化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)在研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)與實(shí)施

鄭沅

摘 要：本文系統(tǒng)探討了化學(xué)反應(yīng)的研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及實(shí)施。首先，通過酸堿中和、金屬與酸反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)，深入探討了化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，通過測量溫度變化揭示了反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化原理。其次，通過設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案的微項(xiàng)目，學(xué)生在整合化學(xué)知識(shí)的同時(shí)，研究能源與氧氣再生問題，培養(yǎng)了跨學(xué)科整合的能力。這一綜合研究旨在提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究能力，為未來化學(xué)在科學(xué)與工程領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)；研究性學(xué)習(xí)；化學(xué)反應(yīng)；能量轉(zhuǎn)換；學(xué)科整合

研究性學(xué)習(xí)作為一種強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)參與、探究和發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)方式，在當(dāng)今教育中得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。而化學(xué)作為自然科學(xué)的一個(gè)重要分支，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直以來都是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要手段。因此，將化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)融入研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)科興趣、提高他們的實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)思維能力具有重要的意義。

一、研究性學(xué)習(xí)對(duì)深度學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用

學(xué)生的主動(dòng)參與、學(xué)科興趣的激發(fā)、實(shí)踐與理論的結(jié)合以及批判性思維的培養(yǎng)共同推動(dòng)了學(xué)生在化學(xué)領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)，為其未來的學(xué)科發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（一）鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與

在高中化學(xué)教育中，引入研究性學(xué)習(xí)是為了突顯學(xué)生主動(dòng)參與的關(guān)鍵性，這對(duì)于促進(jìn)深度學(xué)習(xí)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往是教師向?qū)W生傳遞知識(shí)，而研究性學(xué)習(xí)則強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動(dòng)性。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作和數(shù)據(jù)分析，學(xué)生積極參與到學(xué)習(xí)的全過程中，從而不再僅僅是被動(dòng)地接受知識(shí)。這種主動(dòng)性的參與有助于學(xué)生更深層次地理解和鞏固學(xué)科知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了他們?cè)诿鎸?duì)新問題時(shí)靈活運(yùn)用知識(shí)的能力，進(jìn)一步提升了問題解決的技能。

（二）激發(fā)學(xué)生的學(xué)科興趣

研究性學(xué)習(xí)通過提供更富挑戰(zhàn)性和實(shí)踐性的學(xué)科任務(wù)，成功地激發(fā)了學(xué)生對(duì)高中化學(xué)的興趣。學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，他們通過主動(dòng)設(shè)計(jì)和操作實(shí)驗(yàn)，使得對(duì)化學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了更加濃厚的好奇心和興趣。這種興趣的培養(yǎng)不僅在短期內(nèi)帶動(dòng)了學(xué)科學(xué)習(xí)的積極性，更在長期內(nèi)為學(xué)生未來的專業(yè)發(fā)展奠定了積極的基礎(chǔ)。通過實(shí)踐性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)生更容易認(rèn)識(shí)到化學(xué)領(lǐng)域的廣闊可能性，從而更愿意深入學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。

（三）實(shí)踐與理論知識(shí)的有機(jī)結(jié)合

研究性學(xué)習(xí)的核心在于將實(shí)踐性的實(shí)驗(yàn)與理論知識(shí)有機(jī)結(jié)合，從而推動(dòng)學(xué)生對(duì)深度學(xué)習(xí)的追求。通過實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生能夠更生動(dòng)地理解抽象的理論概念，并將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際問題的解決中。這種實(shí)踐與理論的有機(jī)結(jié)合有助于學(xué)生形成更為全面深刻的學(xué)科認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅是理論知識(shí)的驗(yàn)證，更是學(xué)生思考、實(shí)踐和創(chuàng)新的舞臺(tái)，促使他們將所學(xué)知識(shí)更加深刻地融入實(shí)際應(yīng)用中。

（四）培養(yǎng)批判性思維

研究性學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析中運(yùn)用批判性思維。學(xué)生需要審慎評(píng)估實(shí)驗(yàn)步驟的合理性，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，并從中得出科學(xué)結(jié)論。這種思維方式的培養(yǎng)不僅提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，還促進(jìn)了他們?cè)诿鎸?duì)復(fù)雜問題時(shí)的獨(dú)立思考能力。通過批判性思維，學(xué)生能夠更全面地審視問題，不僅關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更關(guān)注實(shí)驗(yàn)的過程和方法，培養(yǎng)了他們?cè)谖粗I(lǐng)域中主動(dòng)探究的精神[1]。

二、高中化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀和不足

通過深入分析高中化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀和不足，可以更全面地認(rèn)識(shí)到存在的問題，并在今后的教學(xué)實(shí)踐中有針對(duì)性地改進(jìn)，提升高中化學(xué)教育的質(zhì)量。

（一）現(xiàn)狀分析

目前高中化學(xué)教育中，探究性實(shí)驗(yàn)逐漸受到重視，但在實(shí)際教學(xué)中存在一些問題。首先，由于教學(xué)資源和設(shè)備的限制，一些學(xué)校難以提供充足的實(shí)驗(yàn)條件，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)踐中的機(jī)會(huì)受到制約。這種限制可能阻礙學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中充分發(fā)揮創(chuàng)造性思維和動(dòng)手能力，從而影響其實(shí)踐能力的培養(yǎng)。其次，教師在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和指導(dǎo)中可能面臨時(shí)間和能力的壓力，難以全面引導(dǎo)學(xué)生深入?yún)⑴c。這可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程變得機(jī)械和單一，無法真正激發(fā)學(xué)生的學(xué)科興趣。此外，考試導(dǎo)向的評(píng)價(jià)體系也使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往被邊緣化，學(xué)生更關(guān)注應(yīng)試而非真正的學(xué)科探究。

（二）不足之處

高中化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)在實(shí)施中存在一些不足之處。首先，一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可能缺乏足夠的創(chuàng)新性，難以引發(fā)學(xué)生的濃厚興趣。這可能導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程缺乏熱情，影響其主動(dòng)參與的積極性。其次，實(shí)驗(yàn)中的安全問題需要更加重視，確保學(xué)生在實(shí)踐中的安全性。教育機(jī)構(gòu)和教師需要確保學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中掌握正確的安全知識(shí)和技能，以避免潛在的危險(xiǎn)。同時(shí)，由于一些學(xué)校的師資力量和實(shí)驗(yàn)設(shè)備水平有限，導(dǎo)致一些學(xué)生無法充分體驗(yàn)到探究性實(shí)驗(yàn)的樂趣和價(jià)值。這使得教育資源的不平衡成為制約學(xué)科素養(yǎng)全面提升的瓶頸。

（三）未來展望

隨著高中教育改革的不斷深入，相信高中化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)將迎來更好的發(fā)展機(jī)遇。通過全社會(huì)的關(guān)注和支持，可以逐步解決實(shí)驗(yàn)條件不足的問題，為學(xué)生提供更廣闊的學(xué)科實(shí)踐空間。投入更多的資金和資源，提高學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備水平，有助于創(chuàng)造更有挑戰(zhàn)性和實(shí)際意義的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。同時(shí)，加強(qiáng)教師隊(duì)伍建設(shè)，培養(yǎng)更多高水平的化學(xué)教育專業(yè)人才，將有助于提升探究性實(shí)驗(yàn)在高中教育中的地位和作用。期待未來，高中化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫胤?wù)于學(xué)生的全面發(fā)展和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。這需要教育體制、學(xué)校和教師共同努力，形成有利于學(xué)科探究和實(shí)踐的教學(xué)環(huán)境[2]。

三、化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)

在化學(xué)反應(yīng)的研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目中，選擇了化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)作為一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)方向。通過測量不同反應(yīng)過程中的溫度變化，學(xué)生可以深入了解反應(yīng)過程中的能量轉(zhuǎn)化。具體實(shí)驗(yàn)包括以下兩個(gè)子實(shí)驗(yàn)：

1.酸堿中和反應(yīng)

在酸堿中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生選擇強(qiáng)堿氫氧化鈉（NaOH）與強(qiáng)酸鹽酸（HCl）反應(yīng)為例。該反應(yīng)化學(xué)方程式如下：

HCl?+ NaOH →NaCl ?+H2O

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中按照一定的摩爾比例混合NaOH和HCl，通過測量混合溶液的溫度變化，記錄反應(yīng)前后的溫度差。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，學(xué)生能夠計(jì)算反應(yīng)過程中釋放或吸收的熱量，從而了解該酸堿中和反應(yīng)的熱效應(yīng)。

2.金屬與酸反應(yīng)

在金屬與酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生選擇鋅（Zn）與鹽酸（HCl）反應(yīng)為例。該反應(yīng)化學(xué)方程式如下：

Zn + 2HCl → ZnCl2+H2↑?

學(xué)生按照一定的摩爾比例將鋅片與鹽酸混合，同樣通過測量反應(yīng)前后的溫度變化，記錄反應(yīng)過程中釋放或吸收的熱量。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，學(xué)生能夠比較不同反應(yīng)的熱效應(yīng)，深入理解金屬與酸反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化過程。學(xué)生不僅能夠?qū)嶋H操作化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的反應(yīng)，還能通過數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，深入理解化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)原理，為研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目的深入進(jìn)行奠定基礎(chǔ)[3]。

（二）化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能——電池

在這個(gè)研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目中，將設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)于電池的實(shí)驗(yàn)，以便學(xué)生深入了解化學(xué)能如何轉(zhuǎn)化為電能的過程。以下是實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)步驟：

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過構(gòu)建簡易電池裝置，觀察金屬溶液反應(yīng)，深入研究化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)制，并探究不同金屬對(duì)電池性能的影響。

2.實(shí)驗(yàn)材料

兩塊相同大小的銅片

兩塊相同大小的鋅片

母液槽

銅和鋅的硫酸溶液

導(dǎo)線

電流計(jì)

電壓計(jì)

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）準(zhǔn)備材料

在進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)之前，首先需準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料。

（2）銅片和鋅片處理

將銅片和鋅片分別插入兩個(gè)母液槽中，確保它們不直接接觸，以避免直接的電化學(xué)反應(yīng)。

（3）溶液倒入

在兩個(gè)母液槽中分別倒入銅和鋅的硫酸溶液。

確保液面充分覆蓋銅和鋅片，使它們完全浸泡在溶液中，為電化學(xué)反應(yīng)提供足夠的反應(yīng)物。

（4）連接電路

使用導(dǎo)線將銅片和鋅片連接，建立電池電路。

通過電流計(jì)和電壓計(jì)分別連接電路，以準(zhǔn)確測量電流和電壓。

（5）測量和記錄

啟動(dòng)電路后，記錄實(shí)驗(yàn)過程中電流和電壓的數(shù)值。

仔細(xì)觀察反應(yīng)過程中的現(xiàn)象，如氣體產(chǎn)生、電極表面的變化等。

定期記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括電流隨時(shí)間的變化、電壓的波動(dòng)等信息。

（6）重復(fù)實(shí)驗(yàn)

使用不同金屬或調(diào)整硫酸溶液的濃度，以研究它們對(duì)電池性能的影響。可以改變銅和鋅的組合，或者調(diào)整硫酸的濃度，記錄并比較不同實(shí)驗(yàn)條件下的電流和電壓數(shù)據(jù)。通過這一系列實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生將深入了解不同因素對(duì)電池性能的影響，并培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析的能力。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)示例

在使用銅和鋅的硫酸溶液時(shí)，記錄的電流和電壓數(shù)據(jù)參照如下：

電流：0.5安培（A）

電壓：1.2伏特（V）

通過比較不同金屬組合和溶液濃度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以深入研究電池的工作原理，了解不同條件下化學(xué)能如何轉(zhuǎn)化為電能。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)旨在提高學(xué)生對(duì)電池性能和化學(xué)能轉(zhuǎn)化的理解，并培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)思維能力。

（三）氫氧化亞鐵的制備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

理解并掌握制備氫氧化亞鐵的方法；

觀察氫氧化亞鐵的顏色和狀態(tài)；

了解氫氧化亞鐵不穩(wěn)定的原因及保存方法。

2.實(shí)驗(yàn)原理

氫氧化亞鐵【Fe（OH）2】是白色固體，難溶于水，但易被氧化。制備氫氧化亞鐵通常采用將可溶性鐵鹽與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)的方法。為了防止氫氧化亞鐵被氧化，制備過程中應(yīng)嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，如氧氣濃度、溶液酸堿性、反應(yīng)溫度等。

3.實(shí)驗(yàn)材料和儀器

硫酸亞鐵溶液；

氫氧化鈉溶液；

蒸餾水；

試管；

（特別長的）膠頭滴管；

離心管；

離心機(jī)。

4.實(shí)驗(yàn)步驟

組裝密閉裝置，并將適量的氫氧化鈉溶液滴入硫酸亞鐵溶液中，同時(shí)攪拌；當(dāng)觀察到生成白色沉淀物時(shí)，停止滴加氫氧化鈉溶液；

將試管中的混合物用離心機(jī)進(jìn)行離心分離，分離出上層清液和下層沉淀物；

將離心后的沉淀物用蒸餾水洗滌多次，直至洗滌液中不含硫酸根離子；

將洗滌后的沉淀物離心分離，得到較純凈的氫氧化亞鐵固體。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過觀察離心后的上層清液和下層沉淀物的顏色和狀態(tài)，確定是否成功制備了氫氧化亞鐵；

分析實(shí)驗(yàn)過程中可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素，如：氧氣濃度、溶液酸堿性、反應(yīng)溫度等；

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論如何保存氫氧化亞鐵，并探討其在實(shí)際應(yīng)用中的可能性。

（四）金屬的腐蝕與防護(hù)

在金屬的腐蝕與防護(hù)的研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目中，致力于讓學(xué)生深入了解金屬在不同環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)過程。通過模擬大氣、水等不同條件，學(xué)生將觀察金屬的腐蝕現(xiàn)象，并通過設(shè)計(jì)防護(hù)措施來延緩金屬的腐蝕過程。這一實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，并使他們?cè)诨瘜W(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上掌握材料科學(xué)的應(yīng)用。

1.實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)記錄

（1）腐蝕實(shí)驗(yàn)：模擬大氣環(huán)境

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生選擇不同金屬樣品（如鐵、銅、鋁），將它們暴露于模擬大氣條件中，包括潮濕環(huán)境或含有鹽分的空氣。學(xué)生定期測量金屬表面的腐蝕程度，并記錄環(huán)境條件，如濕度和鹽分濃度。通過這些數(shù)據(jù)，學(xué)生可以計(jì)算腐蝕速率等參數(shù)，深入分析金屬在大氣環(huán)境中的腐蝕情況。實(shí)驗(yàn)旨在揭示不同金屬在不同大氣條件下的耐腐蝕性能，為腐蝕防護(hù)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

（2）腐蝕實(shí)驗(yàn)：模擬水中環(huán)境

在這一實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生將金屬樣品浸泡在模擬水中的容器中，以模擬水中腐蝕環(huán)境。通過定期測量金屬的腐蝕情況，并記錄水的酸堿度等環(huán)境參數(shù)，學(xué)生可以分析水中環(huán)境對(duì)金屬腐蝕的影響。實(shí)驗(yàn)旨在研究水質(zhì)對(duì)金屬的腐蝕性，為水處理和防腐工程提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。通過這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠更全面地了解不同環(huán)境條件下金屬腐蝕的機(jī)制和影響因素，為相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)[4]。

2.防護(hù)措施設(shè)計(jì)

（1）涂層防護(hù)

在涂層防護(hù)方面，學(xué)生可以設(shè)計(jì)多種類型的涂層，例如油漆或涂層膜，以覆蓋金屬表面。首先，選擇合適的涂層材料，并在金屬表面均勻涂覆。隨后，通過周期性地測量金屬表面的腐蝕情況，學(xué)生可以評(píng)估涂層對(duì)金屬的保護(hù)效果。使用腐蝕速率等指標(biāo)進(jìn)行定量分析，了解不同涂層類型對(duì)金屬的抗腐蝕性能，為實(shí)際應(yīng)用提供有效的防護(hù)策略。

（2）電化學(xué)防護(hù)

學(xué)生可以嘗試采用電化學(xué)方法，如電鍍，來保護(hù)金屬表面。在電化學(xué)防護(hù)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要選擇適當(dāng)?shù)碾婂儾牧虾蜅l件，進(jìn)行電化學(xué)處理。通過對(duì)處理前后金屬性質(zhì)的測量，例如電位、電阻等，學(xué)生可以分析電化學(xué)防護(hù)的效果。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠形成均勻且致密的保護(hù)層，提高金屬的抗腐蝕性能。學(xué)生還可以考慮不同電化學(xué)方法對(duì)金屬表面的影響，以優(yōu)化防護(hù)效果。

（五）微項(xiàng)目：設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案——化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用

在微項(xiàng)目中，學(xué)生將致力于解決載人航天器長期航行中的能源和氧氣供應(yīng)問題，通過設(shè)計(jì)一種化學(xué)電池并研究氧氣再生方案，旨在實(shí)現(xiàn)能量及物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化利用。以下是微項(xiàng)目的詳細(xì)設(shè)計(jì)：

設(shè)計(jì)一種具有高能量密度和穩(wěn)定性的化學(xué)電池，并研究一種可行的氧氣再生方案，以滿足載人航天器在太空中長期航行的能源和氧氣需求[5]。

結(jié)束語

通過對(duì)化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)在研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)與實(shí)施進(jìn)行深入探討，本文旨在為化學(xué)教育領(lǐng)域提供一種有效的教學(xué)模式。通過合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合研究性學(xué)習(xí)的理念，能夠更好地促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其學(xué)科素養(yǎng)，為其未來的學(xué)科發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。希望本文的研究能夠?yàn)榛瘜W(xué)教育的改革和創(chuàng)新提供一些有益的啟示。

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本文系南平市“十四五”中小學(xué)（幼兒園）學(xué)科教學(xué)帶頭人培養(yǎng)對(duì)象教育科研課題“化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)在研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目中的應(yīng)用案例研究”的研究成果。