形式取決于教學目的和學生的學習狀況。但不管何種形式，教師的啟發(fā)引導最為關鍵。為此在教學中要注意以下問題：

3.1注重實驗情境創(chuàng)設

應用型化學教學實驗的情境創(chuàng)設必不可少，通過情境一方面可提供給學生有關這一課題的生產(chǎn)或生活背景知識，為實驗探究以及實驗現(xiàn)象的解釋提供一些素材；另一方面，情境中展示的物質(zhì)生動有趣的應用事例，會激發(fā)學生探究的欲望。

3.2注重提出問題環(huán)節(jié)

正如前文分析的那樣，應用型實驗涉及的因素較多，為此，教師應該通過提出問題的手段，將學生的思維集中于某些方面，而不會去注意一些生產(chǎn)或生活的細節(jié)。當學生利用已有的知識經(jīng)驗在解釋問題的過程中發(fā)生障礙時，即產(chǎn)生認知沖突，并進一步產(chǎn)生學生自身需要解決的問題，這些問題是引發(fā)學生進行實驗探究的內(nèi)在發(fā)動機制。

3.3靈活機動處理實驗設計環(huán)節(jié)

由于應用型實驗的設計比較復雜，在此環(huán)節(jié)中，教師應根據(jù)學生的實際情況靈活采用一種或多種方法進行：既可以學生自主設計，也可以師生共同討論而形成，也可以引導學生理解已設計好的實驗方案。如果一味地采用一種方式，有可能逾越了學生的認知能力，或影響了學生的自主學習。

3.4注重引導學生加深理解化學知識以及與技術之間的關系

引導學生理解化學知識、方法和思想是應用型教學實驗的主要功能。為此，在教學過程中，教師不僅要引導學生觀察實驗現(xiàn)象，還要引導學生加深對物質(zhì)性質(zhì)與用途之間關系的理解，學會利用化學知識解釋實驗中觀察到的各種現(xiàn)象，弄清物質(zhì)之所以具有這種用途的機理，感悟化學知識與生產(chǎn)生活和高新科技的相關性。

4結(jié)語

《普通高中化學課程標準(實驗)》在“課程性質(zhì)”部分強調(diào)“高中化學課程應有助于學生進一步了解化學學科的特點，增進對物質(zhì)世界的認識；有利于學生體驗科學探究的過程，學習科學研究的基本方法，加深對科學本質(zhì)的認識；更深刻地認識科學、技術和社會之間的相互關系”。應用型化學教學實驗的開發(fā)在這方面具有獨特的功能，值得我們不斷開發(fā)和研究。