化學(xué)探究實驗與教學(xué)實際的有機結(jié)合

諸葛強 劉成坤

從近年來教學(xué)調(diào)研情況看，有些教師對探究實驗教學(xué)產(chǎn)生了倦怠情緒，進(jìn)行探究實驗教學(xué)的熱情漸漸冷淡了，一方面是有些教師認(rèn)為適合探究實驗的素材太貧乏，很難選題，另一方面是有些教師認(rèn)為探究實驗教學(xué)占用課時不說，既麻煩又沒有多少實用價值，對學(xué)生的學(xué)習(xí)尤其是考試成績作用不大。那么，怎樣才能引起教師的足夠重視呢？實踐證明，把探究實驗與教學(xué)實際有機結(jié)合起來，可使探究實驗在教學(xué)實際的良好環(huán)境中孕育產(chǎn)生并茁壯成長，進(jìn)而使探究實驗教學(xué)充滿旺盛的生命活力。

一、探究實驗與概念理論教學(xué)實際相結(jié)合

化學(xué)概念的建立和鞏固以及化學(xué)原理的應(yīng)用和熟習(xí)，在探究實驗中體現(xiàn)得淋漓盡致。

案例1 探究原電池電流強度的影響因素

學(xué)生在《化學(xué)》（選修4）《化學(xué)反應(yīng)原理》中學(xué)完原電池原理后，已初步具備了自行設(shè)計和改進(jìn)原電池的能力，該課題是基于以上前提繼續(xù)從定性研究提升到準(zhǔn)定量研究而設(shè)計和實施的。提供的儀器用品：教師預(yù)先準(zhǔn)備好的實驗?zāi)＞撸ㄒ妶D1，玻璃片大小各一片，提示：大的用作載玻片，小的用作壓板）、濾紙、金屬片（鋅、鐵、銅，規(guī)格1×4cm，各兩片）、碳棒、靈敏電流計、導(dǎo)線、硫酸銅溶液濃稀各一瓶（0.1mol·L-1、0.033 mol·L-1）、盛有稀高錳酸鉀溶液的滴瓶、盛有蒸餾水的洗瓶、小燒杯、玻璃棒、膠頭滴管（附標(biāo)簽）、鑷子、砂紙、直尺等。首先通過小組協(xié)作選擇合適儀器和藥品組裝一個微型原電池，測其電流并對所得數(shù)據(jù)及時記錄。然后交流，并匯報實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)小組間電流數(shù)據(jù)有差異（發(fā)現(xiàn)問題），教師適時提出問題：哪些因素可能影響電流大??？——探究原電池電流強度的影響因素（確定課題）。每個小組選擇一個或兩個研究方向進(jìn)行探究，例如：兩極材料、兩極間距、電解質(zhì)種類、電解質(zhì)溶液的濃度等等。并將實驗研究的方向、方案的設(shè)計、實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)和結(jié)論逐一匯報，全體學(xué)生討論評價并匯總結(jié)論，整個過程中教師注意觀察和調(diào)控，并適時評價和引導(dǎo)。

學(xué)生在不斷的“猜想假設(shè)→實驗→反思修正→再實驗”中綜合使用了變量控制、對比實驗等實驗思路和方法，大大提升了學(xué)生的綜合實驗素養(yǎng)，體會了科學(xué)探究實驗的一般過程和方法，學(xué)會了反思和評價，加深了學(xué)生對電池工作原理的認(rèn)識和應(yīng)用，有利于教學(xué)中重難點知識的再認(rèn)識和再升華，又適度從準(zhǔn)定量角度對影響電池效率的幾個因素進(jìn)行了簡要分析、驗證、評價和總結(jié)，為后續(xù)了解常見化學(xué)電源以及對電池優(yōu)劣的判斷和改進(jìn)埋下了伏筆，一舉多得。

探究實驗與概念理論的教學(xué)實際相結(jié)合的優(yōu)秀案例還有不少。例如可以在學(xué)完水溶液中的離子平衡之后再對離子反應(yīng)發(fā)生的條件進(jìn)行綜合的實驗探究；學(xué)完硝酸和硫酸之后可以進(jìn)行氧化性影響因素的探究，主要集中在濃度、溫度、酸堿性等角度；再如有關(guān)鹽橋或離子交換膜的電化學(xué)裝置的探究實驗等等。

二、探究實驗與元素化合物教學(xué)實際相結(jié)合

探索實驗與元素化合物性質(zhì)的教學(xué)相結(jié)合的案例選材非常廣泛。

案例2 過氧化鈉與水反應(yīng)實驗的再探究

過氧化鈉與水反應(yīng)是高一階段的一個重要實驗，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐f知延伸，對該反應(yīng)進(jìn)行再探究，一方面能夠鞏固學(xué)生對過氧化鈉性質(zhì)的掌握，另一方面還能加強他們變量控制、反思評價、尊重客觀事實的科學(xué)探究方法和素養(yǎng)。

課題的引入：先讓學(xué)生回顧并書寫過氧化鈉與水反應(yīng)的化學(xué)方程式。然后教師演示實驗，向盛有250mL水的大燒杯中加入約32g的過氧化鈉粉末，發(fā)現(xiàn)立即有大量的氣體生成并放出大量的熱。然后取少量溶液于試管中滴加2滴酚酞后溶液突然出現(xiàn)了紅色，但很快又消失了。

課題的確立：向Na2O2與水反應(yīng)的溶液中滴加酚酞后紅色褪去的原因。

學(xué)生分組討論紅色褪去的原因，并提出了如下猜想。猜想1：有可能是產(chǎn)物O2的氧化性使溶液褪色；猜想2：有可能是反應(yīng)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致溫度升高，使紅色褪去；猜想3：有可能是熱量和產(chǎn)物O2共同作用的結(jié)果。教師根據(jù)學(xué)生上述猜想，演示如下兩個實驗。

教師演示實驗1：從大燒杯中再取1～2mL反應(yīng)后的溶液于試管中，用水浸泡使其冷卻至室溫，再滴加酚酞并觀察。實驗發(fā)現(xiàn)仍然是先變紅后褪色。

教師演示實驗2：取約10mL 0.01mol·L-1

NaOH溶液中滴入4滴酚酞，溶液變紅，將其再分為四等份，其中一份只通入氧氣（事先準(zhǔn)備好用雙氧水和二氧化錳制備氧氣的裝置），第二份只加熱，第三份加熱后，再通入氧氣，第四份作參照。觀察到的實驗結(jié)果是均不褪色。

通過上述實驗，學(xué)生得出結(jié)論：褪色的原因與反應(yīng)放熱以及產(chǎn)物氧氣均無關(guān)。教師順勢引導(dǎo)：說明我們之前的猜想并不全面，反思一下還有沒有其他的可能原因呢？學(xué)生自發(fā)討論起來，提出猜想4：“Na2O2與水反應(yīng)可能產(chǎn)生了具有漂白性的其他物質(zhì)。”此時，教師適時點撥學(xué)生：你們知道哪些物質(zhì)具有漂白性？并讓他們結(jié)合物質(zhì)的元素組成預(yù)測出H2O2。

教師演示實驗3：向?qū)嶒?中的第四份溶液中滴加少量雙氧水，發(fā)現(xiàn)紅色褪去。結(jié)論：H2O2有漂白性，可使滴加酚酞變紅的氫氧化鈉溶液褪色。

Na2O2與水反應(yīng)后的溶液中究竟有沒有H2O2生成呢？學(xué)生分組討論并設(shè)計實驗方案。

學(xué)生實驗：從大燒杯中取出約3～5mL溶液于大試管中，將大試管放在試管架上，然后向其中加入半匙二氧化錳，立即發(fā)現(xiàn)有氣體產(chǎn)生，并將準(zhǔn)備好的帶火星的木條伸入到試管中央發(fā)現(xiàn)復(fù)燃。驗證了猜想4。

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理論分析，類比復(fù)分解反應(yīng)，嘗試著書寫出反應(yīng)Na2O2+2H2O=2NaOH+H2O2，認(rèn)識到過氧化鈉與水的反應(yīng)方程式：2Na2O2+2H2O =4NaOH+O2不夠完善，過程中同時還發(fā)生了反應(yīng)：Na2O2+2H2O=2NaOH+H2O2，過氧化鈉與水反應(yīng)放出的熱量使部分H2O2分解，有氧氣產(chǎn)生其實是兩步反應(yīng)的總結(jié)果，而部分未分解的H2O2具有漂白作用。

等到大試管中不再冒氣泡時，教師要求學(xué)生將大試管中的混合物倒入過濾器中過濾，并用小燒杯取濾液。然后讓學(xué)生思考已經(jīng)除去H2O2的濾液滴加酚酞后實驗現(xiàn)象又會如何？學(xué)生普遍認(rèn)為變紅之后不會再褪色，教師組織學(xué)生動手實驗：從小燒杯中取1～2mL濾液于試管中，滴加2滴酚酞，振蕩，觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)仍然先變紅后褪色，學(xué)生驚訝了，問題又出現(xiàn)了：這次褪色的原因又是什么？通過分析，學(xué)生把問題的焦點集中在產(chǎn)物NaOH及其濃度上了，此時教師再次引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論分析，計算出總反應(yīng)后的濾液中NaOH的濃度約為3.2mol·L-1，然后學(xué)生根據(jù)提供的藥品，設(shè)計并實施了對比實驗：各取1mL的0.01mol·L-1NaOH與3mol·L-1NaOH溶液，分別滴加2滴酚酞，振蕩，觀察，實驗發(fā)現(xiàn)3mol·L-1NaOH溶液滴加酚酞后先變紅又褪為無色，而0.01mol ·L-1NaOH溶液則變紅后一直不褪色。初步結(jié)論是酚酞在稀堿性溶液中才能穩(wěn)定地顯示紅色，而在濃堿性溶液中會先變紅后褪色，這個結(jié)論令學(xué)生吃驚不小。結(jié)合前面的實驗，學(xué)生最終認(rèn)識到：向Na2O2與水反應(yīng)的溶液中滴加酚酞，一是由于反應(yīng)分步進(jìn)行，過程中有H2O2產(chǎn)生，二是由于產(chǎn)物NaOH的濃度太大，最終使酚酞先變紅后褪色。

最后教師再讓學(xué)生反思探究過程中自己存在哪些優(yōu)點和不足，為今后科學(xué)探究的提高和完善增力發(fā)熱。

實際上，探究實驗與元素化合物性質(zhì)的教學(xué)相結(jié)合的案例選材既可以從教材內(nèi)容中尋找，又可以從生產(chǎn)生活中尋找，還可以從高考熱點中尋找。例如：氯水成分及其性質(zhì)的探究、鋁鹽或鐵鹽的性質(zhì)及應(yīng)用探究、補鐵劑中鐵元素價態(tài)的確定及含量的測定、鐵及其化合物氧化性和還原性的探究、不同價態(tài)硫元素間的轉(zhuǎn)化、亞硝酸鹽的性質(zhì)探究等等。值得注意的是，這些案例在探究的內(nèi)容、深度、廣度方面往往具有階段性，望讀者注意挖掘它們在高中教材不同階段的教學(xué)功能。

三、探究實驗與化學(xué)實驗教學(xué)實際相結(jié)合

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，探究實驗與化學(xué)實驗的教學(xué)實際相結(jié)合的案例最為常見，其中對教材實驗的改進(jìn)或是進(jìn)一步深入探究的案例在實際教學(xué)中很受教師們的歡迎。

案例3 海帶中碘元素的分離及檢驗

海帶提碘的實驗涉及很多的實驗儀器和基本實驗操作，這些基本操作主要有：灼燒、溶解、過濾、萃取、分液、蒸餾等，幾乎涵蓋了整個中學(xué)化學(xué)中的基本操作。這也是人教版教材把它編排在必修2最后一章的一個重要原因。我們采用任務(wù)驅(qū)動式，對海帶提碘進(jìn)行了探究（需注意：灼燒時需用到乙醇，且氣味很大，因此教師事先準(zhǔn)備好海帶灰；另外，蒸餾碘的CCl4溶液太耗時且分離效果也不佳，一節(jié)課45分鐘進(jìn)行不完，學(xué)生也只需回顧這部分操作的儀器和操作要點即可）。

任務(wù)一：討論并總結(jié)完善教材中“從原料干海帶檢驗并獲取單質(zhì)碘”的實驗流程。（結(jié)果參見圖2）

任務(wù)二：已知海帶中碘元素的存在形式為：99.2%水溶性碘、10.3%有機碘、1.4%IO3-（注：這不是碘元素的百分含量）；經(jīng)灼燒灰化后，再將海帶灰用熱水充分浸取并過濾，濾液中碘元素的主要存在形式為I-。教材中特別強調(diào)海帶在灼燒之前不能用水沖洗，如果將海帶用水浸泡一段時間究竟會怎樣？請根據(jù)提供的試劑和幾小片干海帶，設(shè)計并實施實驗獲取實驗結(jié)果。

當(dāng)學(xué)生完成任務(wù)二后，認(rèn)識到用清水浸泡海帶后會損失大量碘，生活中長時間用水浸泡海帶是不明智的，更可貴的是學(xué)生認(rèn)識到教材中關(guān)于驗證海帶中存在碘元素的實驗太過于靠后，其實也可以優(yōu)化為將海帶用水浸泡后再實驗檢驗之。

任務(wù)三：為何不直接蒸餾碘水？利用“萃取→分液→蒸餾”對你有何啟發(fā)？

師生總結(jié)：1.能直接用于分離或提純的方法，往往是借助于某些物理性質(zhì)有明顯的差異；2.用其他物理方法將它們的物理性質(zhì)差異拉大，或用化學(xué)方法將它們轉(zhuǎn)化為物理性質(zhì)相差較大的物質(zhì)，相當(dāng)于降低了分離或提純的難度，從而間接方便地分離或提純；3.若有多種方法，則需選擇簡單、經(jīng)濟(jì)、易行、環(huán)保的。在總結(jié)之后，教師適當(dāng)拓展延伸，引出“用反萃法分離碘的四氯化碳溶液”（見圖3），優(yōu)化了前面圖2的實驗流程。

課堂的最后一個環(huán)節(jié)，提出任務(wù)四：除了反萃法外，你能想到更好的方法回收四氯化碳嗎？聯(lián)系活性炭的吸附色素以及沙石的凈水機理，請設(shè)計實驗方案。

任務(wù)四的目的是讓學(xué)生對實驗改進(jìn)提出其他更好的建議。最后教師展示圖4，然后將各小組獲得的碘的四氯化碳溶液用圖4中的裝置集中處理，回收四氯化碳。

隨后學(xué)生進(jìn)行探究討論、設(shè)計實驗、分組實驗、優(yōu)化實驗。過程中教師巡視、指導(dǎo)學(xué)生實驗，并及時糾正學(xué)生的錯誤操作，一節(jié)課學(xué)生既鍛煉了基本的實驗操作能力，又得出了從物質(zhì)中提取元素的一般思路：確定元素的存在形式→尋找轉(zhuǎn)化方案→確定實驗方案→優(yōu)化實驗方案→分組實驗→得出結(jié)論。

四、探究實驗與復(fù)習(xí)課的教學(xué)實際相結(jié)合

實踐證明，復(fù)習(xí)課中引入探究實驗，既鞏固了舊知，還能適當(dāng)將所學(xué)知識網(wǎng)絡(luò)化，側(cè)重于知識應(yīng)用和挖掘新知。這樣的案例實施起來往往事半功倍。

案例4 關(guān)于某些離子的檢驗探究

在高三復(fù)習(xí)離子反應(yīng)、離子共存和離子檢驗的時候，可以借用像人教版《高中化學(xué)（必修1）》教材第43頁第11題“現(xiàn)在有NaOH、Na2CO3和Ba（OH）2三種無色溶液，選用一種試劑把它們鑒別出來，并寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式和離子方程式”這一類的試題，我們可以把它設(shè)計成一個探究實驗。首先讓學(xué)生設(shè)計實驗方案，然后從中選擇快速簡便的方法，進(jìn)行實驗驗證。人教版這個題有點特殊性的是一旦碳酸鈉和氫氧化鋇中任何一種被鑒別出來后，另一種即可被鑒別。除了硫酸、硫酸鈉等試劑，更有意思的是一些學(xué)生的答案中出現(xiàn)了鋁鹽（其他學(xué)生則由此聯(lián)想到鐵鹽、銅鹽等），而針對氯化鋁、硫酸鋁或明礬等是否可行時產(chǎn)生了討論的小高潮，一方面是用量或滴加順序的討論，另一方面涉及了雙水解反應(yīng)現(xiàn)象（鋁離子與碳酸根離子）的討論。教師結(jié)合學(xué)生的課堂表現(xiàn)，課后進(jìn)行了及時反思：如果把這個題的限制條件“一種試劑”去掉，那么學(xué)生的探究舞臺將變得更為廣闊和有趣。

不難發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀的探究實驗課題以及教學(xué)的設(shè)計實例，都是緊密聯(lián)系了教學(xué)實際，適時提出值得探究的課題，讓學(xué)生運用已學(xué)知識和相關(guān)信息，結(jié)合探究實驗自主解決問題。高中化學(xué)探究實驗的素材相當(dāng)豐富，它可以廣泛地生發(fā)于教材與實際教學(xué)體例中，但關(guān)鍵在于我們是否做到了認(rèn)真研究與發(fā)掘。實踐證明，教學(xué)中適時開展的探究實驗教學(xué)，課堂氣氛活躍，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性顯著提升，學(xué)生對化學(xué)知識的理解和應(yīng)用得到鞏固，教學(xué)效果顯著提高。特別是它還能持續(xù)地影響今后化學(xué)課堂的順利開展，極大地增強他們對化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣和熱愛，更會對學(xué)生今后的學(xué)習(xí)、成長和生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。何樂而不為呢？