啟發(fā)式實驗探究模型建構(gòu)

龔姍姍

【摘要】科學(xué)探究是進行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實踐活動。新版人教版教材實驗相關(guān)的欄目設(shè)計占了很大的比重，而很多學(xué)生容易在實驗題失分，主要原因是對于實驗，沒有思考相應(yīng)的設(shè)計原理，每一種儀器、每一步操作的作用不明確，缺少思考探究的思維過程。因此，需要改變在實驗中注重動手但缺少思考的現(xiàn)狀，需要強調(diào)學(xué)生參與設(shè)計的高級思維過程。

【關(guān)鍵詞】思考;設(shè)計;實施;素養(yǎng)

一、本課的設(shè)計初衷。

新版《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版2020年修訂），在必修模塊的第一個主題“化學(xué)科學(xué)與實驗探究”中，有一句話引起了我的思考“改變在實驗中注重動手但缺少思考的現(xiàn)狀，強調(diào)高級思維過程”。確實，近些年，對于實驗這一塊內(nèi)容，一直在強調(diào)讓學(xué)生動手實驗，也規(guī)定了一些學(xué)生比作實驗。但是在考試中，實驗題依然是最容易失分的。這與很多學(xué)生沒有好好思考過，實驗為什么要這樣做，每一種儀器、每一步操作是什么作用，與缺少這樣的思維過程有一定的關(guān)系。

《課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：科學(xué)探究是進行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實踐活動。包括提出問題或假設(shè)、設(shè)計方案、實施實驗、獲取證據(jù)、分析解釋或建構(gòu)模型、形成結(jié)論及交流評價等核心要素。從問題和假設(shè)出發(fā)確定研究目的、依據(jù)研究目的設(shè)計方案。學(xué)習(xí)研究物質(zhì)性質(zhì)，探究反應(yīng)規(guī)律，進行物質(zhì)分離、檢驗和制備等不同類型化學(xué)實驗及探究活動的核心思路與基本方法。

再分析人教版新教材必修部分內(nèi)容和欄目設(shè)置（如下表），我們看到“思考與討論”占比最大，“實驗”其次，而“實驗活動”、“探究”、“研究與實踐”這些欄目大都與實驗探究有所關(guān)聯(lián)。

所以，我希望通過帶著學(xué)生們一起設(shè)計、探究實驗來給學(xué)生一點思維啟發(fā)。告訴他們，任何實驗的設(shè)計、操作、改進都是由實驗?zāi)康某霭l(fā)，通過一步一步的探究和實施來完成這一目的。也希望能夠啟發(fā)學(xué)生更全面的思考問題。

二、課堂教學(xué)設(shè)計。

通過四個主題實驗展開，逐步得出化學(xué)實驗設(shè)計的一般方法。過程簡要介紹如下：

1.引課的素材來自于知名動畫片《名偵探柯南》，里面很多破案的方法都和化學(xué)知識有關(guān)，中南大學(xué)徐海教授曾做了一系列“柯南和化學(xué)探秘”的短視頻，通過視頻展示引課?？履吓c學(xué)生一樣，也是高一學(xué)生，通過一個簡單的物質(zhì)檢測引發(fā)學(xué)生的積極性，同時強調(diào)了操作和答題的規(guī)范性。

2.通過離子反應(yīng)概念驗證實驗，歸納出實驗探究的一般方法。

3.根據(jù)性質(zhì)強弱比較實驗，提示學(xué)生多角度思考，按要求改進實驗方法，優(yōu)化實驗方案。

4.通過以上鋪墊，進行“菠菜中鐵元素的檢驗”進一步落實設(shè)計、探究、實施、操作各個環(huán)節(jié)，鼓勵學(xué)生在實驗探究過程中不斷克服困難，去嘗試、去分析、去查閱資料、去改進優(yōu)化。得出更為完整的實驗探究方法。也通過教師和學(xué)生的前幾次實驗失敗經(jīng)歷，去加深實驗成功后的喜悅感。

然后，設(shè)計了兩個應(yīng)用環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)一是根據(jù)“海帶中碘元素的檢驗”得出“食品中元素檢驗的一般方法”;環(huán)節(jié)二是2020年1月的浙江省學(xué)考真題中的實驗情境分析。使學(xué)生將實驗探究方法與生產(chǎn)生活、課堂學(xué)習(xí)和習(xí)題測試聯(lián)系起來。

最后，緊跟時事，聚焦兩會，利用“人民日報”發(fā)布的“未來幾年最值得關(guān)注的行業(yè)新動向”，強調(diào)學(xué)生學(xué)會科學(xué)探究方法的重要性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

三、課堂教學(xué)過程。

[引課]：化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，同學(xué)們參與操作了不少實驗，也已經(jīng)做過非常多有關(guān)實驗的題目。但是，你是否曾經(jīng)參與設(shè)計實驗，是否曾經(jīng)利用實驗解決過實際問題呢？我們一起來試一試。

某地發(fā)生一起命案，犯罪嫌疑人有十分明確的不在場證明，破案線索中斷，使得調(diào)查過程陷入僵局。就在這時，一位高一學(xué)生出現(xiàn)在大家面前，（播放《柯南與化學(xué)探秘》視頻片段）柯南指出，兇手很可能在犯罪現(xiàn)場撒了食鹽、生石灰和水，以混淆犯罪時間的判斷。請你幫助柯南，設(shè)計實驗進行驗證。

[探究一.樣品成分分析]：首先要確定實驗?zāi)康?，知道檢驗的物質(zhì)是什么？（食鹽、生石灰。生石灰遇水就會反應(yīng)，是以Ca（OH）2形式存在，還有可能存在部分CaCO3。）

問題1：拿到樣品首先需要做什么？（取樣—溶解—過濾—濾液）

問題2：向濾液中加入什么試劑可以進行檢驗？（HNO3和AgNO3、Na2CO3溶液）

問題3：怎樣加比較科學(xué)？（分裝到兩只試管操作）

操作的規(guī)范性很重要，否則將無法看清實驗的現(xiàn)象。同時，我們在實驗題的答題時，也要注意答題的規(guī)范性！要按照“取樣、操作、現(xiàn)象、結(jié)論”的順序，完整規(guī)范地答題。

板書1：一.操作/答題規(guī)范性：取樣—操作—現(xiàn)象—結(jié)論。

[探究二.離子反應(yīng)驗證]：首先還是要明確實驗?zāi)康?，以Ba（OH）2溶液與稀H2SO4的反應(yīng)為例，驗證該反應(yīng)是由離子參加的反應(yīng)。

問題1：如何驗證溶液中存在離子？（測定導(dǎo)電性，連接電路觀察燈泡是發(fā)光）

問題2：如何驗證溶液中的離子濃度發(fā)生了改變？（溶液導(dǎo)電性有溶液中離子的濃度及離子所帶電荷數(shù)決定。觀察隨著稀H2SO4逐滴加入Ba（OH）2溶液時，燈泡明亮程度，據(jù)此判斷溶液中自由移動離子濃度的變化，從而證明該反應(yīng)是離子反應(yīng)）

問題3：為了更加清晰的觀察到OH-濃度的變化，我們可以做一個改進，滴加2滴酚酞，通過溶液紅色逐漸褪去的現(xiàn)象可以判斷OH-濃度的變化。

分析現(xiàn)象燈泡由亮變暗至熄滅后再變亮，溶液紅色褪去，產(chǎn)生白色沉淀。說明原溶液有大量Ba2+和OH-，導(dǎo)電能力較強;隨著H2SO4的加入，生成BaSO4沉淀和水，離子濃度降低，燈泡變暗至熄滅;又由于H2SO4過量，溶液中H+和SO42-濃度逐漸增大，但不會無限增大，最終逐漸接近于硫酸本身的導(dǎo)電能力。

通過以上兩個實驗，總結(jié)出實驗探究的一般方法。

板書2：二.實驗探究一般方法：1.明確目的—設(shè)計方案—實驗驗證—得出結(jié)論。

[探究3.判斷金屬活動性]：對于物質(zhì)性質(zhì)強弱判斷的實驗探究。依然要先明確目的，再設(shè)計實驗方案。

問題1：現(xiàn)在有大小形狀相同的鐵絲、銅絲、鋁絲，你覺得可以采用什么方法比較他們的金屬活動性強弱？（與酸反應(yīng)置換出H2的劇烈程度，相對于其他方法，比較容易操作和觀察）

問題2：一開始的現(xiàn)象如何？（只有鐵絲上有氣泡）過一段時間后呢？（鋁絲上出現(xiàn)大量氣泡，鐵絲有氣泡，銅絲無一氣泡）

問題3：該實驗需要等待幾分鐘才能出現(xiàn)明顯的現(xiàn)象，可以改進一下嗎？

改進1：做驗證試驗前，需對金屬進行怎樣的處理？（除去表面氧化膜）我們繼續(xù)思考，時間節(jié)省了，有沒有更好的方案沒讓藥品也節(jié)省一點呢？

改進2：只用一支盛有少量稀鹽酸的試管，只需調(diào)整金屬絲的放入順序，也能證明三種金屬的活動性順序。則放入金屬絲放入的順序怎樣更合理？（銅、鐵、鋁，除了考慮物質(zhì)本身的性質(zhì)，還要考慮鹽酸的濃度、甚至溫度的影響）

用更少的資源，更高效地完成，也是我們實研究和實際生產(chǎn)生活過程中經(jīng)常需要考慮的問題。所以在實驗探究過程中，我們有時候還需要改進方案。

板書3：2.明確目的—設(shè)計方案—實驗驗證—改進方案—得出結(jié)論

在以上三個實驗的基礎(chǔ)上，接下來就要開始我們這節(jié)課的重頭戲了，不僅需要同學(xué)們一起參與設(shè)計，還需要大家一起動手操作和實施。我們一起來完成“菠菜中鐵元素的檢驗”

[探究四：菠菜中鐵元素的檢驗]：

明確目的：檢驗菠菜中的鐵元素。

問題1：檢驗方法有哪些？（回顧Fe2+、Fe3+的檢驗方法）

把菠菜處理一下，菠菜沒法溶于水，我們可以研磨出菠菜汁。

實驗設(shè)計：菠菜—研磨—浸泡液

問題2：綠色的是什么？（主要是葉綠素）能直接檢驗嗎？（不利于觀察現(xiàn)象）如何除去？（活性炭吸附脫色）

改進1：菠菜—研磨—浸泡液—活性炭—過濾—濾液

問題3：菠菜中的鐵可能以什么形式存在？（Fe2+、Fe3+）向過濾后的濾液中加入NaOH溶液或酸性KMnO4會怎么樣？

演示實驗1：取一根菠菜剪碎、加水研磨，加活性炭，攪拌后過濾，取少量濾液加入NaOH溶液（無明顯現(xiàn)象）;另取少量濾液加入酸性KMnO4溶液（不褪色）

問題4：有沒有更靈敏的檢測方法？（先加KSCN溶液再加H2O2溶液）

演示實驗2：再另取少量濾液加KSCN溶液（無現(xiàn)象）;再加H2O2溶液（仍無現(xiàn)象）

問題5：實驗失敗的最大原因是什么？（如果溶液中有Fe2+或者Fe3+，應(yīng)該是可以檢驗的，肯定是還有什么我們沒有注意到的。這時候，我們就需要通過書籍或者網(wǎng)絡(luò)查詢資料了。）

信息查詢1：菠菜中的鐵元素以草酸亞鐵的形式存在于植物細(xì)胞中，主要以有機亞鐵鹽的形式存在，菠菜中的草酸和維生素C具有很強的還原性。高溫灼燒能夠破壞植物細(xì)胞壁和葉綠素，使有機物轉(zhuǎn)化為CO2和H2O除去。

問題6：根據(jù)這個信息，我們剛才的實驗為什么失??？（濾液中可能沒有Fe2+、者Fe3+）可以對實驗進行怎樣的改進？（高溫灼燒）

改進2：脫水菠菜—灼燒—溶解—過濾—取濾液加KSCN溶液、H2O2溶液

學(xué)生實驗1：現(xiàn)有灼燒后的菠菜灰，請同學(xué)們完成檢驗。（無明顯現(xiàn)象）為什么還是失敗呢？我們再查查資料，克服困難，學(xué)無止境嘛！

信息查詢2：菠菜中的鐵元素以草酸亞鐵形式存在，草酸亞鐵是一種淡黃色結(jié)晶性粉末，難溶于水，溶于強酸溶液，160℃時分解為氧化亞鐵。

那么我們的實驗?zāi)囊徊匠隽藛栴}？

問題7：那么我們的實驗?zāi)囊徊匠隽藛栴}？（用水無法溶解）灼燒后的灰分中鐵主要以什么形式存在？（FeO或FeC2O4）如何改進？（改用酸溶）

改進3：脫水菠菜—灼燒—2mol/L稀硫酸溶解—過濾—取濾液加KSCN溶液、H2O2溶液。

學(xué)生實驗2：菠菜灰酸溶，過濾，取濾液加KSCN溶液（淺紅）、加H2O2溶液（紅色加深）

問題8：FeO或FeC2O4酸溶后為Fe2+，為什么會有Fe3+？（灼燒過程中，有可能被氧化）實際生產(chǎn)過程往往比較復(fù)雜，需要多角度，全面地分析。

我們終于在菠菜中檢驗出鐵元素的存在，成功了！在這個過程中，我們不斷地改進方案、查詢資料、改進方案，使得實驗探究過程更加完善。因此實驗探究過程也需要繼續(xù)補充和完善。

板書4：3.明確目的—設(shè)計方案—實驗驗證—查詢資料—改進方案—得出結(jié)論

[拓展遷移1]：海帶中碘元素的檢驗的實驗設(shè)計與實施，其實很多食品中元素的檢驗方法都會用到類似的方式。歸納如下：

我們考試的實驗題，大都來自于生產(chǎn)生活中的這些真實的情境。

[拓展遷移2]：2020年1月浙江省學(xué)考29題

[聚焦時事]：通過不斷學(xué)習(xí)，掌握好科學(xué)探究的方法，不僅能夠提高我們對問題的分析和解決能力，還能讓自己擁有更強的競爭力！人民日報根據(jù)兩會精神，匯總了未來幾年內(nèi)最值得關(guān)注的行業(yè)新動向。新能源、新材料、藥物醫(yī)療、芯片研發(fā)、生態(tài)環(huán)境等，這些領(lǐng)域都需要科學(xué)的探究方法?；瘜W(xué)與人類的衣食住行以及能源、信息、材料、國防、環(huán)境保護、醫(yī)藥衛(wèi)生、資源利用等都有密切的聯(lián)系，它是一門社會迫切需要的實用學(xué)科。

參考文獻：

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