江輝輝 蔡玲玲

摘要：實驗探究是化學學科最重要的探究形式。在實驗探究中滲透控制變量的思想，設(shè)計“溶劑法”和“熔化法”等探究活動進行“乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)”的教學，幫助學生構(gòu)建知識體系，解決認知沖突，落實化學學科核心素養(yǎng)，感受化學的價值。

關(guān)鍵詞：實驗探究；認知模型；核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2021）10-0072-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.017

《普通高中化學課程標準（2017年版）》將科學探究與創(chuàng)新意識納入化學學科的核心素養(yǎng)體系，要求學生“認識科學探究是進行科學解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學實踐活動；能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題；能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案，運用化學實驗、調(diào)查等方法進行實驗探究；勤于實踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新?！盵1]科學探究的目的是提高學生的科學素養(yǎng)，而科學素養(yǎng)的核心要素是科學思維，“控制變量法”作為科學探究中的重要科學思維方法，是中學化學教學的重要內(nèi)容之一。“控制變量法”指的是在科學研究中，對于多因素（多變量）影響的問題，常常采用只改變其中的某一個因素，控制其他因素不變的方法，使多因素的影響變成幾個單因素影響，分別加以研究，最后將幾個單因素影響的結(jié)果加以綜合的方法[2]。控制變量是科研和探究教學中必需的實驗手段，在科學實驗探究中有著廣泛的運用。

一、教學分析

1.教學內(nèi)容價值分析

“乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)”是蘇教版《實驗化學》專題2課題2“乙醇和苯酚的性質(zhì)”第一課時的內(nèi)容[3]。《普通高中化學課程標準（2017年版）》中與之對應(yīng)的學業(yè)要求是能運用控制變量的方法探究并確定合適的反應(yīng)條件，安全、順利地完成實驗，能對實驗方案、實驗過程和實驗結(jié)論進行評價，提出進一步探究的設(shè)想[4]。本部分內(nèi)容是學生在學習乙醇、苯酚性質(zhì)和化學反應(yīng)速率知識的基礎(chǔ)上，對兩者性質(zhì)的深度認識。學生通過控制變量設(shè)計實驗開展探究，辨識醇和酚性質(zhì)的差異，發(fā)展設(shè)計、分析、合作能力，提升科學探究素養(yǎng)。

2.學生認知水平分析

從知識層面看，學生已經(jīng)學習了乙醇和苯酚的性質(zhì)，化學反應(yīng)速率的概念、表示方法和測定方法，初步形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的思想；從能力層面看，學生能夠運用對比、遷移、探究等方法認識物質(zhì)的性質(zhì)，初步具備了操作與設(shè)計，分析與歸納等能力；從心理層面看，高中學生思維敏捷、活躍，比較喜歡動手做實驗，已經(jīng)具備一定的探究能力和創(chuàng)新意識。但是從實驗的角度探究物質(zhì)性質(zhì)的學習方法學生還沒有完全掌握；能否在實驗探究過程中有意識地正確應(yīng)用“控制變量”的思想，在具體的實驗操作中實現(xiàn)對變量的控制等還需要在課堂學習中進行判斷。

3.教學現(xiàn)狀分析

（1）教學設(shè)計方面

通過文獻檢索，有文章[5]是以“追問驅(qū)動推理”的模型來教學乙醇和苯酚的性質(zhì)；有文章[6]僅以實驗形式探究乙醇與苯酚羥基氫的活潑性，沒有形成課堂案例。

在講述控制變量時，文章[7]有以酸性高錳酸鉀和草酸反應(yīng)、金屬與酸反應(yīng)為載體，還未有以乙醇、苯酚與金屬鈉反應(yīng)的。

（2）實驗改進方面

參照教材和文章，乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)往往選擇乙醚做溶劑，但由于市售乙醚中常含有水等雜質(zhì)，如果不經(jīng)處理會導致實際觀察到的現(xiàn)象與預(yù)期不一致。本文通過對乙醚作溶劑實驗結(jié)果的深度分析，改用丙酮做溶劑，得到比較滿意的實驗現(xiàn)象。

教材和文章只采用溶劑法探究乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)，而本教學案例同時采用將苯酚熔化的方法，在探究過程中加深對控制變量思想的理解。

4.教學目標與評價目標

（1）通過兩個實驗探究活動，進一步認識乙醇和苯酚的性質(zhì)，診斷并發(fā)展學生微觀探析、證據(jù)推理等核心素養(yǎng)。

（2）運用控制變量的方法探究并確定乙醇、苯酚與金屬鈉合適的反應(yīng)條件，安全、順利地完成實驗，診斷并發(fā)展學生科學態(tài)度、科學探究等核心素養(yǎng)。

（3）通過實驗探究，明確化學實驗設(shè)計原則，診斷并發(fā)展學生社會責任、模型認知等核心素養(yǎng)。

二、教學流程

本節(jié)課的具體教學流程如圖1所示。

三、教學實錄

1.創(chuàng)設(shè)情境，引入課題——明確本節(jié)課任務(wù)

【引課】乙醇與苯酚分子中都含有羥基，哪個羥基上的氫更活潑？如何用實驗證明？

【學生】苯酚分子中羥基上的氫更活潑，可通過與金屬鈉的反應(yīng)來證明。

【教師】你是如何想到的？

【學生】乙醇羥基上的氫與水中氫的活潑性就是通過與金屬鈉的反應(yīng)來實現(xiàn)的。

【教師】很好！本節(jié)課我們就以該實驗來比較乙醇和苯酚分子中羥基上的氫活潑性。

設(shè)計意圖：開門見山地拋出本節(jié)課的學習任務(wù)—比較乙醇和苯酚分子中羥基氫活潑性。通過問題驅(qū)動的方式，引導學生采用與金屬鈉的反應(yīng)來完成本節(jié)課的任務(wù)，培養(yǎng)學生對已學知識遷移的能力。

2.控制變量，引導探究——溶劑法探究乙醇、苯酚與鈉反應(yīng)

【教師】根據(jù)上面所述，具體如何來設(shè)計這個實驗？直接用乙醇、苯酚與金屬鈉反應(yīng)嗎？

【學生】不行，因為常溫條件下乙醇是液體，苯酚是固體。

【教師】很好！同學們已經(jīng)注意到兩者的狀態(tài)不一樣，在比較的時候就無“公平性”可言了，所以我們要控制變量。

【教師】本實驗中自變量是乙醇和苯酚分子中羥基，如何控制其他變量呢？

【學生1】把乙醇和苯酚分別配成同濃度的水溶液。

【學生2】把乙醇和苯酚分別配成同濃度的有機溶液。

【教師】以上設(shè)計是否都可行？說明理由。

【學生】水溶液不行，因為金屬鈉與水也會反應(yīng)，干擾實驗；采用有機溶劑（比如乙醚、丙酮等）可以。

【教師】如何做到同濃度？

【學生】參照教材，具體用量如表1所示[8]。

計算過程：

由于兩者物質(zhì)的量差不多，而所加有機溶劑的體積一樣，所以兩者的濃度基本相當。

【學生實驗】乙醚作溶劑，探究乙醇、苯酚羥基氫的活潑性。

器材：試管若干、5mL量筒兩支，天平；藥品：乙醚、乙醇、苯酚、金屬鈉

【學生】實驗并匯報現(xiàn)象：向兩支干燥的試管中各加入2mL乙醚，向一支試管中加入1mL乙醇，向另一支試管中加入約1.5g苯酚，振蕩。再向上述兩支試管中各加入一小塊相同大小的金屬鈉（吸干煤油），可以觀察到兩支試管中產(chǎn)生氣泡快慢差不多。

【教師】為什么會出現(xiàn)這樣的情況呢？

【教師】展示乙醚試劑標簽。引導學生根據(jù)標簽上的信息猜想并設(shè)計實驗驗證。

【學生】設(shè)計實驗并探究：取2mL乙醚于試管中，加入金屬鈉后也產(chǎn)生氣泡。

【結(jié)論】市售乙醚常含有水等雜質(zhì)，故不能作為探究乙醇、苯酚羥基氫活潑性的溶劑。

【學生實驗】更換溶劑為丙酮，探究乙醇、苯酚羥基氫的活潑性。

【學生】實驗并匯報現(xiàn)象：同上實驗，可以觀察到苯酚的丙酮溶液產(chǎn)生氣泡明顯快于乙醇的丙酮溶液。

【結(jié)論】丙酮可作為探究乙醇、苯酚羥基氫活潑性的溶劑。

設(shè)計意圖：以問題的形式讓學生關(guān)注到實驗比較時需要“公平性”，從而引出“控制變量”的思想。本環(huán)節(jié)主要是要求學生使用有機溶劑來“控制變量”。在實驗探究過程中，現(xiàn)象與學生的認知發(fā)生沖突，學生通過證據(jù)推理查找原因，感受到原有設(shè)計的不足，讓學生可以在質(zhì)疑中不斷完善實驗方案，在實踐中強化科學探究意識，發(fā)展創(chuàng)新精神和實踐能力。

3.類比遷移，深化認識——熔化法探究苯酚、乙醇與鈉反應(yīng)

【教師】本實驗還可以選擇控制其他變量嗎？

【學生】可以將苯酚加熱熔化。

【學生實驗】苯酚和乙醇在液態(tài)下，探究兩者羥基氫的活潑性。

器材：試管若干、5mL量筒，燒杯，熱水；藥品：乙醇、苯酚、金屬鈉

【學生】實驗并匯報現(xiàn)象：向一支干燥的試管中加入少量無水乙醇，另一支加入苯酚，將它們置于同一熱水浴中加熱。待苯酚熔化后，向上述兩支試管中各加入一小塊吸干煤油的金屬鈉。可以觀察到裝乙醇的試管中鈉沉入底部，表面產(chǎn)生氣泡；而裝苯酚液的試管中鈉一直浮在苯酚液面上，相對乙醇更緩慢，同時澄清液體慢慢變渾濁，金屬鈉表面有固體附著。

【教師】為什么會出現(xiàn)上述現(xiàn)象？結(jié)合資料卡解釋。

【學生】鈉的密度大于乙醇，加入乙醇中沉到底部；鈉的密度小于苯酚，一直浮在苯酚液面。由于生成的苯酚鈉難溶于苯酚，故溶液慢慢變渾濁，且生成的苯酚鈉固體會覆蓋在金屬鈉表面，阻礙反應(yīng)的正常進行，使得反應(yīng)逐漸變慢。

【教師】討論該方案能否用于乙醇和苯酚羥基氫的比較，并分析原因。

【學生】不行。與乙醇反應(yīng)時鈉沉入底部，而與苯酚反應(yīng)時鈉浮在表面，兩者接觸面積不一樣；與苯酚反應(yīng)時，生成的苯酚鈉固體會覆蓋在金屬鈉表面，也會影響反應(yīng)的進行。

【結(jié)論】本實驗設(shè)計不能用于探究乙醇、苯酚羥基上氫原子的活潑性。

設(shè)計意圖：類比遷移是一種重要的問題解決策略，也是提出新問題、獲得新發(fā)現(xiàn)的重要途徑。從環(huán)節(jié)二使用有機溶劑來“控制變量”遷移到將苯酚熔化來實現(xiàn)“控制變量”，培養(yǎng)學生的高階思維能力。同樣在實驗過程中，出現(xiàn)與學生的認知發(fā)生沖突的異?，F(xiàn)象，通過對證據(jù)的推理和思考分析，可以很好地訓練學生的化學思維，發(fā)展證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。

參照教材和文章，乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)往往選擇乙醚做溶劑，但由于市售乙醚中常含有水等雜質(zhì)，如果不經(jīng)處理會導致實際觀察到的現(xiàn)象與預(yù)期不一致。本文通過對乙醚作溶劑實驗結(jié)果的深度分析，

4.歸納總結(jié)，學以致用

【教師】根據(jù)前面的討論，我們在設(shè)計實驗，選擇控制變量時應(yīng)注意什么？

【學生】討論并總結(jié)：實驗設(shè)計需要注意以下原則：

【應(yīng)用】運用“控制變量”的思想設(shè)計實驗比較碳酸鈉和碳酸氫鈉固體的熱穩(wěn)定性。

【方案草圖展示】如圖2所示。

設(shè)計意圖：以碳酸鈉和碳酸氫鈉固體的熱穩(wěn)定性比較為情境創(chuàng)設(shè)問題，要求學生設(shè)計方案，加深學生對“控制變量”思想的理解。同時讓學生知道實驗設(shè)計需要注意的幾個原則，在實驗設(shè)計的過程中培養(yǎng)科學探究與創(chuàng)新意識、科學態(tài)度和社會責任的核心素養(yǎng)。

四、教學反思

本節(jié)教學設(shè)計基于學生前面知識所學，采用多種方法控制變量，探究乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)。本節(jié)課的探究實驗都不復(fù)雜，一般的實驗室條件都可以完成，具有很強的可重復(fù)性。所以在本內(nèi)容教學時教師需要采用學生探究式學習的形式，在探究過程中引導學生構(gòu)建起“控制變量”完整、深入的認知模型，通過探究過程中認知沖突的解決實現(xiàn)深度學習，最終促進學生學科核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

1.注重模型構(gòu)建

高中化學把“模型認知”作為核心素養(yǎng)之一，要求學生在對研究對象進行實驗觀察和證據(jù)推理的基礎(chǔ)上，利用簡化、抽象和類比等方法，將反映研究對象的本質(zhì)特征形成一種概括性的描述或認識思路[9]。本課采用如圖3的“控制變量”的認知模型，目的是促進學生對控制變量認識思路的結(jié)構(gòu)化，促進學生對化學現(xiàn)象和規(guī)律的深刻理解，促進學生運用化學知識解決新情境下的陌生問題，從而實現(xiàn)從化學學科知識向化學學科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。

2.引導深度學習

認知沖突是深度學習的有效手段[10]。本節(jié)課設(shè)計的幾個探究實驗中，學生根據(jù)已有知識儲備，設(shè)計了合理的控制變量的方案，但是在實驗過程中出現(xiàn)了與預(yù)期不同的現(xiàn)象，即引發(fā)認知沖突。教師應(yīng)該抓住這種稍縱即逝的機會，針對上述現(xiàn)象進行深度剖析，因為只有體驗到認識沖突，學生才能感受到原有設(shè)計的不足，認識到實驗過程中其他不可控因素的存在。在老師的引導下，調(diào)整或完善原有方案，最終得到滿意的結(jié)果。

3.反思課堂不足

教學需要不斷地反思，反思是一節(jié)課成為好課的必備條件。本節(jié)課在實際開展過程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足：比如，本節(jié)課學生一直處于做中學的狀態(tài)，實驗較多，耗時較長，而且不能保證每個分組實驗都能達到預(yù)期效果；其次，本節(jié)課沒有形成一個統(tǒng)一的情境線索，環(huán)節(jié)間銜接得不夠自然，只能在接下來的教學中不斷地完善和改進。

參考文獻

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[2]白建娥，支瑤.基于“控制變量”思想的反應(yīng)規(guī)律類綜合探究實驗復(fù)習[J].中學化學教學參考，2020（6）：66-69

[3][8]王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書：實驗化學（選修）[M].南京：江蘇教育出版社，2014：25-28

[5]杭偉華，楊志杰.“追問驅(qū)動機理”教學模型的構(gòu)建與實踐[J].中學化學教學參考，2017（7）：23-25

[6]楊海麗，付衣平.乙醇與苯酚分子中羥基上氫原子活潑性比較實驗探究[J].化學教學，2009（9）：15-17

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[9]王晶.普通高中教科書化學必修第一冊（2019年版）[M].北京：人民教育出版社，2019：16