張?chǎng)?/p>

廣東省中山市三角鎮(zhèn)教育和體育事務(wù)中心(528445)

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為傳授化學(xué)知識(shí)的重要途徑之一,在化學(xué)教學(xué)中的地位舉足輕重。在核心素養(yǎng)導(dǎo)向下,如何發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的育人功能,本文以人教版教材中的“空氣”第1課時(shí)“測(cè)定空氣中氧氣的含量”為例,通過化學(xué)史讓學(xué)生感受科學(xué)家們不斷探究的精神,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度;巧妙設(shè)計(jì)探究過程,讓學(xué)生經(jīng)歷、體驗(yàn)拉瓦錫經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的探究過程,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力;通過對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn),提高學(xué)生的環(huán)保意識(shí)、動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維能力。

1 教學(xué)背景

本節(jié)課選自人教版化學(xué)9年級(jí)上冊(cè)第2單元課題1“空氣”第1課時(shí)的內(nèi)容,通過“測(cè)定空氣中氧氣含量”實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作,培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力;通過領(lǐng)會(huì)該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)意圖,體會(huì)200多年前拉瓦錫研究空氣成分的實(shí)驗(yàn)思路?？諝庵醒鯕夂康臏y(cè)定是研究空氣成分的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)于認(rèn)識(shí)空氣的組成起著重要的作用,是學(xué)生建立定量研究思維、體驗(yàn)化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)過程的很好素材。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程框架設(shè)計(jì)

本節(jié)課通過化學(xué)史實(shí),以問題為導(dǎo)向,設(shè)置課前實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解紅磷燃燒消耗氧氣,且產(chǎn)物是固體,接著重點(diǎn)講解拉瓦錫實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理及操作要點(diǎn),及其作為課堂實(shí)驗(yàn)需改進(jìn)之處,仿照設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),建立與紅磷測(cè)定實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系,再針對(duì)存在的不足之處進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 課堂教材實(shí)驗(yàn)不足之處[1]

3.1.1 瓶身難以均分

集氣瓶瓶口與瓶體大小不一致,很難做到將水面上方空間均勻地五等分,引起測(cè)量的系統(tǒng)誤差。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)誤差較大

整個(gè)燃燒過程沒有始終在密閉裝置中完成,伸入紅磷過慢會(huì)有空氣受熱逸出;裝置氣密性不好;紅磷燃燒不能將容器里的氧氣耗盡等,以上任一情況的出現(xiàn)都可能導(dǎo)致達(dá)不到理想效果或?qū)嶒?yàn)失敗。

3.1.3 產(chǎn)物逸散有污染

紅磷燃燒產(chǎn)生的五氧化二磷會(huì)逸散到空氣中污染空氣,不利于師生健康。

3.1.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不清晰

紅磷燃燒后,待冷卻到室溫后再打開止水夾,水會(huì)倒流到集氣瓶的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,由于水透明無色,坐在后排的學(xué)生難以觀察到。

3.1.5 缺乏“等量替換”思想

學(xué)生對(duì)于集氣瓶中減少的氣體體積等于進(jìn)入集氣瓶中水的體積這一“等量替換”思想還不能很好地理解。

3.2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新改進(jìn)

3.2.1 瓶體上下均分

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置如圖2所示。

將集氣瓶換成了玻璃注射器,注射器針筒直徑上下一致,可以更好地進(jìn)行劃分。

圖2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置圖

3.2.2 減小實(shí)驗(yàn)誤差

為了使裝置氣密性更好,在玻璃注射器上方用強(qiáng)力玻璃膠接了一小段塑料管;同時(shí)注意不要將燃燒匙穿出膠塞。

3.2.3 防止空氣污染

為了防止五氧化二磷逸散到空氣中,改為容器內(nèi)部水溶點(diǎn)燃紅磷,但紅磷燃燒所需溫度高,改用著火點(diǎn)低的白磷代替,且白磷燃燒耗氧量更多。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯

將水改為紅墨水,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更清晰明了,學(xué)生也更容易觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境,提出問題

演示課前小實(shí)驗(yàn)(見圖3):將紅磷點(diǎn)燃,放入底部裝有少量水的集氣瓶,蓋上玻璃片,觀察到紅磷燃燒,火焰熄滅后再將紅磷提起至瓶口附近,觀察到紅磷又燃燒起來。

提出問題:我們?nèi)绾螠y(cè)量空氣中氧氣的含量呢?

圖3 課前小實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)意圖:通過課前小實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生知道紅磷燃燒消耗氧氣,得出空氣中存在氧氣,同時(shí)讓學(xué)生了解白煙即固態(tài)的五氧化二磷,可溶于水,會(huì)污染環(huán)境,為后面實(shí)驗(yàn)藥品的選擇打下鋪墊。創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境,提出問題,激發(fā)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)研究的熱情。

4.2 重溫史實(shí),理解原理

介紹科學(xué)家們認(rèn)識(shí)并探究空氣中各組分的過程,重點(diǎn)介紹拉瓦錫的曲頸甑實(shí)驗(yàn):用定量方法得出了空氣中氮?dú)夂脱鯕獾暮俊?/p>

提出問題:如果你是當(dāng)時(shí)的拉瓦錫,你會(huì)怎么測(cè)量空氣中氮?dú)夂脱鯕獾暮磕?重點(diǎn)講解拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)過程,提出問題:曲頸甑中的汞和汞槽中的汞分別起什么作用?為什么玻璃鐘罩內(nèi)的汞液面會(huì)上升呢?什么現(xiàn)象能說明氧氣約占空氣體積的1/5?

演示抽氣實(shí)驗(yàn)(見圖4):通過拉動(dòng)上面的注射器,可以看到水流進(jìn)下面的注射器,并且抽走多少空氣就吸入多少體積的水,即V氣體減少≈V進(jìn)入的水。

設(shè)計(jì)意圖:通過化學(xué)史讓學(xué)生了解科學(xué)家們不斷探索的過程,培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。對(duì)拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入剖析講解,讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)原理及過程,同時(shí)通過抽氣實(shí)驗(yàn)將無形的壓強(qiáng)差轉(zhuǎn)化為有形的流動(dòng)的液體,幫助學(xué)生建立定量研究意識(shí)。

圖4 抽氣實(shí)驗(yàn)

4.3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),模仿應(yīng)用

提出問題1:作為課堂實(shí)驗(yàn),拉瓦錫實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行什么改進(jìn)呢?分析得到拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的不足之處有:①用到的材料汞有毒,易揮發(fā)出汞蒸氣;②實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)12天;③實(shí)驗(yàn)裝置較復(fù)雜等,引導(dǎo)學(xué)生選擇合適的實(shí)驗(yàn)藥品,從學(xué)過的能與氧氣反應(yīng)的物質(zhì),如木炭、蠟燭、硫磺、紅磷等中選擇,因紅磷燃燒產(chǎn)物是五氧化二磷固體,不會(huì)對(duì)氣體體積測(cè)定造成較大影響,故選擇了紅磷。

仿照拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的原理及要點(diǎn),設(shè)計(jì)課堂實(shí)驗(yàn)(見圖5)。

設(shè)計(jì)意圖：在分析理解拉瓦錫實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，一步步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)課堂實(shí)驗(yàn)，建立拉瓦錫實(shí)驗(yàn)與用紅磷測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系，很好地突破了教學(xué)的難點(diǎn)，通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理能力和科學(xué)探究意識(shí)。

圖5 仿照設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程圖

提出問題2：在實(shí)驗(yàn)中，有時(shí)進(jìn)入水的體積大于瓶?jī)?nèi)空氣體積的1/5，可能是什么原因呢？那小于1/5又是什么原因呢？引導(dǎo)學(xué)生分析小于1/5的原因可能有：①紅磷量不足；②未冷卻至室溫就打開止水夾；③裝置氣密性不好；④沒有充分消耗氧氣等。大于1/5的原因可能有：①點(diǎn)燃紅磷后伸入過慢，紅磷燃燒放熱使瓶?jī)?nèi)氣體受熱膨脹逸出；②彈簧夾未夾緊等[2]。

提出問題3：實(shí)驗(yàn)中紅磷點(diǎn)燃的方式是什么？引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)于裝置外點(diǎn)燃紅磷產(chǎn)生的五氧化二磷會(huì)污染空氣，且伸入過慢會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)。

通過誤差分析，學(xué)生學(xué)會(huì)分析教材實(shí)驗(yàn)存在的不足之處，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)這些問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新改進(jìn)(見圖6)，如將紅磷(燃點(diǎn)為240 ℃)換成耗氧量更多的白磷(燃點(diǎn)為40 ℃)，并且在裝置內(nèi)部水浴加熱，防止五氧化二磷逸散污染空氣。

注意事項(xiàng):實(shí)驗(yàn)時(shí)取黃豆顆粒大小的白磷1粒,用濾紙吸干水分后,放進(jìn)燃燒匙。實(shí)驗(yàn)后,接觸過白磷的實(shí)驗(yàn)用品必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?在通風(fēng)櫥中,用酒精燈灼燒小刀和鑷子,燒掉吸水紙。若不小心接觸白磷,要立即用水沖洗接觸部位,然后用2%的CuSO4溶液(或2%的AgNO3溶液)輕抹,再用3%～5%的NaHCO3溶液濕敷,禁止用油脂性的燒傷藥膏[3]。

圖6 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)流程圖

設(shè)計(jì)意圖:通過問題引導(dǎo),學(xué)生思考教材實(shí)驗(yàn)存在誤差的原因,并針對(duì)這些問題進(jìn)行改進(jìn)。利用證據(jù)推理,學(xué)生逐漸養(yǎng)成自主思考和探究推斷能力,樹立綠色化學(xué)、科學(xué)環(huán)保的意識(shí)。

4.4 得出結(jié)論,總結(jié)提升

(1)通過實(shí)驗(yàn)得出空氣中氧氣約占空氣總體積的1/5,而剩下不支持燃燒的氣體被命名為氮?dú)狻?/p>

(2)介紹英國物理學(xué)家雷利發(fā)現(xiàn)從空氣中分離出來的氮?dú)饷可|(zhì)量與純氮存在差異,猜測(cè)從空氣中分離出來的氮?dú)庵羞€含有其他氣體。通過化學(xué)史介紹科學(xué)家們已用實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確測(cè)定了空氣各成分:空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)約為21%,氮?dú)饧s為78%,稀有氣體0.94%、二氧化碳0.03%、其他氣體和雜質(zhì)約0.03%。

(3)進(jìn)行小結(jié),得出:①定量測(cè)定混合氣體中某組分的思路;②空氣中氧氣測(cè)定的方法;③空氣的成分及各成分的含量。布置課后活動(dòng):①畫出白磷燃燒過程中時(shí)間-壓強(qiáng)變化的曲線圖;利用生活中的用品,進(jìn)行定量測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新改進(jìn)。

設(shè)計(jì)意圖:通過介紹空氣成分的發(fā)現(xiàn)史,學(xué)生學(xué)會(huì)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,讓學(xué)生畫曲線圖,用圖像進(jìn)行理解歸納,有利于引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握科學(xué)探究方法,不斷提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思

5.1 形成定量測(cè)定混合氣體中某組分的思路

本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)探究從定性分析到定量分析,實(shí)現(xiàn)了思維方式的提升,使學(xué)生認(rèn)識(shí)事物由模糊變得清晰,由抽象變得具體。在教學(xué)過程中學(xué)生學(xué)會(huì)了定量測(cè)定混合氣體中某組分的思路:通過消耗混合氣體中的某一組分,然后利用壓強(qiáng)差,用液體體積標(biāo)度氣體體積從而進(jìn)行測(cè)量。

5.2 通過仿照,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

通過仿照拉瓦錫實(shí)驗(yàn)及改進(jìn)紅磷測(cè)定實(shí)驗(yàn),利用上下均分的玻璃注射器、燃燒匙不插出橡膠塞、改用白磷內(nèi)部溫水點(diǎn)燃等,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果較準(zhǔn)確,在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新過程中培養(yǎng)了學(xué)生的探究意識(shí)和創(chuàng)新能力,同時(shí)通過生活中儀器的選擇激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

5.3 發(fā)揮史實(shí)育人功能

化學(xué)史貫穿整節(jié)課,仿照拉瓦錫定量測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn),學(xué)生感悟到科學(xué)發(fā)展中科學(xué)家是如何通過實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù),分析歸納最終得出結(jié)論的過程,不僅促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解,還能發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。