實驗在高中化學(xué)概念教學(xué)中的應(yīng)用探索

◇洛陽師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院 夏丹丹 盧怡靜 趙 鈺 馮 勛 張 甜

高中化學(xué)涉及許多抽象性強的概念，傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)不利于學(xué)生全面、深入地理解化學(xué)概念。在“素養(yǎng)為本”的理念下，筆者嘗試挖掘?qū)嶒炘诶斫飧拍钪械闹匾獌r值，通過實驗手段引導(dǎo)學(xué)生主動參與課堂、完成自主建構(gòu)，深化對基礎(chǔ)概念的認(rèn)識和理解，實現(xiàn)感性認(rèn)識到理性認(rèn)知的飛躍。本文探索了演示實驗、探究實驗、數(shù)字化實驗、興趣實驗在氧化還原反應(yīng)教學(xué)中的應(yīng)用，以期改變化學(xué)概念教學(xué)中教師教和學(xué)生學(xué)的方式。

1 引言

化學(xué)概念教學(xué)是化學(xué)教學(xué)的關(guān)鍵點與難點，也是學(xué)生學(xué)好化學(xué)的基石。目前的化學(xué)概念教學(xué)中常見的方法是教師直接講授概念的定義，讓學(xué)生被動地接受化學(xué)概念，然后通過大量習(xí)題去鞏固概念并機械記憶，這種傳統(tǒng)的化學(xué)概念教學(xué)方式不僅低效而且忽視了概念學(xué)習(xí)對促進學(xué)生思維發(fā)展的作用。學(xué)生在學(xué)習(xí)紛雜抽象的化學(xué)概念時往往存在認(rèn)知障礙，不能真正理解化學(xué)概念的內(nèi)在含義，不易掌握化學(xué)概念在“宏觀—微觀—符號”之間的轉(zhuǎn)換。在實際教學(xué)過程中，教師通常將實驗教學(xué)與概念教學(xué)分開，導(dǎo)致實驗和理論教學(xué)兩張皮，沒有很好銜接。因此，教師轉(zhuǎn)變化學(xué)概念教學(xué)觀念勢在必行，教師應(yīng)緊密圍繞學(xué)科核心素養(yǎng)研究化學(xué)概念教學(xué)，從更新實驗內(nèi)容和方式、創(chuàng)新實驗裝置、開展數(shù)字化實驗、組織興趣實驗等方面入手，合理利用實驗提高化學(xué)概念教學(xué)的質(zhì)量，打破傳統(tǒng)課堂重概念記憶輕知識遷移，重題海戰(zhàn)術(shù)輕實質(zhì)理解的局面，使實驗更好地輔助化學(xué)概念教學(xué)，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 內(nèi)容分析

2.1 氧化還原核心概念的重要性

氧化還原反應(yīng)位于人教版高中化學(xué)必修一第一章第三節(jié)，是高中化學(xué)知識的重難點和化學(xué)核心概念之一，在整個中學(xué)階段占據(jù)了重要的位置，該知識點是學(xué)習(xí)元素化合物、電化學(xué)等知識的基礎(chǔ)，氧化還原核心概念的掌握情況直接影響以后的化學(xué)學(xué)習(xí)。氧化還原相關(guān)概念繁多，規(guī)律抽象且難以理解，因此可借助實驗促進學(xué)生從低階的概念理解轉(zhuǎn)化為高階的規(guī)律掌握和應(yīng)用。

2.2 化學(xué)實驗在概念教學(xué)中的作用

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版2020修訂）指出實驗教學(xué)可以幫助學(xué)生形成化學(xué)概念[1]，充分發(fā)揮化學(xué)實驗的獨特價值有利于學(xué)生自主構(gòu)建化學(xué)概念。概念形成的過程是不斷提出假設(shè)并驗證假設(shè)的過程，而化學(xué)學(xué)科中驗證假設(shè)的有效方法便是實驗，實驗?zāi)軌蚝芎玫亟忉尭拍畹膬?nèi)涵與外延，化學(xué)概念的建構(gòu)也促進學(xué)生更深入地理解實驗，兩者相輔相成[2]。通過實驗引導(dǎo)學(xué)生建立概念有利于實現(xiàn)“以講授為中心”到“以探究為中心”的轉(zhuǎn)變。巧妙利用化學(xué)實驗可以化抽象為形象，轉(zhuǎn)迷思概念為正確認(rèn)識，幫助學(xué)生深層次地理解和掌握概念，最終實現(xiàn)化學(xué)概念的靈活應(yīng)用，使學(xué)生成為核心概念的建構(gòu)者。

3 實驗輔助概念教學(xué)實例

3.1 借助演示實驗，感知化學(xué)概念

化學(xué)是從微觀上描述物質(zhì)本質(zhì)的學(xué)科，借助演示實驗可以讓抽象思維能力薄弱的高中生對化學(xué)概念進行直觀感知。操作性強的實驗可由教師親自演示，教師通過演示變色龍、化學(xué)紅綠燈、火龍寫字或黑布作畫等與氧化還原有關(guān)的趣味實驗來創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生初步感知氧化還原反應(yīng)，拉近化學(xué)概念與學(xué)生之間的距離。存在安全隱患或不易觀察的實驗可選擇多媒體演示實驗，在探究氯化鈉形成的微觀過程時，播放金屬鈉在氯氣中燃燒生成氯化鈉的實驗視頻及微觀動畫，引導(dǎo)學(xué)生基于宏觀實驗現(xiàn)象探究微觀本質(zhì)，感知鈉原子和氯原子通過得失電子變成離子的過程，進而掌握電子得失與化合價升降的關(guān)系；在學(xué)習(xí)共用電子對偏移的概念時，播放氫氣和氯氣反應(yīng)生成氯化氫的實驗視頻及微觀動畫，學(xué)生通過直觀觀察微觀粒子的運動特征認(rèn)識微觀世界，之后利用單雙線橋表征氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生基于三重表征初步認(rèn)識和形成氧化還原反應(yīng)核心概念。教師可將微格教學(xué)、微課以及實驗微視頻引入到演示實驗教學(xué)中，為學(xué)生提供自制教學(xué)視頻及資料，學(xué)生在碎片化時間可反復(fù)學(xué)習(xí)視頻，進而深度掌握所學(xué)內(nèi)容，此教學(xué)模式不僅為學(xué)生提供了新的學(xué)習(xí)方法[3]，還能提升教師的教學(xué)技能，幫助學(xué)生從宏觀到微觀、從變化到平衡等方面得到提升，有利于調(diào)動學(xué)生多感官協(xié)調(diào)并用。教師的直觀教學(xué)要配合直觀的語言講解，切不可讓多媒體代替了教師的主導(dǎo)地位。

3.2 借助探究實驗，理解化學(xué)概念

化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)在化學(xué)探究中內(nèi)化相應(yīng)的化學(xué)知識點，借助探究實驗促進學(xué)生對概念本質(zhì)屬性的理解。在驗證氧化還原反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移的本質(zhì)時，教師可引導(dǎo)學(xué)生對銅鋅實驗進行探究與改進，學(xué)生經(jīng)歷“猜想 —驗證 創(chuàng)新 —總結(jié)”的自主探究與合作探究過程，加深了對概念內(nèi)涵和外延的理解。開展探究實驗教學(xué)不要僅僅拘泥于教材，教師需引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學(xué)問題，依據(jù)探究目的設(shè)計并優(yōu)化實驗方案，養(yǎng)成獨立思考、敢于質(zhì)疑的創(chuàng)新精神。按照傳統(tǒng)銅鋅實驗開展實驗探究教學(xué)會出現(xiàn)和教材結(jié)論有偏差的現(xiàn)象[4]，雖然可以達到一定的教學(xué)效果，但存在一些弊端：反應(yīng)過程中鋅片表面產(chǎn)生的氣泡多于銅片表面、電流不穩(wěn)定并逐漸減小等情況不利于學(xué)生抓住氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)，甚至?xí)`導(dǎo)學(xué)生。因此，教師設(shè)計開展優(yōu)化的銅鋅實驗幫助學(xué)生掌握氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)是十分必要的。筆者對本實驗進行了創(chuàng)新：在鋅片附近加入硫酸鋅固體形成以Zn2+為主要陽離子的雙電層以減少鋅片表面氣泡的產(chǎn)生，在實驗裝置中加入質(zhì)子交換膜以保證電流穩(wěn)定性，使探究實驗教學(xué)更具科學(xué)性[5]?；谝陨纤?，探究過程中教師與學(xué)生活動及素養(yǎng)目標(biāo)見表1。

表1 教學(xué)活動流程

基于教學(xué)環(huán)節(jié)，可創(chuàng)設(shè)出問題線、知識線、活動線和情感線四條主線，四線相輔相成，輔助探究實驗教學(xué)，詳情見圖1。

圖1 探究活動流程

3.3 借助數(shù)字化實驗，領(lǐng)悟化學(xué)概念

數(shù)字化實驗將先進的便攜技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與現(xiàn)代教學(xué)理念相融合，將定性描述轉(zhuǎn)變?yōu)槎繑?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)榍€圖像，將孤立信息轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合信息，彌補了概念教學(xué)中僅依靠文字表述與宏觀現(xiàn)象分析的不足。在氧化還原反應(yīng)的教學(xué)中，教師可以組織開展高錳酸鉀和亞硫酸鈉發(fā)生氧化還原反應(yīng)使溶液發(fā)生顏色變化的數(shù)字化實驗，通過測量向KMnO4溶液中滴加Na2SO3溶液過程中的電勢變化，引導(dǎo)學(xué)生在曲線的實時變化中體會微觀化學(xué)反應(yīng)，建構(gòu)“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征[6]，從定性定量兩個角度抓住氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)特征，完成對氧化還原反應(yīng)相關(guān)概念的復(fù)習(xí)。開展數(shù)字化實驗教學(xué)時，應(yīng)注重發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，引導(dǎo)學(xué)生從多種表征角度體悟概念的學(xué)習(xí)。實驗的改進過程如下。

實驗儀器：氧化還原傳感器、滴數(shù)傳感器、磁力攪拌器、數(shù)據(jù)采集器、計算機。

實驗試劑：酸性KMnO4溶液、Na2SO3溶液。

實驗主要步驟：①按要求安裝好滴數(shù)傳感器、氧化還原傳感器等實驗裝置；②將裝有KMnO4溶液的燒杯放置于磁力攪拌器上，將氧化還原傳感器插入KMnO4溶液中，向滴管內(nèi)加入Na2SO3溶液；③打開氧化還原傳感器、滴數(shù)傳感器、實驗軟件和磁力攪拌器并開始數(shù)據(jù)采集；④待數(shù)據(jù)收集完畢保持穩(wěn)定后停止采集，關(guān)閉滴管閥門停止滴定。

實驗觀察：溶液變色情況以及儀器顯示的溶液電勢變化曲線圖。

圖2 數(shù)字化實驗裝置圖

圖3 電勢變化曲線圖

3.4 借助課外興趣實驗，應(yīng)用化學(xué)概念

興趣實驗是對課內(nèi)知識的延伸與補充，積極參與課外實驗?zāi)芗由顚瘜W(xué)概念的理解，做到學(xué)以致用。教師需結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的特點、從學(xué)生實際出發(fā)，盡可能多的為學(xué)生提供能夠獨立完成的興趣實驗素材，積極組織和指導(dǎo)學(xué)生開展課外興趣實驗。學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題后通過查閱資料、設(shè)計方案、實驗探究、小組合作、交流討論等方法找出合理的解決方案，在親歷問題解決的過程中鞏固化學(xué)概念。例如，在探究如何防止蘋果變色、食物腐敗、鋼鐵腐蝕等常見的氧化現(xiàn)象時，結(jié)合所學(xué)設(shè)計實驗并驗證猜想，掌握預(yù)防氧化的有效措施，感受化學(xué)與生活的緊密相連。通過觀看汽車尾氣綠色化處理的相關(guān)實驗視頻和資料，學(xué)習(xí)如何用氧化還原原理減少汽車尾氣對環(huán)境的污染，了解可持續(xù)發(fā)展賦予化學(xué)的使命，增強生態(tài)文明意識和社會責(zé)任感。此外，家庭實驗也能激發(fā)學(xué)生的探究欲望，如法老之蛇、大象牙膏、白紙顯字，銀飾恢復(fù)原色、碘水褪色等氧化還原興趣實驗。學(xué)生親身操作安全有趣的化學(xué)實驗，體會化學(xué)的魅力，在實踐中完成對氧化還原反應(yīng)相關(guān)概念的建構(gòu)。

4 結(jié)束語

在教學(xué)實踐中，借助演示實驗、探究實驗、數(shù)字化實驗和課外興趣實驗完成對化學(xué)概念的感知、理解、領(lǐng)悟與應(yīng)用，彌補了傳統(tǒng)概念教學(xué)重視知識與技能傳授而輕視學(xué)科素養(yǎng)提升的不足，有助于走出“講解式”教學(xué)的誤區(qū)，掙脫應(yīng)試教育的桎梏。在進行化學(xué)概念教學(xué)時，教師要將教學(xué)目標(biāo)由“培養(yǎng)應(yīng)試技能為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤芭囵B(yǎng)核心素養(yǎng)為中心”，發(fā)揮各種實驗輔助手段獨特而重要的教學(xué)作用，巧借化學(xué)實驗優(yōu)化化學(xué)概念教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生完成自我驅(qū)動，更深層次地理解和掌握知識，從而提高化學(xué)概念學(xué)習(xí)的質(zhì)量。