化學(xué)教學(xué)中微型探究活動(dòng)的策略

高兆芬

(上饒師范學(xué)院,江西 上饒 334001)

美國(guó)實(shí)用主義教育家約翰?杜威(John Dewey,1859～1952)提出:科學(xué)教育不僅僅是要讓學(xué)生學(xué)習(xí)大量的知識(shí),更重要的是要學(xué)習(xí)科學(xué)研究的過(guò)程或方法。在教學(xué)過(guò)程中實(shí)施探究性教學(xué)就是要改變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)的方式,倡導(dǎo)學(xué)生在教師的啟發(fā)誘導(dǎo)下,通過(guò)獨(dú)立自主和合作討論等學(xué)習(xí)形式,在體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程中主動(dòng)獲取知識(shí),發(fā)展能力。這種教學(xué)形式的開(kāi)展既能培養(yǎng)學(xué)生的主體意識(shí),增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)結(jié)合作的精神,又能激發(fā)學(xué)生的探索精神與創(chuàng)新能力。

1 問(wèn)題的提出

任何一種教學(xué)形式都不是盡善盡美的,探究式教學(xué)也存在不足之處:①在實(shí)施探究式教學(xué)時(shí),時(shí)間難以控制,致使影響到教學(xué)進(jìn)度的情況。②探究式教學(xué)涉及的實(shí)驗(yàn)存在用量過(guò)多、操作較為繁瑣的局面。介于這些情況,筆者提出在化學(xué)教學(xué)中實(shí)施微型探究活動(dòng)策略。

2 微型探究活動(dòng)的內(nèi)涵

微型探究活動(dòng)是為了適應(yīng)當(dāng)今課堂教學(xué)的需要,在探究式教學(xué)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的一種教學(xué)活動(dòng),它從學(xué)生熟習(xí)的和已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)出發(fā),倡導(dǎo)“綠色化學(xué)”的理念,不僅提倡將探究實(shí)驗(yàn)微型化,而且也可將探究過(guò)程微型化,它靈活、多樣,不拘泥探究過(guò)程的完整性,只有這樣才能使實(shí)驗(yàn)易操作,活動(dòng)易開(kāi)展,教師易控制,從而使探究式教學(xué)活動(dòng)得以常態(tài)化。

3 微型探究活動(dòng)策略

化學(xué)探究活動(dòng)策略以提高學(xué)生科學(xué)探究的素養(yǎng),激發(fā)學(xué)生探索和創(chuàng)新的欲望,改進(jìn)學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀況為原則。教師要把探究教學(xué)活動(dòng)當(dāng)作是日常教學(xué)中的一個(gè)環(huán)節(jié)或者是某部分內(nèi)容的延伸,開(kāi)展探究教學(xué)活動(dòng)更應(yīng)以課堂教學(xué)的需要為目的而設(shè)計(jì),探究?jī)?nèi)容可從教材中、從生產(chǎn)和生活中挖掘探材料,把探究的內(nèi)容經(jīng)過(guò)細(xì)化,篩選成微型化課題,從而把探究教學(xué)活動(dòng)穿插在課堂教學(xué)之中。這樣就使得探究活動(dòng)不必刻意找一大塊時(shí)間單獨(dú)實(shí)施,提高了探究活動(dòng)的可操作性。

3.1 探究?jī)?nèi)容的微型化

中學(xué)化學(xué)教材中適合于探究活動(dòng)的內(nèi)容有很多,怎樣選擇既立足于教材,又不被教材所束縛;既立足于當(dāng)前所關(guān)注的一些社會(huì)問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題,又使設(shè)計(jì)的問(wèn)題符合基礎(chǔ)性、多樣性、層次性和開(kāi)放性;更重要的是所選擇的內(nèi)容具有一定的深廣度,體現(xiàn)科學(xué)探究的基本特征,又適用于課堂教學(xué),這就需要教師選擇的探究題目不能過(guò)于復(fù)雜,涉及的問(wèn)題不宜過(guò)多、過(guò)深,且在較短的時(shí)間內(nèi)能夠解決的問(wèn)題進(jìn)行探究式教學(xué)。

案例1-1 鋁與稀酸反應(yīng)的探究

高中化學(xué)1第三章金屬及其化合物中著重講到鋁的性質(zhì),在講到鋁的用途時(shí),提到不能用鋁制品來(lái)儲(chǔ)存腌制酸菜,學(xué)生不理解,于是我設(shè)計(jì)了“鋁與稀酸反應(yīng)的探究”:

由實(shí)驗(yàn)引出問(wèn)題:在分別盛有稀硫酸和稀鹽酸的試管中各放入一塊鋁片,片刻發(fā)現(xiàn)盛稀鹽酸的試管中出現(xiàn)大量的氣泡,而盛硫酸的試管中只有少量的氣泡,其原因何在?

引導(dǎo)學(xué)生分析引起這種現(xiàn)象的可能原因,并進(jìn)行分組討論提出猜想:

⑴酸的濃度不同會(huì)影響氣體的產(chǎn)生

⑵酸溶液中陰離子不同會(huì)影響氣體的產(chǎn)生

⑶鋁片表面是否打磨會(huì)影響氣體的產(chǎn)生

依據(jù)分析可能的原因引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出下列實(shí)驗(yàn)方案:

①將打磨干凈的同樣大小的鋁片同時(shí)分別放入裝有2mL1mol/L稀硫酸和2mL 1mol/L鹽酸六孔井穴板的1#和2#井穴中,觀察反應(yīng)現(xiàn)象。

②將打磨干凈的同樣大小的鋁片同時(shí)分別放入裝有2mL1mol/L稀硫酸和2mL 2mol/L鹽酸六孔井穴板的3#和4#井穴中,觀察反應(yīng)現(xiàn)象。

③將未打磨的同樣大小的鋁片同時(shí)分別放入裝有2mL1mol/L稀硫酸和2mL 2mol/L鹽酸六孔井穴板的5#和6#井穴中,觀察反應(yīng)現(xiàn)象。

④實(shí)驗(yàn)③中稀硫酸反應(yīng)的5#井穴中加入少量NaCl固體,用玻璃棒將攪拌待NaCl固體溶解后觀察現(xiàn)象。

通過(guò)三組學(xué)生實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論分析現(xiàn)象,并得出結(jié)論:

表1 鋁片在兩種酸中的反應(yīng)情況

由此得出結(jié)論:當(dāng)酸溶液中的氫離子濃度相同時(shí),未打磨的鋁片與稀硫酸反應(yīng)要比與稀鹽酸反應(yīng)要慢,其原因是因?yàn)辂}酸溶液中的氯離子也能破壞鋁片上的氧化膜,由此則可以解釋為什么不能用鋁制品來(lái)儲(chǔ)存用食鹽腌制酸菜的原因。

本實(shí)驗(yàn)探究的內(nèi)容并不復(fù)雜,操作也方便并且采用了微型實(shí)驗(yàn)儀器井穴板進(jìn)行實(shí)驗(yàn),為探究活動(dòng)節(jié)約了時(shí)間,整個(gè)過(guò)程在10～15min即可完成,這樣的探究?jī)?nèi)容能靈活地穿插在教學(xué)過(guò)程中,由于時(shí)間短而不會(huì)打亂整個(gè)教學(xué)秩序,同時(shí)將生活問(wèn)題設(shè)置成探究課題,讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)化學(xué)的的價(jià)值,增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

3.2 探究實(shí)驗(yàn)的微型化

目前學(xué)校教學(xué)基本組織形式是以班級(jí)授課制,教室比較小,班級(jí)人數(shù)又較多,如果讓全班學(xué)生都參與到探究實(shí)驗(yàn)中的話,不僅藥品消耗量大,而且有些實(shí)驗(yàn)用常規(guī)儀器實(shí)驗(yàn)也不利于在課堂教學(xué)中運(yùn)用。而如果采用微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究活動(dòng)則可以用少量的藥品來(lái)獲取最有效的實(shí)驗(yàn)信息,微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有操作簡(jiǎn)單、方便省時(shí)、污染少、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明顯、安全可靠等方面的優(yōu)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中扮演著重要的角色。學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)的過(guò)程中,利用微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究活動(dòng),一方面會(huì)不由自主的節(jié)約藥品,微型化的實(shí)驗(yàn)儀器在一定程度上限制了藥品的使用,也就培養(yǎng)了學(xué)生的節(jié)約意識(shí),另一方面微型化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用也便于教師在探究活動(dòng)時(shí)對(duì)學(xué)生的管理,適合在課堂教學(xué)中應(yīng)用。

案例2-1 銅與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)物的探究

問(wèn)題的提出:銅與稀硝酸反應(yīng)能產(chǎn)生NO,但由于NO是無(wú)色的氣體,且NO與O2非常容易反應(yīng)生成紅綜色的氣體NO2,因而在實(shí)際操作時(shí)很難觀察到NO的顏色,那么如何設(shè)計(jì)銅與稀硝酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn),證明反應(yīng)能生成NO呢?

由于這個(gè)探究課題是制備氣體的實(shí)驗(yàn),如果延用常規(guī)儀器做實(shí)驗(yàn)的話,由于儀器體積較大,在課堂教學(xué)中讓全班學(xué)生都參與實(shí)驗(yàn)很不太方便,而如果改用一些微型的儀器做這個(gè)實(shí)驗(yàn)探究的話,卻十分的靈巧方便。微型儀器設(shè)計(jì)精美巧妙,不僅趣味性強(qiáng),就像玩具,而且藥品用量少,操作方便,學(xué)生很有興趣。

主要儀器和藥品:一次性注射器(10mL),小U型管,玻璃管(Φ 5×100mm),青霉素瓶,用青霉素瓶改裝的酒精燈,小橡皮塞(4個(gè)),稀硝酸,NaOH溶液,粗細(xì)銅絲少許等。

設(shè)計(jì)思路:①要防止空氣與NO氣體接觸;②要在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)有NO生成,則必須證明NO與O2反應(yīng)生成紅棕色的NO2。

實(shí)際操作能力差是中學(xué)生普遍存在的弊病,造成的原因就是讓學(xué)生實(shí)際動(dòng)手的機(jī)會(huì)太少,利用微型實(shí)驗(yàn)可以給予學(xué)生充分自由發(fā)揮的空間,讓學(xué)生不斷實(shí)踐、不斷探索,使學(xué)生真正動(dòng)起來(lái),以達(dá)到人人動(dòng)手、個(gè)個(gè)參與實(shí)驗(yàn)的目的。根據(jù)以上提供的儀器藥品和設(shè)計(jì)思路,教師引導(dǎo)學(xué)生形成了三套方案。(如下圖)

圖1 三種方案實(shí)驗(yàn)裝置圖

方案①(如圖所示)此法用一個(gè)10mL的注射器做反應(yīng)容器,下端放一個(gè)青霉素瓶作為溶液的接收器,先將銅絲繞成環(huán)狀放入注射器,然后吸入約2～3mL熱的稀硝酸(物質(zhì)的量溶度大約為5mol/L),一會(huì)兒便看到銅絲表面上有大量的氣泡產(chǎn)生,溶液也逐漸變成藍(lán)色,注射器內(nèi)產(chǎn)生無(wú)色的氣體,由于氣體難溶于水,產(chǎn)生的壓力至使藍(lán)色的溶液從注射器下端流出,待溶液快排盡時(shí),拉動(dòng)活塞吸入空氣,可以觀察到氣體由無(wú)色變?yōu)榧t棕色。之后將紅棕色氣體推入裝有NaOH溶液青霉素瓶中除去,以免污染空氣,再次吸入熱稀硝酸可重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。[1]

方案②將銅絲固定在橡皮塞上,用另一個(gè)橡皮塞將玻璃管的一端塞緊,用滴管小心向玻璃管中加滿稀硝酸,向青霉素瓶中加入3～4mL熱的稀硝酸(物質(zhì)的量濃度與方案①相同),用帶銅絲的橡皮塞將玻璃管的另一端塞緊,迅速放入盛有熱稀硝酸的青霉素瓶?jī)?nèi),用銅絲將另一端的橡皮塞推掉。過(guò)一會(huì)兒可以看到玻璃管內(nèi)有無(wú)色的氣體產(chǎn)生,并將里面的稀硝酸溶液慢慢壓入青霉素瓶中,同時(shí),溶液逐漸變?yōu)樗{(lán)色[3]。當(dāng)玻璃管內(nèi)氣體快要充滿時(shí),撥掉帶銅絲的橡皮塞,可以看到氣體由無(wú)色變?yōu)榧t棕色后將塞子塞緊,過(guò)一會(huì)兒氣體顏色逐漸變淺(NO2被溶液吸收)。

方案③在一個(gè)小U型管中加入1/3高度的熱稀硝酸(物質(zhì)的量濃度與方案①相同),用橡皮塞塞好管口,右邊橡皮塞插有螺旋狀粗銅絲,向右邊傾斜排盡空氣,一會(huì)兒看見(jiàn)右端有氣泡產(chǎn)生;立正,看見(jiàn)右邊有管內(nèi)充滿無(wú)色的氣體(由液面差判定),朝左傾斜,右端氣體變?yōu)榧t棕色;再次立正,一會(huì)兒右端管中氣體顏色變淺(部分NO2氣體溶于水變成NO)[4]。

本實(shí)驗(yàn)利用微型化實(shí)驗(yàn)探究了銅與稀硝酸反應(yīng)產(chǎn)物,該實(shí)驗(yàn)三種設(shè)計(jì)均達(dá)到了預(yù)定的效果,實(shí)驗(yàn)試劑用量少、安全、成功率高、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯便于觀察。由于用微型化的儀器代替了常用儀器,不僅在操作上更加便利,利于探究活動(dòng)的開(kāi)展,而且實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以用多種實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施的目標(biāo),開(kāi)拓了學(xué)生的視野,值得在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中推廣。

實(shí)踐證明,微型化實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用在一定程度上解決了探究活動(dòng)難以操作、藥品用量過(guò)多且用時(shí)過(guò)多的一個(gè)難題,為實(shí)現(xiàn)探究活動(dòng)的微型化起了重要的作用。

3.3 探究過(guò)程的微型化

在新的教學(xué)理念下,科學(xué)探究是化學(xué)課堂教學(xué)活動(dòng)中特殊重要的組成部分,教師要在課堂教學(xué)中有效地進(jìn)行探究教學(xué)活動(dòng),不但要需要幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的實(shí)質(zhì),切實(shí)把握好探究活動(dòng)的內(nèi)容,將微型化實(shí)驗(yàn)引入探究活動(dòng),更要靈活設(shè)計(jì)探究的過(guò)程,將探究過(guò)程分段處理,使探究過(guò)程微型化,從而將一個(gè)探究課題分成若干個(gè)小課題在課堂上實(shí)施,進(jìn)而在不影響教學(xué)程序的基礎(chǔ)上有效地組織探究活動(dòng)。

案例3-1 乙醇分子結(jié)構(gòu)推斷的探究活動(dòng)設(shè)計(jì)

高中化學(xué)2第三章第三節(jié)在講完乙醇與鈉反應(yīng)之后,為幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)乙醇的分子結(jié)構(gòu),依此內(nèi)容為題材設(shè)計(jì)“乙醇分子結(jié)構(gòu)推斷”探究活動(dòng),圍繞著這個(gè)課題進(jìn)行的一系列設(shè)問(wèn)、猜想、假設(shè)、論證所消耗的時(shí)間較長(zhǎng),在課堂內(nèi)不能完成,所以可將其分段處理,這樣處理既不防礙學(xué)生體驗(yàn)探究過(guò)程,又可以向?qū)W生展示一種科學(xué)研究的途徑和思維的方式,有利于培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)的方法,同時(shí)也有利學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

問(wèn)題的提出:乙醇的分子式C2H6O其結(jié)構(gòu)可能有幾種?

提出猜想:在教師的引導(dǎo)下,讓學(xué)生用球、棍盡可能多地構(gòu)建分子模型(提醒學(xué)生注意:建分子模型要保證碳四價(jià)、氧二價(jià)、氫一價(jià)為前提)。收集并歸納學(xué)生組成的結(jié)構(gòu)模型只有下列兩種類型,如圖:

圖2 分子式C2H6O可能的兩種結(jié)構(gòu)

提出問(wèn)題:同學(xué)們已經(jīng)知道乙醇能與鈉反應(yīng)產(chǎn)生氫氣,那是否可以通過(guò)乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生氫氣來(lái)判斷乙醇的分子結(jié)構(gòu)是A式還是B式呢?

問(wèn)題討論,提出假設(shè):

假設(shè)①如果乙醇的結(jié)構(gòu)為A式,A式中C與H原子均以C-H鍵存在,與鈉反應(yīng)只能斷裂C-H,那么1mol乙醇與足量的鈉反應(yīng)最多能生成3mol的氫氣。

假設(shè)②如果乙醇的結(jié)構(gòu)為B式,B式中含5個(gè)C-H和1個(gè)O-H,與鈉反應(yīng)可以斷裂C-H或者O-H,若只斷裂一種鍵的話,則1mol乙醇與足量的鈉反應(yīng)最多能生成2.5mol或0.5mol氫氣。

假設(shè)③如果B式中C-H和O-H與鈉反應(yīng)均可以斷裂的話,1mol乙醇與足量的鈉反應(yīng)最多也能生成3mol的氫氣。

由上述分析得出結(jié)論:探究乙醇的分子結(jié)構(gòu),可以從測(cè)定一定量乙醇與足量的鈉反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的體積的定量關(guān)系中獲得,但探究的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確測(cè)定乙醇的用量與產(chǎn)生的氫氣體積的關(guān)系。

關(guān)于實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì),由于時(shí)間關(guān)系,我把它布置成家庭作業(yè),鼓勵(lì)學(xué)生在課后設(shè)計(jì)出方案,設(shè)計(jì)出一套既能準(zhǔn)確確定加入一定量的乙醇,又能準(zhǔn)確收集氫氣的裝置。裝置設(shè)計(jì)好后,利用課外活動(dòng)的時(shí)間教師選出幾個(gè)有代表的方案交于學(xué)生討論、補(bǔ)充,最終得出最佳方案。并用最佳方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證。

這樣安排,一方面從中體會(huì)到科學(xué)研究的基本方法,加深了對(duì)乙醇分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí),另一方面又將探究過(guò)程分段設(shè)置,將活動(dòng)過(guò)程微型化,進(jìn)而不影響整個(gè)課堂教學(xué),從而使科學(xué)探究活動(dòng)更加靈活、更有效。

案例3-2 Na2O2使酚酞先變紅后褪色的探究活動(dòng)設(shè)計(jì)

在講Na2O2與H2O反應(yīng)的性質(zhì)時(shí),向裝有Na2O2粉末的試管中加入水,立即有大量的氣泡放出,用“帶火星”的木條檢驗(yàn),木條復(fù)燃,證明產(chǎn)生的是O2;再向反應(yīng)后的溶液中加入酚酞試液,溶液變紅,但瞬間又消失了！針對(duì)這個(gè)異?，F(xiàn)象,我給學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了“Na2O2使酚酞先變紅后褪色的探究”的課題。

提出問(wèn)題:什么物質(zhì)使變紅的酚酞溶液又褪色?

引導(dǎo)學(xué)生提出假設(shè):

⑴產(chǎn)生的O2使溶液褪色

⑵可能是受生成NaOH濃度的影響

⑶Na2O2與H2O反應(yīng)后溶液中有H2O2,H2O2將其氧化而褪色

進(jìn)而設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案:

①向滴有酚酞的NaOH溶液中通入O2,觀察溶液是否褪色。

②在不同濃度的NaOH溶液中滴入酚酞,觀察現(xiàn)象。

③向滴有酚酞的NaOH溶液中加入H2O2,觀察現(xiàn)象

④在Na2O2與水反應(yīng)后溶液中加入少量的MnO2,用帶火星的木條伸入試管內(nèi)檢驗(yàn)

通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和討論分析,將其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果歸納如下:

表2 酚酞變色的原因

由此得出Na2O2使酚酞先變紅后褪色主要原因是由于反應(yīng)中有氧化性物質(zhì)H2O2生成,另一方面如果溶液中NaOH濃度大的話,也可使酚酞褪色。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)②這一反常情況,由于課堂時(shí)間的限制,我鼓勵(lì)學(xué)生在課外通過(guò)查找資料解釋為什么濃的堿溶液使酚酞先變紅后褪色,且堿的濃度越大,褪色越快的問(wèn)題。學(xué)生對(duì)此產(chǎn)生較濃厚興趣,他們積極行動(dòng)經(jīng)過(guò)多方查找資料,終于發(fā)現(xiàn)原來(lái)酚酞結(jié)構(gòu)是會(huì)變化的,在酸性溶液中以無(wú)色的內(nèi)酯式結(jié)構(gòu)存在,在堿性溶液中轉(zhuǎn)化為醌式而顯紅色,在濃堿溶液中又轉(zhuǎn)化為無(wú)色的羧酸鹽式。通過(guò)對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)中存在的異常問(wèn)題的探究,讓學(xué)生了解科學(xué)過(guò)程,領(lǐng)悟科學(xué)思想,培養(yǎng)了實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

對(duì)于在課堂上不能完全解決的探究問(wèn)題采用上述方式處理,使科學(xué)探究巧妙地熔合在課堂教學(xué)之中,這也是微型探究活動(dòng)策略所倡導(dǎo)的一種形式,它既達(dá)到了探究的目的,又不影響教學(xué)進(jìn)度,具有可操作性。

將探究活動(dòng)微型化還是一種新嘗試,這種活動(dòng)傳遞的理念就是:合理選擇探究課題,靈活地設(shè)計(jì)探究過(guò)程,將探究的內(nèi)容微型化,在探究活動(dòng)中引入微型化實(shí)驗(yàn),使科學(xué)探究活動(dòng)能夠更好地、更巧妙地穿插于課堂教學(xué)之中,讓學(xué)生更好地、更充分地體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程,從而逐步懂得科學(xué)探究的內(nèi)涵,掌握科學(xué)探究的基本方法。

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