王婷　沈理明　姚蘭

摘要：文章從化學(xué)、工程和技術(shù)相聯(lián)系的視角開展研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的實(shí)踐研究。闡述了研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的實(shí)踐目標(biāo)、實(shí)踐過程、實(shí)踐案例以及實(shí)踐評價(jià)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)；工程和技術(shù)；研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)；實(shí)踐研究

文章編號：1008-0546（2017）05-0063-03 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.05.020

化學(xué)、工程、技術(shù)本身就是相互聯(lián)系的，將化學(xué)學(xué)習(xí)與科學(xué)探究及工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐融合起來，有利于學(xué)生以連貫的視角看待化學(xué)和工程[1]；將化學(xué)知識學(xué)習(xí)與應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來，有利于形成科學(xué)系統(tǒng)的知識。怎么將化學(xué)、工程、技術(shù)聯(lián)系起來呢？筆者在組織學(xué)生開展化學(xué)研究性學(xué)習(xí)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法引入了其中。筆者選取蘇州市某四星級高中高一年級學(xué)生為實(shí)踐對象，在綜合實(shí)踐活動(dòng)課程中開展基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等內(nèi)容的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的實(shí)踐研究。

一、實(shí)踐目標(biāo)

第一，讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)基本技能，初步掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法； 第二，讓學(xué)生經(jīng)過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施、數(shù)據(jù)收集和分析等，經(jīng)歷探究過程，培養(yǎng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)探究的興趣； 第三，將知識與實(shí)踐聯(lián)系起來，將知識運(yùn)用于實(shí)踐，同時(shí)在實(shí)踐中加深對知識的理解與深化；第四，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和思維能力，特別是創(chuàng)新思維能力和獨(dú)立思考的能力。

二、實(shí)踐過程

1. 實(shí)踐對象的選取

選取蘇州市某四星級高中高一年級學(xué)生為實(shí)踐對象。依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ臉?gòu)成要素編制《高一新生化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰y試》測試卷[2]， 通過測試選拔9名學(xué)生，分成四個(gè)化學(xué)研究性學(xué)習(xí)小組。每組成員2～3人，教師根據(jù)研究性活動(dòng)中的實(shí)際需要進(jìn)行人員的搭配和調(diào)整。每組推選一名組長，負(fù)責(zé)各項(xiàng)通知等協(xié)調(diào)性工作，協(xié)助研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的順利進(jìn)行。

選拔的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了蘇教版高中化學(xué)必修一以及必修二的相關(guān)知識；對化學(xué)研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)有興趣；但是探究能力水平有限，因此在研究內(nèi)容設(shè)計(jì)與安排上根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，在活動(dòng)初期給予學(xué)生一定的指導(dǎo)和幫助，讓學(xué)生熟悉要進(jìn)行的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)的流程。

2. 活動(dòng)時(shí)間及活動(dòng)內(nèi)容安排

活動(dòng)時(shí)間兩個(gè)月，每周三下午第四課綜合實(shí)踐活動(dòng)課程（一個(gè)半小時(shí)左右）和每周一午休時(shí)間進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)（半小時(shí)左右）。

依據(jù)研究性課題選題的原則和選題的來源，由教師確定以下四個(gè)課題供學(xué)生選擇。課題1：用黃金分割法研究高錳酸鉀與氯酸鉀混合物快速制備氧氣[3]；課題2：用正交試驗(yàn)法確定銀鏡反應(yīng)最佳條件；課題3：食品 SO2的檢測；課題4：手持技術(shù)繪制酸堿滴定曲線。活動(dòng)安排見表1。

3. 活動(dòng)的實(shí)施步驟

（1）實(shí)驗(yàn)前培訓(xùn)，以開設(shè)講座的方式使學(xué)生了解每個(gè)課題的意義和一般方法。講座內(nèi)容由教師事先準(zhǔn)備，以PPT形式呈現(xiàn)，每個(gè)課題開始之前均做相應(yīng)的講座培訓(xùn)。每周三進(jìn)行一次講座培訓(xùn)，下周三進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

（2）依次公布化學(xué)研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)課題，學(xué)生自行制定實(shí)驗(yàn)方案，大約一周時(shí)間。

（3）教師建立“我們的資料庫”。資料庫中提供學(xué)生所需要的研究的課題的資料和有效信息，指導(dǎo)學(xué)生搜集整理課題資料。

（4）師生共同商討實(shí)驗(yàn)方案，確定最終實(shí)驗(yàn)方案。每周一午休課題組會(huì)議討論并確定實(shí)驗(yàn)方案細(xì)節(jié)，師生、各小組成員相互討論以完善最終實(shí)驗(yàn)方案。

（5）次周進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由教師和實(shí)驗(yàn)員準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需藥品、實(shí)驗(yàn)器材，部分實(shí)驗(yàn)學(xué)生自行組裝實(shí)驗(yàn)裝置。

（6） 各小組依據(jù)所制定的實(shí)驗(yàn)方案完成實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

（7）小組匯報(bào)。各小組撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并進(jìn)行結(jié)題評價(jià)。

三、化學(xué)研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)實(shí)踐案例

1. 用黃金分割法研究高錳酸鉀與氯酸鉀混合物快速制備氧氣案例

（1）實(shí)驗(yàn)原理：高錳酸鉀加熱分解生成氧氣，生成的產(chǎn)物之一二氧化錳催化氯酸鉀分解生成氧氣。

（2）實(shí)驗(yàn)方案

稱取高錳酸鉀1g ，其分解生成的二氧化錳為0.275g。一般氯酸鉀與二氧化錳質(zhì)量比為1∶1至1∶10，則氯酸鉀質(zhì)量范圍為0.275g 至2.75g。

（3）實(shí)驗(yàn)反思

第一，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，有對于黃金分割法沒有完全理解而導(dǎo)致計(jì)算過程繁瑣的現(xiàn)象，需引起重視。

第二，有小組在加熱高錳酸鉀和氯酸鉀混合物時(shí)未在導(dǎo)管放棉花，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不順利，應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作。

第三，小組成員之間分工不明確，導(dǎo)致在活動(dòng)過程中配合不緊密，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，應(yīng)事先明確分工。

類似的還有用正交試驗(yàn)法研究銀鏡反應(yīng)最佳條件等案例[4]。

2. 食品中SO2的檢測案例

（1）原理和方法

二氧化硫和亞硫酸鹽類有氧化性，能有效抑制食品加工過程中的非酶褐變；利用其還原性和漂白性可以作為防腐劑，抑制霉菌和細(xì)菌的生長。所以二氧化硫又被稱為食品的“化妝品”，用于改善食品外觀，延長保質(zhì)期。常用的二氧化硫添加劑有亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、焦亞硫酸鈉等。

一般來講，二氧化硫隨著食品進(jìn)入體內(nèi)后生成亞硫酸鹽，并由組織細(xì)胞中的亞硫酸氧化酶將其氧化為硫酸鹽，通過正常解毒后最終由尿排出體外。因此，少量二氧化硫進(jìn)入機(jī)體安全無害；但超量則會(huì)對人體健康造成危害。

在本次二氧化硫的快速檢測中采用滴瓶快速滴定法。該方法用碘液進(jìn)行滴定，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，過量的碘與指示劑作用生成藍(lán)色復(fù)合物，根據(jù)碘標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量計(jì)算出二氧化硫的含量。試劑的檢測范圍：0.0～1000.0mg/kg，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB2760-2014，二氧化硫≤0.1g/kg。

（2）對食品抽樣檢測二氧化硫殘留量

樣品取自某超市，共計(jì)6種12份。分別用兩個(gè)公司研制的產(chǎn)品進(jìn)行二氧化硫的快速測定，結(jié)果如表3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對樣品抽檢結(jié)果可見，所選白砂糖、麥片（薯類淀粉）、蜜餞樣品二氧化硫含量均未超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍。

3. 手持技術(shù)繪制酸堿滴定曲線案例

（1）實(shí)驗(yàn)原理

手持技術(shù)（Hand-held Technology），即數(shù)字化手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)，又稱掌上實(shí)驗(yàn)室（Lab In Hand），是由計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)相結(jié)合的新型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，主要包括：數(shù)據(jù)采集器、傳感器、計(jì)算機(jī)及其配套軟件三個(gè)部分。手持技術(shù)集數(shù)據(jù)采集、分析于一體，具有便攜、直觀、實(shí)時(shí)、定量等特點(diǎn)。

由于酸堿中和滴定的全過程均是在溶液中進(jìn)行的，溶液中pH值的變化隨著滴定過程的進(jìn)行而發(fā)生變化。使用pH 傳感器檢測混合溶液在滴定過程中pH值的變化情況，并借助計(jì)算機(jī)以圖像形式顯示出來，即可得到酸堿中和滴定曲線。本實(shí)驗(yàn)操作簡便、快捷、準(zhǔn)確性高，因此廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，具有很高的使用價(jià)值。

（2）實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)

學(xué)生運(yùn)用手持技術(shù)，直觀地看到鹽酸滴定氫氧化鈉的中和反應(yīng)過程中溶液pH的變化； 了解了滴定突躍，知道了酸堿指示劑的選用方法。

（3）反思

第一，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中存在讀取溶液體積時(shí)視線沒有與凹液面平行等操作不規(guī)范，導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取有誤差。

第二，在使用pH傳感器時(shí)應(yīng)事先讓學(xué)生閱讀使用說明書，以保證對實(shí)驗(yàn)儀器的正確使用和保護(hù)。

四、實(shí)踐效果評價(jià)

整個(gè)活動(dòng)結(jié)束后，對學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，97.2%學(xué)生對本次研究性學(xué)習(xí)內(nèi)容感興趣； 52.4%學(xué)生能在科學(xué)基礎(chǔ)之上做出合理的假設(shè)、猜想； 73.7%學(xué)生能根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，列出?shí)驗(yàn)所需器材和藥品，設(shè)計(jì)完整的實(shí)驗(yàn)操作方案；76.9%學(xué)生能準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并能評價(jià)數(shù)據(jù)的可靠性；80.6%學(xué)生能通過獨(dú)立或與他人合作計(jì)算、繪制表格等方式對所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；能在教師指導(dǎo)下或通過討論得出簡單、合理的結(jié)論，并能對結(jié)論做出合理解釋； 73.7%學(xué)生能獨(dú)立或與他人合作，能用書面或PPT等方式表述研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)過程和結(jié)果，能有自己的想法，能聽取他人意見；86.2%學(xué)生能積極主動(dòng)參與到研性活動(dòng)中去，能遵守實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范，愿意與他人進(jìn)行有效溝通交流。

參考文獻(xiàn)

[1] 張穎之.美國科學(xué)教育改革的前沿圖景——透視美國K-12科學(xué)教育新框架[J].比較教育研究，2012，3：72-76

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[3] 沈理明.化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究[M].貴陽：貴州教育出版社，2004，7：33-40

[4] 王婷 沈理明等. 銀鏡反應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)及行為分析[J].化學(xué)教育，2015，21：20-21