基于翻轉(zhuǎn)課堂的化學(xué)實驗有效改進案例研究

李應(yīng)育

[摘要]以人教版化學(xué)九年級上冊“質(zhì)量守恒定律”的實驗教學(xué)為例，結(jié)合化學(xué)學(xué)科的特點，運用現(xiàn)代化教學(xué)方法與手段，結(jié)合課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的需要，將如何改進教材的演示實驗為問題導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生通過課前自主學(xué)習(xí)、課堂小組合作探究的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式有效改進化學(xué)實驗，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題并通過實驗探究解決問題的能力。

[關(guān)鍵詞]翻轉(zhuǎn)課堂;質(zhì)量守恒定律;化學(xué)實驗;有效改進

[中圖分類號]

G633. 8

[文獻標識碼] A

[文章編號] 1674-6058（2020）17-0076-03

一、教學(xué)背景分析

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)實驗是培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力的一個重要環(huán)節(jié)。著名的化學(xué)家戴安邦說過，化學(xué)實驗教學(xué)是實施全面化學(xué)教育的一種最有效的教學(xué)形式。

日前，教材中的化學(xué)實驗是以驗證性實驗為主。在實驗前，制訂好實驗方案，設(shè)計好詳細的操作步驟，準備好所需的實驗儀器、實驗藥品等，讓學(xué)生按要求完成實驗，在實驗中形成概念，或者驗證、理解所學(xué)的化學(xué)知識。這種化學(xué)實驗教學(xué)已經(jīng)不能適應(yīng)新時代的教學(xué)需求，要切實提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)實踐能力，發(fā)揮實驗在化學(xué)教學(xué)中的最大作用，還需要對現(xiàn)行的化學(xué)實驗教學(xué)進行的改進和創(chuàng)新。

下面以翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下的“質(zhì)量守恒定律”實驗教學(xué)為例，了解化學(xué)實驗的有效改進策略。

1.教材分析

“質(zhì)量守恒定律”是人教版化學(xué)九年級上冊第五單元的第一課題。在本課題前，教材已經(jīng)介紹了一些基本的實驗操作，同時也簡單滲透了部分物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的化學(xué)理論知識。

通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)有了初步認識，知道物質(zhì)經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)可以生成新的物質(zhì)，理解化學(xué)反應(yīng)的特征;對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)有了一定的認識，初步建立了微粒觀，知道化學(xué)反應(yīng)過程中原子是不發(fā)生變化的;但沒有把化學(xué)反應(yīng)與物質(zhì)的質(zhì)量變化聯(lián)系起來。質(zhì)量守恒定律的探究實驗是初中化學(xué)的第一個定量分析實驗，它揭示了化學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)物和生成物之間的質(zhì)量關(guān)系，是學(xué)好質(zhì)量守恒定律的直觀載體。

教材利用兩個化學(xué)實驗“探究紅磷在密閉容器中燃燒”“硫酸銅溶液與鐵釘反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系”，由反應(yīng)前后天平平衡引出質(zhì)量守恒定律的概念;另外還安排了兩個演示實驗“碳酸鈉與稀鹽酸的反應(yīng)”“鎂帶的燃燒”，展示了反應(yīng)前后質(zhì)量不相等導(dǎo)致天平失衡。由此提出問題：這兩個演示實驗中的化學(xué)反應(yīng)是否違反了質(zhì)量守恒定律呢？顯然，答案是否定的。但是在學(xué)習(xí)過程中，有不少學(xué)生因為沒有弄清楚天平失衡的原因而被實驗結(jié)果所迷惑，不管給出的數(shù)據(jù)是否是物質(zhì)質(zhì)量的總和，就以此來判斷是否符合質(zhì)量守恒定律，成為質(zhì)量守恒定律應(yīng)用中最容易出錯的地方。

2.教學(xué)設(shè)計思路

本課結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂展開教學(xué)，以解決常見難點、疑點問題，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的實際需要。課例的教學(xué)思路設(shè)計為：安排課前學(xué)習(xí)任務(wù)一課上以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生尋找解決問題的方案并實驗探究一展示實驗結(jié)果一練習(xí)鞏固及小結(jié)。其中的教學(xué)重點是：改進碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)的實驗設(shè)計，讓學(xué)生通過親身實驗，加強理解反應(yīng)前后質(zhì)量不相等的原因，有利于學(xué)生順利解決有關(guān)質(zhì)量守恒定律的疑難問題。

二、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下的教學(xué)重構(gòu)設(shè)計

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)流程具有結(jié)構(gòu)化特點，課前學(xué)習(xí)是以發(fā)展學(xué)生的低階思維為主，主要是針對基礎(chǔ)知識點的微課學(xué)習(xí)、一些基本任務(wù)和學(xué)習(xí)效果評測。而課堂教學(xué)和課外拓展則是以發(fā)展學(xué)生的高階思維為主，課堂活動主要是培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力以及分析評價的能力，從而提高學(xué)生的審辨性思維能力;課外拓展則以學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力為主要培養(yǎng)日標。

1.課前學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計

（1）課前學(xué)習(xí)微課視頻（時長6'33"）設(shè)計（見表1）

（2）課前導(dǎo)學(xué)案設(shè)計

課前導(dǎo)學(xué)案分為課本實驗探究的內(nèi)容梳理和基礎(chǔ)檢測題兩部分。內(nèi)容梳理主要為實驗探究過程的記錄及質(zhì)量守恒定律的簡單分析，引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度對質(zhì)量守恒定律進行思考?；A(chǔ)檢測題共有6道，目的是加強學(xué)生對質(zhì)量守恒定律基礎(chǔ)知識的鞏固，如計算反應(yīng)物或生成物的質(zhì)量以及反應(yīng)前后元素種類的簡單判斷，以此檢測學(xué)生課前學(xué)習(xí)的效果，以及發(fā)現(xiàn)學(xué)生在課前學(xué)習(xí)中存在的問題。

2.課堂教學(xué)設(shè)計

（1）設(shè)疑微課視頻（時長5'31"）設(shè)計（見表2）

（2）導(dǎo)學(xué)案設(shè)計

導(dǎo)學(xué)案設(shè)計分三部分，第一部分為演示實驗的實驗現(xiàn)象記錄，日的是突出實驗前后質(zhì)量不相等的結(jié)果，引起學(xué)生的認知沖突，激發(fā)學(xué)生的探究欲望;第二部分為提供改進實驗所需的儀器或生活中的替代品、藥品，要求學(xué)生設(shè)計實驗改進方案，并根據(jù)設(shè)計思路畫出簡易的實驗裝置圖;第三部分為能力提升訓(xùn)練，側(cè)重于質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用，如判斷反應(yīng)物或生成物的元素組成、構(gòu)建微觀粒子模型及確定反應(yīng)物或生成物的化學(xué)式等。

3.學(xué)習(xí)活動設(shè)計

環(huán)節(jié)一：銜接。展示學(xué)生的課前學(xué)習(xí)導(dǎo)學(xué)案，點評學(xué)生在課前學(xué)習(xí)中存在的問題。

環(huán)節(jié)二：設(shè)疑。觀看“質(zhì)量守恒定律（二）”微課，記錄相關(guān)實驗現(xiàn)象并提出問題：為什么反應(yīng)前后天平不平衡？讓學(xué)生思考：如何改進實驗才能令反應(yīng)后的天平平衡？

環(huán)節(jié)三：設(shè)計改進實驗并利用提供的器材、藥品進行實驗探究。

環(huán)節(jié)四：實驗改進成果展示、交流。

環(huán)節(jié)五：強化訓(xùn)練，歸納小結(jié)。

三、實驗改進方案設(shè)計及分析

1.學(xué)生的實驗改進方案

由于學(xué)生已在微課“質(zhì)量守恒定律（二）”的實驗歸納中了解到碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)前后質(zhì)量不相等，是因為在敞開的容器中反應(yīng)生成的C0²氣體逸散的緣故（如圖1）。要實現(xiàn)實驗日標令碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)前后天平仍然保持平衡，前提是反應(yīng)須在密閉容器中進行。經(jīng)過小組合作、討論，學(xué)生最終設(shè)計的實驗改進方案主要有以下三種（如圖2、圖3、圖4），基本符合教師的課前預(yù)設(shè)。

（1）方案一

如圖2所示，改用錐形瓶代替原來的燒杯作為反應(yīng)容器，碳酸鈉粉末直接放置在錐形瓶內(nèi)，稀鹽酸則是裝在小試管中并小心放入錐形瓶內(nèi)，用膠塞塞好錐形瓶。實驗前先稱量裝置質(zhì)量，然后將裝置傾斜使小試管內(nèi)的稀鹽酸流出并與碳酸鈉粉末接觸，反應(yīng)完畢后再將裝置放回托盤天平進行稱量。

（2）方案二

如圖3所示，在方案一的基礎(chǔ)上，在膠塞上打孔插入玻璃管，并在玻璃管的末端系上一個氣球。

（3）方案三

如圖4所示，用生活中常見的塑料汽水瓶代替燒杯作為反應(yīng)容器，碳酸鈉粉末直接加在塑料汽水瓶內(nèi)，稀鹽酸則是裝在小試管中并小心放入塑料汽水瓶內(nèi)，擰緊瓶蓋。實驗前先稱量裝置質(zhì)量，然后將裝置傾斜使小試管內(nèi)的稀鹽酸流出并與碳酸鈉粉末接觸，反應(yīng)完畢后再將裝置放回托盤天平進行稱量。

2.實驗改進的有效性分析

在六個實驗小組中，有兩個小組采用方案一，在成果展示時其中一個小組的發(fā)言人坦言由于膠塞塞得不夠緊，反應(yīng)后稱量時，膠塞突然沖出而導(dǎo)致實驗失敗，無法達到實驗改進的日的。

而另一個小組的發(fā)言人說他們小組也遇到相同的情況，但隨即重新設(shè)計得到方案三并順利完成實驗。在反應(yīng)前后的兩次稱量中，托盤天平保持平衡，成為唯一有效達到實驗改進日的的小組。

其他四個小組參考紅磷燃燒實驗，采用了方案二，反應(yīng)后稱量時發(fā)現(xiàn)天平指針不同程度地偏右。而氣球大小在稱量過程中基本保持不變，排除裝置漏氣的可能，從而推測可能是氣球膨脹而導(dǎo)致裝置受空氣的浮力作用進而影響了實驗結(jié)果，實驗改進無效。

四、教學(xué)反思

針對質(zhì)量守恒定律的疑難問題，在實驗改進的教學(xué)中，方案二不僅是多數(shù)實驗小組的選擇，同時也是教師預(yù)設(shè)的最理想的實驗改進方案。

學(xué)生之所以采用方案二，除了滿足密閉反應(yīng)容器的前提條件外，主要是受紅磷在密閉容器中燃燒的探究實驗的影響，即在容器上系氣球可以有效避免膠塞在實驗過程中因壓強增大而被沖出。但兩者間是存在差異的，紅磷燃燒后因反應(yīng)消耗容器中的氧氣，最后氣球是癟的，即反應(yīng)前后容器的總體積基本不變。而碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)后產(chǎn)生的二氧化碳氣體會令氣球膨脹，引發(fā)了浮力變化，直接影響了實驗結(jié)果，最終導(dǎo)致實驗改進失敗。

課前教師之所以將方案二作為預(yù)設(shè)的改進方向，更多的是受練習(xí)題或教輔資料中常常忽略空氣浮力的影響。這種想當然式的忽略令很多教師誤把方案二當作是最好的實驗改進方案，但從實驗結(jié)果來看，氣球膨脹的浮力影響在實驗過程中是不容忽略的。

方案三在教師的預(yù)設(shè)中只是作為備用方案，主要是希望學(xué)生通過用生活中的常用物品替代化學(xué)實驗儀器，實現(xiàn)多開展家庭小實驗的日標。但從實驗結(jié)果來看，這種“無心插柳”的備用方案卻是最好的。在學(xué)生展示該實驗改進后，教師讓學(xué)生輕輕擰開汽水瓶蓋，隨著瓶內(nèi)氣體的一絲絲泄漏，托盤天平的指針逐漸向右偏轉(zhuǎn)，直觀反映出了天平失衡的原因。

新課程理念下的化學(xué)教學(xué)呼喚實驗創(chuàng)新，而引導(dǎo)學(xué)生對實驗進行創(chuàng)新改進必須基于實驗的有效性。本課例凸顯了一個問題，即預(yù)設(shè)的實驗改進方案沒能出現(xiàn)預(yù)期的實驗結(jié)果。這與想當然的實驗改進有關(guān)，實驗改進是一項嚴謹科學(xué)的事情，需要經(jīng)過反復(fù)的驗證！

[參考文獻]

[1]羅成.新課改下初中化學(xué)演示實驗的有效改進策略[J].課程教育研究，2019（35）：155-156.

[2]王榮橋.改進化學(xué)演示實驗可視性的有效策略[J].化學(xué)教學(xué)，2016（5）：75-78.

（責(zé)任編輯 羅艷）