劉生文 林 祥

(1.安徽省石臺中學;2.安徽省池州市第六中學)

化學實驗作為一項重要的教學實踐活動,在教學中的地位日益提高,不僅是化學課堂教學的重要途徑,也是學生認識化學、理解化學、應用化學的重要途徑,同樣也是培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)的重要載體。通過創(chuàng)設(shè)生動活潑的學習情境,激發(fā)學生學習化學的興趣,幫助學生理解和掌握化學知識和技能,引導學生學習科學方法,發(fā)展學生的科學探究與創(chuàng)新意識,培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與社會責任。引導學生積極參與科學探究的過程,更好地理解與掌握課本知識,親身體驗化學知識的發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新與學以致用的科學實踐活動,也能訓練學生的思維與創(chuàng)新能力。

鈉及其化合物來源于人教版普通高中教科書化學(2019版)必修第一冊。無機物的性質(zhì)與應用是化學學科的重要研究領(lǐng)域,也是具有培養(yǎng)價值的學習主題,是中學化學課程的重要組成部分。鈉是典型的金屬元素,將其編排在第二章第一節(jié),學生可以利用前一章所學知識,從物質(zhì)的分類、離子反應及氧化還原反應的角度,預測鈉及其化合物的化學性質(zhì)及反應產(chǎn)物,有助于引導學生從物質(zhì)分類的視角認識化學物質(zhì)及其變化,也為后續(xù)元素周期律的學習做鋪墊。

一、傳統(tǒng)教學過程

鈉與水的反應是學習鈉及其化合物性質(zhì)的重要組成部分,傳統(tǒng)課堂教學一般都是從物質(zhì)組成及氧化還原反應的角度預測鈉與水反應的生成物,再在敞口的燒杯中進行鈉與水反應的實驗,記錄現(xiàn)象、分析原因,最后將實驗結(jié)果與預測進行比較并得出結(jié)論。學生觀察實驗現(xiàn)象并總結(jié)以下結(jié)論:鈉浮在水面上,熔成銀白色的光亮小球;在水面上游動,并發(fā)出響聲;待鈉完全反應后,向溶液中滴入2滴酚酞,溶液變紅。學生對此作出解釋:鈉的密度比水小;鈉與水反應放熱,熔點很低;反應生成氣體,推動小球在水面游動;生成堿性物質(zhì)使酚酞變紅。

傳統(tǒng)的實驗教學往往是教師預先設(shè)計好實驗方案,學生則按照教師的思路去思考分析、動手操作。雖然也能根據(jù)實驗現(xiàn)象得出結(jié)論,但學生在學習過程中,沒有深入思考,只是被動地接受知識,學生的學習主體性很難體現(xiàn)出來。而這種與新課程理念相違背的“填鴨式” “灌輸式”的教學方式,對學生建立和發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)是不利的。

二、創(chuàng)新實驗教學

【教師】魔術(shù)實驗:在石棉網(wǎng)上放上一團脫脂棉,中間放一小塊鈉,滴幾滴水到脫脂棉上,能夠看到脫脂棉燃燒。(圖1、2)

圖1

圖2

【教師】任務1:分析魔術(shù)實驗背后的科學原理。

【學生】活動1:從燃燒條件分析需要滿足哪些條件才能使脫脂棉燃燒?同學們經(jīng)過討論,得出結(jié)論:鈉與水反應放出熱量,溫度達到棉花的著火點,使棉花燃燒。

任務2:棉花溫度升高,達到著火點而燃燒,能夠說明鈉一定與水發(fā)生了反應嗎?若是發(fā)生了反應,又是什么原因,產(chǎn)生了何種產(chǎn)物?

活動2:學生以小組為單位進行實驗,在盛水的燒杯中放入鈉,記錄實驗現(xiàn)象,并分析產(chǎn)生現(xiàn)象的原因,然后對鈉的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)進行歸納。

任務3:利用所學知識——質(zhì)量守恒定律和氧化還原反應規(guī)律,預測鈉與水反應的產(chǎn)物并設(shè)計實驗進行檢驗。

活動3:向反應后的溶液中滴加酚酞,溶液變紅,說明反應中生成了NaOH,產(chǎn)生的氣體可能為H2。教材中鈉與水反應的實驗方案簡單、易操作,但難以從鈉四處游動并伴有嘶嘶的響聲來判斷產(chǎn)物為氫氣,要想檢驗氣體產(chǎn)物,必須在密閉容器中收集生成的氣體。對此學生設(shè)計以下實驗裝置。(圖3、4、5)

圖3

圖4

圖5

圖6

第一種裝置是將在試劑瓶中反應生成的氣體,通過單孔橡膠塞連接的導管,在導管的末端點燃,對氣體進行檢驗。第二種是在肥皂水中通入反應生成的氣體,產(chǎn)生氣泡,然后點燃火柴靠近氣泡,聽到爆鳴聲,表示氫氣已在反應中產(chǎn)生。以上兩種裝置直接點燃氣體,容易發(fā)生爆炸,存在安全隱患。第三種是利用注射器作為反應容器,可同時達到儲氫、驗氫的目的。

教師利用常用的實驗儀器,在課堂上演示學生設(shè)計的實驗,學生對實驗現(xiàn)象進行觀察,從實驗原理、實驗操作、藥品使用、實驗安全性等方面進行評價,找出各種實驗方案的優(yōu)缺點,從而確定最終的實驗方案,并對實驗過程中出現(xiàn)的問題進行評價。

實驗操作:從煤油中取出鈉,切下一小塊,用濾紙吸干表面煤油,投入注射器中,排出注射器中的空氣,再吸入滴有酚酞的水,反應結(jié)束后,將注射器中的溶液排出,然后在針頭處點燃,由于注射器中氣體純度較高,可以看到氣體能夠燃燒。

設(shè)計意圖:學生迫切希望了解魔術(shù)成功的秘訣,積極思考并運用所學知識說明原因,通過魔術(shù)實驗的介紹,激發(fā)了學生學習的興趣,讓學生設(shè)計具有創(chuàng)新性的探究實驗方案,既有殊途同歸的實驗驗證,又有發(fā)散思維的分析,最后對探究結(jié)果進行科學分析,總結(jié)經(jīng)驗,發(fā)現(xiàn)不足,有利于提高學生的思維能力,培養(yǎng)學生的動手操作能力,有利于學生科學探究與創(chuàng)新意識學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

三、定量實驗探究

在上述實驗過程中,學生雖然檢驗出產(chǎn)物中有NaOH和H2,但也有學生提出疑問,會不會既生成了NaOH和H2,又生成了O2,這樣也符合質(zhì)量守恒定律和氧化還原反應規(guī)律。針對學生提出的疑問,教師引導學生設(shè)計定量實驗,或者利用數(shù)字化實驗進行改進創(chuàng)新,對產(chǎn)物氣體進行深入研究。

實驗儀器:溫度傳感器、溶氧傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦、針筒、三頸燒瓶、單孔橡膠塞、玻璃導管、蒸發(fā)皿、鑷子、濾紙、玻璃片、刀具。

實驗試劑:鈉、水、酚酞、肥皂水。

學生認真思考分析后設(shè)計實驗方案:用電子天平準確稱取一定質(zhì)量的鈉,放入注射器中,吸入10 mL水,充分反應后,將溶液全部排出,通過注射器刻度讀出產(chǎn)生的氣體體積,通過計算得出,參加反應的鈉與生成的氣體物質(zhì)的量之比為2∶1,根據(jù)化學方程式判斷,生成的氣體只有氫氣。

教師改進實驗:(1)按圖7組裝儀器,將溫度傳感器和溶氧傳感器連接數(shù)據(jù)采集器和計算機;(2)檢查裝置氣密性,在三頸燒瓶中加入蒸餾水,滴入2滴酚酞試液,切下一塊黃豆大小的鈉,用濾紙吸干表面煤油放入三頸燒瓶中;(3)點擊數(shù)據(jù)采集按鈕,觀察溫度的變化及含氧量的高低;(4)待蒸發(fā)皿中產(chǎn)生較多氣泡時,用點燃的火柴靠近氣泡;(5)待鈉完全反應后點擊結(jié)束按鈕。

圖7

實驗現(xiàn)象及解釋:(1)如圖8所示,反應過程中,溶液中氧氣的含量從7.5 mg/L降至6.9 mg/L,溶液的溫度從9.7℃升至12.0℃,說明鈉與水反應無氧氣生成,溶液溫度升高使得溶解的氧氣略微減少;(2)溶液變紅,說明生成堿性物質(zhì);(3)導管末端產(chǎn)生的氣泡,用燃著的火柴靠近,聽到輕微的爆鳴聲,說明產(chǎn)生的氣體是氫氣。

圖8

實驗評價:氧氣傳感器的應用,使溶液中含氧量的變化可視化、直觀化。利用溫度傳感器改善傳統(tǒng)實驗中放熱現(xiàn)象不易覺察的特點的同時,解決了學生是否有氧氣生成的疑問,給學生提供了一個全新的視角,增強了實驗的說服力,鍛煉了學生利用科學手段分析和解決問題的能力。將研究鈉和水的反應現(xiàn)象和產(chǎn)物檢驗一次性完成,讓學生對實驗現(xiàn)象全面的觀察分析,教學效果好,安全性高,增強了實驗的趣味性,給學生留下深刻的印象。

設(shè)計意圖:化學實驗不僅可以從定性角度進行探究,還可以從定量角度分析。定量實驗能讓實驗過程可視化,學生能更直觀地通過數(shù)據(jù)了解反應過程中的變化,對于學生定量分析及計算能力的提升具有非常重要的作用。通過數(shù)字化實驗等直觀教學手段,將化學原理具體化、形象化、直觀化,使學生的已有認識及認識障礙得以外顯,思維從而得到啟發(fā),完成了從感性認識到理性認識的跨躍。培養(yǎng)學生敢于質(zhì)疑、嚴謹求實的科學態(tài)度,發(fā)展科學態(tài)度與社會責任的學科核心素養(yǎng)。

四、教學評價

1.立足情境,激發(fā)學習動機:學生學習了前一章的理論知識后,認為化學是一門以記憶為主的學科,學習起來比較枯燥,而元素化合物知識章節(jié)的學習,是化學基本理論的具體應用,使學生感受到理論知識有了用武之地,更愿意學好化學,用好化學。

2.設(shè)置問題,引發(fā)深度思考:問題來自情境,學生在學習過程中遇到問題,想要解決問題,就要開動腦筋深入思考,從而加深了對知識的理解與應用。

3.回歸現(xiàn)實,落實核心素養(yǎng):書本知識來源于生活,學習知識是為了更好地服務生活。通過鈉的使用與保存等知識的學習,讓學生端正科學的學習態(tài)度,培養(yǎng)學生的社會責任感。