培養(yǎng)“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

陳艷虹

摘要：實(shí)驗(yàn)是研究化學(xué)最主要的方式和手段，在初中化學(xué)教學(xué)中有著重要的認(rèn)知價(jià)值，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)具有重要的作用。初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可通過(guò)強(qiáng)調(diào)步驟原理、關(guān)注尾氣處理、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案等，幫助學(xué)生發(fā)展探究欲、樹(shù)立生態(tài)文明的理念、錘煉嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；核心素養(yǎng)；科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）指出“化學(xué)課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括化學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與實(shí)踐、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”［1］，并進(jìn)一步指出科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的主要表現(xiàn)包括“發(fā)展對(duì)物質(zhì)世界的好奇心、想象力和探究欲……具有嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度……樹(shù)立生態(tài)文明的理念”［2］。初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可通過(guò)強(qiáng)調(diào)步驟原理、關(guān)注尾氣處理、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案等，幫助學(xué)生發(fā)展探究欲、樹(shù)立生態(tài)文明的理念、錘煉嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

一、 強(qiáng)調(diào)步驟原理，發(fā)展探究欲

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不放過(guò)每一個(gè)細(xì)節(jié)。尤其是有一些實(shí)驗(yàn)的步驟有明顯的先后順序要求，那么，就可以進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)象分析，明確并強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)步驟的原理，幫助學(xué)生逐漸發(fā)展探究欲，培養(yǎng)科學(xué)探究的習(xí)慣。

例如，滬教版初中化學(xué)九年級(jí)下冊(cè)第8章中的“葡萄糖的檢驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)，步驟為：在試管中加入2mL 10%的氫氧化鈉溶液，滴加5%的硫酸銅溶液4—5滴，混合均勻；再向上述試管中加入幾滴10%的葡萄糖溶液，并在酒精燈上加熱至沸騰。這是利用硫酸銅與氫氧化鈉反應(yīng)制得氫氧化銅，氫氧化銅與葡萄糖在加熱條件下反應(yīng)生成氧化亞銅。本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是：需要用新制的氫氧化銅；制取氫氧化銅的反應(yīng)需要在較強(qiáng)的堿性環(huán)境下進(jìn)行；與葡萄糖混合后需要加熱。

為了凸顯實(shí)驗(yàn)步驟的關(guān)鍵之處，教師可增加對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的不同理解實(shí)驗(yàn)步驟的原理。增加對(duì)比實(shí)驗(yàn)后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：（1）取適量實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的氫氧化銅固體于試管A中，加入2mL 10%的氫氧化鈉溶液，然后加入適量葡萄糖溶液，振蕩，加熱，觀察現(xiàn)象。（2）在試管B中加入6mL 10%的氫氧化鈉溶液，滴加5%的硫酸銅溶液12—15滴，混合均勻，觀察現(xiàn)象；然后分出約13到試管C中，約13到試管D中；加熱試管B，在C、D兩試管中分別加入適量葡萄糖溶液，充分振蕩后靜置試管C，加熱試管D，觀察現(xiàn)象。（3）在試管E中加入2mL 5%的硫酸銅溶液，滴加10%的氫氧化鈉溶液4—5滴，混合均勻，觀察現(xiàn)象；加熱試管E，觀察現(xiàn)象。

學(xué)生通過(guò)試管A與試管D中的不同現(xiàn)象，可以理解檢驗(yàn)葡萄糖需要用新制的氫氧化銅。由此，學(xué)生會(huì)自然生發(fā)的問(wèn)題是：新制的氫氧化銅與已有的氫氧化銅有什么不同？從試管B與試管E中出現(xiàn)的沉淀顏色的不同，結(jié)合試管B加熱后藍(lán)色沉淀轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏腆w，而試管E加熱后沒(méi)有明顯變化，可以推出兩種沉淀是不同物質(zhì)，由此理解檢驗(yàn)葡萄糖需要在堿性環(huán)境下新制氫氧化銅。自然引發(fā)的下一個(gè)問(wèn)題是：不在堿性環(huán)境下生成的沉淀是否也能與葡萄糖反應(yīng)？由試管C不加熱的，藍(lán)色沉淀變?yōu)樯钏{(lán)色沉淀，試管D加熱后，藍(lán)色沉淀最終轉(zhuǎn)變?yōu)榇u紅色沉淀，可以理解檢驗(yàn)葡萄糖的實(shí)驗(yàn)需要在加熱條件下才能實(shí)現(xiàn)。引發(fā)的下一個(gè)問(wèn)題是：是否一定需要加熱至沸騰？略微加熱是否可行？在試管D加熱至沸騰的過(guò)程中，可以觀察到先出現(xiàn)黑色沉淀，然后變?yōu)榇u紅色。學(xué)生就會(huì)思考：黑色沉淀是什么？是否為氧化銅？后又變?yōu)榇u紅色是氧化銅與葡萄糖反應(yīng)的結(jié)果嗎？

初中階段，并不要求學(xué)生掌握葡萄糖的檢驗(yàn)方法與原理，所以這部分內(nèi)容僅在教材的《拓展視野》中出現(xiàn)。補(bǔ)充對(duì)比實(shí)驗(yàn)的目的并不在于讓學(xué)生掌握某個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而在于充分利用對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的分析，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解；同時(shí)，能激發(fā)學(xué)生的興趣，引發(fā)后續(xù)的探究問(wèn)題，發(fā)展學(xué)生的探究欲。

二、 關(guān)注尾氣處理，樹(shù)立生態(tài)文明的理念

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中通常會(huì)涉及有害氣體，任意排放會(huì)環(huán)境污染。因此，在相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注尾氣處理，思考如何避免污染環(huán)境，促使學(xué)生培養(yǎng)保護(hù)環(huán)境的習(xí)慣和意識(shí)，樹(shù)立生態(tài)文明的理念。

例如，滬教版初中化學(xué)九年級(jí)上冊(cè)第1章中的“加熱碳酸氫銨”實(shí)驗(yàn)，裝置如圖1所示。

教學(xué)中，教師首先按照?qǐng)D1組裝實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；然后提供氨氣和二氧化碳的部分信息，并提出三個(gè)問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)中用到的容器是什么？實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)物去哪里了？實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境是否有影響？

學(xué)生討論后認(rèn)為：實(shí)驗(yàn)中選擇蒸發(fā)皿作為反應(yīng)的容器，蒸發(fā)皿是不可能密封的，所以實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)物逸散到了空氣中；加熱碳酸氫銨后的產(chǎn)物中有氨氣，根據(jù)信息提示，氨氣是一種有毒的氣體，會(huì)污染空氣。

教師順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生思考：老師想讓每一位同學(xué)都做一遍這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你們覺(jué)得是否妥當(dāng)？學(xué)生由于已經(jīng)意識(shí)到該實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生有毒氣體污染環(huán)境，所以一致認(rèn)為是不妥當(dāng)?shù)?。順?shì)，師生一起思考、探究實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，最終得到如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置有如下優(yōu)點(diǎn)：選用試管作為反應(yīng)容器，易密封；另取一支試管盛放澄清石灰水，并把產(chǎn)生的氣體通入其中，通過(guò)澄清石灰水變渾濁可證明產(chǎn)物中有二氧化碳?xì)怏w，試管口有小水珠能證明反應(yīng)生成了水，這些現(xiàn)象充分說(shuō)明了該反應(yīng)是有新物質(zhì)生成的化學(xué)變化；氨氣是極易溶于水的氣體，澄清石灰水能夠部分溶解產(chǎn)生的氨氣，處理一部分尾氣。此外，還可以在盛有澄清石灰水的試管口塞入雙孔橡膠塞，接上氣球，用以收集尾氣，然后集中處理。

三、 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，錘煉嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度

化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)原則：科學(xué)性、可行性、安全性、簡(jiǎn)約性、效果明顯。這也是優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方向。對(duì)此，教師可帶領(lǐng)學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化，初步學(xué)會(huì)批判性思維的方法，錘煉嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

例如，滬教版初中化學(xué)九年級(jí)上冊(cè)中的“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，原料是紅磷；原理是利用紅磷燃燒消耗密閉空間內(nèi)空氣中的氧氣，使密閉空間內(nèi)的壓強(qiáng)減小，“壓迫”水進(jìn)入集氣瓶中，根據(jù)進(jìn)入集氣瓶中水的量推斷空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)；裝置如圖3所示。

教學(xué)時(shí)，教師提供幾種可燃物燃燒的最低氧含量數(shù)據(jù)（如表1所示），請(qǐng)學(xué)生討論分析該實(shí)驗(yàn)是否有可以改進(jìn)的地方。

表1可燃物燃燒的最低氧含量

可燃物最低氧含量可燃物最低氧含量氫氣5.9%汽油14.4%乙炔3.7%煤油15.0%乙醚12.0%黃磷10.0%乙醇15.0%棉花8.0%丙酮13.0%橡膠屑12.0%二硫化碳10.5%蠟燭16.0%在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生交流的成果如下：

（1）該實(shí)驗(yàn)的原理是利用紅磷燃燒消耗密閉容器內(nèi)空氣中的氧氣，那紅磷在密閉容器中燃燒能把其中的氧氣消耗完嗎？

學(xué)生雖然沒(méi)有看到紅磷燃燒需要的最低氧含量，但是根據(jù)表格數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為：可燃物燃燒一般都需要達(dá)到一定的氧含量，當(dāng)氧含量低于閾值時(shí)，可燃物不會(huì)燃燒起來(lái)或燃著的物質(zhì)會(huì)熄滅。因此，該實(shí)驗(yàn)中盡管紅磷過(guò)量，但是當(dāng)紅磷熄滅時(shí)，并不可能耗盡密閉容器內(nèi)的所有氧氣，所以進(jìn)入集氣瓶中水的量最多只能是消耗掉的氧氣在空氣中的體積分?jǐn)?shù)，而并非全部氧氣在空氣中的體積分?jǐn)?shù)。如果其他操作都合理正確的話，那么進(jìn)入集氣瓶的水應(yīng)小于集氣瓶容積的五分之一。因而，要通過(guò)消耗氧氣來(lái)測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)的話，需要選擇能將氧氣耗盡的物質(zhì)和反應(yīng)。

（2）實(shí)驗(yàn)操作時(shí)存在不可避免的誤差，怎么辦？

通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)對(duì)操作要求比較高，其中之一是“將點(diǎn)燃的紅磷迅速伸入集氣瓶?jī)?nèi)，塞緊橡皮塞”。盡管教師在操作時(shí)已經(jīng)很迅速了，學(xué)生還是觀察到，在將紅磷伸入集氣瓶時(shí)就有白煙從瓶口冒出。白煙是可以看到的，看不到的一些氣體是否也“逃”出來(lái)了？很難保證沒(méi)有氣體因紅磷燃燒放熱而被排出集氣瓶，那么進(jìn)入集氣瓶?jī)?nèi)的水就會(huì)有所增加。

（3）實(shí)驗(yàn)裝置是否也會(huì)導(dǎo)致誤差產(chǎn)生？怎么解決？

學(xué)生認(rèn)為，裝置不是一體的，整套裝置涉及橡膠塞打孔，一個(gè)孔容納導(dǎo)管插入，另一個(gè)孔容納燃燒匙插入，玻璃導(dǎo)管上要連接橡膠導(dǎo)管，并使用止水夾。這些連接都要求密封性良好，否則會(huì)產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差。

在學(xué)生分析的基礎(chǔ)上，教師提示學(xué)生對(duì)比拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)（裝置如圖4所示）。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)的原料是汞，原理是汞在加熱條件下消耗氧氣，使密閉容器內(nèi)壓強(qiáng)減小，液面上升，根據(jù)上升的量推斷空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，不存在燃燒也就不存在最低需要的氧含量，能將空氣中的氧氣耗盡。該實(shí)驗(yàn)的密封性很容易做到，曲頸甑伸入玻璃鐘罩，而玻璃鐘罩扣在汞槽中，汞起到液封的作用。

學(xué)生基于前面實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，討論后覺(jué)得可以利用“鐵的銹蝕”實(shí)驗(yàn)（裝置如圖5所示）進(jìn)行替換。鐵銹蝕會(huì)消耗氧氣，雖然同樣也會(huì)存在最低檢測(cè)含量的問(wèn)題，但是不燃燒的氧化對(duì)氧含量的要求低許多，結(jié)果會(huì)更接近事實(shí)；操作也比較簡(jiǎn)便，動(dòng)作快慢都沒(méi)有影響。

教師追問(wèn)：同樣會(huì)有裝置密封性問(wèn)題，能否簡(jiǎn)單地做到裝置密封？能否比較精確地觀察到氧氣被消耗的量？

在教師的提示與引導(dǎo)下，學(xué)生討論得到如圖6所示的實(shí)驗(yàn)裝置?？刹扇〉膶?shí)驗(yàn)步驟如下：取一些細(xì)鐵絲繞成球，用稀鹽酸除去鐵銹后，塞到一只10mL量程的量筒底部；然后在量筒內(nèi)裝入少量水，拇指按住量筒口，把量筒倒放在一只盛有水的大燒杯中，讀出此時(shí)量筒內(nèi)液面的刻度V1；每天觀察現(xiàn)象，一周后再讀出量筒內(nèi)液面的刻度V2；兩次液面刻度的差V1-V2（由于量筒倒放，所以水越多刻度越?。纯煽醋飨牡舻难鯕獾捏w積，再除以10-V1，就得到氧氣在空氣中的體積分?jǐn)?shù)。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)操作的要求較低，學(xué)生容易做到，而且能夠熟悉量筒的使用。通過(guò)每天的觀察，學(xué)生能體會(huì)到有些反應(yīng)的發(fā)生是比較緩慢的。隨著每天液面的不斷上升，學(xué)生探究的興趣將持續(xù)被繳發(fā)。學(xué)生還會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以有多種用途，之前學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)稍作改進(jìn)就能用作后續(xù)的研究。

參考文獻(xiàn)：

［1］［2］ 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：5，7.設(shè)計(jì)指南