開放式實驗教學的“理趣”共生

摘要：開放式實驗教學趣味十足而“理性”稍有欠缺，對此，嘗試發(fā)掘“理趣”共生的開放式實驗教學。圍繞“雞蛋中的化學”這一主題，設計巧妙區(qū)分生、熟蛋，蛋白質(zhì)的變性，蛋殼成分的研究及測定等三個開放式實驗探究活動，引導學生在內(nèi)容開放、時空開放、資源開放的學習中，于現(xiàn)象的“趣”中發(fā)現(xiàn)科學的“理”，掌握解決問題的科學方法，培養(yǎng)科學素養(yǎng)。

關鍵詞：開放式實驗;理趣;《雞蛋中的化學》

開放式實驗教學是通過教學方法的改革，促使實驗教學在內(nèi)容、時間、空間和行為上“開放”，在寬松的實驗環(huán)境下，讓學生自主獲得知識，提高實驗技能，發(fā)展創(chuàng)新思維，鍛煉分析問題、解決問題能力的一種教學方式。開放式實驗教學趣味十足而“理性”稍有欠缺，對此，我們嘗試發(fā)掘“理趣”共生的開放式實驗教學，《雞蛋中的化學》一課就是一次積極的嘗試。

一、教學準備

電筒、生雞蛋、熟雞蛋、蛋殼粉、鹽酸（1∶200、1∶2、1∶1）、濃氫氧化鈉溶液、澄清石灰水、消毒酒精、硫酸銅溶液;試管架、小試管、中試管、試管夾、燒杯（大、?。?、酒精燈、火柴、滴管、二氧化碳制取裝置、集氣瓶、鑷子、鈣離子傳感器、質(zhì)量傳感器。

二、教學目標

1.以“雞蛋”為主題，將學科知識融會貫通，解決實際問題;

2.增強對生活和自然界各種現(xiàn)象的好奇心和探究欲，發(fā)展學習科學知識的興趣;

3.知道研究物質(zhì)除了定性研究，還有定量研究，初步了解實驗誤差的分析方法;

4.體會小組合作的意義與價值。

三、教學設計

（一）巧分生、熟蛋

提出問題：每個小組的桌上都有生、熟雞蛋各一枚，在不敲碎的前提下，你能迅速區(qū)分它們嗎？

讓學生小組討論并實驗探究。

預設學生有如下方法：

1.光照法。用手握住雞蛋，靠近較強的光源觀察，能部分透光的是生雞蛋，不能透光的是熟雞蛋。

原理：蛋殼上有許多肉眼看不見的小孔，生雞蛋內(nèi)的液體對光有折射作用，熟雞蛋內(nèi)凝固的蛋清和蛋黃不透光。

2.旋轉(zhuǎn)法。（1）把雞蛋橫放在桌上，用手讓雞蛋迅速旋轉(zhuǎn);手離開后，雞蛋轉(zhuǎn)動順暢的為熟雞蛋，轉(zhuǎn)動不暢的為生雞蛋。（2）用手撥動雞蛋，再用手阻擋雞蛋;手離開后，停止轉(zhuǎn)動的是熟雞蛋，繼續(xù)轉(zhuǎn)動的是生雞蛋。（3）將雞蛋豎起，用手讓雞蛋旋轉(zhuǎn)，放開手后能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的是熟雞蛋，不能旋轉(zhuǎn)或倒下的是生雞蛋。

原理：生雞蛋中蛋清、蛋黃是液態(tài)，和蛋売不是一個整體;當?shù)皦拥倪\動狀態(tài)改變時，由牛頓第一定律（慣性定律）可知，蛋清和蛋黃因慣性還保持原來的狀態(tài)，會阻止蛋殼運動狀態(tài)的改變。

創(chuàng)設真實的“巧分雞蛋”情境，讓學生玩起來，激發(fā)興趣，調(diào)動熱情。玩不是目的，讓學生運用已有知識解釋現(xiàn)象才是，促使學生在“趣”中尋“理”。

（二）認識蛋白質(zhì)的變性

提出問題：雞蛋生、熟的區(qū)別就是蛋清、蛋黃是否凝固，蛋清凝固在化學上屬于蛋白質(zhì)變性，即蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，失去生物活性（如煮熟的雞蛋就不能孵出小雞了），哪些因素會導致蛋白質(zhì)變性呢？

預設：在熱、酸、堿、重金屬（鹽）、紫外線等作用下，蛋白質(zhì)會發(fā)生變性。

組織學生分組實驗：從生雞蛋中取出蛋清于小燒杯中，用滴管分別吸取約2ml的蛋清于三支試管中;如圖1所示，取一支在酒精燈上加熱，一支加入少量消毒酒精，一支加入少量的硫酸銅溶液，振蕩，觀察現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象：三支試管中都出現(xiàn)渾濁。結(jié)論：加熱、消毒酒精、硫酸銅溶液都能破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使其失去生物活性——變性，無法復原。

小結(jié)：引起蛋白質(zhì)變性的因素很多，物理因素有高溫、紫外線、X射線、超聲波、高壓、劇烈的攪拌、震蕩等;化學因素有強酸、強堿、尿素、去污劑、重金屬（鹽）、三氯乙酸、濃乙醇（酒精）、甲醛（福爾馬林）等。

提問：蛋白質(zhì)變性在醫(yī)學上的應用有哪些？

預設：（1）酒精、碘酒用于肌肉內(nèi)、靜脈注射前的殺菌消毒。（2）用于重金屬中毒的急救。如水銀體溫計不慎在嘴中破碎，可大量食用蛋清、豆?jié){、牛奶等蛋白質(zhì)含量較高的食物，再洗胃，使汞結(jié)合食物中的蛋白質(zhì)，不至于進入體內(nèi)而危害人體內(nèi)的蛋白質(zhì)。

引導學生回顧蛋白質(zhì)變性的知識，并通過動手實驗真切體會蛋白質(zhì)的變性，從化學現(xiàn)象的“趣”中發(fā)現(xiàn)化學知識的“理”。接著，引出蛋白質(zhì)變性在醫(yī)學上的應用，拓展學生的知識面，進一步激發(fā)他們學習化學的興趣，感悟化學對社會發(fā)展的貢獻。

（三）探究蛋殼的成分

提出問題：蛋殼的主要成分是什么？你是怎么知道的？

預設：碳酸鈣;課本或之前學過。

引導：通過前面的學習，同學們都知道蛋殼的主要成分是碳酸鈣，但這是老師告知或從資料中得來的，沒有驗證過，此外，蛋殼中碳酸鈣的含量是多少呢？就讓我們來定量探究一下。

演示實驗：將蛋殼粉放入插有鈣離子傳感器的燒杯中，加入稀鹽酸（1∶200）?，F(xiàn)象：（1）產(chǎn)生氣泡;（2）如圖2所示，鈣離子濃度曲線逐漸上升。結(jié)論：（1）蛋殼與鹽酸反應產(chǎn)生氣體;（2）蛋殼中含有鈣元素。

提出問題：蛋殼與鹽酸反應產(chǎn)生的氣體是什么？蛋殼中除了鈣元素之外是否還有其他成分？

組織學生分組實驗：（1）剝一枚熟雞蛋，將蛋殼放入廣口瓶中，塞上帶有長頸漏斗、導管的塞子，將稀鹽酸（1∶2）從長頸漏斗注入瓶中至沒過長頸漏斗下端，檢驗產(chǎn)生的氣體。

提出問題：如何檢驗產(chǎn)生的氣體？

預設：通入澄清石灰水中，出現(xiàn)渾濁，說明為二氧化碳氣體。

引導：蛋殼與鹽酸反應產(chǎn)生的氣體是CO2，說明蛋殼中除了含有鈣元素外還含有CO2-3，即蛋殼中確實含有CaCO3。

提出問題：蛋殼中的成分全部是CaCO3嗎？

組織學生分組實驗：用鑷子夾取一塊去膜的蛋殼，直接置于酒精燈外焰灼燒?，F(xiàn)象：產(chǎn)生刺激性氣味（燒骨頭產(chǎn)生的氣味）。結(jié)論：蛋殼中的成分不全部是CaCO3。

提出問題：蛋殼中CaCO3的含量是多少？如何測定？（假設蛋殼中的雜質(zhì)不與鹽酸反應）

組織學生討論確定實驗方案并開展分組實驗：（1）用質(zhì)量傳感器稱出大燒杯的質(zhì)量，再稱出大燒杯+兩藥匙蛋殼粉的質(zhì)量;（2）稱出盛有足量鹽酸（1∶1）的小燒杯的質(zhì)量;（3）將小燒杯中的鹽酸倒入大燒杯中;待反應結(jié)束時，再稱出兩個燒杯及杯中物質(zhì)的總質(zhì)量;（4）將數(shù)據(jù)填入表1中，并計算。

表1蛋殼中CaCO3含量測量實驗數(shù)據(jù)

物品質(zhì)量（g）或

質(zhì)量分數(shù)大燒杯大燒杯+蛋殼粉蛋殼粉大燒杯+蛋殼粉+盛有足量鹽酸（1∶1）的小燒杯（反應前）兩個燒杯及杯中物質(zhì)（反應后）反應產(chǎn)生的氣體（CO2?）蛋殼中所含CaCO3的質(zhì)量蛋殼中所含CaCO3的質(zhì)量分數(shù)組織學生交流實驗數(shù)據(jù)。

提出問題：各組數(shù)據(jù)不同，說明存在誤差，那測定蛋殼中CaCO3含量的實驗中，哪些因素可能導致誤差？

預設：稱量誤差、計算誤差等。

提出問題：我們需要收集二氧化碳氣體，如何驗滿？

預設：將點燃的木條靠近集氣瓶口，木條熄滅，說明已收集滿。

組織學生分組實驗：收集一瓶二氧化碳氣體，向瓶中倒入10ml濃氫氧化鈉溶液，迅速將剝好的雞蛋塞住瓶口（稍用力，密封即可），搖蕩瓶子，靜置一旁?，F(xiàn)象：雞蛋進入瓶中。

提出問題：雞蛋為何能自動進入瓶中？該實驗成功的關鍵是什么？

預設：集氣瓶中二氧化碳氣體與氫氧化鈉反應被消耗，瓶內(nèi)氣體壓強降低，外界大氣壓將雞蛋“壓”入瓶內(nèi)。

這一環(huán)節(jié)，旨在讓學生認識到實驗是化學研究的基礎，感受科學儀器給實驗探究帶來的方便;讓學生初步學會由定性到定量的研究方法以及誤差的分析;切實感受到影響反應快慢的因素;感受到科學是講究實證的，建立證據(jù)意識。這里，增加“瓶吞雞蛋”實驗，將所學的化學知識與物理原理融合，用于實際問題的解決，學中求趣，用“理趣”促進學生對實證思想的認同。

（四）雞蛋殼雕刻

提出問題：（展示鏤空的蛋殼）蛋殼硬度很小，很難用刀在上面雕刻出圖案，那老師是如何在雞蛋殼上刻上美麗圖案的呢？這就需要用到我們剛剛實驗探究出的知識，利用酸與蛋殼反應，腐蝕出圖案來。請同學們回家后用雪碧瓶、白醋等，嘗試在蛋殼上刻上自己喜歡的圖案吧。

布置課后作業(yè)，引導學生將研究延伸到課后，將課堂所學應用于生活，體會化學“源于生活，用于生活”的“理趣”。

四、教學思考

雞蛋與學生生活有著直接的聯(lián)系，以此為主題展開多項活動探究，活動內(nèi)容、空間、時間、形式等較為開放，能有效激發(fā)學生的科學探究興趣，讓學生在玩轉(zhuǎn)雞蛋中體會到科學就在身邊，掌握解決問題的科學方法，培養(yǎng)科學素養(yǎng)。

內(nèi)容開放。本課題不是教材中的規(guī)定內(nèi)容，能培養(yǎng)學生用已學過的知識、技能解決實際問題的能力。內(nèi)容涉及化學、生物、物理等多學科知識，能讓學生體會到：雖然這些學科平時分開學，但它們并沒有必然的界限，生活中碰到的一些現(xiàn)象和問題，可以從不同的方面利用不同的科學知識去解決;應學會從多個角度觀察生活現(xiàn)象，從不同的途徑解決問題。

時空開放。課堂由于時間的限制，有些有趣的實驗探究留作了課后作業(yè)，如雞蛋在酸液中上下游動、蛋殼上雕刻圖案等。

資源開放。教學資料、儀器設備、實驗材料等資源向?qū)W生開放。不拘泥于固定的實驗器材，家庭用品等都可以成為實驗用具，如可用透明塑料飲料瓶代替燒杯、廣口瓶，白醋代替鹽酸等。

開放是手段，“理趣”是追求。教學中，我們注意引導學生從現(xiàn)象之“趣”中發(fā)現(xiàn)科學之“理”，并將這種“理趣”延伸至下一環(huán)節(jié)、課后以及未來的學習和生活中。我們期望，讓科學回歸學生的生活世界，達到“理中引趣、趣中求理、理趣融合、情智共生”的境界，在潛移默化中提升學生的科學素養(yǎng)。

*本文系江蘇省教育科學“十二五”規(guī)劃課題“縣域初中開放式實驗教學的實踐研究”（批準號：Ea/2015/08）、南通市教育科學院“十三五”規(guī)劃課題“初中‘理趣課堂教學的實踐與研究”（批準號：GH2018021）的階段性研究成果。

參考文獻：

[1]?宋國利，蓋功琪，蘇冬妹.開放式實驗教學模式的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2010（2）.

[2]?胡宗華.理趣課堂的思維路徑[J].教育視界，2020（13）.