實驗創(chuàng)新的成果應(yīng)用于課堂教學(xué)的實踐與反思

許乃義

摘要：通過對“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測定”等幾則創(chuàng)新實驗案例的分析，從實驗創(chuàng)新理念及“生態(tài)化”、“定量化”、“習(xí)題化”等角度對實驗創(chuàng)新進(jìn)行反思。提出將實驗創(chuàng)新的成果應(yīng)用于課堂教學(xué)時，教師應(yīng)從培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)及訓(xùn)練學(xué)生化學(xué)實驗基本操作技能等目標(biāo)出發(fā)，牢固樹立“以學(xué)生發(fā)展為本”的實驗創(chuàng)新理念。

關(guān)鍵詞：化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)；實驗創(chuàng)新；氧氣體積分?jǐn)?shù)；課堂教學(xué)

文章編號：1005-6629（2018）1-0059-04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1問題的提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在“課程內(nèi)容”中對“認(rèn)識空氣”有如下活動與探究建議：通過實驗探究空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。現(xiàn)行滬科版和人教版教材均采用如圖1裝置實驗驗證“空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)”。

在教學(xué)實踐中，教師發(fā)現(xiàn)用圖l裝置進(jìn)行實驗時，存在如下幾點不足：（1）紅磷要在集氣瓶外先點燃，導(dǎo)致有少量五氧化二磷擴(kuò)散在空氣中污染空氣可能危害人體健康；（2）紅磷點燃后伸入集氣瓶的過程中，因為有部分集氣瓶內(nèi)的空氣向外擴(kuò)散，導(dǎo)致實驗結(jié)果不準(zhǔn)確；（3）導(dǎo)管內(nèi)原有空氣和殘留在導(dǎo)管中的水可能影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

基于上述不足之處，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)對該實驗可從以下三個方面作探究改進(jìn)：（1）使實驗結(jié)果更加準(zhǔn)確；（2）使實驗更加綠色化；（3）使實驗操作更加簡便、快捷。

本文擬結(jié)合“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測定”等幾則實驗改進(jìn)的典型案例的分析，談?wù)剬⒒瘜W(xué)實驗創(chuàng)新的成果應(yīng)用于課堂教學(xué)的一些思考和建議。

2典型案例分析

2.1用現(xiàn)代化的數(shù)字傳感技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)實驗

數(shù)字化實驗已悄然走進(jìn)中學(xué)化學(xué)課堂，在一次省級實驗創(chuàng)新調(diào)演比賽中，有近四分之一的實驗創(chuàng)新用到了數(shù)字化實驗，數(shù)字化實驗?zāi)芸焖?、?zhǔn)確、實時地采集數(shù)據(jù)，并能自動記錄和處理數(shù)據(jù)，這是傳統(tǒng)實驗所不具備的。

某次市級初中化學(xué)評優(yōu)課活動中，一位老師用數(shù)字傳感器代替圖1實驗，快速、準(zhǔn)確地測出空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，“節(jié)省”了寶貴的課堂教學(xué)時間。但這樣對圖1實驗的創(chuàng)新設(shè)計并沒有得到評委們的認(rèn)可，因為圖1實驗為驗證性實驗，通過實驗得出空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)僅是實驗?zāi)康闹唬硗?，還應(yīng)該讓學(xué)生領(lǐng)悟化學(xué)家們測定空氣中氧氣含量的實驗原理，通過對實驗誤差的分析，還能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒瀾B(tài)度等。用數(shù)字傳感技術(shù)直接告訴學(xué)生實驗結(jié)果，顯然不能達(dá)到這樣的教學(xué)目標(biāo)。

2.2可燃物的點燃方法

目前，對可燃物點燃方法的改進(jìn)主要有以下2種：

這兩種改進(jìn)優(yōu)點是：提高了測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，又可以避免五氧化二磷的擴(kuò)散，使得實驗更加綠色化。但圖2實驗很明顯受環(huán)境影響較大，如果是陰天或雨天，實驗就做不了；另外集氣瓶不是均勻受熱，實驗過程中集氣瓶還可能會爆裂。圖3實驗對電壓的控制等操作比較復(fù)雜，且讓電熱棒冷卻至室溫需要耗費一定的時間，課堂上的寶貴時間是否允許值得商榷。

2.3裝置

常見的對裝置的改進(jìn)設(shè)計如下：

改進(jìn)后裝置與圖1裝置相比，磷的燃燒自始至終都在密閉容器內(nèi)發(fā)生，克服了圖1實驗的不足，且將注射器、破裂的試管用于實驗，對學(xué)生做家庭小實驗的取材等是很好的啟發(fā)。但筆者通過實踐發(fā)現(xiàn)：圖4和圖5實驗由于注射器活塞與筒壁間摩擦力的作用，實驗結(jié)果往往偏小，改進(jìn)后三套裝置由于連接處較多，在保證氣密性良好的操作上遠(yuǎn)沒有圖1實驗簡單。

2.4用其他可燃物代替紅磷

這種改進(jìn)方法用銅和白磷代替紅磷最為常見。用銅代替紅磷的優(yōu)點是克服了五氧化二磷可能產(chǎn)生的危害。但筆者通過實踐發(fā)現(xiàn)：銅與氧氣的反應(yīng)消耗氧氣速度要比磷燃燒慢很多，從“向課堂45分鐘要效率”角度出發(fā)，顯然用紅磷比銅好。由于白磷著火點只有40℃，克服了圖1實驗在集氣瓶外點燃紅磷的缺點，但白磷有毒且易自燃，所以無論是取白磷的過程，還是對實驗結(jié)束后剩余白磷的處理等，遠(yuǎn)沒有紅磷簡單；另從學(xué)生角度出發(fā)，做圖1實驗時，學(xué)生剛接觸化學(xué)不久，用白磷做實驗，還可能引起學(xué)生對化學(xué)實驗的恐懼感。綜合以上各因素，這也許是圖1實驗選用紅磷作可燃物的原因。

3幾點思考

3.1牢固樹立以“以學(xué)生發(fā)展為本”的實驗創(chuàng)新理念

“讓學(xué)生有更多的機(jī)會主動體驗科學(xué)探究的過程，在知識的形成、相互聯(lián)系和應(yīng)用過程中養(yǎng)成科學(xué)的態(tài)度，學(xué)習(xí)科學(xué)方法，在‘做中學(xué)的探究實踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力”，是新課程倡導(dǎo)的基本理念之一?；瘜W(xué)實驗是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的重要方式，通過實驗課教學(xué)所掌握的化學(xué)實驗技能是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)和進(jìn)行探究活動的基礎(chǔ)和保證，也是學(xué)生獲取知識、發(fā)展化學(xué)能力的源泉。按照實驗?zāi)康?，可將實驗分為驗證性實驗、探究性實驗和應(yīng)用性實驗，不同類型的實驗，有不同的教學(xué)功能。對“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測定”這類驗證性實驗進(jìn)行實驗創(chuàng)新，教師應(yīng)牢固樹立“以學(xué)生發(fā)展為本”的實驗創(chuàng)新理念，發(fā)揮其最大教學(xué)功能。

3.2實驗創(chuàng)新要防止過度“生態(tài)化”

實驗創(chuàng)新的生態(tài)化是指在實驗創(chuàng)新過程中運用生活化素材優(yōu)化實驗，實現(xiàn)化學(xué)實驗的無害化、綠色化。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）將可能產(chǎn)生有害物質(zhì)的實驗由敞口體系改為封閉體系，如圖2等。（2）“集成化”處理實驗。如將圖1實驗燒杯中的水換成硫酸銅溶液，利用硫酸銅與五氧化二磷的反應(yīng)，實現(xiàn)五氧化二磷的“零排放”，還可以利用硫酸銅溶液的藍(lán)色更方便地讀取實驗數(shù)據(jù)。（3）“微量化”處理藥品用量。如圖5，和圖1相比，反應(yīng)容器變小了，藥品用量自然就少了。無論采取何種形式，其根本宗旨都是為燒杯A了實現(xiàn)“綠色化學(xué)”，減少環(huán)境污染，保護(hù)人體健康。

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求通過化學(xué)實驗，使學(xué)生“樹立綠色化學(xué)思想，形成環(huán)境保護(hù)的意識”。在實驗創(chuàng)新的過程中，教師對教材實驗進(jìn)行“生態(tài)化”改進(jìn)值得鼓勵，但這類實驗改進(jìn)應(yīng)把握好度。再如探究“微粒的運動”實驗，滬科版教材采用如圖7方法進(jìn)行實驗，部分教師對此實驗作了如圖8的實驗改進(jìn)。endprint

與圖7實驗相比，圖8實驗優(yōu)點如下：（1）試劑“微量化”處理，節(jié)約了藥品用量；（2）實驗由敞口體系改為封閉體系，避免氨氣污染環(huán)境。但圖8實驗的“可視化”程度明顯降低，另外改進(jìn)后實驗的安全性也不能完全保證。在某次市級實驗創(chuàng)新比賽中，有選手用圖8裝置進(jìn)行實驗，發(fā)生了橡皮塞沖出試管口的安全事故。筆者認(rèn)為，學(xué)生通過正確操作偶爾聞一下氨氣、氯化氫、氯氣等刺激性氣體的氣味也是必要的，由于學(xué)生聞過氯氣等氣體的氣味，當(dāng)遇到類似氣體泄漏事故時，便能第一時間判斷是何種氣體，對他們進(jìn)一步采取防范措施提供有益幫助。

3.3提倡定性實驗與定量實驗相結(jié)合的實驗新方法

定量實驗是化學(xué)實驗課程體系中的重要組成部分，它能有效地引導(dǎo)學(xué)生從量的角度認(rèn)識物質(zhì)的組成、性質(zhì)及其變化規(guī)律。初中化學(xué)實驗大多是定性實驗，定量實驗很少。對教材部分定性實驗作定量研究，對初中學(xué)生形成“認(rèn)識定量研究對化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重大作用”的觀念有很大的啟發(fā)作用。

如圖1實驗可補(bǔ)充以下兩個定量研究：（1）計算實驗所需紅磷的量；（2）測量實驗結(jié)束后集氣瓶內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)。

做圖1實驗時，為了說明集氣瓶內(nèi)的氧氣已被“完全消耗”，教師在實際操作時，取紅磷的量比實際需要的量要多很多，從節(jié)約藥品的角度，教師可作如下定量研究：根據(jù)集氣瓶的體積，通過化學(xué)方程式估算出大約需要的紅磷的量，再用托盤天平稱量。

對于圖1實驗，在條件允許的情況下，還可用數(shù)字傳感器測量實驗結(jié)束后集氣瓶內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)。通過測量讓學(xué)生明白：即使紅磷過量，也不能完全消耗集氣瓶內(nèi)的氧氣。這一定量研究有助于培養(yǎng)學(xué)生“變化觀念與平衡思想”這一化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.4慎用“實驗題”創(chuàng)新教材實驗

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在“教材編寫建議”中指出：教材編寫過程中必須充分體現(xiàn)實驗在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面的獨特作用。教材實驗是學(xué)科專家們根據(jù)“課標(biāo)”的要求，緊緊圍繞初中化學(xué)核心知識精心選擇的，能提供給學(xué)生感性認(rèn)識，增強(qiáng)知識的直觀性，為學(xué)生的科學(xué)探究提供直接或間接的證據(jù)?？紤]到初中生的實際，教材實驗裝置往往比較簡單，實驗所需儀器也是初中化學(xué)實驗室中比較常見且易于操作的。

在某次市級實驗創(chuàng)新比賽活動中，有選手用如圖9、圖10裝置對“驗證二氧化碳的性質(zhì)”實驗進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)（圖10中a、c為用紫色石蕊試液浸泡過的濾紙條，b為用紫色石蕊試液浸泡過的濾紙條且經(jīng)過晾干處理）。

通過選手邊演示邊介紹得知：他們對實驗改進(jìn)的“靈感”均來自于對一些“實驗題”的改編。這類“實驗題”往往是對教材實驗進(jìn)行“集成化”、“綜合化”的加工和處理，能全面考查學(xué)生對教材實驗的掌握情況，但如將這些實驗直接應(yīng)用于課堂教學(xué)，無疑脫離了實際，使原本簡單易操作的教材實驗變得比較復(fù)雜，且學(xué)生的注意力和思維的重心可能會被引到對實驗裝置的構(gòu)造及實驗原理的分析上，反而忽略了對實驗現(xiàn)象的觀察，這顯然違背實驗教學(xué)的初衷。

4結(jié)語

從培養(yǎng)學(xué)生“實驗探究與創(chuàng)新意識”這一學(xué)科核心素養(yǎng)角度出發(fā)，對教材實驗進(jìn)行“簡易化”、“生態(tài)化”、“可視化”、“數(shù)字化”、“趣味化”等實驗創(chuàng)新，化學(xué)實驗才會更加充滿活力，保持其在化學(xué)教學(xué)中的獨特魅力。在實驗創(chuàng)新過程中，教師應(yīng)處理好實驗教學(xué)與實驗創(chuàng)新的關(guān)系，如將實驗創(chuàng)新的成果應(yīng)用于課堂教學(xué)，則一定要牢固樹立“以學(xué)生發(fā)展為本”的實驗創(chuàng)新理念。endprint