基于“化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的三要素”改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

馮晴

摘要：基于“化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的三要素”，對(duì)“弱電解質(zhì)的電離”一課中課堂實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能。

關(guān)鍵詞：化學(xué)實(shí)驗(yàn)三要素；弱電解質(zhì)；電離；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；改進(jìn)

文章編號(hào)：1008-0546（2016）09-0082-03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.09.028

清華大學(xué)宋心琦教授明確提出了“化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的三要素”，即作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的物質(zhì)體系（用于探究化學(xué)變化過(guò)程，也可稱為化學(xué)體系）；適當(dāng)?shù)膬x器裝置和必要的安全措施；合理的實(shí)驗(yàn)步驟和規(guī)范的操作技術(shù)。他認(rèn)為，從學(xué)科教育的角度來(lái)評(píng)價(jià)，它們的地位是不等的，應(yīng)該依次遞減。在學(xué)習(xí)或研究化學(xué)時(shí)，選用什么化學(xué)體系是由學(xué)習(xí)或探究的目標(biāo)決定的；化學(xué)體系選定之后，使用什么樣的儀器裝置也就大致確定了；實(shí)驗(yàn)步驟決定于所選定的化學(xué)體系和儀器裝置，如何安全地、有序地完成實(shí)驗(yàn)，決定了實(shí)驗(yàn)者所應(yīng)具有的操作技術(shù)的規(guī)范程度。只有這樣來(lái)認(rèn)識(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，才能真正體現(xiàn)出為什么化學(xué)仍然是一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)和為什么學(xué)習(xí)化學(xué)一定離不開實(shí)驗(yàn)，也才能夠做到通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)（包括演示和教學(xué)實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)）學(xué)習(xí)化學(xué)并培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)作風(fēng)。不必諱言的是，現(xiàn)在的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)體系來(lái)自教材或教參，使得實(shí)施時(shí)往往把注意力放在第二、第三兩個(gè)方面，化學(xué)體系選擇反而成為次要甚至被忽略，于是除去通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣由顚?duì)某個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的印象外，學(xué)生受到的教育僅僅側(cè)重于對(duì)所用儀器裝置的認(rèn)識(shí)和基本操作訓(xùn)練過(guò)程中受到的科學(xué)作風(fēng)培育。[1]

教材或教參為什么要設(shè)計(jì)或選擇某一個(gè)實(shí)驗(yàn)，也就是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能與價(jià)值的問(wèn)題，也是教師思考得比較少又比較重要的問(wèn)題，教師普遍很難全面地闡述某個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能與價(jià)值。因此，以化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能為切入點(diǎn)，由“化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的三要素”入手，對(duì)教材或教參中的實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，就顯得尤為務(wù)實(shí)。下面就以“弱電解質(zhì)的電離”教學(xué)為例，闡述如何以“化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的三要素”為抓手，對(duì)“弱電解質(zhì)的電離”一課中現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，創(chuàng)設(shè)能激發(fā)學(xué)生高品質(zhì)思維的課堂。

一、學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)與學(xué)習(xí)要求

“弱電解質(zhì)的電離”編排在人教版高中化學(xué)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》[2]中的第三章第一節(jié)，是本章“水溶液中的離子平衡”知識(shí)的開篇。本章內(nèi)容實(shí)際上是應(yīng)用前一章所學(xué)化學(xué)平衡理論，探討水溶液中離子間的相互作用，在教學(xué)功能上，這一章起著延伸、拓展和鞏固前一章所學(xué)知識(shí)的作用。從具體知識(shí)結(jié)構(gòu)來(lái)看，化學(xué)平衡、電離平衡、溶解平衡是研究電解質(zhì)在溶液中發(fā)生各種變化的理論基礎(chǔ)，而電離理論又是聯(lián)系化學(xué)平衡與溶解平衡的紐帶。所以，該課程在教材中起到了承上啟下的作用，要求學(xué)生在已經(jīng)學(xué)過(guò)化學(xué)平衡理論并了解電解質(zhì)發(fā)生電離和發(fā)生離子反應(yīng)的條件等知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)的概念，了解弱電解質(zhì)的電離平衡，濃度、溫度等條件對(duì)電離平衡的影響以及電離平衡常數(shù)。

二、教材或教參中的原有實(shí)驗(yàn)

“弱電解質(zhì)的電離”是高中化學(xué)的重難點(diǎn)內(nèi)容。為幫助學(xué)生建構(gòu)其概念，教材中安排了如下實(shí)驗(yàn)：

分別試驗(yàn)等體積、等濃度的鹽酸、醋酸溶液與等量鎂條反應(yīng)；并測(cè)這兩種酸的pH。

教材的設(shè)計(jì)意圖為先由等體積、等濃度的鹽酸、醋酸溶液與等量鎂條反應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)象一快一慢，定性的判斷其為一強(qiáng)一弱，再通過(guò)測(cè)這兩種酸的pH，定量地界定強(qiáng)弱之分，從而引出強(qiáng)弱電解質(zhì)的定義。如此甚妙，可是本課程的重難點(diǎn)為弱電解質(zhì)的電離平衡，而教材對(duì)此并未安排實(shí)驗(yàn)探究弱電解質(zhì)的電離平衡及其影響因素。因此，需要教師二次開發(fā)教材，以“化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的三要素”為抓手，不脫離教材，對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)與創(chuàng)新，創(chuàng)設(shè)能激發(fā)學(xué)生高品質(zhì)思維的課堂。

三、有關(guān)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的設(shè)計(jì)

1. 豐富實(shí)驗(yàn)對(duì)象的物質(zhì)體系，增強(qiáng)原有實(shí)驗(yàn)功能，引領(lǐng)教學(xué)

通過(guò)改進(jìn)教材原有實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)對(duì)象的物質(zhì)體系加以豐富，增強(qiáng)原有實(shí)驗(yàn)功能，引領(lǐng)教學(xué)。引發(fā)學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)三重維度的思考，真正做到讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在探究中獲取知識(shí)，在分析中學(xué)會(huì)方法，在學(xué)習(xí)中解決問(wèn)題。

弱電解質(zhì)妙就妙在它的弱，若即若離，藕斷絲連。為了充分利用這種“天生注定”，在課程伊始，設(shè)計(jì)了學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，課堂將以此為發(fā)起點(diǎn)，以學(xué)生實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)思考為主線加以展開?？紤]到教材原有實(shí)驗(yàn)——測(cè)1 mol/L 鹽酸與醋酸的pH，在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，添加另外兩種不同濃度的鹽酸與醋酸，并再添加同濃度的未知酸。如此，不僅可以引出強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念，還能根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析探究影響弱電解質(zhì)電離的因素，更可比較弱電解質(zhì)的電離程度。

考慮到課程時(shí)間有限，將9種溶液根據(jù)不同的共性分為6個(gè)組別。同時(shí)將學(xué)生分為12組，每組三人，即每個(gè)組別的實(shí)驗(yàn)由兩組學(xué)生完成，每種溶液有四組學(xué)生同時(shí)測(cè)定，每位學(xué)生都完成一個(gè)溶液的pH的測(cè)定。最后，再利用多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果快速地匯集到教師處，由軟件對(duì)數(shù)據(jù)加以處理后轉(zhuǎn)化為氫離子濃度，快速地呈現(xiàn)給學(xué)生，便于后續(xù)課程的開展。如此，既可減小實(shí)驗(yàn)誤差，又可提升課堂效率，同時(shí)還讓每位同學(xué)都體驗(yàn)了數(shù)字pH計(jì)測(cè)定溶液pH的操作。

如此設(shè)計(jì)，在后面的課程展開中，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以三個(gè)層面的分析，由電解質(zhì)的強(qiáng)弱之分到強(qiáng)弱電解質(zhì)的特性的差異，直至同為弱電解質(zhì)的醋酸與未知酸的差異，抽絲撥繭地層層開展課程。無(wú)不謂之其妙也，以下就其妙處加以介紹。

其妙處之一：通過(guò)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，利用多媒體技術(shù)收集數(shù)據(jù)求均值減小誤差，共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每組學(xué)生在完成自己實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行初步思考，并在共享結(jié)果后，進(jìn)一步對(duì)照思考分析。引發(fā)學(xué)生進(jìn)行有層次、有容量、有深度的思維，提升思維品質(zhì)。

其妙處之二：比較三種等濃度的鹽酸與醋酸的pH，得出強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念，并同時(shí)利用所測(cè)的未知酸的pH，對(duì)概念進(jìn)行再次演繹，同時(shí)滲透物質(zhì)分類的方法。

[課堂實(shí)錄](méi)

[教師]我們首先來(lái)聚焦0.01mol/L的三種酸的氫離子濃度，你們能有什么發(fā)現(xiàn)嗎？

[學(xué)生]氫離子濃度與酸濃度相等，氫離子濃度小于酸濃度

[教師]等于意味著什么？小于意味著什么？

[學(xué)生]完全電離，部分電離

[教師]那么對(duì)這三種酸劃劃陣營(yíng)，該如何劃分呢？

[學(xué)生]鹽酸一類，醋酸和未知酸一類

[教師]其他的濃度是不是也是這種情況？

[學(xué)生]是的

其妙處之三：比較三種不同濃度的酸的pH，得出電離平衡存在移動(dòng)，從而引發(fā)學(xué)生思考是否存在其他影響電離平衡移動(dòng)的因素呢？如何驗(yàn)證呢？既解決了弱電解質(zhì)濃度的變化對(duì)電離平衡的影響，又為后續(xù)課程的展開進(jìn)行了鋪墊。

[課堂實(shí)錄](méi)

[教師]我們?cè)賮?lái)看一下剛才的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。大家能從中發(fā)現(xiàn)電離平衡的移動(dòng)嗎？

[學(xué)生]思考

[教師]我們先來(lái)看一下鹽酸的濃度和它電離產(chǎn)生的氫離子的濃度有什么特點(diǎn)？

[學(xué)生]都減小10倍

[副板書]

[教師]對(duì)比強(qiáng)酸，醋酸的濃度和它電離產(chǎn)生的氫離子濃度又有什么特點(diǎn)呢？

[學(xué)生]醋酸的濃度減小了10倍，可是醋酸中氫離子的濃度好像只有3倍左右

[副板書]

[教師]醋酸溶液體積擴(kuò)大10倍，氫離子濃度應(yīng)該就稀釋10倍咯，比如0.0013mol/L，稀釋10倍就應(yīng)該是0.00013mol/L咯。是什么原因?qū)е職潆x子濃度遠(yuǎn)比0.00013mol/L大呢？

[學(xué)生]產(chǎn)生更多氫離子

[教師]那么稀釋是促進(jìn)還是抑制電離的呢？

[學(xué)生]促進(jìn)

[教師]可見濃度是影響電離平衡的因素，那么我們換成改變?nèi)芤褐衅渌⒘５臐舛仁欠褚矔?huì)影響呢？

[學(xué)生]會(huì)

其妙處之四：比較等濃度的醋酸與未知酸的pH，學(xué)習(xí)弱酸的酸性相對(duì)強(qiáng)弱比較的實(shí)驗(yàn)方法，從而引入如何比較弱電解質(zhì)的電離程度，聯(lián)系之前剛學(xué)習(xí)過(guò)的化學(xué)平衡常數(shù)，學(xué)習(xí)電離平衡常數(shù)的書寫及其意義。

[課堂實(shí)錄](méi)

[教師]我們?cè)賮?lái)看剛才的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)控制溫度和濃度變量，在室溫下，同一濃度的醋酸與未知酸甲酸，誰(shuí)的酸性更強(qiáng)呢？

[學(xué)生]甲酸

[教師]有沒(méi)有什么辦法可以幫助我們不做實(shí)驗(yàn)，快速地去比較呢？

[學(xué)生]好像沒(méi)有……

[教師]在之前的學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電離平衡和化學(xué)平衡相似。還記得我們?cè)趯W(xué)習(xí)化學(xué)平衡的時(shí)候，學(xué)習(xí)過(guò)一種能表示化學(xué)反應(yīng)的程度的方法是什么嗎？且只受溫度影響的是什么？

[學(xué)生]化學(xué)平衡常數(shù)

[教師]電離平衡是否也有類似的常數(shù)呢？以醋酸為例，它該如何表達(dá)呢？

[學(xué)生]書寫醋酸的電離平衡常數(shù)

[教師]電離平衡常數(shù)越大，弱電解質(zhì)的電離程度也就越大。并且電離平衡常數(shù)只受溫度的影響。請(qǐng)大家看屏幕。請(qǐng)你再利用電離平衡常數(shù)比較25℃時(shí)醋酸和氫氟酸的酸性。

[學(xué)生]氫氟酸強(qiáng)于醋酸

2. 多方位改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)功能

作為一個(gè)定性實(shí)驗(yàn)，無(wú)論是鎂條還是大理石，都無(wú)法做到真正意義上的控制變量法，其實(shí)驗(yàn)的意義在于讓學(xué)生感知兩種酸的差異性。故本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的物質(zhì)體系，未改變實(shí)驗(yàn)?zāi)康模桓倪m當(dāng)?shù)膬x器裝置，將試管替換成燒杯，并墊黑色卡紙，便于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察；改進(jìn)合理的實(shí)驗(yàn)步驟，考慮到大理石與酸反應(yīng)速率較慢，將原本的一次觀察設(shè)計(jì)為學(xué)生兩次觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得到的結(jié)論不同。如此，可謂一舉四得：其一，實(shí)驗(yàn)引入，提高學(xué)習(xí)興趣；其二，揭示兩種酸的不同之處，引出進(jìn)而的定量實(shí)驗(yàn)；其三，作為課程結(jié)束時(shí)的反饋，運(yùn)用課堂知識(shí)對(duì)現(xiàn)象加以解釋；其四，運(yùn)用兩種酸與大理石的現(xiàn)象不同，辯證地看待強(qiáng)弱電解質(zhì)，引發(fā)深思。

一節(jié)賦有內(nèi)涵的化學(xué)課還應(yīng)如一杯濃茶，滋味淳厚，齒頰留香，回味甘醇。為了做到這一點(diǎn)，課上設(shè)計(jì)了一個(gè)可以貫徹始終的實(shí)驗(yàn)--大小形狀成分基本一致的兩塊大理石分別與等濃度等體積的鹽酸與醋酸反應(yīng)。在課程伊始，作為課堂引入，直截了當(dāng)，為何產(chǎn)生氣泡的速率不同？不同濃度下是否又會(huì)產(chǎn)生差異呢？就讓我們一起來(lái)研究不同種酸不同濃度下酸性強(qiáng)弱，引出課程。替代了教材原有的等體積、等濃度的鹽酸、醋酸溶液與等量鎂條反應(yīng)，效果基本一致。

四、反思與啟示

通過(guò)這節(jié)課的備課、研討、試講、比賽。筆者深刻感受到，作為一名化學(xué)教師，我們不只是化學(xué)知識(shí)的搬運(yùn)工，而更應(yīng)該在搬運(yùn)知識(shí)的同時(shí)，若能給學(xué)生一個(gè)瓢，弱水三千，學(xué)其方法，悟其內(nèi)涵。實(shí)驗(yàn)作為化學(xué)學(xué)科獨(dú)有的一道利器，更是因?yàn)槲逸吔處熕谩?huì)用、用好。在理解化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能的基礎(chǔ)上，從“化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的三要素”再次思考實(shí)驗(yàn)，從學(xué)生角度出發(fā)，改進(jìn)或設(shè)計(jì)出學(xué)生更易理解、更易操作、更易探究的實(shí)驗(yàn)，才能更好地服務(wù)于課堂，真正將課堂還給學(xué)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋心琦. 再談中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革（下）——在《化學(xué)教學(xué)》“中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)高級(jí)研修班”上的講話[J]. 化學(xué)教學(xué)，2013，（4）：3-5

[2] 宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)選修4[M].北京：人民教育出版社，2007：39-44