多层次开放实验体系的教学实践——以“氧气的制取与性质”为例

夏 兰

（深圳市福永中学，广东 深圳）

一、教材分析

该实验是《义务教育化学课程标准（修订稿）》明确规定的学生必做的八个基础实验之一，其价值在于：制取物质是化学学科魅力的核心体现。通过该实验可以让学生确立气体制备的一般思路，感知原理选择的原则，原理、装置的制约关系。笔者选择了上教版、鲁教版、人教版三个版本的教材进行梳理和分析，发现基础实验在章节安排、方案选择、药品、步骤等方面不尽相同，体现一纲多本的特征。

表1 不同版本教材对“氧气的制取和性质”的处理

二、学情分析

调查表明，学生正式学习化学前已形成大量的化学前概念，这些前概念中有些与科学概念一致，有些表现出与科学概念较大的差异。如初二学生已经知道空气中含有氧气、燃烧和氧气有关，但也有部分学生认为氧气可以燃烧、金属不会燃烧。

能力储备：学生会进行药品取用、加热、仪器的连接、装置气密性的检查、气体的收集以及氧气性质实验等简单操作；会进行生物、物理等学科的简单科学探究；初步具有概括能力。

心理特征：初中生对化学实验有强烈好奇心，但由于同伴合作和多感官协调，实验课堂易出现杂乱无序的状态。且在实验中，学生过多关注实验操作、现象，对现象背后的知识和规律较少归纳思考。

鉴于以上的分析，确定本课的教学目标如下。

三、教学目标

基础目标：观看实验演示，学习固体加热装置的使用，树立科学严谨的思想。

提高目标：通过给定仪器，安装氯酸钾制氧实验装置、实施实验、观察现象，实现知识的归纳、迁移、构建，获得实验操作能力、观察能力、语言表达能力和综合分析能力。体验物质变化的学科思想。

发展目标：通过进一步设计实验方案，进行探究活动，让学生逐步学会通过实验来研究物质及其变化规律的科学方法。获得自主、合作、探究的学习态度。

四、设计思路

设计分层次的开放实验体系。为适应现代教育发展的需要，开放性实验教学必将是化学教育的发展趋势。但开放性实验教学必须以熟练掌握学科基本实验技能为前提，每一门实验课程都必须在熟悉相关的仪器设备和掌握一定的基本实验技能的基础上，才能进行开放性实验教学。因此，根据初中化学学科的特点，笔者在实践中将实验内容进行层次划分，先强化基本实验技能训练，再逐步引入开放性实验教学方法，即在不同的层次进行不同方式的实验教学，总结出分层次开放性实验教学模式。

表2 分层次开放性实验教学模式

五、教学资源开发

（一）器材开发

仪器说明：制取实验，改直试管为弯曲试管，氯酸钾加热制取氧气；性质实验，取消收集过程，直接使用尖嘴导管将氧气通到反应物质上。

制取实验：由于接下来的二氧化碳学生实验会用到固液不加热装置，本实验宜训练固体加热装置的实验方法。高锰酸钾制取氧气具有一定局限性，要求在管口塞棉花，制得的氧气可能出现红色，试管清洗很困难，氧气的利用率低；速度也比较慢，一旦制取氧气不足，没有时间在课堂上重做一次实验。可以考虑用氯酸钾和二氧化锰的混合物来制取氧气，速度快，节约学生制取气体时间，也顺便练习了催化剂的使用方法及相关现象。实验操作：将A处放置氯酸钾，B处放置二氧化锰，用酒精灯分别加热，无现象；倾斜铁架台，将B处药剂倒在A上，在二者结合处加热，待反应开始进行，再在氯酸钾集中处加热。

表3 选择氯酸钾加热法制氧的原因

性质实验：鉴于集气瓶操作不当会导致氧气外逸实验失败，直接取消收集过程。且通过导管导气直接应用，符合生活现象（气焊、医院吸氧），学生更易接受。以前的实验，木炭放入集气瓶中位置不当会造成产生的二氧化碳排挤氧气的副作用，导致实验现象稍现即逝的惋惜。而新仪器中导气管处氧气浓度很高，碳、铁燃烧现象非常明显。实验操作：（1）将炭在酒精灯上加热，用镊子伸入装了瓶石灰水的集气瓶内放入燃烧匙中；（2）在炭上方通氧气，观察现象（澄清石灰水变浑浊现象非常明显）。（3）将集气瓶中的澄清改为的清水，改用硫、铁重复实验（硫燃烧完全没有刺激性气味）。

表4 用集气瓶和导管进行性质实验的比较

（二）文本开发

1.学生工作单：教师设计的学生活动。创设情境或提出问题，引导学生完成整节课的学习。特别注意的是，这不同于一般的导学案，工作单上还提供详细的实验步骤，将教师教授实验改为学生参照指导、自行操作实验。

2.安全指导：氧气制取使用的都是强氧化剂，易引发爆炸，需要进行安全指导。将安全要求变为每次实验的常规要求，既帮助学生树立安全意识，又可以降低学生对实验发生危险的恐惧心理。

3.参考答案单：教师设计的活动对应的各种方案。当教师无法提供太多教育支持时，学生能够自行完成任务，也可以用来检查对照他们自己的工作，或是帮他们回顾其他学生的工作。

六、教学实施

新课程标准提倡从学生和社会发展的需要出发，将科学探究作为课程改革的突破口，激发学生的自主性和创新意识，从而提高学生的科学素养。因此，这节课笔者是这样安排的。

表5 教学过程

教师活动 学生活动 预设答案 设计意图观看视频，同时关注学生工作单上的实验操作指导和安全。播放高锰酸钾加热视频。体会科学实验的严谨性；发展能力：观察、提取信息。（二）半开放实验请两人一组设计并搭建实验装置；每两组合作，评价对方装置的合理或者不合理的地方。参考高锰酸钾装置图和实验要点（学生工作单上提供），搭建装置；评价。同伴合作，从一般到特殊；发展能力：比较、知识迁移、批判思维。对比高锰酸钾装置图：需要处理为相同的：（1）试管口要略向下倾斜，防止水倒流后炸裂试管。（2）试管夹应夹持试管中上部。（3）导管伸入试管内要短。不同之处：高锰酸钾需要棉花。修正装置，按“查、装、定、点、通”步骤进行实验，根据表格记录现象。补充小烧杯（装水，根据气泡判断产气量）、木条（检验氧气）；教师进入小组指导实验。查：检查气密性（用手捂或加热）；装：在弯管两端分别放入氯酸钾和二氧化锰；定：固定装置；点：氯酸钾、二氧化锰分别加热，再混合加热（此时尖嘴导管在烧杯中）；通：出现连续气泡，检验氧气，将氧气通到加热的木炭、硫和铁丝上（后两个在集气瓶中进行）。知识再现（催化作用）、知识重构（金属燃烧）发展能力：实验操作。使用严谨科学语言表述；发展能力：归纳。提问实验现象 展示表格 碳在氧气中燃烧，发出红色火焰（发出白色火焰、发白光）。（三）开放实验6人一组，请自选或自拟课题，设计实验；如果实验没有成功的同学，可以猜测失败原因选择课题课题1：二氧化锰的催化作用。课题2：氧气浓度对物质燃烧剧烈程度的影响。课题3：氧气浓度对燃烧温度的影响。或其他课题。提高学习自由度，自主学习；理解概念的内涵和外延；发展能力：分析。教师进入小组指导学生在工作单上设计实验；经老师同意后开始实验。课题1：弯管一端氯酸钾，一端二氧化锰，分别加热，再混合加热（弯管一端氯酸钾和二氧化锰混合物，一端氯酸钾，混合物反应完后再混合氯酸钾）（弯管一端氯酸钾和二氧化锰混合物，一端二氧化锰，混合物反应完后再混合二氧化锰）。课题2、3略。同伴合作、使用控制变量法设计实验；发展能力：设计、实验操作。布置作业：请将你的实验现象拍摄下来，结合实验设计，制作一份完整的实验报告。使用照相机或手机拍照。延续性学习；发展能力：交流、电子设备使用。讨论：金属在氧气中燃烧在生活中有什么应用？ 金属切割、焊接等。 体验科学价值；发展能力：知识迁移。

七、教学效果的评价

1.发展性

分层次开放实验目前仅在大专院校实践，且只是将众多的实验分组，这实际上还是将科学、精神人为割裂。在基础教育中开展开放实验，在一个实验专题中尝试不同层次的实践，才是真正着眼于学生的“发展”。

2.可操作

一个完整的设计，包含三个层次的开放和在知识、能力、思维、学生体验、学科思想五个维度进行考查，可以为教学活动提供科学的行动纲领。

3.实用性

开发了新的实验仪器，实用性强，减少实验步骤，减轻学生负担，有助于学生将一部分精力放在知识构建和进行探究上。

4.高效能

学生工作单、参考答案单的引入，提高探究活动效率，且实现2人、4人、6人小组和全班合作的转换，增加交流多样性。