基于證據(jù)推理的教材實(shí)驗(yàn)拓展教學(xué)

呂旭東 劉文 鹿杰

摘要：以教材中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展為例，引導(dǎo)學(xué)生對出現(xiàn)的“異常現(xiàn)象”提出問題，并開展基于證據(jù)推理的實(shí)驗(yàn)探究。在“證偽”和“證實(shí)”過程中強(qiáng)化學(xué)生對知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理;實(shí)驗(yàn)探究;教材實(shí)驗(yàn);拓展教學(xué)

文章編號：1008-0546（2021）05-0095-03中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.024

教材中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅僅是課堂教學(xué)的重要組成部分，也是幫助學(xué)生理解化學(xué)知識和提升實(shí)驗(yàn)技能的關(guān)鍵突破口。從隱性的價(jià)值來看，化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和探究的欲望，有效培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實(shí)踐能力及思維能力，同時(shí)也是發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)，形成化學(xué)學(xué)科觀念的重要途徑。倘若把教材中的一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)拓展和延伸，精心設(shè)置情境，有目的地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)探究，勢必會加強(qiáng)學(xué)生科學(xué)探索的體驗(yàn)，擴(kuò)大學(xué)生思維的深度和廣度，對增強(qiáng)教學(xué)效果起到事半功倍的作用。

筆者從證據(jù)推理的視角，以“草酸和高鎰酸鉀酸性溶液反應(yīng)”和“氫氧化鎂沉淀溶于氯化銨溶液”兩個(gè)教材實(shí)驗(yàn)為例，開展實(shí)驗(yàn)拓展教學(xué)，旨在探索培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、基于證據(jù)推理的實(shí)驗(yàn)拓展教學(xué)

1.草酸和高鎰酸鉀酸性溶液反應(yīng)

“草酸和高鎰酸鉀酸性溶液反應(yīng)”是人教版高中化學(xué)選修4第20頁實(shí)驗(yàn)2-2的內(nèi)容，該實(shí)驗(yàn)在教材中的功能是探究反應(yīng)物濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，探究結(jié)果為：在相同條件下，0.2moI/L的草酸比0.1 mol/L 的草酸使高鎰酸鉀溶液褪色時(shí)間短，以此說明了增大反應(yīng)物的濃度，可以加快化學(xué)反應(yīng)的速率。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，不少文章幾乎一致的深入探討了該實(shí)驗(yàn)實(shí)施的最佳條件或理論解釋實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象，而鮮有人介紹它在拓展教學(xué)中的功能。

綜合教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和劉文芳⑴老師對該實(shí)驗(yàn)最佳條件的研究，并結(jié)合實(shí)際情況，課堂教學(xué)采用以下濃度和體積的試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，見表1所示。

根據(jù)該反應(yīng)的離子方程式引導(dǎo)學(xué)生思考比較實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2反應(yīng)快慢的方法。經(jīng)小組討論，主要提出以下方法：對比溶液褪色的先后;對比溶液pH變化快慢;對比封閉條件下產(chǎn)生CO？的快慢等。根據(jù)溶液褪色判斷， 雖然實(shí)驗(yàn)操作簡單，現(xiàn)象明顯，但學(xué)生無法感受到反應(yīng)的進(jìn)程。因此，為了更詳盡地表達(dá)該反應(yīng)，便于后續(xù)的拓展實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開展探究。

【探究1】分別向兩個(gè)塑料瓶（容積300mL）中加入表1中的試劑：溶液—硫酸溶液—不同濃度 H2C2O4溶液，振蕩后利用CO2傳感器（Vernier， T同）同時(shí)測封閉條件下CO2的含量，如圖1（a）所示。

實(shí)驗(yàn)曲線不難發(fā)現(xiàn)，單位時(shí)間0.2mol/L草酸溶液反應(yīng)產(chǎn)生的CO2含量大，得出了反應(yīng)物濃度大，化學(xué)反應(yīng)速率快的結(jié)論。除此以外，不少學(xué)生敏銳地發(fā)現(xiàn)了曲線呈現(xiàn)出來的特殊性：反應(yīng)剛開始生成CO2的速率較慢，過一段時(shí)間迅速加快。就濃度的角度考慮，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)物濃度減小，反應(yīng)速率應(yīng)該減小， 什么原因?qū)е铝怂俾实摹爱惓，F(xiàn)象”呢？針對這一問題，學(xué)生展開了討論，老師從影響反應(yīng)速率的因素方面適時(shí)引導(dǎo)，最終假設(shè)集中在兩個(gè)方面：

假設(shè)一：反應(yīng)放熱，溫度升高導(dǎo)致反應(yīng)速率迅速增大;

假設(shè)二：反應(yīng)生成的MnSO4起到了催化作用。

【探究2】基于假設(shè)一，用表1中實(shí)驗(yàn)2的試劑及用量開展探究，采用溫度傳感器測反應(yīng)溫度的變化（見圖2）。

證偽：由圖2可知，反應(yīng)過程中溫度變化由開始的25.0℃至最高26.2℃，說明該反應(yīng)放熱，但熱效應(yīng)非常小。學(xué)生通過查閱資料：經(jīng)驗(yàn)告訴我們，溫度每升高10℃，許多反應(yīng)的速率會增大2?4倍⑵。然而，由圖1發(fā)現(xiàn)，0?200s時(shí)間段CO2含量增加了約500ppm，而200?400s時(shí)間段CO2含量增加了約3000ppm，僅僅升高了1.2℃，反應(yīng)速率卻增大已超6倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了溫度對速率的影響，因此，假設(shè)一不成立。

如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明是MnSO4起到了催化作用呢？很多學(xué)生都設(shè)計(jì)出了實(shí)驗(yàn)方案，但部分學(xué)生卻忽略了控制變量的原則，經(jīng)各小組討論，最終達(dá)成一致并進(jìn)行探究。

【探究3】取完全相同的兩份表1中實(shí)驗(yàn)2的試劑和用量，其中一份加入少量MnSO4固體，同時(shí)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)測CO2的含量（見圖3）。

證實(shí)：加入MnSO4固體的塑料瓶中，單位時(shí)間產(chǎn)生 CO？多，即反應(yīng)速率快，證明MnSO4起到了催化作用。

2.氫氧化鎂沉淀溶于氯化銨溶液

學(xué)習(xí)“難溶電解質(zhì)的溶解平衡”這一節(jié)時(shí)，教材就“沉淀的溶解”內(nèi)容安排了一組實(shí)驗(yàn)，但并沒有說明實(shí)驗(yàn)藥品的濃度及用量，筆者課前經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)嘗試后，課上要求學(xué)生分組進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)（見表2），并提出以下幾個(gè)拓展性問題。

【問題l】Mg（OH）2沉淀溶解在5mol/L NH4C1溶液中的原因可能是什么？

經(jīng)討論，排除溶劑水使其溶解的基礎(chǔ)上，大部分同學(xué)認(rèn)為是溶液水解產(chǎn)生的H+與OH-結(jié)合生成水，從而促進(jìn)了 Mg（OH）2溶解平衡正向移動所致。少部分同學(xué)則堅(jiān)持是NH4C1電離出的NH;直接結(jié)合OH-所致，如圖4所示。

【問題2】如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明自己所持觀點(diǎn)正確呢？

方案一：配制與5.0mol/L NHQ溶液（經(jīng)測定pH=4.6）相同pH的鹽酸，向2mL Mg（OH）2懸濁液中加入2mL pH為4.6的鹽酸后充分振蕩，實(shí)驗(yàn)如圖5所示，渾濁無明顯溶解。

方案二：向2mL Mg（OH）2懸濁液中加入2mL 5.0mol/L CH3COONH4溶液。實(shí)驗(yàn)如圖6所示，渾濁變澄清。

理論解釋：已知25℃時(shí)，學(xué)生根據(jù)方案一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，Mg（OH ）2沉淀的溶解顯然不是水解產(chǎn)生的酸性所致。有一組學(xué)生則認(rèn)為，由于所以CH3COONH4溶液發(fā)生了雙水解且溶液呈中性，Mg （OH）2沉淀溶解在中性的CH3COONH4溶液中必然是銨根離子所致。此時(shí)，教師及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生從定量的角度進(jìn)行計(jì)算，CH3COONH4的水解常數(shù)：水解程度較大，因此，等濃度的CH3COONH4和NH4CI溶液，后者溶液中較大，所以進(jìn)一步佐證了 Mg （OH）2沉淀溶解在NH4C1溶液中是結(jié)合促進(jìn)了沉淀溶解平衡正向移動的結(jié)果。最后，還可以根據(jù)反應(yīng)：的平衡常數(shù)進(jìn)行判斷，該反應(yīng)為典型的可逆反應(yīng)，增大反應(yīng)物的濃度將有利于Mg（OH）2沉淀的溶解。

二、教材實(shí)驗(yàn)拓展教學(xué)的思考

1.教材實(shí)驗(yàn)是教學(xué)創(chuàng)新的源泉

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，若離開實(shí)驗(yàn)，化學(xué)將會失去最燦爛的底色。中學(xué)化學(xué)教材中設(shè)置了許多演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)、科學(xué)探究等內(nèi)容，這些素材恰恰是教學(xué)創(chuàng)新的源頭活水。教師只要在教學(xué)過程中不斷深入研究教材實(shí)驗(yàn)，注重素材的遴選與構(gòu)思，不懈探索，親身實(shí)踐，長此以往便會創(chuàng)造性地使用教材，引導(dǎo)學(xué)生開展高質(zhì)量的探究活動。對學(xué)生而言，化學(xué)實(shí)驗(yàn)充滿著魔幻的力量，深深吸引著學(xué)生去發(fā)現(xiàn)和探索奧秘。因此，在教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師要善于引導(dǎo)學(xué)生完成“發(fā)現(xiàn)問題-思考原因-尋找證據(jù)T合作探究T解決問題”進(jìn)階拓展過程，這將有效提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。如在“草酸和高鎰酸鉀酸性溶液反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)一段時(shí)間后反應(yīng)速率迅速增大的問題，從而思考影響反應(yīng)速率的因素，進(jìn)一步尋找可能的證據(jù)（溫度和催化劑），再通過實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行證偽和證實(shí)，最終得出了該反應(yīng)為自催化反應(yīng)的結(jié)論。

課本上還有很多實(shí)驗(yàn)適用此模式進(jìn)行拓展教學(xué)， 如人教版化學(xué)必修1教材中“鈉在増蝸中燃燒”實(shí)驗(yàn)， 產(chǎn)物除了淡黃色固體外為什么還有黑色物質(zhì);“Na2O2與H2O反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后滴入酚猷，溶液變紅后為什么又褪色;“濃H2SO4與Cu反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)過程中溶液為什么會變黑;必修2教材中“KI溶液中加入氯水”，少量氯水和過量氯水現(xiàn)象為什么不同等等。教師只要善于思考，愿意為同學(xué)們搭建發(fā)現(xiàn)問題和探究問題的平臺，學(xué)生就會在科學(xué)探究的過程中體驗(yàn)快樂、增強(qiáng)興趣和收獲知識。

2.拓展教學(xué)是提升化學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑

教材中的內(nèi)容大多數(shù)是以結(jié)論的形式直接呈現(xiàn)， 教學(xué)過程中若教師只以講授的方式把結(jié)論傳遞給學(xué)生，長此以往學(xué)生就會重記憶輕理解，養(yǎng)成死記硬背的習(xí)慣，這與推進(jìn)素質(zhì)教育是相違背的。拓展教學(xué)則是對課本內(nèi)容再加工、再整合、再創(chuàng)造的過程。教師精心設(shè)置問題情境，鼓勵學(xué)生從已有知識尋找證據(jù)， 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并合作探究，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行推理獲取結(jié)論和新知。兩組拓展實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，從定性到定量突出了控制變量的思想;從證偽到證實(shí)，突出了化學(xué)核心素養(yǎng)的滲透。因此，教材實(shí)驗(yàn)拓展教學(xué)對學(xué)生的學(xué)科觀念和學(xué)科思維的發(fā)展起到了至關(guān)重要作用，值得一線化學(xué)教師大膽嘗試。

三、結(jié)語

蘇霍姆林斯基認(rèn)為，在人的心靈中，都有一種根深蒂固的需要，這就是希望感到自己是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者，這種需要之于學(xué)生尤為強(qiáng)烈⑷。學(xué)生如果獲取知識的方式是通過查閱資料分析出來、科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究出來、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出來，必將保持對化學(xué)學(xué)科的濃厚興趣，樂于沉浸在學(xué)習(xí)科學(xué)知識的海洋中。

參考文獻(xiàn)

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