基于“控制變量”的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)

江輝輝 蔡玲玲

摘要：實(shí)驗(yàn)探究是化學(xué)學(xué)科最重要的探究形式。在實(shí)驗(yàn)探究中滲透控制變量的思想，設(shè)計(jì)“溶劑法”和“熔化法”等探究活動(dòng)進(jìn)行“乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)”的教學(xué)，幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系，解決認(rèn)知沖突，落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，感受化學(xué)的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)探究；認(rèn)知模型；核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2021）10-0072-04中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.017

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)納入化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)體系，要求學(xué)生“認(rèn)識(shí)科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)；能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題；能從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究；勤于實(shí)踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新。”[1]科學(xué)探究的目的是提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，而科學(xué)素養(yǎng)的核心要素是科學(xué)思維，“控制變量法”作為科學(xué)探究中的重要科學(xué)思維方法，是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容之一?！翱刂谱兞糠ā敝傅氖窃诳茖W(xué)研究中，對(duì)于多因素（多變量）影響的問(wèn)題，常常采用只改變其中的某一個(gè)因素，控制其他因素不變的方法，使多因素的影響變成幾個(gè)單因素影響，分別加以研究，最后將幾個(gè)單因素影響的結(jié)果加以綜合的方法[2]?？刂谱兞渴强蒲泻吞骄拷虒W(xué)中必需的實(shí)驗(yàn)手段，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中有著廣泛的運(yùn)用。

一、教學(xué)分析

1.教學(xué)內(nèi)容價(jià)值分析

“乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)”是蘇教版《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》專題2課題2“乙醇和苯酚的性質(zhì)”第一課時(shí)的內(nèi)容[3]。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中與之對(duì)應(yīng)的學(xué)業(yè)要求是能運(yùn)用控制變量的方法探究并確定合適的反應(yīng)條件，安全、順利地完成實(shí)驗(yàn)，能對(duì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出進(jìn)一步探究的設(shè)想[4]。本部分內(nèi)容是學(xué)生在學(xué)習(xí)乙醇、苯酚性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)速率知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)兩者性質(zhì)的深度認(rèn)識(shí)。學(xué)生通過(guò)控制變量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展探究，辨識(shí)醇和酚性質(zhì)的差異，發(fā)展設(shè)計(jì)、分析、合作能力，提升科學(xué)探究素養(yǎng)。

2.學(xué)生認(rèn)知水平分析

從知識(shí)層面看，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了乙醇和苯酚的性質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)速率的概念、表示方法和測(cè)定方法，初步形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的思想；從能力層面看，學(xué)生能夠運(yùn)用對(duì)比、遷移、探究等方法認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)，初步具備了操作與設(shè)計(jì)，分析與歸納等能力；從心理層面看，高中學(xué)生思維敏捷、活躍，比較喜歡動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)具備一定的探究能力和創(chuàng)新意識(shí)。但是從實(shí)驗(yàn)的角度探究物質(zhì)性質(zhì)的學(xué)習(xí)方法學(xué)生還沒(méi)有完全掌握；能否在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中有意識(shí)地正確應(yīng)用“控制變量”的思想，在具體的實(shí)驗(yàn)操作中實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的控制等還需要在課堂學(xué)習(xí)中進(jìn)行判斷。

3.教學(xué)現(xiàn)狀分析

（1）教學(xué)設(shè)計(jì)方面

通過(guò)文獻(xiàn)檢索，有文章[5]是以“追問(wèn)驅(qū)動(dòng)推理”的模型來(lái)教學(xué)乙醇和苯酚的性質(zhì)；有文章[6]僅以實(shí)驗(yàn)形式探究乙醇與苯酚羥基氫的活潑性，沒(méi)有形成課堂案例。

在講述控制變量時(shí)，文章[7]有以酸性高錳酸鉀和草酸反應(yīng)、金屬與酸反應(yīng)為載體，還未有以乙醇、苯酚與金屬鈉反應(yīng)的。

（2）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方面

參照教材和文章，乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)往往選擇乙醚做溶劑，但由于市售乙醚中常含有水等雜質(zhì)，如果不經(jīng)處理會(huì)導(dǎo)致實(shí)際觀察到的現(xiàn)象與預(yù)期不一致。本文通過(guò)對(duì)乙醚作溶劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深度分析，改用丙酮做溶劑，得到比較滿意的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

教材和文章只采用溶劑法探究乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)，而本教學(xué)案例同時(shí)采用將苯酚熔化的方法，在探究過(guò)程中加深對(duì)控制變量思想的理解。

4.教學(xué)目標(biāo)與評(píng)價(jià)目標(biāo)

（1）通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)乙醇和苯酚的性質(zhì)，診斷并發(fā)展學(xué)生微觀探析、證據(jù)推理等核心素養(yǎng)。

（2）運(yùn)用控制變量的方法探究并確定乙醇、苯酚與金屬鈉合適的反應(yīng)條件，安全、順利地完成實(shí)驗(yàn)，診斷并發(fā)展學(xué)生科學(xué)態(tài)度、科學(xué)探究等核心素養(yǎng)。

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，明確化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，診斷并發(fā)展學(xué)生社會(huì)責(zé)任、模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)流程

本節(jié)課的具體教學(xué)流程如圖1所示。

三、教學(xué)實(shí)錄

1.創(chuàng)設(shè)情境，引入課題——明確本節(jié)課任務(wù)

【引課】乙醇與苯酚分子中都含有羥基，哪個(gè)羥基上的氫更活潑？如何用實(shí)驗(yàn)證明？

【學(xué)生】苯酚分子中羥基上的氫更活潑，可通過(guò)與金屬鈉的反應(yīng)來(lái)證明。

【教師】你是如何想到的？

【學(xué)生】乙醇羥基上的氫與水中氫的活潑性就是通過(guò)與金屬鈉的反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

【教師】很好！本節(jié)課我們就以該實(shí)驗(yàn)來(lái)比較乙醇和苯酚分子中羥基上的氫活潑性。

設(shè)計(jì)意圖：開(kāi)門(mén)見(jiàn)山地拋出本節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)—比較乙醇和苯酚分子中羥基氫活潑性。通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的方式，引導(dǎo)學(xué)生采用與金屬鈉的反應(yīng)來(lái)完成本節(jié)課的任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)遷移的能力。

2.控制變量，引導(dǎo)探究——溶劑法探究乙醇、苯酚與鈉反應(yīng)

【教師】根據(jù)上面所述，具體如何來(lái)設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)？直接用乙醇、苯酚與金屬鈉反應(yīng)嗎？

【學(xué)生】不行，因?yàn)槌貤l件下乙醇是液體，苯酚是固體。

【教師】很好！同學(xué)們已經(jīng)注意到兩者的狀態(tài)不一樣，在比較的時(shí)候就無(wú)“公平性”可言了，所以我們要控制變量。

【教師】本實(shí)驗(yàn)中自變量是乙醇和苯酚分子中羥基，如何控制其他變量呢？

【學(xué)生1】把乙醇和苯酚分別配成同濃度的水溶液。

【學(xué)生2】把乙醇和苯酚分別配成同濃度的有機(jī)溶液。

【教師】以上設(shè)計(jì)是否都可行？說(shuō)明理由。

【學(xué)生】水溶液不行，因?yàn)榻饘兮c與水也會(huì)反應(yīng)，干擾實(shí)驗(yàn)；采用有機(jī)溶劑（比如乙醚、丙酮等）可以。

【教師】如何做到同濃度？

【學(xué)生】參照教材，具體用量如表1所示[8]。

計(jì)算過(guò)程：

由于兩者物質(zhì)的量差不多，而所加有機(jī)溶劑的體積一樣，所以兩者的濃度基本相當(dāng)。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】乙醚作溶劑，探究乙醇、苯酚羥基氫的活潑性。

器材：試管若干、5mL量筒兩支，天平；藥品：乙醚、乙醇、苯酚、金屬鈉

【學(xué)生】實(shí)驗(yàn)并匯報(bào)現(xiàn)象：向兩支干燥的試管中各加入2mL乙醚，向一支試管中加入1mL乙醇，向另一支試管中加入約1.5g苯酚，振蕩。再向上述兩支試管中各加入一小塊相同大小的金屬鈉（吸干煤油），可以觀察到兩支試管中產(chǎn)生氣泡快慢差不多。

【教師】為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況呢？

【教師】展示乙醚試劑標(biāo)簽。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)標(biāo)簽上的信息猜想并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

【學(xué)生】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并探究：取2mL乙醚于試管中，加入金屬鈉后也產(chǎn)生氣泡。

【結(jié)論】市售乙醚常含有水等雜質(zhì)，故不能作為探究乙醇、苯酚羥基氫活潑性的溶劑。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】更換溶劑為丙酮，探究乙醇、苯酚羥基氫的活潑性。

【學(xué)生】實(shí)驗(yàn)并匯報(bào)現(xiàn)象：同上實(shí)驗(yàn)，可以觀察到苯酚的丙酮溶液產(chǎn)生氣泡明顯快于乙醇的丙酮溶液。

【結(jié)論】丙酮可作為探究乙醇、苯酚羥基氫活潑性的溶劑。

設(shè)計(jì)意圖：以問(wèn)題的形式讓學(xué)生關(guān)注到實(shí)驗(yàn)比較時(shí)需要“公平性”，從而引出“控制變量”的思想。本環(huán)節(jié)主要是要求學(xué)生使用有機(jī)溶劑來(lái)“控制變量”。在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，現(xiàn)象與學(xué)生的認(rèn)知發(fā)生沖突，學(xué)生通過(guò)證據(jù)推理查找原因，感受到原有設(shè)計(jì)的不足，讓學(xué)生可以在質(zhì)疑中不斷完善實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)踐中強(qiáng)化科學(xué)探究意識(shí)，發(fā)展創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

3.類比遷移，深化認(rèn)識(shí)——熔化法探究苯酚、乙醇與鈉反應(yīng)

【教師】本實(shí)驗(yàn)還可以選擇控制其他變量嗎？

【學(xué)生】可以將苯酚加熱熔化。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】苯酚和乙醇在液態(tài)下，探究?jī)烧吡u基氫的活潑性。

器材：試管若干、5mL量筒，燒杯，熱水；藥品：乙醇、苯酚、金屬鈉

【學(xué)生】實(shí)驗(yàn)并匯報(bào)現(xiàn)象：向一支干燥的試管中加入少量無(wú)水乙醇，另一支加入苯酚，將它們置于同一熱水浴中加熱。待苯酚熔化后，向上述兩支試管中各加入一小塊吸干煤油的金屬鈉?？梢杂^察到裝乙醇的試管中鈉沉入底部，表面產(chǎn)生氣泡；而裝苯酚液的試管中鈉一直浮在苯酚液面上，相對(duì)乙醇更緩慢，同時(shí)澄清液體慢慢變渾濁，金屬鈉表面有固體附著。

【教師】為什么會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象？結(jié)合資料卡解釋。

【學(xué)生】鈉的密度大于乙醇，加入乙醇中沉到底部；鈉的密度小于苯酚，一直浮在苯酚液面。由于生成的苯酚鈉難溶于苯酚，故溶液慢慢變渾濁，且生成的苯酚鈉固體會(huì)覆蓋在金屬鈉表面，阻礙反應(yīng)的正常進(jìn)行，使得反應(yīng)逐漸變慢。

【教師】討論該方案能否用于乙醇和苯酚羥基氫的比較，并分析原因。

【學(xué)生】不行。與乙醇反應(yīng)時(shí)鈉沉入底部，而與苯酚反應(yīng)時(shí)鈉浮在表面，兩者接觸面積不一樣；與苯酚反應(yīng)時(shí)，生成的苯酚鈉固體會(huì)覆蓋在金屬鈉表面，也會(huì)影響反應(yīng)的進(jìn)行。

【結(jié)論】本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不能用于探究乙醇、苯酚羥基上氫原子的活潑性。

設(shè)計(jì)意圖：類比遷移是一種重要的問(wèn)題解決策略，也是提出新問(wèn)題、獲得新發(fā)現(xiàn)的重要途徑。從環(huán)節(jié)二使用有機(jī)溶劑來(lái)“控制變量”遷移到將苯酚熔化來(lái)實(shí)現(xiàn)“控制變量”，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。同樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)與學(xué)生的認(rèn)知發(fā)生沖突的異?，F(xiàn)象，通過(guò)對(duì)證據(jù)的推理和思考分析，可以很好地訓(xùn)練學(xué)生的化學(xué)思維，發(fā)展證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。

參照教材和文章，乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)往往選擇乙醚做溶劑，但由于市售乙醚中常含有水等雜質(zhì)，如果不經(jīng)處理會(huì)導(dǎo)致實(shí)際觀察到的現(xiàn)象與預(yù)期不一致。本文通過(guò)對(duì)乙醚作溶劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深度分析，

4.歸納總結(jié)，學(xué)以致用

【教師】根據(jù)前面的討論，我們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選擇控制變量時(shí)應(yīng)注意什么？

【學(xué)生】討論并總結(jié)：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要注意以下原則：

【應(yīng)用】運(yùn)用“控制變量”的思想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)比較碳酸鈉和碳酸氫鈉固體的熱穩(wěn)定性。

【方案草圖展示】如圖2所示。

設(shè)計(jì)意圖：以碳酸鈉和碳酸氫鈉固體的熱穩(wěn)定性比較為情境創(chuàng)設(shè)問(wèn)題，要求學(xué)生設(shè)計(jì)方案，加深學(xué)生對(duì)“控制變量”思想的理解。同時(shí)讓學(xué)生知道實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要注意的幾個(gè)原則，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任的核心素養(yǎng)。

四、教學(xué)反思

本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)基于學(xué)生前面知識(shí)所學(xué)，采用多種方法控制變量，探究乙醇、苯酚與金屬鈉的反應(yīng)。本節(jié)課的探究實(shí)驗(yàn)都不復(fù)雜，一般的實(shí)驗(yàn)室條件都可以完成，具有很強(qiáng)的可重復(fù)性。所以在本內(nèi)容教學(xué)時(shí)教師需要采用學(xué)生探究式學(xué)習(xí)的形式，在探究過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建起“控制變量”完整、深入的認(rèn)知模型，通過(guò)探究過(guò)程中認(rèn)知沖突的解決實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，最終促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

1.注重模型構(gòu)建

高中化學(xué)把“模型認(rèn)知”作為核心素養(yǎng)之一，要求學(xué)生在對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察和證據(jù)推理的基礎(chǔ)上，利用簡(jiǎn)化、抽象和類比等方法，將反映研究對(duì)象的本質(zhì)特征形成一種概括性的描述或認(rèn)識(shí)思路[9]。本課采用如圖3的“控制變量”的認(rèn)知模型，目的是促進(jìn)學(xué)生對(duì)控制變量認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化，促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律的深刻理解，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解決新情境下的陌生問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)從化學(xué)學(xué)科知識(shí)向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。

2.引導(dǎo)深度學(xué)習(xí)

認(rèn)知沖突是深度學(xué)習(xí)的有效手段[10]。本節(jié)課設(shè)計(jì)的幾個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)了合理的控制變量的方案，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了與預(yù)期不同的現(xiàn)象，即引發(fā)認(rèn)知沖突。教師應(yīng)該抓住這種稍縱即逝的機(jī)會(huì)，針對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行深度剖析，因?yàn)橹挥畜w驗(yàn)到認(rèn)識(shí)沖突，學(xué)生才能感受到原有設(shè)計(jì)的不足，認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中其他不可控因素的存在。在老師的引導(dǎo)下，調(diào)整或完善原有方案，最終得到滿意的結(jié)果。

3.反思課堂不足

教學(xué)需要不斷地反思，反思是一節(jié)課成為好課的必備條件。本節(jié)課在實(shí)際開(kāi)展過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足：比如，本節(jié)課學(xué)生一直處于做中學(xué)的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)較多，耗時(shí)較長(zhǎng)，而且不能保證每個(gè)分組實(shí)驗(yàn)都能達(dá)到預(yù)期效果；其次，本節(jié)課沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的情境線索，環(huán)節(jié)間銜接得不夠自然，只能在接下來(lái)的教學(xué)中不斷地完善和改進(jìn)。

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