沈莉萍

摘要：以單元整體理解為基礎(chǔ)，以問題驅(qū)動為方式，以實驗素養(yǎng)發(fā)展為目的，設(shè)計“過氧化氫分解制氧氣中二氧化錳的作用”的探究實驗，為學(xué)生從定性研究到定量探究做一個過渡，構(gòu)建較為科學(xué)的、具有代表性的實驗探究模型，在評價和改進(jìn)中提升實驗素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：二氧化錳;反應(yīng)速率;裝置改進(jìn);實驗素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2022）06x-0074-04?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.019

化學(xué)實驗是化學(xué)教學(xué)的核心。實驗的設(shè)計和評價能力是學(xué)生形成高階思維的必備能力。教材中的探究實驗是培養(yǎng)學(xué)生實驗?zāi)芰Φ闹匾劳?，教材中的探究實驗之間雖是基于不同知識不同問題的探究，但是從能力發(fā)展上來看，這些實驗之間存在相互繼承和發(fā)展的關(guān)系。實驗教學(xué)中，教師如果對教材中探究實驗的能力目標(biāo)不明確，單純從知識本位出發(fā)，按部就班，循著操作步驟依葫蘆畫瓢進(jìn)行教學(xué)，實驗做成功了，但缺乏了探究的意味和批判性思維的培養(yǎng)。因此，精心設(shè)計實驗探究教學(xué)內(nèi)容，將教材所體現(xiàn)的科學(xué)性和邏輯性運用到教學(xué)實踐中，構(gòu)建具有化學(xué)學(xué)科特點的思維模型，推動學(xué)生在化學(xué)實驗探究中形成一定的實驗?zāi)芰︼@得尤為重要。下面就以“過氧化氫分解制氧氣中二氧化錳的作用”一課為例，淺談實驗教學(xué)設(shè)計的思路。

一、單元整體理解

中學(xué)化學(xué)實驗素養(yǎng)的內(nèi)涵包括實驗知識和技能、實驗思維和方法、實驗情意和品行三個方面[1]。探究“過氧化氫分解制氧氣”中二氧化錳的作用是人教版初中化學(xué)第二單元的實驗探究課題，是在第一單元探究“蠟燭的燃燒”和“吸入的空氣和呼出的氣體有什么不同”后學(xué)生接觸的第3個探究性實驗。在前兩個實驗探究中，主要培養(yǎng)學(xué)生對實驗現(xiàn)象的觀察和描述能力，初步體會科學(xué)探究需要經(jīng)過“提出問題—做出猜想—實驗探究—得出結(jié)論—評價反思”的一般過程，主要是知識和技能的學(xué)習(xí)，屬于定性研究。知識技能在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中屬于顯性內(nèi)容，即只要按照教學(xué)目標(biāo)設(shè)計教學(xué)過程，就能使學(xué)生較快掌握[1]。在探究“過氧化氫分解制氧氣”中二氧化錳作用之后，第五單元開篇就是有關(guān)化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系的探究，也就是質(zhì)量守恒定律，對學(xué)生的實驗?zāi)芰μ岢隽烁叩囊?，需要學(xué)生對實驗裝置、天平平衡或者不平衡等現(xiàn)象進(jìn)行分析和解釋，屬于定量探究實驗;通過波意耳和拉瓦錫實驗裝置的差異對比，體會拉瓦錫在實驗探究中嚴(yán)謹(jǐn)求實、勇于探索的精神，是對學(xué)生實驗情意和品質(zhì)范疇的培養(yǎng)。實驗思維和方法、實驗情意和品行屬于隱性內(nèi)容，這在課程標(biāo)準(zhǔn)中雖有一定說明，但在教材的實驗設(shè)計中屬于持續(xù)滲透的要素，是要在實驗教學(xué)中隱性發(fā)展的實驗素養(yǎng)[2]。因此，在“過氧化氫分解制氧氣”中二氧化錳作用的實驗探究中，除了實踐上述對實驗現(xiàn)象的觀察和描述技能，體會科學(xué)探究的一般步驟外，如果能在實驗的分析評價、定量研究上做一個過渡，在實驗思維和方法上有一個銜接，將更有利于學(xué)生實驗素養(yǎng)的穩(wěn)步形成（如圖1）。

二、教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)教材和課程標(biāo)準(zhǔn)，以實驗素養(yǎng)的形成為目的，制定以下具體的教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過實驗探究逐步認(rèn)識二氧化錳在過氧化氫分解中的作用，認(rèn)識催化劑及催化作用;在實驗探究的過程中，鞏固實驗的觀察和描述技能;滲透催化劑在化學(xué)變化中“變與不變”的學(xué)科素養(yǎng)。

（2）通過對實驗現(xiàn)象嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?，得出科學(xué)的實驗結(jié)論;在嘗試評價和改進(jìn)的過程中，初識實驗探究中的定量分析，培養(yǎng)科學(xué)的實驗思維和方法，形成一定的批判意識。

三、實驗教學(xué)設(shè)計

根據(jù)人教版初中化學(xué)教材中有關(guān)“過氧化氫制氧氣中二氧化錳的作用”的主要內(nèi)容，設(shè)計教學(xué)流程（如表1）：

四、實驗教學(xué)的改進(jìn)與思考

1.生活化教具實現(xiàn)一物多用

教材中的實驗是在試管中進(jìn)行的，首先，在實驗過程中由于二氧化錳是黑色粉末，在過氧化氫溶液中形成了黑色懸濁液，不便于觀察氣泡的產(chǎn)生;其次，試管中產(chǎn)生的氧氣不能定量測量其體積，所以學(xué)生不能通過該實驗了解催化劑的特點;由于不能定量，無法比較不同催化劑的催化效果（如圖3）。改用注射器進(jìn)行實驗，從取材的角度看，注射器價格便宜、易操作、氣密性好，可以通過活塞的移動來觀察氣泡的產(chǎn)生;從用途的角度看，注射器實現(xiàn)了一物三用，既是量取裝置，也是反應(yīng)裝置，還充當(dāng)氣體的收集裝置;從思維角度看，注射器可以解決定量測量氧氣體積的問題，使實驗探究從定性研究走向定量研究。

2.定量化裝置形成探究模型

在人教版初中化學(xué)中，還有不少涉及反應(yīng)速率的實驗探究，尤其是在氣體的制取實驗中。如在“二氧化碳制備的研究”中，教材側(cè)重建立學(xué)生對實驗室制取氣體的一般步驟的認(rèn)識，重點探究了實驗裝置的選擇，并沒有關(guān)于反應(yīng)速率的探究。但是在后續(xù)學(xué)習(xí)酸、堿、鹽的時候，就出現(xiàn)了碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鈣分別與酸反應(yīng)，隨之可遷移到二氧化碳制備的原料選擇問題上，解決為何不用碳酸鈉或者碳酸氫鈉，而用石灰石來制備二氧化碳的問題，這是對實驗室制二氧化碳原料選擇探究的補充。

圖4是對教材中有關(guān)氣體制取內(nèi)容的分析整理。

再如，教材在制取氫氣上并沒有濃墨重彩的介紹，只是在介紹氫能源的時候順便提了氫氣的制取。一是由于在活潑金屬和酸的反應(yīng)中，將會學(xué)習(xí)到鋅和酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣;二是氣體制備的一般方法已經(jīng)在制備二氧化碳的時候研究過了，也適用于氫氣的制取，所以對于裝置的選擇無需再重復(fù)。但是，教材第九單元從金屬（鎂、鋅、鐵、銅）能否和酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的角度說明金屬的活動性順序，沒有提及金屬（鎂、鋅、鐵）與酸反應(yīng)的速率問題，因此學(xué)生并不知道為什么制氫氣要用金屬鋅，而不用鎂、鐵等，出現(xiàn)了知識銜接的斷層。在此教師只要稍加引導(dǎo)，通過控制變量的方法和本課中的實驗裝置就可以來探究金屬（鎂、鋅、鐵）與酸反應(yīng)的速率。如此，裝置的定量化改進(jìn)不是解決一個問題，而是解決了一類反應(yīng)速率的探究問題，在今后的學(xué)習(xí)中，遇到相似問題，學(xué)生還能利用該實驗裝置設(shè)計其他探究實驗，解決其他問題，給了學(xué)生很好的思維延伸。

3.可測性問題推動思維發(fā)展

問題是科學(xué)探究的起點，是思維的動力，設(shè)計有層次性、探究性、可測性的問題，能激發(fā)學(xué)生的深層次認(rèn)知。本節(jié)課第一個模塊要解決的問題是：實驗時能否用過氧化氫來制氧氣？這一個問題對于學(xué)生來講并沒有實際的可操作性，屬于過渡型問題。要把這樣的問題變得具有可測性，就要將其分解成具體可操作的若干個小問題，如怎么知道過氧化氫產(chǎn)生了氧氣？學(xué)生第一反應(yīng)就是觀察，那就立即實驗操作，通過實踐觀察，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的氣泡。于是有了第2個追

問：還有什么方法可以證明氧氣的產(chǎn)生？學(xué)生依據(jù)已學(xué)知識，很容易就想到用帶火星的木條檢驗，立即實驗操作，發(fā)現(xiàn)帶火星的木條不復(fù)燃，引發(fā)再次疑問：木條不復(fù)燃是否說明沒有氧氣生成？學(xué)生否定，因為情境資料中已經(jīng)說明了過氧化氫可以給魚塘增氧，說明過氧化氫是可以產(chǎn)生氧氣的，由此猜測可能是過氧化氫產(chǎn)生氧氣的速率太慢。接著引出問題：如何加快過氧化氫分解？將教學(xué)帶入到第二模塊，探究二氧化錳的作用。這種可測性問題的設(shè)置將學(xué)生的思維引導(dǎo)向深處，驅(qū)動學(xué)生運用化學(xué)學(xué)科思維方式和方法理解和表征問題，并且利用一定的證據(jù)不斷地對問題空間進(jìn)行搜索，更新狀態(tài)空間，形成最終的結(jié)論，實現(xiàn)問題的解決[3]，在問題解決過程中實現(xiàn)知識的結(jié)構(gòu)化與思維能力的提升。

4.探究型設(shè)計助力素養(yǎng)提升

實驗思維和方法是實驗素養(yǎng)的核心。實驗的思維需要學(xué)生在實驗過程中通過對實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)的歸納比較、抽象概括，得出結(jié)論規(guī)律，獲得實驗事實的本質(zhì)屬性的高階能力[4]。實驗方法是獲取實驗知識和技能的途徑與渠道，學(xué)生通過觀察實驗現(xiàn)象、記錄實驗數(shù)據(jù)、繪制實驗曲線等方法，逐漸形成解決化學(xué)實驗問題的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[5]。過氧化氫制氧氣中二氧化錳作用的探究實驗中涉及的操作較為簡單，這為實驗的探究設(shè)計留出空間。整個教學(xué)設(shè)計切合學(xué)生學(xué)情，變教材邏輯為教學(xué)邏輯，變知識邏輯為素養(yǎng)邏輯，按照“提出問題——猜想假設(shè)——實驗探究——證據(jù)推理——得出結(jié)論——反思評價”六個環(huán)節(jié)進(jìn)行，通過“反思評價”將教材中的探究性實驗進(jìn)行適當(dāng)補充和延伸，評價實驗方案的不足，進(jìn)而提出新問題，改進(jìn)裝置、設(shè)計新的探究實驗（如圖5），是一種開放式、循環(huán)式的教學(xué)模型，同時將教材中隱含的對實驗思維和方法的要求從注重觀察分析到滲透高階化學(xué)思維的創(chuàng)新設(shè)計轉(zhuǎn)變。

學(xué)生經(jīng)歷了以觀察分析為基礎(chǔ)的實驗后，反復(fù)投入到這種創(chuàng)造性活動中，在獲得實驗事實、資料、數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析、綜合、抽象、概括、判斷等思維活動，挖掘本質(zhì)聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律，感受到實驗探究的魅力，并潛移默化地將這種實驗探究意識帶到后面的學(xué)習(xí)中，經(jīng)過多次實踐和發(fā)展，最終實現(xiàn)實驗素養(yǎng)的全面提升。

五、小結(jié)

教師應(yīng)在整體上把握教材中的探究實驗，充分理解教材編排中顯現(xiàn)的學(xué)科特點，變教材邏輯為教學(xué)邏輯，變知識邏輯為素養(yǎng)邏輯，構(gòu)建較為科學(xué)的、具有代表性的思維模型，推動學(xué)生在化學(xué)實驗探究中形成一定的實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

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