“科学探究中的实验设计”教学案例及反思

林爱华

（南京市中华中学上新河初级中学 江苏南京 210017）

“科学探究中的实验设计”教学案例及反思

林爱华

（南京市中华中学上新河初级中学 江苏南京 210017）

以“科学探究中的实验设计”教学设计为例，对初中化学科学探究主题中的实验方案的设计进行了总结、归纳和提升，并创新了一些实验设计。

实验设计；情境创设；转换法；对比法；复习课

一、背景分析

化学是一门以实验为基础的科学。著名化学界老前辈、化学史权威袁翰青说，学生不做实验是学不好化学的。戴安邦教授曾经指出：“搞化学实验，不管怎样增加，都不会过分。”这是他们在一生科学生涯中总结出来的精辟论断，同时也说明了化学实验在化学教学中所起的不可估量的作用。在化学教学中，实验是学生学习的前进动力，是学生学习兴趣培养的催化剂。尤其是在新课程改革中，更强调了实验的重要性。化学实验对于化学课程目标的全面落实具有重要的作用，在复习课中要围绕核心知识内容精选有关的实验内容，设计有科学探究意义的实验活动，应用化学知识探究和解决实际内容。学生科学探究中怎样进行实验设计以及设计什么样的实验进行科学探究是制约着学生进行科学探究的主要因素。

科学探究是化学新课标内容的一级主题，它既作为学习的方式，又作为学习的内容和目标，必须落实到其他各主题的学习中。科学探究属于方法性内容、程序性知识，不能用准确的语言和符号来表达，长期以来没有作为狭义的知识出现，教材中也没有以文本形式体现，只是大量的具体探究实例。对于科学探究学习的评价，在目前的纸笔测试中也无法全面的对学生的科学素养进行评价，学生喜欢实验却缺乏科学探究的意识。掌握科学探究的一般方法可以提高学生的科学探究能力，促进学生的可持续发展。

基于这样的认识，在对人教版初中化学教材中有关内容进行归纳整合后并借鉴学生平时反馈情况的基础上，笔者开设了一节科学探究中如何进行实验设计的复习课。通过学生分组实验引出科学探究的一般要素，点出本节课要解决的问题：如何进行实验的设计。通过回归教材、总结归纳、尝试设计实验等环节层层深入，提炼出常用实验设计的方法，使科学探究的内容和方法明朗化、显现化。

本节课的目的是让学生：（1）从学生分组实验中不同实验装置类似实验原理出发，激疑进而展开猜想等活动引导学生了解科学探究的一般要素。（2）分析归纳实验设计的一般方法，再次认识教材中的许多实验设计。为此，笔者一方面借助于分组实验，动手实践的切身体验，将学生进一步置身于探索者、发现者的角色，引导学生了解常用实验设计方法的基础之上，交流讨论、合作探究完成实验设计；另一方面又借助于多媒体教学手段，将自然、社会、生物等各个领域中的相关知识有效整合进本课教学，充分放大知识点的应用，努力折射出枯燥的实验设计背后所散发的独特魅力。

二、教学案例描述

1．情景1

将班级学生分组，每六人一小组完成两个兴趣小实验。

图1

实验1：将注射器内的液体注入到锥形瓶中，振荡，观察现象。

实验2：将小气球内的液体注入到软塑料瓶中，振荡，观察现象。

实验3：将注射器内的液体注入到集气瓶中，振荡，观察现象。

师：你看到了什么现象？

生：展示装置并描述装置发生的现象。

师：三套装置产生的现象各不相同，它们的实验原理类似吗？

生：三套装置都是密闭的，由装置内压强减小引起装置中部分器材产生形变从而观察到明显的现象。

师：哪些液体和气体能让装置产生这样的形变呢？

生：互相讨论后回答。（1）氢氧化钠溶液和二氧化碳气体；（2）水与二氧化碳或二氧化硫或氯化氢气体；（3）水与氨气；（4）稀硫酸与氨气……

师：针对刚才老师的疑问，你们做出了猜想，接下来我们还需要设计实验、进行实验、验证猜想、得出结论、反思与评价等。这就是一般进行科学探究的要素。

师：刚才同学们的实验装置中的液体是氢氧化钠溶液，瓶内气体是二氧化碳。我们知道氢氧化钠与二氧化碳的反应无明显的实验现象，你能通过老师的实验设计明白其中的设计原理吗？（教师分步演示实验。见图2）

图2

师：演示实验1、2、3步，此时能证明氢氧化钠可以与二氧化碳反应吗？

生：可以，先让二氧化碳与水反应，当反应不再进行时加入固体氢氧化钠，通过塑料瓶的变瘪程度可以判断出氢氧化钠能与二氧化碳反应。

师：象这种没有明显现象的反应，通过巧妙的实验设计，让隐性实验显现化。这种实验设计的方法可以归纳为转换法。

师：要证明一个化学反应是否发生，我们除了通过观察实验过程中伴随的明显现象外，还可以有什么方法呢？

生：检验是否有新的生成物。

师：演示实验4。

师：在设计实验验证化学反应能否发生时，不要忘记紧扣化学反应的本质有新物质生成，通过后续实验检验有新的生成物或检验反应物消失（减少）也是途径之一。

学以致用：提供氢氧化钠和碳酸钠分别在水和乙醇中的溶解度，让学生根据信息设计实验，证明二氧化碳能与氢氧化钠反应。

表1 NaOH、Na2CO3在水中的溶解度：

表2 NaOH、Na2CO3在乙醇中的溶解度：

学生分组讨论设计实验、分组汇报、评价实验方案、演示实验。

师：人教版九年级化学上下册教材中哪些实验设计用到了转换法？实验的目的分别是什么？

学生分组讨论，汇报。

生答：如分子运动看不见，可转换成可见的酚酞溶液的变红证明分子的运动，把微观粒子的运动宏观化。又如，探究空气中氧气含量的实验，该实验氧气的体积看不见也不易测量，可转换成水的体积进行观察，把间接的现象直观化。再如氢氧化钠溶液和二氧化碳的反应无明显现象，可转化成先在氢氧化钠溶液中滴入无色酚酞，然后再加稀盐酸至红色突然褪去，证明酸和碱之间确实发生了化学反应，等等。

2．情景2

师：刚才同学们的分组实验中，密闭容器内的压强减小导致部分装置发生形变可以证明氢氧化钠能与二氧化碳反应吗？

生：氢氧化钠溶液中的水也可以和二氧化碳发生反应导致装置内的压强减小，所以仅通过密闭装置压强减小无法判断氢氧化钠能否与二氧化碳反应。

师：如何用这样的装置设计实验证明氢氧化钠能与二氧化碳反应呢？

生：将刚才装置中的氢氧化钠溶液换成等体积的水做对比实验即可。

师：很好！对比法也是我们常用的实验设计法之一。设计对比实验时关键要弄清楚实验的目的是什么？实验中的相同因素和不同因素分别是什么？下面请同学们回顾一下教材中哪些实验设计运用了这种方法？

生：互相讨论。

生答：⑴对人体吸入的空气和呼出的气体的探究；⑵探究二氧化锰对过氧化氢溶液分解速率的影响以及不同种类的催化剂对化学反应速率的影响；⑶木炭、硫磺、铁丝等分别在空气与氧气中燃烧；⑷探究燃烧的条件；⑸探究金属活动性顺序的实验等等

师：下面我们来讨论几个比较典型的对比实验（见表3）。

表3 典型的对比实验

学生讨论归纳，教师引导纠错，深刻理解每个实验的目的及相同与不同的因素。

师：铁在潮湿的环境下会生锈，铜如果也置于潮湿的环境中是否也会生锈呢？

生：也会生锈，有铜绿生成。

学以致用：李明同学视力不好，戴了一副眼镜（铜制眼镜框），某日发现镜框上出现了绿色物质，通过学习知道，该物质是铜锈，主要成分是Cu2（OH）2CO3（俗称铜绿）。

【提出问题】铜在什么条件下生锈？

【假设猜想】根据铜绿的化学式，猜想铜生锈可能是铜与_______、_______、_______共同作用的结果。猜想的依据是______________。

【设计与实验】

实验装置实验现象

师：实物投影学生设计的实验方案，与学生一起评价各种实验方案的优缺点，并确定最佳实验方案。

师：通过今天的学习，同学们对科学探究不再茫然，对实验设计不再无助。实验设计的能力有了一定的提高。在现实生活和今后的学习中要针对不同实验目的灵活运用多种实验设计方法进行科学探究。

三、教学反思

学生是课堂的主体、学习的主人，在课堂教学中只有将学生的兴趣激发出来，潜能挖掘出来，课堂才会有生命力。本节课通过分组实验步步设疑、创新实验设计激发思维、身边熟悉的变化层层剖析使得整节课上同学们个个兴趣盎然，纷纷献计献策设计实验方案完善实验方案。

思维是课堂生成的前提和内核，启发学生进行思维不但可以是枯燥难解的教学活动变得生动有趣，而且更易达成教学目标。如何在课堂上让学生保持持久的求知欲，这就需要教师分析学情，研究教材，精心设计课堂教学，引导学生在课堂中主动需要和探索新的未知知识。

1．注重情境创设，助推学生的认知行为

教学情境的功能不只是导课。好的教学情境对学生的认知活动、情感活动和实践活动等都具有激发、推动、维持、强化和调整的作用，在教学的全过程中发挥着作用。本节课选着学生分组实验“密闭容器中液体和气体混合”的情境，在教学进程的不同阶段出现，起到了三个作用：一是引入新课，激趣质疑；二是利用实验情境突出实验装置设计的巧妙性，引出了实验设计的方法——转换法；三是承上启下的过渡到另一种实验设计的方法——对比法。一组兴趣实验的情境创设串起整节课的主干知识，让学生通过亲自实践形成感性认识，在剖析实验原理、归纳实验设计方法的过程中促进学生进行思维联想，便于学生对知识进行重组和改造，帮助学生知识的同化和顺应，最终促进学生理性认知的发展。

2．改进实验设计，彰显实验的方法功能

《义务教育化学课程标准》明确要求科学探究氢氧化钠的性质，氢氧化钠与二氧化碳的反应是一个无明显现象的重要反应。从各类教参资料及近几年中考实验命题来看，设计该实验一般采用对比的方法或直接检验生成物的方法。笔者重新设计实验：在塑料瓶中充满二氧化碳气体，倒入半瓶蒸馏水（在瓶口挂上装有片状氢氧化钠固体的塑料小药瓶）振荡，观察实验现象；倒置塑料瓶，让氢氧化钠与剩余的二氧化碳反应，观察现象；用注射器注入稀盐酸，观察现象。将该实验与学生分组实验对比分析，总结出两种常见实验设计方法，突破了本节课的教学重点和认知难点。

优化整合的实验起到了构建新知、形成概念、运用知识、培养探究能力等多种功能。

3．注重知识迁移，全面发展科学素养

学习的最终目的不是将知识储存于大脑中，而是要将知识灵活运用于不同的实际情境中，解决现实生活中的各种问题。为了提高学生综合应用知识的能力，教师需要帮助学生夯实“双基”，将所学的知识条理化、系统化，构建知识体系。通过知识的迁移和综合运用，把科学思维的方法教给学生，提高学生应用化学知识和科学方法解决实际问题的能力与技巧，为学生的可持续发展奠定必要的基础。

［1］中华人民共和国教育部制定．全日制义务教育化学课程标准（2011年版）［S］．北京：北京师范大学出版社，2012

1008-0546（2015）07-0050-03

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