二次實驗法在化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

二次實驗法教學(xué)指的是教師針對學(xué)生在初次實驗中發(fā)現(xiàn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生進行重新設(shè)計和實施探索實驗的教學(xué)[1]。這是基礎(chǔ)教育課程改革的研究成果之一，對于鼓勵學(xué)生自主探究，敢于質(zhì)疑和挑戰(zhàn)權(quán)威，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和創(chuàng)造性精神具有極其重要的作用。

一、 二次實驗法教學(xué)的教學(xué)程序

從以上的教學(xué)程序可以看出，二次實驗法教學(xué)的核心是問題意識的形成與發(fā)展，強調(diào)將問題看成是學(xué)習(xí)的動力、起點與貫穿整個實驗教學(xué)的主線。教師要善于將教學(xué)內(nèi)容巧妙地轉(zhuǎn)化為問題情境，激發(fā)學(xué)生的求異思維和質(zhì)疑精神，引導(dǎo)學(xué)生將從初次實驗中發(fā)現(xiàn)及生成的問題作為第二次實驗探索的目標，大膽假設(shè)、積極創(chuàng)新、靈活設(shè)計程序，體驗創(chuàng)造與追求真理的科學(xué)研究過程。

二、 二次實驗法教學(xué)的案例分析

二次實驗不是傳統(tǒng)的驗證性實驗和探究性實驗的疊加，而是學(xué)生敢于將在認真觀察教材實驗現(xiàn)象時捕捉到的有疑問信息，以“為什么”、“怎么樣”的問題形式明確表達出來，引起已知與未知、理論與實踐、高層次與低層次之間的思維矛盾沖突，從而提煉出有價值的研究問題，作為第二次實驗探究的主題。二次實驗法是一種正在探索和發(fā)展中的教學(xué)方法，目前可供借鑒的模式、程序和案例還很少，還沒有引起教育理論界和中學(xué)一線教師廣泛的重視，本文以山東科技版高中化學(xué)課程標準實驗教科書《實驗化學(xué)（選修）》“從茶葉中提取咖啡因”一課為例，探討如何運用二次實驗法進行化學(xué)實驗教學(xué)，以期為推進二次實驗法在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用提供參考性的資料。

1.實驗課題分析

本實驗的教學(xué)目標是要求學(xué)生掌握從植物中提取和純化某些成分的一般方法，學(xué)會設(shè)計實驗方案并對方案合理性進行評價，提高合作意識和合作能力，養(yǎng)成務(wù)實、求真、嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度?！皬牟枞~中提取咖啡因”是具有重要產(chǎn)業(yè)化價值和實用性的實驗，其綜合活動體現(xiàn)在不僅要用溶劑萃取和升華分離實驗本體，而且對學(xué)生的設(shè)計及評價要求更高。以二次實驗法進行教學(xué)，既重視初次實驗基礎(chǔ)知識和操作技能的掌握，更注重愛護學(xué)生的懷疑精神，鼓勵其在尊重事實、堅持真理的前提下，展開想象，批判性地思考，力爭有新的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造。

2.實驗教學(xué)過程

（1）課前準備，明確任務(wù)

教師在實驗教學(xué)設(shè)計階段就要對各小組學(xué)生的知識水平、興趣趨向、性格差異、溝通能力與理解力等有較為全面的了解，預(yù)先布置學(xué)生查閱提取茶葉中有效成分的相關(guān)資料，搜集信息并學(xué)會篩選信息，了解學(xué)習(xí)目標及任務(wù)。對不同水平層次的學(xué)生教師可以提出不同的要求，較為優(yōu)秀的學(xué)生可以根據(jù)“資料在線”以及搜集整理的信息自行設(shè)計實驗方案，一般水平的學(xué)生只要求嘗試著對教材的四種方案進行評價。

（2）創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

教師以多媒體課件展示歷史悠久、蜚聲海內(nèi)外的安溪鐵觀音茶的生長、加工及應(yīng)用過程，激發(fā)學(xué)生熱愛家鄉(xiāng)的情感和自豪感。茶葉中含有多種成分，可做飲料或制作其他食品、藥品的原料。通過之前主題1與主題2的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了提取和分離物質(zhì)的一般方法，但不同的成分有不同的提取方式。教師提出一系列的問題：如何從茶葉中提取出咖啡因以應(yīng)用于食品和制藥行業(yè)呢？如果你是食品檢驗員，你會如何檢驗茶葉的品質(zhì)呢？從植物中提取物質(zhì)的一般思路是什么？是否也適用于咖啡因的提取呢？從真實的生活情境切入教學(xué)的主題，層層設(shè)疑，給學(xué)生心理造成一種懸而未決又必須解決的求知狀態(tài)，學(xué)生會感到興趣盎然，從而激發(fā)起強烈的學(xué)習(xí)愿望和思維的活躍性，并由此拉開了本課序幕。

（3）展示方案，交流評價

各小組成員之間共享學(xué)習(xí)資源，兼容并取，互相探討之后確定并展示設(shè)計的方案。教師引導(dǎo)學(xué)生圍繞著方案的可行性、操作的簡便性和過程的綠色化等方面，抓住實驗設(shè)計的關(guān)鍵點，通過對問題“去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里”的思維加工，做出判斷和推理，形成清晰的實驗設(shè)計脈絡(luò)與評價線索。學(xué)生對教材四種“設(shè)計實驗方案”進行了初步的分析與評價，認為方案A與B利用的是水溶劑浸提法，方案C與D設(shè)計思路的實質(zhì)是利用了咖啡因的升華法，這些實驗方案儀器設(shè)備簡單，方法步驟簡便易行，符合中學(xué)生能力基礎(chǔ)和中學(xué)實驗設(shè)備條件，但不一定就是最優(yōu)的實驗方案。

（4）初次實驗，發(fā)現(xiàn)問題

學(xué)生2～4人一組，按照該小組確定的實驗方案，分工合作進行操作、觀察、記錄實驗現(xiàn)象。例如，1～2個學(xué)生浸取、過濾，另外1～2個學(xué)生準備升華裝置，既充分利用了課堂時間，又發(fā)揚了互助合作精神。教師要加強巡視，盡量多了解各層次學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對學(xué)生在操作過程中出現(xiàn)的技術(shù)性錯誤要及時糾正并給予正確示范，培養(yǎng)學(xué)生良好的操作習(xí)慣。教師要善于根據(jù)學(xué)生原有能力水平和觀察到的具體情況，處理好“扶”與“放”的關(guān)系，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。對于那些自我效能感比較弱的學(xué)生要多鼓勵，要及時發(fā)現(xiàn)他們的閃光點，哪怕是極小的，也要給予肯定和表揚，讓學(xué)生體驗到成功的喜悅與樂趣，消除學(xué)生害怕失敗的心理障礙。對學(xué)生認為有疑惑但不明確的、或者是視而不見實則有疑問的現(xiàn)象，教師要及時把握時機，提供發(fā)現(xiàn)問題的線索，在“無疑”之處設(shè)疑，誘導(dǎo)學(xué)生舉一反三、融會貫通，發(fā)現(xiàn)并提出有研究價值的問題，為二次實驗的展開作好鋪墊。

經(jīng)各小組討論交流后歸納出以下幾點問題：①各小組得到的咖啡因晶體形態(tài)不一，顏色有的是白色，有的是淡棕色；②各小組咖啡因提取率有所不同；③以水為溶劑得到的浸提液濃縮之后顏色較深，黏稠，不易結(jié)晶；④錐形瓶內(nèi)有水氣生成，形成水霧或水滴，瓶內(nèi)壁有結(jié)晶體，不易收集；⑤如何快速檢測獲得的咖啡因純度？

（5）探求原因，設(shè)計方案

學(xué)源于思，思源于疑。當學(xué)生所觀察到的實驗現(xiàn)象與教材發(fā)生沖突時，學(xué)生已有的觀念、知識結(jié)構(gòu)受到挑戰(zhàn)，教師不僅要鼓勵學(xué)生運用化學(xué)語言具體、明確地表達出來，還要從學(xué)生認識特點和心理發(fā)展規(guī)律出發(fā)給予科學(xué)的學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)，為全面分析問題提供暗示性的線索，開啟智慧，使蘊藏于每個人身上的潛能與優(yōu)勢得到激揚與發(fā)展。各小組成員在鼓勵、支撐性的課堂氣氛里自由發(fā)表看法，在思維的碰撞中迸發(fā)出創(chuàng)造的火花。經(jīng)過獨立思考和小組激烈爭論，學(xué)生設(shè)計并篩選出較為合理的解決問題的方案，歸納總結(jié)如下：①可能是提取到的咖啡因含有單寧酸與色素等雜質(zhì)，建議先用水或其他低毒溶劑浸取，再用氯仿萃取咖啡因；或者可在濾液中加入堿性物質(zhì)如堿石灰、碳酸鈉等，然后再蒸干、焙炒、升華。②可能是樣品處理、提取時間和溫度控制不恰當，致使產(chǎn)品收率低；建議將茶葉盡量研細裝入縫好的紗布包里，或直接使用袋泡茶浸提；比較不同浸提時間的咖啡因得率；通過調(diào)節(jié)酒精燈焰加熱強度以達到對提取、濃縮、升華等不同階段溫度的控制。③植物浸提液較黏稠，用棉團過濾即可。④錐形瓶內(nèi)的水霧或水滴，可能是咖啡因粗品沒有完全干燥，建議升華之前先將溶液炒干。⑤采用教材方案4，直接升華法。

（6）自主探究，推導(dǎo)結(jié)論

第二次實驗探究的主題是建立在初次實驗的基礎(chǔ)上，學(xué)生已初步掌握了分離與純化茶葉中咖啡因的方法，獲得了較為深刻的感性認識，并在實踐過程中經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題→大膽質(zhì)疑→分析問題→提出解決方案的再認識、再創(chuàng)造的過程，因此實驗的可操作性強，成功率也會比較高，但要尋找假設(shè)與事實之間的關(guān)系，整個探究過程仍然會比初次實驗更加復(fù)雜、更具有動態(tài)生成性。教師對學(xué)生探究過程的控制與指導(dǎo)至關(guān)重要，既要鼓勵學(xué)生不迷信教材與教師的權(quán)威，勤于動腦，將自己的思維引向更深的層次，對實驗現(xiàn)象和結(jié)果多問幾個為什么；又要善于抓住良好的契機，為學(xué)生提供適當?shù)闹笇?dǎo)和幫助，形成一個生動活潑、主動、富有個性又注重集體智慧的探究氛圍。學(xué)生按照擬定的實驗方案，規(guī)范操作、細致觀察、認真記錄，全面分析與討論實驗結(jié)果，明確本實驗的關(guān)鍵點在于溶劑的選擇（水或者氯仿）、溫度的控制（提取、升華）、消除單寧酸的影響，得出以下結(jié)論：①以沸水為提取劑，再在濾液中加入碳酸鈣使之與單寧酸生成不溶性的鈣鹽，易于分離和提純咖啡因，而且提取液顏色較淡、稀薄透明。②咖啡因在氯仿中的溶解度沒有沸水大，且該溶劑有毒性，以沸水為提取劑并重結(jié)晶純化咖啡因，更易操作，更為安全，同時也大大縮短了提取時間。③提高提取率的具體方法包括：將固體物質(zhì)研細以增加溶劑浸溶面積；提取與濃縮階段用中等強度的火焰，避免因溫度太高導(dǎo)致產(chǎn)品損失；焙干過程要不停地攪拌、翻炒；升華階段要注意控制加熱溫度和升華時間，避免因溫度太高或加熱時間過長（超過15min）使其他物質(zhì)焦化、炭化造成產(chǎn)品不純和損失[2]。

（7）綜合評價，深化拓展

評價是二次實驗法教學(xué)必不可少的一環(huán)，需要建立起一種能夠激勵和促進學(xué)生在知識、技能、思維、心理、觀念態(tài)度和創(chuàng)新精神等方面協(xié)調(diào)發(fā)展的評價理念。教師在實驗總結(jié)階段要引導(dǎo)學(xué)生進行綜合評價和自我反思。教師的綜合評價注重以激勵和剖析問題為主，既使得學(xué)生不至于茫然失措，逐步構(gòu)建自己的元認知策略，又能夠引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己研究的不足，從他人身上反觀自我，以自我為尺度評判他人，培養(yǎng)積極的自我體驗與主動的自我調(diào)控能力，讓學(xué)生從評價中反思自我，提高綜合素質(zhì)。

二次實驗不是實驗的結(jié)束，而是另一個實驗的開始，學(xué)生在探究過程中發(fā)現(xiàn)一些感興趣但來不及或者中學(xué)實驗條件尚不具備，但很值得繼續(xù)探討的問題，可以進一步拓展延伸到課堂外，從定向探究轉(zhuǎn)向了自由探究，加強課內(nèi)和課外的聯(lián)系，使研究結(jié)果能經(jīng)受質(zhì)疑和檢驗。例如，如何以簡便易行的方法鑒定咖啡因？能不能設(shè)計出更加安全、高效、經(jīng)濟、環(huán)保的提取純化咖啡因的方案？等等。

教師要督促學(xué)生課后撰寫格式規(guī)范、術(shù)語精確、邏輯嚴密的實驗報告，要體現(xiàn)出對化學(xué)知識的準確理解，對實驗現(xiàn)象的正確判斷和對實驗數(shù)據(jù)的精確分析，學(xué)會積累研究成果，培養(yǎng)學(xué)生較強的成果意識，讓學(xué)生認識到撰寫科學(xué)研究報告是抽象概括能力的表現(xiàn)，是知識的凝煉和提升過程，是思維成果的外化。

二次實驗法教學(xué)不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生勇于質(zhì)疑、樂于探究的科學(xué)精神，而且可以鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，這與基礎(chǔ)教育課程改革的出發(fā)點是相契合的。在化學(xué)實驗教學(xué)中如何修正、完善與發(fā)展二次實驗法，這為加強化學(xué)實驗教學(xué)改革提出了新的研究課題。

參考文獻

[1] 陳曉清，蘇育才.二次實驗法教學(xué)的探索與實踐.生物學(xué)通報，2013（2）.

[2] 陳忠平，陳君華，黎少君，等.茶葉中提取咖啡因方法的改進.安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2005（1）.

（責(zé)任編輯 郭振玲）