“噴泉”實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能的挖掘

顧春燕

摘要：以氨氣“噴泉”實(shí)驗(yàn)為起點(diǎn)，從課程標(biāo)準(zhǔn)、教材要求和學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)等方面探討“噴泉”實(shí)驗(yàn)在高中不同教學(xué)階段的教學(xué)功能。

關(guān)鍵詞：“噴泉”實(shí)驗(yàn)；研究性學(xué)習(xí)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)功能

文章編號(hào)：1008-0546（2017）01-0011-04 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.01.003

以氨氣為例的噴泉實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)亮點(diǎn)，它不僅能緊密聯(lián)系生活中的景觀，抓住學(xué)生的興趣點(diǎn)，而且該實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，探究性強(qiáng)，處理得當(dāng)，能在學(xué)生的腦海中留下難忘的印跡，受益終身。對(duì)該實(shí)驗(yàn)的變形設(shè)計(jì)，包括引發(fā)方式和原理的探尋、雙噴泉的設(shè)計(jì)都能激發(fā)學(xué)生的探究熱情，但是筆者認(rèn)為，對(duì)噴泉實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和探究也要循序漸進(jìn)，依據(jù)不同版本教材的不同呈現(xiàn)方式在高中教學(xué)的不同階段提升和挖掘該實(shí)驗(yàn)素材的教學(xué)功能。

一、高一階段——以噴泉認(rèn)知氨氣的性質(zhì)

1. 教材分析

“噴泉”實(shí)驗(yàn)在人教版、蘇教版和魯科版的高中化學(xué)教材中有不同的呈現(xiàn)方式，具體如表1所示。

2. 學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)分析

以使用人教版教材的學(xué)生為例，學(xué)生在第二章化學(xué)物質(zhì)及其變化中已學(xué)習(xí)了物質(zhì)的分類(lèi)和離子反應(yīng)的基本概念，初步了解了電解質(zhì)和電離，但由于對(duì)這部分知識(shí)的學(xué)習(xí)還處于初級(jí)階段，比如對(duì)弱電解質(zhì)及其電離還不夠深入，學(xué)生對(duì)氨氣遇水形成堿性溶液的認(rèn)識(shí)缺乏理論基礎(chǔ)，此外學(xué)生對(duì)氣體在水中的溶解性也不夠明確，結(jié)構(gòu)知識(shí)還很不到位，還沒(méi)有完全掌握“結(jié)構(gòu)→性質(zhì)→用途”的化學(xué)學(xué)習(xí)規(guī)律。

3. 教學(xué)目標(biāo)達(dá)成

以人教版為例，氨的性質(zhì)和制備共安排1課時(shí)，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)可以定位在通過(guò)對(duì)噴泉實(shí)驗(yàn)的分析掌握氨的主要性質(zhì)，結(jié)合氨的性質(zhì)引導(dǎo)學(xué)生探究氨的制備方法及其原理。教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)氨的性質(zhì)的獲得，主要通過(guò)教師借助噴泉實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生大膽猜想和推斷來(lái)完成。目標(biāo)達(dá)成過(guò)程中，從紅色的噴泉推斷出氨溶液呈堿性，由堿性推斷出溶液存在氫氧根離子，而根據(jù)氨本身的組成元素分析和第二章所學(xué)，氨屬于非電解質(zhì)，本身不會(huì)產(chǎn)生氫氧根，由此可以推斷氨首先與水結(jié)合成可以電離出氫氧根的物質(zhì)NH3·H2O；結(jié)合已有的物理知識(shí)，明確噴泉實(shí)驗(yàn)的原理是因燒瓶?jī)?nèi)外產(chǎn)生的壓強(qiáng)差使燒杯中的液體進(jìn)入燒瓶?jī)?nèi)，從而形成噴泉。實(shí)驗(yàn)中是通過(guò)擠壓滴管使少量水進(jìn)入燒瓶即產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)差，由此可以推斷氨在水中的溶解性很大。

二、高二階段——以原理探討噴泉實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1. 學(xué)情分析

對(duì)高一學(xué)過(guò)的噴泉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入剖析會(huì)讓學(xué)生有更高的探究熱情。此時(shí)將既有的結(jié)論從性質(zhì)推測(cè)走向理性的結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)一步構(gòu)建結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途的化學(xué)思想方法，明確氫鍵對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響，推知氨極易溶于水并且所得氨水顯堿性的原因是氨分子和水分子之間的氫鍵，分析氨易液化也是源于氫鍵，是因?yàn)镹H3分子與NH3分子之間形成氫鍵導(dǎo)致沸點(diǎn)較高，易于液化。

2. 學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)分析

進(jìn)入高二階段學(xué)習(xí)的學(xué)生已經(jīng)完成了高中化學(xué)兩個(gè)必修模塊的學(xué)習(xí)（具備了有關(guān)氨的基本知識(shí)），再加上高二下階段對(duì)選修3的學(xué)習(xí)（具備了價(jià)鍵意識(shí)），可以建立研究性學(xué)習(xí)平臺(tái)，在對(duì)氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)的原理進(jìn)行深入探究的基礎(chǔ)上，探討噴泉實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)。

3. 活動(dòng)設(shè)計(jì)和目標(biāo)達(dá)成

[活動(dòng)主題]氨與水的噴泉實(shí)驗(yàn)引發(fā)方法

[資料獲取]以“噴泉實(shí)驗(yàn)”“引發(fā)措施”等關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索（教師在布置任務(wù)前先行檢索相關(guān)文獻(xiàn)）。

[匯報(bào)交流]學(xué)生根據(jù)所收集的資料進(jìn)行篩選和整理，形成文本材料，并制作成PPT進(jìn)行交流匯報(bào)。

[實(shí)驗(yàn)探究]指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分組討論、實(shí)驗(yàn)、小結(jié)等環(huán)節(jié)完成科學(xué)探究：

（1）提出研究假設(shè)。通過(guò)分組討論，提出噴泉實(shí)驗(yàn)引發(fā)方法存在以下幾種：①用膠頭滴管先注入少量水；②用熱毛巾先捂裝滿(mǎn)氨氣燒瓶后取走；③用冷毛巾先捂裝滿(mǎn)氨氣燒瓶后取走；④……

（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。為了學(xué)生順利實(shí)施自行設(shè)計(jì)的方案，教師應(yīng)該預(yù)先準(zhǔn)備好若干個(gè)裝滿(mǎn)氨氣的燒瓶。也可以引導(dǎo)一些具有探究經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生嘗試對(duì)某個(gè)指定裝置產(chǎn)生噴泉的思考和操作。如圖1所示裝置，將錐形瓶放置在水槽中，錐形瓶中加入易揮發(fā)試劑（如酒精），水槽中加入冰水后，如果再加入一種物質(zhì)，結(jié)果也產(chǎn)生了噴泉。思考水槽中可以加入的是什么物質(zhì)？簡(jiǎn)述理由并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（3）得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：小組交流完善（略）。

在面對(duì)學(xué)生不合理的方案設(shè)計(jì)，不要過(guò)多的干預(yù)，只要他們是積極去完成實(shí)驗(yàn)探究，就能自行發(fā)現(xiàn)方案的不合理性，從而激發(fā)他們改進(jìn)的欲望和熱情，體驗(yàn)自食其力收獲知識(shí)達(dá)成目標(biāo)的喜悅。教師要有靜待花開(kāi)的氣量和耐心。直接給予的方案再成熟也是別人的，探究的目的就是要讓學(xué)生自己的方案從不成熟到成熟，或許我們還能收獲出乎意外的驚喜。所以對(duì)于研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，我們主要是為學(xué)生提供科學(xué)探究的平臺(tái)，提供時(shí)間、空間和設(shè)備儀器，培養(yǎng)學(xué)生脫離老師的指令后自己獲取知識(shí)的能力。在實(shí)驗(yàn)探究熱情高漲的情況下，再鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合所學(xué)的結(jié)構(gòu)知識(shí)探究氨在水中的溶解性很大和氨水呈堿性的原因，最后再做一個(gè)小結(jié)。

三、高三階段——以噴泉實(shí)驗(yàn)拓展知識(shí)運(yùn)用

1. 學(xué)生認(rèn)知基礎(chǔ)分析

進(jìn)入高三化學(xué)一輪復(fù)習(xí)時(shí)，學(xué)生已經(jīng)完成了對(duì)高中化學(xué)兩個(gè)必修模塊和三個(gè)選修模塊的學(xué)習(xí)。此時(shí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了必要的基本概念（反應(yīng)熱、弱電解質(zhì)的電離等）、比較系統(tǒng)的元素化合物知識(shí)（氨與氯化氫的化合、氨與水的反應(yīng)等）及物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（氨易溶、氨易液化、氨水顯堿性等性質(zhì)與氫鍵存在的密切聯(lián)系。）

2. 復(fù)習(xí)目標(biāo)達(dá)成

高三復(fù)習(xí)不僅要“溫故”，更重要的是“知新”，也就是說(shuō)要在復(fù)習(xí)已有知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行知識(shí)的整合，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的融會(huì)貫通，進(jìn)而達(dá)成能力的提升。這就要求教師精心策劃組織，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生情感，提升課堂價(jià)值。此時(shí)以氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)為主題的專(zhuān)題復(fù)習(xí)，可以將基本概念、元素化合物知識(shí)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)等有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步幫助學(xué)生提升從掌握基礎(chǔ)知識(shí)到運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力和水平，最終達(dá)成三維綜合目標(biāo)。對(duì)高三一輪復(fù)習(xí)噴泉實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行分解，如圖2所示。

3. 專(zhuān)題復(fù)習(xí)教學(xué)片斷

片斷1 常見(jiàn)噴泉實(shí)驗(yàn)裝置的分析和比較

[設(shè)計(jì)意圖]如圖3所示，通過(guò)不同噴泉實(shí)驗(yàn)裝置，不同實(shí)驗(yàn)原料和多種引發(fā)方式的選擇比較，幫助學(xué)生進(jìn)一步厘清噴泉實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，總結(jié)出噴泉實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素：①盛氣體的燒瓶必須干燥，否則，在收集氣體時(shí)因甁內(nèi)殘留水分迅速將收集的氣體大量溶解，導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)空氣沒(méi)有被排盡，壓力不夠，難以形成噴泉；②燒瓶?jī)?nèi)氣體的量。要充滿(mǎn)燒瓶， 確保氣體溶解后產(chǎn)生的內(nèi)外壓強(qiáng)差足夠大；③實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性。實(shí)驗(yàn)前必須檢查裝置氣密性，若漏氣，則噴泉難以形成；④氣體的溶解性。所選氣體能在所用液體中因大量溶解或快速反應(yīng)而被吸收。通過(guò)對(duì)噴泉實(shí)驗(yàn)原理的深入研究，幫助學(xué)生在噴泉的自然情境下對(duì)一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作進(jìn)行復(fù)習(xí)，同時(shí)幫助學(xué)生觸類(lèi)旁通，掌握綜合理化知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的本領(lǐng)，完成了解、理解到靈活運(yùn)用的目標(biāo)轉(zhuǎn)變。

片斷2 組合式噴泉實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

如圖4所示裝置，實(shí)驗(yàn)前關(guān)閉a、b、c止水夾。

（1）若要在該裝置中產(chǎn)生噴煙現(xiàn)象，如何操作？

（2）若要在該裝置中產(chǎn)生雙噴泉現(xiàn)象，如何操作？

[設(shè)計(jì)意圖]組合式噴泉實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)有助于進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)噴泉實(shí)驗(yàn)原理的掌握。通過(guò)輕微擠壓膠頭滴管使很少量水進(jìn)入燒瓶，溶解右瓶中的部分NH3使瓶Ⅱ內(nèi)壓強(qiáng)減小。打開(kāi)活塞a、c，瓶Ⅰ中的HCl進(jìn)入右瓶生成NH4Cl固體而在右瓶管口產(chǎn)生噴煙現(xiàn)象。過(guò)一段時(shí)間，打開(kāi)活塞b，則燒杯內(nèi)的水會(huì)壓向左右兩個(gè)燒瓶，在左右兩瓶中均產(chǎn)生噴泉。若預(yù)先在水中滴加紫色石蕊試液，則在左瓶中產(chǎn)生紅色噴泉，在右瓶中產(chǎn)生藍(lán)色噴泉。運(yùn)用已有的噴泉實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，拓展思維，將元素化合物知識(shí)與噴泉實(shí)驗(yàn)原理之間的結(jié)合進(jìn)一步延伸，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和綜合應(yīng)用能力。

片斷3 氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)拓展

在噴泉實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展，以提高學(xué)生知識(shí)應(yīng)用的能力。

[設(shè)問(wèn)1]利用圖5裝置所收集到的氣體能否直接用于“噴泉實(shí)驗(yàn)”？說(shuō)明你的理由。

[設(shè)計(jì)意圖]引導(dǎo)學(xué)生從“噴泉實(shí)驗(yàn)”的要點(diǎn)思考NH3的凈化、收集、檢驗(yàn)等一系列問(wèn)題，鞏固整理NH3的部分性質(zhì)。

[設(shè)問(wèn)2]NH3為何極易且快速溶于水？要使“噴泉實(shí)驗(yàn)”現(xiàn)象明顯需對(duì)該裝置得到的氣體作怎樣的處理？

[設(shè)計(jì)意圖]在“噴泉實(shí)驗(yàn)” 實(shí)際準(zhǔn)備情境下引導(dǎo)學(xué)生對(duì)氨氣的性質(zhì)復(fù)習(xí)鞏固并靈活運(yùn)用。鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)兩個(gè)問(wèn)題所涉及的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)和多處細(xì)節(jié)，相互補(bǔ)充完善，充分體驗(yàn)“合作學(xué)習(xí)”。同時(shí)為后面乙、丙燒瓶中“噴泉”的引發(fā)作好鋪墊。

[拓展延伸]（1）圖6 乙燒瓶中充滿(mǎn)干燥的NH3，是否可以產(chǎn)生噴泉？如果可以則如何引發(fā)？（2）丙燒瓶中是空氣，如何選擇試劑A、B才能使水向上噴出？（3）若在標(biāo)準(zhǔn)狀況下“噴泉實(shí)驗(yàn)”結(jié)束時(shí)整個(gè)燒瓶充滿(mǎn)液體，則所得溶液的物質(zhì)的量濃度是多少？

在上述過(guò)程中，以“噴泉實(shí)驗(yàn)”問(wèn)題組為主線，以歸納氨的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)為暗線，組織獨(dú)立思考、合作探討、運(yùn)算對(duì)比等學(xué)生活動(dòng)最終達(dá)成對(duì)信息的獲取、加工和應(yīng)用。

教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成不是一蹴而就，而是在循序漸進(jìn)中分階段達(dá)成的，從現(xiàn)象到本質(zhì)，從本質(zhì)到運(yùn)用，是科學(xué)認(rèn)知的必經(jīng)之路。分階段達(dá)成教學(xué)目標(biāo)、能力目標(biāo)和情感價(jià)值目標(biāo)應(yīng)以不同教學(xué)階段，學(xué)生不同認(rèn)知基礎(chǔ)和教材知識(shí)結(jié)構(gòu)等諸多要素為基礎(chǔ)。關(guān)于噴泉實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)是一個(gè)集物質(zhì)結(jié)構(gòu)、元素化合物知識(shí)和實(shí)驗(yàn)的綜合性問(wèn)題，沒(méi)有必要在高一新授課就多面灌輸，急求透徹理解，全面把握，否則必將得不償失，不如保護(hù)學(xué)生的求知欲和興趣點(diǎn)，在不同的教學(xué)階段逐步深化對(duì)其認(rèn)識(shí)和理解，讓學(xué)生在求學(xué)過(guò)程中漸漸體驗(yàn)撥開(kāi)云霧，豁然開(kāi)朗。比如高二巧妙利用噴泉實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和探究熱情，高三復(fù)習(xí)則側(cè)重于通過(guò)一些基本實(shí)驗(yàn)素材，努力提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用水平，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決能力。我們還可以尋找并科學(xué)合理地利用好其他實(shí)驗(yàn)素材，在尊重學(xué)生學(xué)情、權(quán)衡不同學(xué)段學(xué)習(xí)重心的基礎(chǔ)上，不斷挖掘他們內(nèi)在的教學(xué)功能，充分發(fā)揮高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的重要作用。

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