“噴泉”實驗教學(xué)功能的挖掘

顧春燕

摘要：以氨氣“噴泉”實驗為起點，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”實驗在高中不同教學(xué)階段的教學(xué)功能。

關(guān)鍵詞：“噴泉”實驗；研究性學(xué)習(xí)；實驗教學(xué)；教學(xué)功能

文章編號：1008-0546（2017）01-0011-04 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.01.003

以氨氣為例的噴泉實驗是高中化學(xué)實驗教學(xué)中的一個亮點，它不僅能緊密聯(lián)系生活中的景觀，抓住學(xué)生的興趣點，而且該實驗操作簡單，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。對該實驗的變形設(shè)計，包括引發(fā)方式和原理的探尋、雙噴泉的設(shè)計都能激發(fā)學(xué)生的探究熱情，但是筆者認(rèn)為，對噴泉實驗的學(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驗素材的教學(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”實驗在人教版、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，但由于對這部分知識的學(xué)習(xí)還處于初級階段，比如對弱電解質(zhì)及其電離還不夠深入，學(xué)生對氨氣遇水形成堿性溶液的認(rèn)識缺乏理論基礎(chǔ)，此外學(xué)生對氣體在水中的溶解性也不夠明確，結(jié)構(gòu)知識還很不到位，還沒有完全掌握“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，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)可以定位在通過對噴泉實驗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)過程中，學(xué)生對氨的性質(zhì)的獲得，主要通過教師借助噴泉實驗引導(dǎo)學(xué)生大膽猜想和推斷來完成。目標(biāo)達(dá)成過程中，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，明確噴泉實驗的原理是因燒瓶內(nèi)外產(chǎn)生的壓強(qiáng)差使燒杯中的液體進(jìn)入燒瓶內(nèi)，從而形成噴泉。實驗中是通過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——以原理探討噴泉實驗的改進(jìn)

1. 學(xué)情分析

對高一學(xué)過的噴泉實驗進(jìn)行深入剖析會讓學(xué)生有更高的探究熱情。此時將既有的結(jié)論從性質(zhì)推測走向理性的結(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，是因為NH3分子與NH3分子之間形成氫鍵導(dǎo)致沸點較高，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)兩個必修模塊的學(xué)習(xí)（具備了有關(guān)氨的基本知識），再加上高二下階段對選修3的學(xué)習(xí)（具備了價鍵意識），可以建立研究性學(xué)習(xí)平臺，在對氨氣噴泉實驗的原理進(jìn)行深入探究的基礎(chǔ)上，探討噴泉實驗的改進(jìn)。

3. 活動設(shè)計和目標(biāo)達(dá)成

[活動主題]氨與水的噴泉實驗引發(fā)方法

[資料獲取]以“噴泉實驗”“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。

[實驗探究]指導(dǎo)學(xué)生通過分組討論、實驗、小結(jié)等環(huán)節(jié)完成科學(xué)探究：

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

（2）設(shè)計實驗進(jìn)行驗證。為了學(xué)生順利實施自行設(shè)計的方案，教師應(yīng)該預(yù)先準(zhǔn)備好若干個裝滿氨氣的燒瓶。也可以引導(dǎo)一些具有探究經(jīng)驗的學(xué)生嘗試對某個指定裝置產(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)？簡述理由并通過實驗驗證。

（3）得出實驗結(jié)論：小組交流完善（略）。

在面對學(xué)生不合理的方案設(shè)計，不要過多的干預(yù)，只要他們是積極去完成實驗探究，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，體驗自食其力收獲知識達(dá)成目標(biāo)的喜悅。教師要有靜待花開的氣量和耐心。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。所以對于研究性學(xué)習(xí)活動，我們主要是為學(xué)生提供科學(xué)探究的平臺，提供時間、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的能力。在實驗探究熱情高漲的情況下，再鼓勵學(xué)生結(jié)合所學(xué)的結(jié)構(gòu)知識探究氨在水中的溶解性很大和氨水呈堿性的原因，最后再做一個小結(jié)。

三、高三階段——以噴泉實驗拓展知識運(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，學(xué)生已經(jīng)完成了對高中化學(xué)兩個必修模塊和三個選修模塊的學(xué)習(xí)。此時，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（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”，也就是說要在復(fù)習(xí)已有知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行知識的整合，實現(xiàn)知識的融會貫通，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)動學(xué)生情感，提升課堂價值。此時以氨氣的噴泉實驗為主題的專題復(fù)習(xí)，可以將基本概念、元素化合物知識和物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識等有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步幫助學(xué)生提升從掌握基礎(chǔ)知識到運(yùn)用知識解決實際問題的能力和水平，最終達(dá)成三維綜合目標(biāo)。對高三一輪復(fù)習(xí)噴泉實驗的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行分解，如圖2所示。

3. 專題復(fù)習(xí)教學(xué)片斷

片斷1 常見噴泉實驗裝置的分析和比較

[設(shè)計意圖]如圖3所示，通過不同噴泉實驗裝置，不同實驗原料和多種引發(fā)方式的選擇比較，幫助學(xué)生進(jìn)一步厘清噴泉實驗的本質(zhì)，總結(jié)出噴泉實驗成功的關(guān)鍵因素：①盛氣體的燒瓶必須干燥，否則，在收集氣體時因甁內(nèi)殘留水分迅速將收集的氣體大量溶解，導(dǎo)致瓶內(nèi)空氣沒有被排盡，壓力不夠，難以形成噴泉；②燒瓶內(nèi)氣體的量。要充滿燒瓶， 確保氣體溶解后產(chǎn)生的內(nèi)外壓強(qiáng)差足夠大；③實驗裝置的氣密性。實驗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。通過對噴泉實驗原理的深入研究，幫助學(xué)生在噴泉的自然情境下對一些化學(xué)實驗基本操作進(jìn)行復(fù)習(xí)，同時幫助學(xué)生觸類旁通，掌握綜合理化知識解決實際問題的本領(lǐng)，完成了解、理解到靈活運(yùn)用的目標(biāo)轉(zhuǎn)變。

片斷2 組合式噴泉實驗的設(shè)計

如圖4所示裝置，實驗前關(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)計意圖]組合式噴泉實驗的設(shè)計有助于進(jìn)一步提高學(xué)生對噴泉實驗原理的掌握。通過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。過一段時間，打開活塞b，則燒杯內(nèi)的水會壓向左右兩個燒瓶，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)用已有的噴泉實驗基礎(chǔ)，拓展思維，將元素化合物知識與噴泉實驗原理之間的結(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 氨氣噴泉實驗拓展

在噴泉實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展，以提高學(xué)生知識應(yīng)用的能力。

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

[設(shè)計意圖]引導(dǎo)學(xué)生從“噴泉實驗”的要點思考NH3的凈化、收集、檢驗等一系列問題，鞏固整理NH3的部分性質(zhì)。

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

[設(shè)計意圖]在“噴泉實驗” 實際準(zhǔn)備情境下引導(dǎo)學(xué)生對氨氣的性質(zhì)復(fù)習(xí)鞏固并靈活運(yùn)用。鼓勵學(xué)生針對兩個問題所涉及的多個知識點和多處細(xì)節(jié)，相互補(bǔ)充完善，充分體驗“合作學(xué)習(xí)”。同時為后面乙、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“噴泉實驗”結(jié)束時整個燒瓶充滿液體，則所得溶液的物質(zhì)的量濃度是多少？

在上述過程中，以“噴泉實驗”問題組為主線，以歸納氨的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)為暗線，組織獨立思考、合作探討、運(yùn)算對比等學(xué)生活動最終達(dá)成對信息的獲取、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)和教材知識結(jié)構(gòu)等諸多要素為基礎(chǔ)。關(guān)于噴泉實驗的學(xué)習(xí)是一個集物質(zhì)結(jié)構(gòu)、元素化合物知識和實驗的綜合性問題，沒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，在不同的教學(xué)階段逐步深化對其認(rèn)識和理解，讓學(xué)生在求學(xué)過程中漸漸體驗撥開云霧，豁然開朗。比如高二巧妙利用噴泉實驗培養(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)重于通過一些基本實驗素材，努力提升學(xué)生對知識的綜合運(yùn)用水平，增強(qiáng)學(xué)生對實際問題的解決能力。我們還可以尋找并科學(xué)合理地利用好其他實驗素材，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)實驗對培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的重要作用。

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