“科學(xué)探究”引領(lǐng)的化學(xué)實驗教學(xué)

姚毅

【摘 ?要】在實驗教學(xué)中，通過創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)探究、實驗開啟探究、實驗深化探究、實驗拓展探究等環(huán)節(jié)的設(shè)計，明晰科學(xué)探究素養(yǎng)引領(lǐng)下的化學(xué)實驗教學(xué)脈絡(luò)，形成可操作的流程，同時按照“預(yù)測性質(zhì)→設(shè)計實驗方案→實驗→現(xiàn)象分析討論→得出結(jié)論”的思路開展探究活動。本文以人教版（2019）必修1《鈉及其化合物》第一課時“鈉與水的反應(yīng)”的教學(xué)為例，探討基于科學(xué)探究的教學(xué)設(shè)計，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)探究;化學(xué)實驗教學(xué)

一、問題的提出

實驗探究是一種重要的科學(xué)實踐活動，應(yīng)基于學(xué)生的證據(jù)意識培養(yǎng)和實際行為改善來設(shè)計教學(xué)?，F(xiàn)行化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)也要求培養(yǎng)學(xué)生能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題;能從問題和假設(shè)出發(fā)，根據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案;提高課堂教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，認(rèn)真開展驗證性實驗和探究性實驗教學(xué)。目前，高中化學(xué)實驗教學(xué)在實驗準(zhǔn)備不充分、實驗證據(jù)缺乏的情況下，有些教師通過講實驗、視頻實驗 “圓滿”地完成實驗教學(xué)。這樣做割裂了證據(jù)和結(jié)論的聯(lián)系，實驗教學(xué)仍舊重驗證和培養(yǎng)學(xué)生的基本操作;這樣做，學(xué)生雖然參與了，但動“手”多，動“腦”少，只要得出了結(jié)論就好，而在得出結(jié)論的過程中所要蘊(yùn)含的科學(xué)方法和思想一律忽略，這種只關(guān)注“探”而不重視“究”最大的問題是缺失了證據(jù)意識和科學(xué)素養(yǎng)的形成和發(fā)展。本文以“鈉與水的反應(yīng)”的教學(xué)為例，探討基于科學(xué)探究的教學(xué)設(shè)計，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、教材與學(xué)情分析

教材分析：“鈉與水的反應(yīng)”內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)的學(xué)業(yè)要求是，能夠描述、辨認(rèn)識別鈉的重要物理性質(zhì)及實驗現(xiàn)象;能寫出鈉的主要化學(xué)性質(zhì)的化學(xué)方程式或離子方程式;能用價-類二維認(rèn)識模型，設(shè)計實驗驗證預(yù)測，并能通過實驗收集證據(jù)，分析證據(jù)得出結(jié)論并解釋有關(guān)實驗現(xiàn)象。本部分內(nèi)容承接第一章“物質(zhì)及其變化”，鋪墊第三章“鐵和金屬材料”及第四章的“元素周期律”等內(nèi)容。所以本節(jié)課內(nèi)容既可以鞏固前面所學(xué)習(xí)的物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化、離子反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)等理論知識，又可以為后面繼續(xù)學(xué)習(xí)其他元素、建構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和元素周期律、了解化學(xué)反應(yīng)與熱量等知識打下學(xué)習(xí)的方法基礎(chǔ)。

學(xué)情分析：初中階段學(xué)生已學(xué)過鐵、鋅等金屬，初步接觸了金屬單質(zhì)的研究方法，已經(jīng)學(xué)會從金屬活動性順序的角度去研究金屬的共性和特性。通過第一章的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)具備從類別、化合價角度研究物質(zhì)的知識基礎(chǔ)和素養(yǎng)儲備，但理解不夠深入，缺乏應(yīng)用氧化還原反應(yīng)知識推測鈉的性質(zhì)并加以證明的科學(xué)方法。故在教學(xué)中需要在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行基于證據(jù)推理的有關(guān)科學(xué)探究，這也是本節(jié)課的關(guān)鍵和創(chuàng)新。

三、教學(xué)進(jìn)程

（一）教學(xué)目標(biāo)

（1）了解鈉與水反應(yīng)的現(xiàn)象和本質(zhì)，正確書寫有關(guān)的化學(xué)方程式。

（2）以鈉與水反應(yīng)的學(xué)習(xí)為線索，逐步形成價-類二維認(rèn)識模型。

（3）在研究鈉與水反應(yīng)的過程中，能依據(jù)預(yù)測設(shè)計實驗方案，經(jīng)過實驗證實或證偽，培養(yǎng)證據(jù)推理意識。

（二）教學(xué)重點和難點

重點：鈉與水反應(yīng);價-類二維認(rèn)識模型的建構(gòu)。

難點：鈉與水的實驗探究。

（三）設(shè)計思路

從生活場景引入新課，并布置任務(wù)：鈉著火能否用水滅火，后繼學(xué)習(xí)中圍繞這一任務(wù)展開;緊接著用實驗開啟探究，讓學(xué)生通過預(yù)測鈉與水反應(yīng)的產(chǎn)物，再從教材實驗和氧化還原理論兩個角度予以驗證;繼續(xù)就如何改進(jìn)教材實驗使鈉與水反應(yīng)的產(chǎn)物可見，通過實驗設(shè)計和實驗來深化探究;最后就鈉能否置換出銅等不活潑的金屬，通過鈉與CuSO4溶液反應(yīng)和鈉與CuO反應(yīng)來拓展探究，得出鈉置換出不活潑金屬的條件。這樣環(huán)環(huán)相扣，層層遞進(jìn)，讓學(xué)生在科學(xué)探究中興趣盎然，在掌握知識的同時培養(yǎng)其實驗設(shè)計能力、動手操作能力、證據(jù)意識，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

（四）教學(xué)過程

1.情境創(chuàng)設(shè)，激發(fā)探究

【新聞視頻】沈陽一企業(yè)庫存金屬鈉爆燃致廠房起火。

師：你是現(xiàn)場指揮者，將采取什么樣的措施救火？

學(xué)生1：用水滅火。

學(xué)生2：用泡沫滅火器滅火。

學(xué)生3：用干冰滅火器滅火。

師：以上物品能否用來滅火呢？用提供的試劑和藥品經(jīng)過實驗得出結(jié)論。

設(shè)計意圖：真實具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機(jī)會。本環(huán)節(jié)以生活中真實發(fā)生的工廠鈉起火、滅火事件引入該課，迅速將學(xué)生帶入本節(jié)課的探究情境：鈉與水的反應(yīng)。同時將滅火物質(zhì)的選擇設(shè)計成課時學(xué)習(xí)的線索，貫穿課堂的始終，使該資源的價值和功能發(fā)揮得淋漓盡致。

2.實驗開啟探究

【實驗】用鑷子夾取一小塊鈉，用濾紙吸干表面的煤油，用刀切去外皮，取綠豆大的一粒鈉，投入有水的燒杯中。

【問題】

（1）描述鈉與水反應(yīng)的實驗現(xiàn)象，并分析得出對應(yīng)的結(jié)論。

（2）通過以上實驗，試歸納鈉單質(zhì)的物理性質(zhì)，并說出推斷理由。

（3）預(yù)測Na與H2O反應(yīng)的化學(xué)方程式并說明理由。

教師強(qiáng)調(diào)安全注意事項，學(xué)生分組實驗，合作討論匯報。

學(xué)生1：鈉浮在水面上（結(jié)論：鈉密度小于水的密度）;鈉熔化成小球（結(jié)論：鈉的熔點低，鈉與水的反應(yīng)放熱）;鈉球四處游走（產(chǎn)生氣體反推作用）;有“嘶嘶”聲（產(chǎn)生氣體）;鈉最終消失（鈉反應(yīng)完全）。

學(xué)生2：鈉單質(zhì)物理性質(zhì)：質(zhì)軟（刀切），銀白色，密度大于煤油而小于水，熔點低（在水面上可熔）。

學(xué)生3：2Na+2H2O=2NaOH+H2↑，理由：活潑金屬可與水或酸反應(yīng)置換出H2。

師生一起點評，評價其合理性及不足之處。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)將教材上“觀察鈉的顏色”和“鈉與水的反應(yīng)”探究活動整合在一起，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識鈉與水的反應(yīng);取消了教材上滴加酚酞的操作，調(diào)整了預(yù)測化學(xué)方程式和動手實驗的順序，這一處理把學(xué)生將要學(xué)習(xí)的鈉當(dāng)作完全未知的東西，增強(qiáng)其演示的意義和教學(xué)的價值，能更好地將“教材”變“學(xué)材”，并引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會從物質(zhì)類別和化合價的角度去認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)，逐步建立價-類二維認(rèn)識模型。

3.實驗深化探究

師：剛才我們從鈉的結(jié)構(gòu)和化合價的角度預(yù)測了鈉與水反應(yīng)的產(chǎn)物，但從實驗現(xiàn)象不能得到很肯定的結(jié)論，那么可設(shè)計哪些方案來驗證我們預(yù)測的產(chǎn)物。

方案一：往水中滴加酚酞，再加鈉，觀察溶液是否變紅。思路：NaOH溶液呈堿性，遇酚酞變紅。

方案二：用香煙盒里的“錫紙”包好一小塊鈉，用針在“錫紙”上刺幾個小孔，用鑷子夾住，放入水中的試管口下方，并用排水法收集氣體，靠近火焰，檢驗是否有爆鳴聲。

方案三：用實驗室制CO2的裝置，將水滴到鈉上，用產(chǎn)生的氣體吹肥皂泡，再將氣泡點燃。

師生一起評價、篩選最佳可行的方案，并動手驗證，分析得出結(jié)論。

學(xué)生1： 加了酚酞的水變紅，證明有NaOH生成。

學(xué)生2：肥皂泡點燃后，有清脆的爆鳴聲，證明氣體產(chǎn)物是氫氣。

師：能否用含水溶液的滅火劑來滅鈉引發(fā)的火災(zāi)？

學(xué)生：不能，因為鈉與水會反應(yīng)放熱且產(chǎn)生H2。

師：火災(zāi)現(xiàn)場存放有大量的鈉時，需要用干燥的沙土來滅火。至于CO2為什么不能用于滅火，我們將在下一節(jié)課學(xué)習(xí)。

設(shè)計意圖：Na與H2O反應(yīng)產(chǎn)物的探究是本課時的教學(xué)重點。先從化合價角度預(yù)測鈉與水反應(yīng)的產(chǎn)物，再引導(dǎo)學(xué)生從已有的知識出發(fā)，設(shè)計實驗使鈉與水反應(yīng)的產(chǎn)物“可見”，并實驗驗證之?；趯W(xué)生最近發(fā)展區(qū)進(jìn)行分析推理、證實假設(shè)的科學(xué)探究思維，診斷并評價學(xué)生科學(xué)探究水平。滴加了酚酞的水變紅、鈉塊在水層中“跳舞”、肥皂泡炸裂的爆鳴聲給了學(xué)生無限成功的喜悅，極大促進(jìn)學(xué)生愿意探究的欲望。

師：談?wù)勥@節(jié)課的收獲。

學(xué)生1：鈉元素的常見化合價是+1，所以鈉單質(zhì)在反應(yīng)中化合價會升高體現(xiàn)出還原性。

學(xué)生2：研究物質(zhì)性質(zhì)的方法：根據(jù)結(jié)構(gòu)或化合價等知識預(yù)測性質(zhì)→設(shè)計實驗方案→實驗→現(xiàn)象分析討論→得出結(jié)論。

設(shè)計意圖：在一節(jié)課結(jié)束時，讓學(xué)生對這一節(jié)所學(xué)所思做一個小結(jié)，有利于知識的結(jié)構(gòu)化、認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化，能更好地將知識和方法內(nèi)化，指導(dǎo)今后的學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。

四、教學(xué)反思

（一）開展有效的探究

本節(jié)課在教材探究實驗的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗使氣體等產(chǎn)物“可見”并驗證其成分，同時探究鈉置換出不活潑金屬的條件。在創(chuàng)設(shè)的真實情境中學(xué)生主動參與整個探究過程，既認(rèn)識金屬鈉的性質(zhì)，掌握實驗操作，也感受到化學(xué)實驗的變化之美，同時更重要的是知曉實驗為什么要這樣設(shè)計，這樣設(shè)計的原因是什么。知識的學(xué)習(xí)和探究素養(yǎng)的形成并重。

（二）對教材實驗的再認(rèn)識

人教版《化學(xué)》必修1中將“鈉與水的反應(yīng)”設(shè)計成了探究實驗，給出了非常明確的探究步驟：預(yù)測、實驗、觀察描述實驗現(xiàn)象，基于實驗得到的證據(jù)，分析推理得出結(jié)論。這樣有利于學(xué)生探究思路的結(jié)構(gòu)化，同時教材上的探究又是不完美的，主要是生成氣體及氣體成分確定證據(jù)不足。而正是教材實驗的這種缺陷和不足給我們留下了探究的空間，能更好地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

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（基金項目：湖南省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度課題《新課標(biāo)背景下高中化學(xué)課堂教學(xué)實踐研究》（課題批準(zhǔn)號：XJK21CJC080）階段研究成果;湖南省教育科學(xué)研究工作者協(xié)會“十四五”規(guī)劃2021年度立項課題《核心素養(yǎng)視域下農(nóng)村高中化學(xué)情境化教學(xué)的應(yīng)用研究與實踐》（課題編號：XJKX21B411）階段研究成果）