“過(guò)氧化氫制氧氣中二氧化錳的作用”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)與思考

沈莉萍

摘要：以單元整體理解為基礎(chǔ)，以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)為方式，以實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)發(fā)展為目的，設(shè)計(jì)“過(guò)氧化氫分解制氧氣中二氧化錳的作用”的探究實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生從定性研究到定量探究做一個(gè)過(guò)渡，構(gòu)建較為科學(xué)的、具有代表性的實(shí)驗(yàn)探究模型，在評(píng)價(jià)和改進(jìn)中提升實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：二氧化錳;反應(yīng)速率;裝置改進(jìn);實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）06x-0074-04?? 中圖分類號(hào)：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.019

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)教學(xué)的核心。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)能力是學(xué)生形成高階思維的必備能力。教材中的探究實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾劳校滩闹械奶骄繉?shí)驗(yàn)之間雖是基于不同知識(shí)不同問(wèn)題的探究，但是從能力發(fā)展上來(lái)看，這些實(shí)驗(yàn)之間存在相互繼承和發(fā)展的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師如果對(duì)教材中探究實(shí)驗(yàn)的能力目標(biāo)不明確，單純從知識(shí)本位出發(fā)，按部就班，循著操作步驟依葫蘆畫瓢進(jìn)行教學(xué)，實(shí)驗(yàn)做成功了，但缺乏了探究的意味和批判性思維的培養(yǎng)。因此，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)內(nèi)容，將教材所體現(xiàn)的科學(xué)性和邏輯性運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐中，構(gòu)建具有化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)的思維模型，推動(dòng)學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中形成一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰︼@得尤為重要。下面就以“過(guò)氧化氫分解制氧氣中二氧化錳的作用”一課為例，淺談實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的思路。

一、單元整體理解

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的內(nèi)涵包括實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能、實(shí)驗(yàn)思維和方法、實(shí)驗(yàn)情意和品行三個(gè)方面[1]。探究“過(guò)氧化氫分解制氧氣”中二氧化錳的作用是人教版初中化學(xué)第二單元的實(shí)驗(yàn)探究課題，是在第一單元探究“蠟燭的燃燒”和“吸入的空氣和呼出的氣體有什么不同”后學(xué)生接觸的第3個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)。在前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)探究中，主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和描述能力，初步體會(huì)科學(xué)探究需要經(jīng)過(guò)“提出問(wèn)題—做出猜想—實(shí)驗(yàn)探究—得出結(jié)論—評(píng)價(jià)反思”的一般過(guò)程，主要是知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)，屬于定性研究。知識(shí)技能在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中屬于顯性內(nèi)容，即只要按照教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，就能使學(xué)生較快掌握[1]。在探究“過(guò)氧化氫分解制氧氣”中二氧化錳作用之后，第五單元開篇就是有關(guān)化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系的探究，也就是質(zhì)量守恒定律，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽烁叩囊?，需要學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置、天平平衡或者不平衡等現(xiàn)象進(jìn)行分析和解釋，屬于定量探究實(shí)驗(yàn);通過(guò)波意耳和拉瓦錫實(shí)驗(yàn)裝置的差異對(duì)比，體會(huì)拉瓦錫在實(shí)驗(yàn)探究中嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、勇于探索的精神，是對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)情意和品質(zhì)范疇的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)思維和方法、實(shí)驗(yàn)情意和品行屬于隱性內(nèi)容，這在課程標(biāo)準(zhǔn)中雖有一定說(shuō)明，但在教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中屬于持續(xù)滲透的要素，是要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中隱性發(fā)展的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)[2]。因此，在“過(guò)氧化氫分解制氧氣”中二氧化錳作用的實(shí)驗(yàn)探究中，除了實(shí)踐上述對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和描述技能，體會(huì)科學(xué)探究的一般步驟外，如果能在實(shí)驗(yàn)的分析評(píng)價(jià)、定量研究上做一個(gè)過(guò)渡，在實(shí)驗(yàn)思維和方法上有一個(gè)銜接，將更有利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的穩(wěn)步形成（如圖1）。

二、教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)教材和課程標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的形成為目的，制定以下具體的教學(xué)目標(biāo)：

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究逐步認(rèn)識(shí)二氧化錳在過(guò)氧化氫分解中的作用，認(rèn)識(shí)催化劑及催化作用;在實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程中，鞏固實(shí)驗(yàn)的觀察和描述技能;滲透催化劑在化學(xué)變化中“變與不變”的學(xué)科素養(yǎng)。

（2）通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觯贸隹茖W(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論;在嘗試評(píng)價(jià)和改進(jìn)的過(guò)程中，初識(shí)實(shí)驗(yàn)探究中的定量分析，培養(yǎng)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)思維和方法，形成一定的批判意識(shí)。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)人教版初中化學(xué)教材中有關(guān)“過(guò)氧化氫制氧氣中二氧化錳的作用”的主要內(nèi)容，設(shè)計(jì)教學(xué)流程（如表1）：

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)與思考

1.生活化教具實(shí)現(xiàn)一物多用

教材中的實(shí)驗(yàn)是在試管中進(jìn)行的，首先，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于二氧化錳是黑色粉末，在過(guò)氧化氫溶液中形成了黑色懸濁液，不便于觀察氣泡的產(chǎn)生;其次，試管中產(chǎn)生的氧氣不能定量測(cè)量其體積，所以學(xué)生不能通過(guò)該實(shí)驗(yàn)了解催化劑的特點(diǎn);由于不能定量，無(wú)法比較不同催化劑的催化效果（如圖3）。改用注射器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從取材的角度看，注射器價(jià)格便宜、易操作、氣密性好，可以通過(guò)活塞的移動(dòng)來(lái)觀察氣泡的產(chǎn)生;從用途的角度看，注射器實(shí)現(xiàn)了一物三用，既是量取裝置，也是反應(yīng)裝置，還充當(dāng)氣體的收集裝置;從思維角度看，注射器可以解決定量測(cè)量氧氣體積的問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)探究從定性研究走向定量研究。

2.定量化裝置形成探究模型

在人教版初中化學(xué)中，還有不少涉及反應(yīng)速率的實(shí)驗(yàn)探究，尤其是在氣體的制取實(shí)驗(yàn)中。如在“二氧化碳制備的研究”中，教材側(cè)重建立學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室制取氣體的一般步驟的認(rèn)識(shí)，重點(diǎn)探究了實(shí)驗(yàn)裝置的選擇，并沒(méi)有關(guān)于反應(yīng)速率的探究。但是在后續(xù)學(xué)習(xí)酸、堿、鹽的時(shí)候，就出現(xiàn)了碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鈣分別與酸反應(yīng)，隨之可遷移到二氧化碳制備的原料選擇問(wèn)題上，解決為何不用碳酸鈉或者碳酸氫鈉，而用石灰石來(lái)制備二氧化碳的問(wèn)題，這是對(duì)實(shí)驗(yàn)室制二氧化碳原料選擇探究的補(bǔ)充。

圖4是對(duì)教材中有關(guān)氣體制取內(nèi)容的分析整理。

再如，教材在制取氫氣上并沒(méi)有濃墨重彩的介紹，只是在介紹氫能源的時(shí)候順便提了氫氣的制取。一是由于在活潑金屬和酸的反應(yīng)中，將會(huì)學(xué)習(xí)到鋅和酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣;二是氣體制備的一般方法已經(jīng)在制備二氧化碳的時(shí)候研究過(guò)了，也適用于氫氣的制取，所以對(duì)于裝置的選擇無(wú)需再重復(fù)。但是，教材第九單元從金屬（鎂、鋅、鐵、銅）能否和酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的角度說(shuō)明金屬的活動(dòng)性順序，沒(méi)有提及金屬（鎂、鋅、鐵）與酸反應(yīng)的速率問(wèn)題，因此學(xué)生并不知道為什么制氫氣要用金屬鋅，而不用鎂、鐵等，出現(xiàn)了知識(shí)銜接的斷層。在此教師只要稍加引導(dǎo)，通過(guò)控制變量的方法和本課中的實(shí)驗(yàn)裝置就可以來(lái)探究金屬（鎂、鋅、鐵）與酸反應(yīng)的速率。如此，裝置的定量化改進(jìn)不是解決一個(gè)問(wèn)題，而是解決了一類反應(yīng)速率的探究問(wèn)題，在今后的學(xué)習(xí)中，遇到相似問(wèn)題，學(xué)生還能利用該實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)其他探究實(shí)驗(yàn)，解決其他問(wèn)題，給了學(xué)生很好的思維延伸。

3.可測(cè)性問(wèn)題推動(dòng)思維發(fā)展

問(wèn)題是科學(xué)探究的起點(diǎn)，是思維的動(dòng)力，設(shè)計(jì)有層次性、探究性、可測(cè)性的問(wèn)題，能激發(fā)學(xué)生的深層次認(rèn)知。本節(jié)課第一個(gè)模塊要解決的問(wèn)題是：實(shí)驗(yàn)時(shí)能否用過(guò)氧化氫來(lái)制氧氣？這一個(gè)問(wèn)題對(duì)于學(xué)生來(lái)講并沒(méi)有實(shí)際的可操作性，屬于過(guò)渡型問(wèn)題。要把這樣的問(wèn)題變得具有可測(cè)性，就要將其分解成具體可操作的若干個(gè)小問(wèn)題，如怎么知道過(guò)氧化氫產(chǎn)生了氧氣？學(xué)生第一反應(yīng)就是觀察，那就立即實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)實(shí)踐觀察，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的氣泡。于是有了第2個(gè)追

問(wèn)：還有什么方法可以證明氧氣的產(chǎn)生？學(xué)生依據(jù)已學(xué)知識(shí)，很容易就想到用帶火星的木條檢驗(yàn)，立即實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)現(xiàn)帶火星的木條不復(fù)燃，引發(fā)再次疑問(wèn)：木條不復(fù)燃是否說(shuō)明沒(méi)有氧氣生成？學(xué)生否定，因?yàn)榍榫迟Y料中已經(jīng)說(shuō)明了過(guò)氧化氫可以給魚塘增氧，說(shuō)明過(guò)氧化氫是可以產(chǎn)生氧氣的，由此猜測(cè)可能是過(guò)氧化氫產(chǎn)生氧氣的速率太慢。接著引出問(wèn)題：如何加快過(guò)氧化氫分解？將教學(xué)帶入到第二模塊，探究二氧化錳的作用。這種可測(cè)性問(wèn)題的設(shè)置將學(xué)生的思維引導(dǎo)向深處，驅(qū)動(dòng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)學(xué)科思維方式和方法理解和表征問(wèn)題，并且利用一定的證據(jù)不斷地對(duì)問(wèn)題空間進(jìn)行搜索，更新狀態(tài)空間，形成最終的結(jié)論，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決[3]，在問(wèn)題解決過(guò)程中實(shí)現(xiàn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化與思維能力的提升。

4.探究型設(shè)計(jì)助力素養(yǎng)提升

實(shí)驗(yàn)思維和方法是實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的核心。實(shí)驗(yàn)的思維需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納比較、抽象概括，得出結(jié)論規(guī)律，獲得實(shí)驗(yàn)事實(shí)的本質(zhì)屬性的高階能力[4]。實(shí)驗(yàn)方法是獲取實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能的途徑與渠道，學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、繪制實(shí)驗(yàn)曲線等方法，逐漸形成解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[5]。過(guò)氧化氫制氧氣中二氧化錳作用的探究實(shí)驗(yàn)中涉及的操作較為簡(jiǎn)單，這為實(shí)驗(yàn)的探究設(shè)計(jì)留出空間。整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)切合學(xué)生學(xué)情，變教材邏輯為教學(xué)邏輯，變知識(shí)邏輯為素養(yǎng)邏輯，按照“提出問(wèn)題——猜想假設(shè)——實(shí)驗(yàn)探究——證據(jù)推理——得出結(jié)論——反思評(píng)價(jià)”六個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行，通過(guò)“反思評(píng)價(jià)”將教材中的探究性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充和延伸，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案的不足，進(jìn)而提出新問(wèn)題，改進(jìn)裝置、設(shè)計(jì)新的探究實(shí)驗(yàn)（如圖5），是一種開放式、循環(huán)式的教學(xué)模型，同時(shí)將教材中隱含的對(duì)實(shí)驗(yàn)思維和方法的要求從注重觀察分析到滲透高階化學(xué)思維的創(chuàng)新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。

學(xué)生經(jīng)歷了以觀察分析為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)后，反復(fù)投入到這種創(chuàng)造性活動(dòng)中，在獲得實(shí)驗(yàn)事實(shí)、資料、數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析、綜合、抽象、概括、判斷等思維活動(dòng)，挖掘本質(zhì)聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律，感受到實(shí)驗(yàn)探究的魅力，并潛移默化地將這種實(shí)驗(yàn)探究意識(shí)帶到后面的學(xué)習(xí)中，經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐和發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的全面提升。

五、小結(jié)

教師應(yīng)在整體上把握教材中的探究實(shí)驗(yàn)，充分理解教材編排中顯現(xiàn)的學(xué)科特點(diǎn)，變教材邏輯為教學(xué)邏輯，變知識(shí)邏輯為素養(yǎng)邏輯，構(gòu)建較為科學(xué)的、具有代表性的思維模型，推動(dòng)學(xué)生在化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中形成一定的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

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