化学教学中微型探究活动的策略

高兆芬

(上饶师范学院,江西 上饶 334001)

美国实用主义教育家约翰◦杜威(John Dewey,1859～1952)提出:科学教育不仅仅是要让学生学习大量的知识,更重要的是要学习科学研究的过程或方法。在教学过程中实施探究性教学就是要改变学生被动学习知识的方式,倡导学生在教师的启发诱导下,通过独立自主和合作讨论等学习形式,在体验科学探究的过程中主动获取知识,发展能力。这种教学形式的开展既能培养学生的主体意识,增强学生团结合作的精神,又能激发学生的探索精神与创新能力。

1 问题的提出

任何一种教学形式都不是尽善尽美的,探究式教学也存在不足之处:①在实施探究式教学时,时间难以控制,致使影响到教学进度的情况。②探究式教学涉及的实验存在用量过多、操作较为繁琐的局面。介于这些情况,笔者提出在化学教学中实施微型探究活动策略。

2 微型探究活动的内涵

微型探究活动是为了适应当今课堂教学的需要,在探究式教学的基础上加以改进的一种教学活动,它从学生熟习的和已有的知识经验出发,倡导“绿色化学”的理念,不仅提倡将探究实验微型化,而且也可将探究过程微型化,它灵活、多样,不拘泥探究过程的完整性,只有这样才能使实验易操作,活动易开展,教师易控制,从而使探究式教学活动得以常态化。

3 微型探究活动策略

化学探究活动策略以提高学生科学探究的素养,激发学生探索和创新的欲望,改进学生被动学习的状况为原则。教师要把探究教学活动当作是日常教学中的一个环节或者是某部分内容的延伸,开展探究教学活动更应以课堂教学的需要为目的而设计,探究内容可从教材中、从生产和生活中挖掘探材料,把探究的内容经过细化,筛选成微型化课题,从而把探究教学活动穿插在课堂教学之中。这样就使得探究活动不必刻意找一大块时间单独实施,提高了探究活动的可操作性。

3.1 探究内容的微型化

中学化学教材中适合于探究活动的内容有很多,怎样选择既立足于教材,又不被教材所束缚;既立足于当前所关注的一些社会问题、环境问题,又使设计的问题符合基础性、多样性、层次性和开放性;更重要的是所选择的内容具有一定的深广度,体现科学探究的基本特征,又适用于课堂教学,这就需要教师选择的探究题目不能过于复杂,涉及的问题不宜过多、过深,且在较短的时间内能够解决的问题进行探究式教学。

案例1-1 铝与稀酸反应的探究

高中化学1第三章金属及其化合物中着重讲到铝的性质,在讲到铝的用途时,提到不能用铝制品来储存腌制酸菜,学生不理解,于是我设计了“铝与稀酸反应的探究”:

由实验引出问题:在分别盛有稀硫酸和稀盐酸的试管中各放入一块铝片,片刻发现盛稀盐酸的试管中出现大量的气泡,而盛硫酸的试管中只有少量的气泡,其原因何在?

引导学生分析引起这种现象的可能原因,并进行分组讨论提出猜想:

⑴酸的浓度不同会影响气体的产生

⑵酸溶液中阴离子不同会影响气体的产生

⑶铝片表面是否打磨会影响气体的产生

依据分析可能的原因引导学生设计出下列实验方案:

①将打磨干净的同样大小的铝片同时分别放入装有2mL1mol/L稀硫酸和2mL 1mol/L盐酸六孔井穴板的1#和2#井穴中,观察反应现象。

②将打磨干净的同样大小的铝片同时分别放入装有2mL1mol/L稀硫酸和2mL 2mol/L盐酸六孔井穴板的3#和4#井穴中,观察反应现象。

③将未打磨的同样大小的铝片同时分别放入装有2mL1mol/L稀硫酸和2mL 2mol/L盐酸六孔井穴板的5#和6#井穴中,观察反应现象。

④实验③中稀硫酸反应的5#井穴中加入少量NaCl固体,用玻璃棒将搅拌待NaCl固体溶解后观察现象。

通过三组学生实验,引导学生进行讨论分析现象,并得出结论:

表1 铝片在两种酸中的反应情况

由此得出结论:当酸溶液中的氢离子浓度相同时,未打磨的铝片与稀硫酸反应要比与稀盐酸反应要慢,其原因是因为盐酸溶液中的氯离子也能破坏铝片上的氧化膜,由此则可以解释为什么不能用铝制品来储存用食盐腌制酸菜的原因。

本实验探究的内容并不复杂,操作也方便并且采用了微型实验仪器井穴板进行实验,为探究活动节约了时间,整个过程在10～15min即可完成,这样的探究内容能灵活地穿插在教学过程中,由于时间短而不会打乱整个教学秩序,同时将生活问题设置成探究课题,让学生体会到学习化学的的价值,增强了学生的学习化学的兴趣。

3.2 探究实验的微型化

目前学校教学基本组织形式是以班级授课制,教室比较小,班级人数又较多,如果让全班学生都参与到探究实验中的话,不仅药品消耗量大,而且有些实验用常规仪器实验也不利于在课堂教学中运用。而如果采用微型化学实验进行探究活动则可以用少量的药品来获取最有效的实验信息,微型化学实验具有操作简单、方便省时、污染少、实验现象直观明显、安全可靠等方面的优点在实验探究活动中扮演着重要的角色。学生在学习化学的过程中,利用微型化学实验进行探究活动,一方面会不由自主的节约药品,微型化的实验仪器在一定程度上限制了药品的使用,也就培养了学生的节约意识,另一方面微型化实验的应用也便于教师在探究活动时对学生的管理,适合在课堂教学中应用。

案例2-1 铜与稀硝酸反应产物的探究

问题的提出:铜与稀硝酸反应能产生NO,但由于NO是无色的气体,且NO与O2非常容易反应生成红综色的气体NO2,因而在实际操作时很难观察到NO的颜色,那么如何设计铜与稀硝酸反应的实验,证明反应能生成NO呢?

由于这个探究课题是制备气体的实验,如果延用常规仪器做实验的话,由于仪器体积较大,在课堂教学中让全班学生都参与实验很不太方便,而如果改用一些微型的仪器做这个实验探究的话,却十分的灵巧方便。微型仪器设计精美巧妙,不仅趣味性强,就像玩具,而且药品用量少,操作方便,学生很有兴趣。

主要仪器和药品:一次性注射器(10mL),小U型管,玻璃管(Φ 5×100mm),青霉素瓶,用青霉素瓶改装的酒精灯,小橡皮塞(4个),稀硝酸,NaOH溶液,粗细铜丝少许等。

设计思路:①要防止空气与NO气体接触;②要在实验中证实有NO生成,则必须证明NO与O2反应生成红棕色的NO2。

实际操作能力差是中学生普遍存在的弊病,造成的原因就是让学生实际动手的机会太少,利用微型实验可以给予学生充分自由发挥的空间,让学生不断实践、不断探索,使学生真正动起来,以达到人人动手、个个参与实验的目的。根据以上提供的仪器药品和设计思路,教师引导学生形成了三套方案。(如下图)

图1 三种方案实验装置图

方案①(如图所示)此法用一个10mL的注射器做反应容器,下端放一个青霉素瓶作为溶液的接收器,先将铜丝绕成环状放入注射器,然后吸入约2～3mL热的稀硝酸(物质的量溶度大约为5mol/L),一会儿便看到铜丝表面上有大量的气泡产生,溶液也逐渐变成蓝色,注射器内产生无色的气体,由于气体难溶于水,产生的压力至使蓝色的溶液从注射器下端流出,待溶液快排尽时,拉动活塞吸入空气,可以观察到气体由无色变为红棕色。之后将红棕色气体推入装有NaOH溶液青霉素瓶中除去,以免污染空气,再次吸入热稀硝酸可重复上述实验。[1]

方案②将铜丝固定在橡皮塞上,用另一个橡皮塞将玻璃管的一端塞紧,用滴管小心向玻璃管中加满稀硝酸,向青霉素瓶中加入3～4mL热的稀硝酸(物质的量浓度与方案①相同),用带铜丝的橡皮塞将玻璃管的另一端塞紧,迅速放入盛有热稀硝酸的青霉素瓶内,用铜丝将另一端的橡皮塞推掉。过一会儿可以看到玻璃管内有无色的气体产生,并将里面的稀硝酸溶液慢慢压入青霉素瓶中,同时,溶液逐渐变为蓝色[3]。当玻璃管内气体快要充满时,拨掉带铜丝的橡皮塞,可以看到气体由无色变为红棕色后将塞子塞紧,过一会儿气体颜色逐渐变浅(NO2被溶液吸收)。

方案③在一个小U型管中加入1/3高度的热稀硝酸(物质的量浓度与方案①相同),用橡皮塞塞好管口,右边橡皮塞插有螺旋状粗铜丝,向右边倾斜排尽空气,一会儿看见右端有气泡产生;立正,看见右边有管内充满无色的气体(由液面差判定),朝左倾斜,右端气体变为红棕色;再次立正,一会儿右端管中气体颜色变浅(部分NO2气体溶于水变成NO)[4]。

本实验利用微型化实验探究了铜与稀硝酸反应产物,该实验三种设计均达到了预定的效果,实验试剂用量少、安全、成功率高、实验现象明显便于观察。由于用微型化的仪器代替了常用仪器,不仅在操作上更加便利,利于探究活动的开展,而且实现了一个实验可以用多种实验方案实施的目标,开拓了学生的视野,值得在中学化学教学中推广。

实践证明,微型化实验的运用在一定程度上解决了探究活动难以操作、药品用量过多且用时过多的一个难题,为实现探究活动的微型化起了重要的作用。

3.3 探究过程的微型化

在新的教学理念下,科学探究是化学课堂教学活动中特殊重要的组成部分,教师要在课堂教学中有效地进行探究教学活动,不但要需要帮助学生正确认识科学探究的实质,切实把握好探究活动的内容,将微型化实验引入探究活动,更要灵活设计探究的过程,将探究过程分段处理,使探究过程微型化,从而将一个探究课题分成若干个小课题在课堂上实施,进而在不影响教学程序的基础上有效地组织探究活动。

案例3-1 乙醇分子结构推断的探究活动设计

高中化学2第三章第三节在讲完乙醇与钠反应之后,为帮助学生认识乙醇的分子结构,依此内容为题材设计“乙醇分子结构推断”探究活动,围绕着这个课题进行的一系列设问、猜想、假设、论证所消耗的时间较长,在课堂内不能完成,所以可将其分段处理,这样处理既不防碍学生体验探究过程,又可以向学生展示一种科学研究的途径和思维的方式,有利于培养和训练学生科学的方法,同时也有利学生对知识的理解。

问题的提出:乙醇的分子式C2H6O其结构可能有几种?

提出猜想:在教师的引导下,让学生用球、棍尽可能多地构建分子模型(提醒学生注意:建分子模型要保证碳四价、氧二价、氢一价为前提)。收集并归纳学生组成的结构模型只有下列两种类型,如图:

图2 分子式C2H6O可能的两种结构

提出问题:同学们已经知道乙醇能与钠反应产生氢气,那是否可以通过乙醇与钠反应产生氢气来判断乙醇的分子结构是A式还是B式呢?

问题讨论,提出假设:

假设①如果乙醇的结构为A式,A式中C与H原子均以C-H键存在,与钠反应只能断裂C-H,那么1mol乙醇与足量的钠反应最多能生成3mol的氢气。

假设②如果乙醇的结构为B式,B式中含5个C-H和1个O-H,与钠反应可以断裂C-H或者O-H,若只断裂一种键的话,则1mol乙醇与足量的钠反应最多能生成2.5mol或0.5mol氢气。

假设③如果B式中C-H和O-H与钠反应均可以断裂的话,1mol乙醇与足量的钠反应最多也能生成3mol的氢气。

由上述分析得出结论:探究乙醇的分子结构,可以从测定一定量乙醇与足量的钠反应产生氢气的体积的定量关系中获得,但探究的关键在于准确测定乙醇的用量与产生的氢气体积的关系。

关于实验装置的设计,由于时间关系,我把它布置成家庭作业,鼓励学生在课后设计出方案,设计出一套既能准确确定加入一定量的乙醇,又能准确收集氢气的装置。装置设计好后,利用课外活动的时间教师选出几个有代表的方案交于学生讨论、补充,最终得出最佳方案。并用最佳方案进行实验操作验证。

这样安排,一方面从中体会到科学研究的基本方法,加深了对乙醇分子结构的认识,另一方面又将探究过程分段设置,将活动过程微型化,进而不影响整个课堂教学,从而使科学探究活动更加灵活、更有效。

案例3-2 Na2O2使酚酞先变红后褪色的探究活动设计

在讲Na2O2与H2O反应的性质时,向装有Na2O2粉末的试管中加入水,立即有大量的气泡放出,用“带火星”的木条检验,木条复燃,证明产生的是O2;再向反应后的溶液中加入酚酞试液,溶液变红,但瞬间又消失了！针对这个异常现象,我给学生们设计了“Na2O2使酚酞先变红后褪色的探究”的课题。

提出问题:什么物质使变红的酚酞溶液又褪色?

引导学生提出假设:

⑴产生的O2使溶液褪色

⑵可能是受生成NaOH浓度的影响

⑶Na2O2与H2O反应后溶液中有H2O2,H2O2将其氧化而褪色

进而设计出实验方案:

①向滴有酚酞的NaOH溶液中通入O2,观察溶液是否褪色。

②在不同浓度的NaOH溶液中滴入酚酞,观察现象。

③向滴有酚酞的NaOH溶液中加入H2O2,观察现象

④在Na2O2与水反应后溶液中加入少量的MnO2,用带火星的木条伸入试管内检验

通过学生实验验证和讨论分析,将其实验现象和结果归纳如下:

表2 酚酞变色的原因

由此得出Na2O2使酚酞先变红后褪色主要原因是由于反应中有氧化性物质H2O2生成,另一方面如果溶液中NaOH浓度大的话,也可使酚酞褪色。

针对实验②这一反常情况,由于课堂时间的限制,我鼓励学生在课外通过查找资料解释为什么浓的碱溶液使酚酞先变红后褪色,且碱的浓度越大,褪色越快的问题。学生对此产生较浓厚兴趣,他们积极行动经过多方查找资料,终于发现原来酚酞结构是会变化的,在酸性溶液中以无色的内酯式结构存在,在碱性溶液中转化为醌式而显红色,在浓碱溶液中又转化为无色的羧酸盐式。通过对常规实验中存在的异常问题的探究,让学生了解科学过程,领悟科学思想,培养了实事求是的科学态度。

对于在课堂上不能完全解决的探究问题采用上述方式处理,使科学探究巧妙地熔合在课堂教学之中,这也是微型探究活动策略所倡导的一种形式,它既达到了探究的目的,又不影响教学进度,具有可操作性。

将探究活动微型化还是一种新尝试,这种活动传递的理念就是:合理选择探究课题,灵活地设计探究过程,将探究的内容微型化,在探究活动中引入微型化实验,使科学探究活动能够更好地、更巧妙地穿插于课堂教学之中,让学生更好地、更充分地体验科学探究的过程,从而逐步懂得科学探究的内涵,掌握科学探究的基本方法。

[1]高兆芬.化学探究式教学常态化策略[J].化学教学,2013,(4):26～27.

[2]刘狄.化学探究教学的选题与活动设计[J].湘潭师范学院学报,2004,(6):117～121.

[3]王文林.中学化学知识探析与实验研究[M].西安:陕西师范大学出版总社有限公司出版,2010.

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[5]黄王乐编著.化学新课程中微型实验探究活动的设计[M].北京:化学工业出版社,2005.

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