江蘇省如東縣馬塘初級中學(226401) 徐新峰

1 理清驗證實驗與探究實驗的教學區(qū)別

驗證實驗在實驗前已經(jīng)知道實驗結(jié)果，而且大多數(shù)驗證實驗都是前人做過的重要經(jīng)典的實驗，后人再按照原來的實驗過程重新做一遍，根據(jù)數(shù)據(jù)或現(xiàn)象驗證原有的結(jié)論，屬于驗證過程。以“空氣中氧氣含量的測定”為例，進行驗證教學時，先呈現(xiàn)教材中拉瓦錫實驗，得出氧氣約占空氣體積的1/5的結(jié)論，然后用紅磷作為實驗藥品，設(shè)計實驗并在相應(yīng)裝置中完成實驗，驗證結(jié)論的正確性。

探究實驗在實驗前并不知道實驗的結(jié)果，需要在進行實驗時收集記錄數(shù)據(jù)或觀察實驗現(xiàn)象，再對數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進行分析，最后得出結(jié)論，是一個不斷探索的過程。

驗證實驗與探究實驗是兩種不同的實驗形式，實驗?zāi)康牟灰粯?，教學的呈現(xiàn)過程也就不一樣。在實際教學中，教者可根據(jù)實驗屬性、學生實際認知等情況，對實驗內(nèi)容進行合理性分析，從而設(shè)計驗證實驗教學或探究實驗教學。

2 驗證實驗改為探究實驗的可行性分析

2.1 驗證實驗在教材中的定位分析

教材為了證明某一化學事實或結(jié)論，在相應(yīng)的位置設(shè)計某一驗證實驗，教師在課堂上引導學生利用實驗儀器和已具備的實驗技能完成對已知結(jié)論的驗證。人教版初中化學教材第2單元課題1“空氣”一節(jié)提出了空氣是由什么組成的問題，介紹了拉瓦錫研究氧氣約占空氣1/5的實驗裝置及原理，在學生已知曉結(jié)論的前提下，仿照該實驗原理，在實驗室中進行驗證實驗。此驗證實驗可以達到以下效果：①訓練學生的操作技能，如向燃燒匙中加固體藥品、裝置的連接、檢查氣密性、點燃或熄滅酒精燈等；②培養(yǎng)學生的觀察推理能力；③獲得一個反應(yīng)事實：磷與氧氣的反應(yīng)。只有理清驗證實驗在教材中的定位才能科學設(shè)計改為探究實驗后的教學定位。

2.2 學生已有認知基礎(chǔ)的分析

學生的已有認知基礎(chǔ)是教學時將驗證實驗改為探究實驗要考慮的前提因素。學生在學習氧氣含量測定實驗之前，已經(jīng)學習了物理學中的壓強知識，認識了常見的化學儀器，具備一定的實驗操作技能。另外，學生在第1單元已開展了“對蠟燭及其燃燒的探究”“對人體吸入的空氣和呼出的氣體的探究”兩個探究實驗學習。這樣，學生初步具備了探究“空氣中氧氣含量的測定”的認知基礎(chǔ)，可以將其改為第一個嚴格意義上的探究實驗、第一次定量化測量看不見的氣體的實驗[1]。

2.3 驗證實驗改為探究實驗的教學目的分析

一是引領(lǐng)學生經(jīng)歷探究歷程?；瘜W是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，創(chuàng)設(shè)以實驗為主的科學探究活動，有助于激發(fā)學生學習化學的興趣，引導學生在觀察、實驗和交流中習得知識。因此，教者在教學中要根據(jù)學情和教學需求去創(chuàng)設(shè)更多的機會引領(lǐng)學生主動地體驗科學探究的過程?；谶@樣的愿景，本探究實驗將始于“氧氣約占空氣體積的多少”這一未知問題，在積極的師生互動、生生活動中獲取最終結(jié)論，學生玩在其中、樂在其中、學在其中。學生在“做科學”的探究實踐中親身經(jīng)歷知識的形成過程。

二是引領(lǐng)學生進行深度學習。深度學習是指主動的、探究式的、理解性的學習，要求學習者主動建構(gòu)知識意義、將知識轉(zhuǎn)化為技能并遷移應(yīng)用到真實情景中去解決復(fù)雜問題，進而促進學習者元認知能力、問題解決能力、批判性思維、創(chuàng)造性思維等高階能力的發(fā)展[2]。在此驗證實驗中，學生容易走進誤區(qū)：即只要記住“氧氣約占空氣總體積的1/5”“實驗的現(xiàn)象及磷燃燒的文字表達式”就可以了。而深度學習就是要避免灌輸性的教學，將本實驗改為探究性實驗后，學生可利用學科特點在深刻體驗探究的曲折過程中豐富經(jīng)驗并自我建構(gòu)。

3 驗證實驗改為探究實驗的5個維度

3.1 追溯歷史，探究原理

反應(yīng)原理揭示反應(yīng)的本質(zhì)，屬于探究實驗中的理論層面設(shè)計，是探究的思維“靈魂”。原理的確立是選擇藥品的前提，也影響著反應(yīng)裝置的設(shè)計。筆者采用追溯化學史的方式探究出反應(yīng)原理，但不呈現(xiàn)拉瓦錫實驗的結(jié)論。

師：同學們，圖1是拉瓦錫當年的實驗裝置，用來探究氧氣約占空氣的體積含量。曲頸甑中裝著液態(tài)金屬汞，瓶頸通過汞槽與玻璃鐘罩上方的空氣相通，拉瓦錫用火爐晝夜不停地加熱曲頸甑中的水銀，請同學們觀看視頻(注：將視頻中的實驗結(jié)論刪除)。

圖1 拉瓦錫的實驗裝置

師：視頻中，你看到玻璃鐘罩里的水銀是如何運動的？

生：玻璃鐘罩里的水銀液面上升，汞槽里的液面下降。

師：請同學們說出其中的原理。

生：汞和內(nèi)部的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成固體氧化汞，導致玻璃鐘罩內(nèi)的氣壓減少，汞槽里的汞倒吸入鐘罩內(nèi)。

師：汞上升的體積與鐘罩內(nèi)空氣中的氧氣體積有什么關(guān)系？

生：相等。

借助視頻展示那一段探究史，在追溯歷史中理解拉瓦錫當年的設(shè)計，在對話交流互動中學生完成對反應(yīng)原理的感悟，實現(xiàn)難點的突破，即通過選擇藥品消耗空氣中的氧氣，借助壓強的變化，實現(xiàn)液體的流動，從而取代了空氣中氧氣所占體積的計算。

3.2 取舍有因，探究藥品

學生研究藥品的選擇時，往往是從已學過的或身邊所熟悉的化學物質(zhì)入手，并運用所知的相關(guān)性質(zhì)進行探討。從拉瓦錫的實驗中，學生能感悟到這里選擇的藥品必須能與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，如何選到實驗室中合適的藥品呢？筆者進行了如下教學。

師：同學們，汞適宜作為大家在實驗室里測定空氣中氧氣含量的藥品嗎？

生：汞有毒，不適合用于該實驗。

師：老師提供以下幾種物品(蠟燭、紅磷、鐵絲)，請大家參考課件信息資料(①紅磷在空氣中燃燒產(chǎn)生白煙固體；②鐵絲在空氣中不能燃燒，在潮濕的空氣中會緩慢地生銹)作出選擇。

生：蠟燭在空氣中燃燒生成二氧化碳氣體，因而不能使裝置壓強減少；鐵絲在空氣中不能燃燒，不能消耗氧氣，而在潮濕的空氣中反應(yīng)太慢，耗時太長，不適合用于實驗室實驗。因此，選擇紅磷。

生(補充)：因為紅磷燃燒消耗裝置內(nèi)的氧氣，且生成了固體，導致內(nèi)部氣壓減小，所以選紅磷。

藥品的探究若采用開放式，即完全“放手”讓學生“大海撈針”式選擇，教學的針對性和有效性較差，原因：①學生選擇的范圍不確定，無從下手，不宜小組內(nèi)有效討論；②學生學習初三化學時間不長，掌握的能與氧氣反應(yīng)的物質(zhì)有限?；谏鲜鲈?，筆者采用給定藥品供學生選擇，縮小了探究范圍，雖然藥品種類僅3種，但其代表性全面，學生的學習效率得到很大程度的提高。

3.3 自主搭建，探究裝置

在驗證實驗中，裝置由課本或教學課件直接呈現(xiàn)給學生，然后教師再花時間來介紹裝置，學生對裝置的思維是被動接受的，缺失組裝體驗的過程。裝置探究解決了在哪里反應(yīng)的問題，任務(wù)是選擇相關(guān)儀器并進行組裝，這有利于訓練和考查學生對儀器的空間想象力和連接能力。

師：拉瓦錫研究空氣成分所用的裝置顯然不適合大家在實驗室進行實驗，請大家根據(jù)反應(yīng)原理和反應(yīng)藥品(紅磷)來選擇常見儀器。

學生獨立思考后小組交流討論，教師參與討論。

生：水槽、導管、膠皮管、彈簧夾、集氣瓶、橡膠塞，但我們不知道紅磷放哪兒燃燒？

師：可放在燃燒匙中。

師：水槽可用容積小一些的燒杯來替代。

教師此時在電子白板上呈現(xiàn)學生選擇的儀器(見圖2)，學生小組合作交流后派代表在電子白板上拖動儀器搭建反應(yīng)裝置。

圖2 學生選擇的各種儀器

經(jīng)過小組間相互幫助，學生們最終確立了如圖3所示裝置。

圖3 反應(yīng)裝置

同時還有學生補充：紅磷要燃燒，還需要酒精燈點燃。

上述環(huán)節(jié)的探究采用開放式探究。教師完全放手，學生在已學過的儀器中尋找適合于此反應(yīng)原理的儀器，對于常見儀器的取舍，培養(yǎng)了學生自主設(shè)計能力。同時采用電子白板進行教學，便于即時展示和修改，體現(xiàn)了教學的互動性、生成性。

3.4 科學預(yù)判，探究步驟

實驗步驟即實驗方案，是進行實驗的“行動指南”，關(guān)系到實驗探究的結(jié)論準確與否，也是探究的重要環(huán)節(jié)。若采用教師開出 “藥方”，學生照“單”做的模式，學生在實驗過程中經(jīng)常“手忙腳亂”，問題常出在實驗步驟上，即學生缺少自主設(shè)計實驗步驟的思維過程。

教師先播放磷的燃燒視頻，可看到產(chǎn)生白煙，學生產(chǎn)生質(zhì)疑，如何解決白煙問題？

師：五氧化二磷溶于水，可被水吸收。

生：集氣瓶中要預(yù)先放些水。

師：同學們，那如何測倒吸的水的體積？

生：用倒吸后集氣瓶中水的總體積減去集氣瓶中預(yù)先放入的水的體積。

師：怎么知道倒吸的水的體積占瓶中空氣體積的含量呢？

生(舉手上講臺板書)：

師：請各小組整理出實驗步驟，寫在紙上，可以不按順序?qū)憽?/p>

教師巡視，參與小組交流，選出具有代表性的小組答案投影，整理如下：

①測量集氣瓶的體積和預(yù)先放入集氣瓶中水的體積；②檢查裝置的氣密性；③點燃燃燒匙中的紅磷，立即伸入集氣瓶中，塞緊橡膠塞；④紅磷燃燒熄滅后，打開彈簧夾；⑤用彈簧夾先夾緊膠皮管；⑥測量倒吸入集氣瓶中的水的體積。

教師組織學生對上述步驟中的問題進行修改，組織各學習小組進行討論交流并排序。

生：紅磷燃燒熄滅后，要等集氣瓶冷卻后才能打開彈簧夾，使氣壓減少的原因歸結(jié)為氧氣的消耗。

生：燃燒匙中紅磷的量要足量。

生：修改后，按②①⑤③④⑥的順序進行實驗操作。

上述實驗步驟的自主設(shè)計，給了學生想象的空間，是實踐操作的前期構(gòu)想，體現(xiàn)了學生對實驗的科學預(yù)判能力。這樣的設(shè)計打破了“照方抓藥”的實驗過程，實驗步驟在學生自主思考、生生交流、師生討論的環(huán)節(jié)中不斷走向完善。

3.5 偏差分析，探究原因

實驗過程因?qū)W生對步驟的理解和操作上的差異帶來探究結(jié)果的差異，因此，對結(jié)果的偏差反思也屬于探究的重要環(huán)節(jié)。

師：請兩位學生到講臺上合作完成本實驗的探究過程。

兩位學生走上講臺合作完成實驗，同時教師打開攝像，將兩位學生的合作演示即時傳輸?shù)狡聊簧?，供其他學生觀察與思考。當兩位學生操作上出現(xiàn)不規(guī)范或不順暢時，其他學生馬上提醒，同時記錄實驗過程中的數(shù)據(jù)：集氣瓶上方空氣的體積為450 mL，倒吸的水的體積為82.8 mL。

師：請同學們計算空氣中氧氣的體積含量是多少？

生：約18.4%。

生：拉瓦錫當年測得的結(jié)果是多少呢？

師：約1/5。

師：請大家分析為什么測得的體積分數(shù)比1/5少呢？

生：可能是剛才用的紅磷沒有足量。

生：可能是沒有等集氣瓶冷卻，就打開彈簧夾了。

兩位同學表示剛才實驗時已注意到了這兩個細節(jié)。

生：我們需要多次實驗。

師：好，同學們分析得有道理。那足量的紅磷真能將瓶內(nèi)的氧氣耗完嗎？

課件展示：查閱資料得知，當空氣中氧氣的體積分數(shù)降至約7%以下時，不再支持紅磷燃燒。

生：原來燃磷法測定氧氣含量受到氧氣濃度的制約，那有沒有另外耗氧比較徹底的藥品呢？

師：同學們，隨著化學學習的深入，咱們可以在這方面作系列的研究，運用數(shù)字化實驗作出進一步探索。現(xiàn)代科學實驗運用精密儀器測得，空氣中氧氣的體積分數(shù)約為21%。

上述教學環(huán)節(jié)中，對實驗結(jié)果的偏差分析，是學生對科學探究取得結(jié)果的反向思維，也是對探究結(jié)果的可信度和有效性判斷的思維活動。學生自主測得結(jié)果，自然就想到與拉瓦錫當年測得的結(jié)果進行比對，主動發(fā)現(xiàn)問題，自我剖析，便于再次實驗時調(diào)整優(yōu)化。

4 驗證實驗改為探究實驗后的教學反思

師生共做真實的探究，才有“探究味兒”。探的過程充滿著開放性和生成性，學生經(jīng)歷真實的科學探究，從未知逐步走向已知。教師將整個探究實驗分成5個環(huán)節(jié)具體展開教學，使探究教學有“著力點”。在追溯化學史中，開啟了探究之旅，尋找和發(fā)現(xiàn)適合在實驗室中進行探究的藥品；學生從拉瓦錫的裝置中獲得啟迪，并運用常見儀器并在電子白板上組裝成一套新裝置；而步驟的自主探究實現(xiàn)了自己即將怎么做的問題；最終學生在實驗結(jié)果的偏差探究中獲得逆向思維。探究式教學應(yīng)讓學生經(jīng)歷真實的科學，而要做到這一點，就不能是操作式、菜單式的探究，而應(yīng)該是提倡對化學事實進行解釋以及辯論式的探究[3]。

實踐表明，探究實驗教學耗時多，教師需要較高的教學組織能力，但對學生的學習效果和學習能力影響深遠。在實際教學中，教師可根據(jù)本校實際、學情、學科具體內(nèi)容以及自身的教情確立實驗教學方式，使實驗教學的效果最優(yōu)化。