基于“觀念建構”的初中化學實驗探究設計

郭海強

摘要：本文通過創(chuàng)設不同水平層次的、真實的認識性驅動問題和挑戰(zhàn)性認識任務的情境，彰顯知識的認識功能價值，設計了兩節(jié)基于培養(yǎng)學生高級思維和創(chuàng)新能力的實驗探究課，以調動學生的復習積極性，達到優(yōu)化復習教學的目的.努力培養(yǎng)并建構學生的實驗觀、定量觀、宏微結合觀等基本化學觀念.

關鍵詞：復習;實施建議;實驗探究;核心觀念

2011版義務教育化學課程標準（以下簡稱“新課標”）倡導科學探究的學習方式，密切結合化學與社會生活的聯(lián)系;積極開展科學探究活動，對于改變學生的學習方式和教師的教學方式，使學生在獲得化學知識和技能的同時，學習科學方法，體驗探究的樂趣，發(fā)展科學探究能力具有重要意義;引導學生認識物質世界的變化規(guī)律，形成化學的基本觀念[1].以觀念為本的實驗教學，就是尊重實驗、理解實驗、善用實驗、創(chuàng)新實驗，以科學思維為線索，真正實現物我互化的教學境界[2].因此，初中化學實驗探究復習教學應抓住初中化學課程中科學探究的本質和關鍵，根據學生的心理特點和具體的教學內容精心設計探究活動，有效地組織和實施探究教學，讓學生思考并交流，發(fā)展學生的科學探究能力，增進對科學探究的體驗，從而提升學生的科學素養(yǎng).

本著遵循連貫性（coherence＼focus＼rigor）、少而精（less is more，in—depth）、大觀念（big ideas and coreconcepts）的設計理念，讓學生充分感受和領悟化學學科的價值，依據新課標設計了兩節(jié)以實驗探究為核心、問題解決為驅動的復習實驗探究課：一節(jié)以一級主題“物質的化學變化”中的“活動與探究建議”為素材，設計實驗探究二氧化錳、硫酸銅溶液對過氧化氫分解反應的影響，一節(jié)以“實施建議”中的“山中之寶——石灰石”為素材，設計實驗測定石灰石樣品中碳酸鈣的質量分數.提高實驗探究復習質量和效率，使學生在親歷中感受到直接的、具體的、豐富的實驗體驗，并在體驗中產生情感，形成態(tài)度、觀念[3].

1用真實而有意義的情境將“裸露”的知識包裝起來基于真實而有意義的情境下的化學實驗教學，選擇和運用合適的教學方式和方法是影響化學實驗教學效果的重要因素之一，通過科學的分析，遷移應用有關學習成果，探索解決問題的途徑和方法，能夠幫助學生深化對基本概念和基本原理的理解，建立起化學的視角，樹立全新的價值觀發(fā)展觀和科學觀.

[“山中之寶——石灰石”課堂實錄（節(jié)選）]：

提出問題：如何通過實驗測定石灰石樣品中碳酸鈣的質量分數？

小組討論后，匯報結果：

（生）：可以通過高溫煅燒石灰石至質量不再改變?yōu)橹?

（生）：可以將一定質量的石灰石樣品和裝有足量稀鹽酸的試管放在燒杯中，先不讓兩者接觸，稱出總質量，再將試管中的稀鹽酸倒入燒杯中（試管也放在燒杯內），待其充分反應后，再次稱量燒杯的質量，損失的質量即為二氧化碳的質量.

（生）：可以將上述反應生成的二氧化碳氣體直接用裝有過量氫氧化鈉溶液的洗氣瓶吸收，分別稱得洗氣瓶在吸收前后的質量，兩者的差值即為二氧化碳的質量.

（師）：同學們討論出三套實驗方案，各小組再討論三套實驗方案中，哪套實驗方案更合理呢？是否已經達到了最優(yōu)化組合？

（生）：第一套實驗方案，條件需要高溫，對條件的要求比較高.第二套實驗方案比較簡潔，但該反應是放熱反應，二氧化碳中會含有HCl和水蒸氣，實驗可能會存在較大的誤差;第三套實驗方案中也存在HCl和水蒸氣的問題，二氧化碳氣體可能會殘留在實驗裝置內，實驗可能也會存在較大的誤差.所以，三套實驗方案都有一定的缺陷.

（師）：回答得很好.

設計意圖：通過學生自主設計的實驗方案并對方案進行討論、評價，激發(fā)了學生的認知沖突，引導學生學會用化學方法探究物質的組成，建構起對知識的理解與體會.得出檢驗并測定石灰石樣品中碳酸鈣的質量分數的思路和方法，而非通過大量的強化練習而得到，從而培養(yǎng)學生的思考能力、探究能力、創(chuàng)造能力.

（師）：既然石灰石的樣品與稀鹽酸反應生成的二氧化碳氣體中含有氯化氫和水蒸氣兩種雜質，那么如何設計實驗方案才能使實驗的結果更合理呢？

小組討論后，匯報結果：

（生）：根據以上的討論，第二套實驗方案也被排除，在第三套實驗方案中盛有氫氧化鈉溶液的洗氣瓶之前，增加去除氯化氫和水蒸氣的實驗裝置，并將裝置中殘留的二氧化碳氣體全部通入盛有氫氧化鈉溶液的洗氣瓶中，分別稱出洗氣瓶在吸收前后的質量，兩者的差值即為二氧化碳的質量，最后通過計算即可求得碳酸鈣的質量分數.

（師）：那么選用什么試劑除去兩種雜質呢？

（生）：可以選擇足量的飽和NaHCO3溶液吸收氯化氫氣體，用濃硫酸吸收水蒸氣，向裝置中通入大量不含有二氧化碳的氣體將殘留在裝置內的二氧化碳氣體排除，以被氫氧化鈉溶液吸收.

（師）：飽和的NaHCO3溶液吸收氯化氫氣體的原理是什么？

（生）：NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑，從而除去HCl氣體.

（師）：雖然除去了HCl氣體，但增加了CO2氣體的量，會使實驗的結果偏大，應該選用什么試劑呢？

（生）：應該選用AgNO3溶液去除氯化氫氣體.

（師）：很好，兩種藥品是否有順序的差異呢？

（生）：有，應先除去氯化氫氣體，再除去水蒸氣，最后將殘留在裝置內的CO2氣體排出，使之完全被氫氧化鈉溶液吸收.

（師）：其實，不僅反應后殘留在裝置內的CO2會產生誤差，反應前裝置內的空氣中的CO2也會對實驗的結果產生干擾，前者應被吸收，后者應除去，應該如何處理呢？

（生）：可以通入足量的N2或O2等不與相應藥品發(fā)生化學反應的氣體物質來完成前者被吸收，后者除去的操作.

（師）：很好，其實空氣的主要成分是N2和O2，只要能將空氣中的CO2氣體除去即可，用什么試劑可以除去空氣中的CO2氣體呢？

生齊答：將空氣通過足量的氫氧化鈉溶液即可.

（師）：空氣需要通幾次？分別在什么時候通入？作用分別是什么？

（生）：兩次，第一次是反應之前，排出裝置中的空氣，第二次是反應結束后，將殘留在裝置內的CO2趕入裝有氫氧化鈉溶液的洗氣瓶中.同時，為防止空氣中的CO2和水蒸氣進入氫氧化鈉溶液的洗氣瓶中，影響實驗的結果，應在其后再加上裝有堿石灰的干燥管.

（師）：很好，于是我們就可以設計出如圖所示的裝置：

（師）：好的，下面請同學們按照我們所設計實驗方案，動手實驗并測定石灰石樣品中碳酸鈣的質量分數.

學生動手實驗，教師巡視并指導.學生實驗，通過列化學方程式計算得出碳酸鈣的質量分數.

設計意圖：用一條線索貫穿實驗教學活動始末，將碳酸鈣的性質、碳酸鹽的定性定量檢驗方法實驗誤差的分析方法以及化學與生活的聯(lián)系等巧妙融合其中.從內容講解到問題驅動再到活動展開、從舉例說明到理解解釋再到設計改進、從現象描述到本質分析再到變量干預，層層深入地引導學生去質疑、思考，教學節(jié)奏和梯度有利于不同學生的發(fā)展需要，使學生，不由自主地帶著問題追根尋源，主動進入探究角色.更深刻地了解石灰石樣品中碳酸鈣的含量的測定及其方法，逐步引導學生形成“依據性質確定檢驗方法、從定性到定量”的認知過程.

2發(fā)揮化學概念的認知發(fā)展功能，促進建構核心觀念

促進觀念建構的復習教學應該是由從知識解析到促進認識發(fā)展、從定義中心到基于認識轉變、從具體性知識傳授到觀念建構為本轉型的教學;是圍繞知識所代表的關鍵問題以及學生發(fā)展的障礙點設置學習任務，促使學生在解決問題任務的過程中經歷知識所代表的認識角度、認識程序和認識策略的學習的教學.對幫助學生理解概念原理的內涵、外延、應用等都是極有幫助的，不僅大大拓展了學生對其理解的深度和廣度，而且為學生提供了更多的實踐探索和研究的機會，無疑對提升學生的實踐操作能力和探究能力都是有較高價值的.

鑒于此將“過氧化氫分解的催化劑”實驗探究課設計了兩個探究環(huán)節(jié)：（1）探究二氧化錳在過氧化氫分解前后的質量和化學性質;（2）分析并探究硫酸銅溶液對過氧化氫分解催化作用的微觀實質.

[“過氧化氫分解的催化劑”課堂實錄（節(jié)選）]：

學生實驗活動：在電子天平上準確稱取1.00g的二氧化錳粉末，加入大試管中，用帶火星的木條放在試管口檢驗產生的氣體，待反應結束后，將試管中反應后的物質經反復沖洗過濾洗滌、干燥、稱重.

小組匯報結果：1.00g、0.96g、0.98g、1.00g、1.03……

（師）：出現偏差的幾組同學請結合操作的過程說明出現這種情況的原因.

（生）：少許固體殘留在試管內壁;未過濾完全;固體未干燥……

（師）：很好.如果我們的操作完全規(guī)范正確，則可以證明二氧化錳在化學反應前后的質量不變.我們知道催化劑具有“一變兩不變”的特點，那么下面請大家設計實驗證明二氧化錳在化學反應前后的化學性質不變.

（生）：很簡單，只要將剛剛得出的二氧化錳重新加入到過氧化氫溶液中，看其對過氧化氫的催化能力是否相同就可以了.

（師）：很好，下面請同學們開始實驗.

小組實驗并匯報結果.多數小組回答化學性質不變，突然有一小組的同學站起來回答：老師，我們感覺二氧化錳的催化能力減弱了，是不是二氧化錳在反應過程中的化學性質發(fā)生了變化呢？

（師）：很好，觀察的很仔細，其實催化劑大都參與了化學反應，并改變了化學反應速率.重復使用后的MnO2的催化能力（化學性質）往往會不斷降低，因為MnO2常存在、β、γ、δ等多種變體，各種變體的催化效能是不相同的，它們的活性排序為：—MnO2>γ—MnO2>δ—MnO2>β—MnO2，MnO2在多次催化后晶型可能轉化為δ—MnO2、β—MnO2，導致催化效能降低.為了保持MnO2的催化活性，可用熱的稀硫酸進行活化.所以，教學中死摳“一變二不變”確有不妥之處[4].

設計意圖：通過探究本源性認識問題，異?，F象的出現，激發(fā)了學生的認知沖突，促進學生對催化劑的偏差認識轉變，并獲得真實性和批判性的知識，使學生獲得積極的情感體驗5.有助于整體性促進學生認識能力、科學思維能力的發(fā)展.

（師）：硫酸銅溶液對過氧化氫也有催化作用，硫酸銅溶液中含有Cu2+、SO2-、H2O三種微粒，是哪種或哪幾種微粒對過氧化氫有催化作用呢？請同學們一起討論并進行探究.

小組討論并匯報：

（生）：我們認為取5%過氧化氫溶液5mL于三支試管中，分別向其中加入等體積的水、硫酸溶液、氯化銅溶液，立即伸入帶火星木條，看其是否復燃即可.

（生）：我們認為水不需要驗證，因為過氧化氫溶液中本身就有水，只需要分別驗證Cu2+、SO2-是否對過氧化氫起催化作用即可.取5%過氧化氫溶液5mL于二支試管中，分別向其中加入等體積的硫酸溶液、氯化銅溶液，立即伸入帶火星木條，看其是否復燃即可.

（生）：我們覺得他們的討論是不夠嚴密的，若要證明硫酸銅是過氧化氫分解的催化劑，還需要通過實驗確認它在反應前后的質量和化學性質是否發(fā)生改變.

（師）：很好，考慮得很周到.下面我們先通過實驗證明是哪種或哪幾種微粒對過氧化氫有催化作用，請各小組開始實驗.

學生很快通過實驗得出：Cu2+對過氧化氫分解具有催化作用.

設計意圖：適時地鼓勵學生產生觀點和問題，注意聆聽并尊重學生的觀點、問題和提出的證據，使教師與學生之間建立起了工作性關系，優(yōu)化了實驗復習教學的方式.對硫酸銅溶液對過氧化氫分解催化作用的微觀分析，有利于發(fā)展學生對催化劑概念的理解和問題解決，充分關注化學知識對學生認識角度的形成的作用，充分明確學生認識發(fā)展的進階（層級），用最合理的時間以最有意義的方式引導學生學習最有價值的內容，從真實的問題解決的需求中體現觀念建構的價值，注重了開放性與實效性相統(tǒng)一.

3加強實驗教學，實現從知識解析到促進認識發(fā)展化學課堂教學的轉型

現代社會是化學化的社會，現代社會的公民必須具備必要的化學知識、技能，需要具有較強的實驗意識，否則在面臨跟化學有關的問題時就難以作出正確的決策.實驗教學是實現三維目標的基本要求，強調以教材知識為基礎，注重對教材知識進行提煉演繹、發(fā)散、應用.兩個課例集氣體的制備、藥品的選擇、實驗方案的設計與評價、混合物分離、除雜、誤差分析、計算等初中化學核心知識、技能于一體，具有一定的思維容量，綜合性較強，有利于培養(yǎng)學生的實驗觀、定量觀、宏微結合觀等化學基本觀念，對于提升學生的化學學科能力和科學素養(yǎng)具有一定的價值.

加強實驗教學，應依據具體的教學目標、教學內容和學生的認知水平，有效組織和實施，學情分析須關注學生偏差認識、認知障礙和認識發(fā)展層級，靈活運用啟發(fā)式、探究式討論交流等各種教學方式，引導學生開展自主學習、探究學習和合作學習，精心設計和組織探究活動，促進學生科學素養(yǎng)的主動發(fā)展;處理好教師引導探究和學生自主探究之間的關系，所選用的教學方式應與學生具體的學習任務、學習活動和學習方式相適合，以保證教學方式運用的有效性將探究教學與創(chuàng)新能力培養(yǎng)通過高級思維能力建立起本質上的聯(lián)系，將科學探究教學與創(chuàng)新能力培養(yǎng)落到實處”，使實驗探究更富有成效.

加強實驗教學，充分發(fā)揮實驗的教學功能，有利于培養(yǎng)學生嚴謹的科學態(tài)度、創(chuàng)新精神和實踐能力;有利于學生認識方式的轉變（孤立、要素地——聯(lián)系、系統(tǒng)地;靜態(tài)、組成地——動態(tài)、變化地;定性地——定量地）;有利于學生形成了認識能力（描述和說明、分析和解釋、預測和證明、設計和調控）.有利于實現從低水平的探究式教學到高水平的探究式教學的轉變.追求如何在日常的核心知識教學中開展探究活動做到促進學生高級思維進而發(fā)展創(chuàng)新能力的，需要我們一線教師去重視并開展有關的研究.

參考文獻：

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[6]王祖浩，王磊.義務教育化學課程標準（2011年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2012.

[7]王磊基于培養(yǎng)學生高級思維和創(chuàng)新能力的化學探究教學發(fā)展趨勢[J].化學教育，2014（07）：5—9.