基于“观念建构”的初中化学实验探究设计

郭海强

摘要：本文通过创设不同水平层次的、真实的认识性驱动问题和挑战性认识任务的情境，彰显知识的认识功能价值，设计了两节基于培养学生高级思维和创新能力的实验探究课，以调动学生的复习积极性，达到优化复习教学的目的.努力培养并建构学生的实验观、定量观、宏微结合观等基本化学观念.

关键词：复习;实施建议;实验探究;核心观念

2011版义务教育化学课程标准（以下简称“新课标”）倡导科学探究的学习方式，密切结合化学与社会生活的联系;积极开展科学探究活动，对于改变学生的学习方式和教师的教学方式，使学生在获得化学知识和技能的同时，学习科学方法，体验探究的乐趣，发展科学探究能力具有重要意义;引导学生认识物质世界的变化规律，形成化学的基本观念[1].以观念为本的实验教学，就是尊重实验、理解实验、善用实验、创新实验，以科学思维为线索，真正实现物我互化的教学境界[2].因此，初中化学实验探究复习教学应抓住初中化学课程中科学探究的本质和关键，根据学生的心理特点和具体的教学内容精心设计探究活动，有效地组织和实施探究教学，让学生思考并交流，发展学生的科学探究能力，增进对科学探究的体验，从而提升学生的科学素养.

本着遵循连贯性（coherence＼focus＼rigor）、少而精（less is more，in—depth）、大观念（big ideas and coreconcepts）的设计理念，让学生充分感受和领悟化学学科的价值，依据新课标设计了两节以实验探究为核心、问题解决为驱动的复习实验探究课：一节以一级主题“物质的化学变化”中的“活动与探究建议”为素材，设计实验探究二氧化锰、硫酸铜溶液对过氧化氢分解反应的影响，一节以“实施建议”中的“山中之宝——石灰石”为素材，设计实验测定石灰石样品中碳酸钙的质量分数.提高实验探究复习质量和效率，使学生在亲历中感受到直接的、具体的、丰富的实验体验，并在体验中产生情感，形成态度、观念[3].

1用真实而有意义的情境将“裸露”的知识包装起来基于真实而有意义的情境下的化学实验教学，选择和运用合适的教学方式和方法是影响化学实验教学效果的重要因素之一，通过科学的分析，迁移应用有关学习成果，探索解决问题的途径和方法，能够帮助学生深化对基本概念和基本原理的理解，建立起化学的视角，树立全新的价值观发展观和科学观.

[“山中之宝——石灰石”课堂实录（节选）]：

提出问题：如何通过实验测定石灰石样品中碳酸钙的质量分数？

小组讨论后，汇报结果：

（生）：可以通过高温煅烧石灰石至质量不再改变为止.

（生）：可以将一定质量的石灰石样品和装有足量稀盐酸的试管放在烧杯中，先不让两者接触，称出总质量，再将试管中的稀盐酸倒入烧杯中（试管也放在烧杯内），待其充分反应后，再次称量烧杯的质量，损失的质量即为二氧化碳的质量.

（生）：可以将上述反应生成的二氧化碳气体直接用装有过量氢氧化钠溶液的洗气瓶吸收，分别称得洗气瓶在吸收前后的质量，两者的差值即为二氧化碳的質量.

（师）：同学们讨论出三套实验方案，各小组再讨论三套实验方案中，哪套实验方案更合理呢？是否已经达到了最优化组合？

（生）：第一套实验方案，条件需要高温，对条件的要求比较高.第二套实验方案比较简洁，但该反应是放热反应，二氧化碳中会含有HCl和水蒸气，实验可能会存在较大的误差;第三套实验方案中也存在HCl和水蒸气的问题，二氧化碳气体可能会残留在实验装置内，实验可能也会存在较大的误差.所以，三套实验方案都有一定的缺陷.

（师）：回答得很好.

设计意图：通过学生自主设计的实验方案并对方案进行讨论、评价，激发了学生的认知冲突，引导学生学会用化学方法探究物质的组成，建构起对知识的理解与体会.得出检验并测定石灰石样品中碳酸钙的质量分数的思路和方法，而非通过大量的强化练习而得到，从而培养学生的思考能力、探究能力、创造能力.

（师）：既然石灰石的样品与稀盐酸反应生成的二氧化碳气体中含有氯化氢和水蒸气两种杂质，那么如何设计实验方案才能使实验的结果更合理呢？

小组讨论后，汇报结果：

（生）：根据以上的讨论，第二套实验方案也被排除，在第三套实验方案中盛有氢氧化钠溶液的洗气瓶之前，增加去除氯化氢和水蒸气的实验装置，并将装置中残留的二氧化碳气体全部通入盛有氢氧化钠溶液的洗气瓶中，分别称出洗气瓶在吸收前后的质量，两者的差值即为二氧化碳的质量，最后通过计算即可求得碳酸钙的质量分数.

（师）：那么选用什么试剂除去两种杂质呢？

（生）：可以选择足量的饱和NaHCO3溶液吸收氯化氢气体，用浓硫酸吸收水蒸气，向装置中通入大量不含有二氧化碳的气体将残留在装置内的二氧化碳气体排除，以被氢氧化钠溶液吸收.

（师）：饱和的NaHCO3溶液吸收氯化氢气体的原理是什么？

（生）：NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑，从而除去HCl气体.

（师）：虽然除去了HCl气体，但增加了CO2气体的量，会使实验的结果偏大，应该选用什么试剂呢？

（生）：应该选用AgNO3溶液去除氯化氢气体.

（师）：很好，两种药品是否有顺序的差异呢？

（生）：有，应先除去氯化氢气体，再除去水蒸气，最后将残留在装置内的CO2气体排出，使之完全被氢氧化钠溶液吸收.

（师）：其实，不仅反应后残留在装置内的CO2会产生误差，反应前装置内的空气中的CO2也会对实验的结果产生干扰，前者应被吸收，后者应除去，应该如何处理呢？

（生）：可以通入足量的N2或O2等不与相应药品发生化学反应的气体物质来完成前者被吸收，后者除去的操作.

（师）：很好，其实空气的主要成分是N2和O2，只要能将空气中的CO2气体除去即可，用什么试剂可以除去空气中的CO2气体呢？

生齐答：将空气通过足量的氢氧化钠溶液即可.

（师）：空气需要通几次？分别在什么时候通入？作用分别是什么？

（生）：两次，第一次是反应之前，排出装置中的空气，第二次是反应结束后，将残留在装置内的CO2赶入装有氢氧化钠溶液的洗气瓶中.同时，为防止空气中的CO2和水蒸气进入氢氧化钠溶液的洗气瓶中，影响实验的结果，应在其后再加上装有碱石灰的干燥管.

（师）：很好，于是我们就可以设计出如图所示的装置：

（师）：好的，下面请同学们按照我们所设计实验方案，动手实验并测定石灰石样品中碳酸钙的质量分数.

学生动手实验，教师巡视并指导.学生实验，通过列化学方程式计算得出碳酸钙的质量分数.

设计意图：用一条线索贯穿实验教学活动始末，将碳酸钙的性质、碳酸盐的定性定量检验方法实验误差的分析方法以及化学与生活的联系等巧妙融合其中.从内容讲解到问题驱动再到活动展开、从举例说明到理解解释再到设计改进、从现象描述到本质分析再到变量干预，层层深入地引导学生去质疑、思考，教学节奏和梯度有利于不同学生的发展需要，使学生，不由自主地带着问题追根寻源，主动进入探究角色.更深刻地了解石灰石样品中碳酸钙的含量的测定及其方法，逐步引导学生形成“依据性质确定检验方法、从定性到定量”的认知过程.

2发挥化学概念的认知发展功能，促进建构核心观念

促进观念建构的复习教学应该是由从知识解析到促进认识发展、从定义中心到基于认识转变、从具体性知识传授到观念建构为本转型的教学;是围绕知识所代表的关键问题以及学生发展的障碍点设置学习任务，促使学生在解决问题任务的过程中经历知识所代表的认识角度、认识程序和认识策略的学习的教学.对帮助学生理解概念原理的内涵、外延、应用等都是极有帮助的，不仅大大拓展了学生对其理解的深度和广度，而且为学生提供了更多的实践探索和研究的机会，无疑对提升学生的实践操作能力和探究能力都是有较高价值的.

鉴于此将“过氧化氢分解的催化剂”实验探究课设计了两个探究环节：（1）探究二氧化锰在过氧化氢分解前后的质量和化学性质;（2）分析并探究硫酸铜溶液对过氧化氢分解催化作用的微观实质.

[“过氧化氢分解的催化剂”课堂实录（节选）]：

学生实验活动：在电子天平上准确称取1.00g的二氧化锰粉末，加入大试管中，用带火星的木条放在试管口检验产生的气体，待反应结束后，将试管中反应后的物质经反复冲洗过滤洗涤、干燥、称重.

小组汇报结果：1.00g、0.96g、0.98g、1.00g、1.03……

（师）：出现偏差的几组同学请结合操作的过程说明出现这种情况的原因.

（生）：少许固体残留在试管内壁;未过滤完全;固体未干燥……

（师）：很好.如果我们的操作完全规范正确，则可以证明二氧化锰在化学反应前后的质量不变.我们知道催化剂具有“一变两不变”的特点，那么下面请大家设计实验证明二氧化锰在化学反应前后的化学性质不变.

（生）：很简单，只要将刚刚得出的二氧化锰重新加入到过氧化氢溶液中，看其对过氧化氢的催化能力是否相同就可以了.

（师）：很好，下面请同学们开始实验.

小组实验并汇报结果.多数小组回答化学性质不变，突然有一小组的同学站起来回答：老师，我们感觉二氧化锰的催化能力减弱了，是不是二氧化锰在反应过程中的化学性质发生了变化呢？

（师）：很好，观察的很仔细，其实催化剂大都参与了化学反应，并改变了化学反应速率.重复使用后的MnO2的催化能力（化学性质）往往会不断降低，因为MnO2常存在、β、γ、δ等多种变体，各种变体的催化效能是不相同的，它们的活性排序为：—MnO2>γ—MnO2>δ—MnO2>β—MnO2，MnO2在多次催化后晶型可能转化为δ—MnO2、β—MnO2，导致催化效能降低.为了保持MnO2的催化活性，可用热的稀硫酸进行活化.所以，教学中死抠“一变二不变”确有不妥之处[4].

设计意图：通过探究本源性认识问题，异常现象的出现，激发了学生的认知冲突，促进学生对催化剂的偏差认识转变，并获得真实性和批判性的知识，使学生获得积极的情感体验5.有助于整体性促进学生认识能力、科学思维能力的发展.

（师）：硫酸铜溶液对过氧化氢也有催化作用，硫酸铜溶液中含有Cu2+、SO2-、H2O三种微粒，是哪种或哪几种微粒对过氧化氢有催化作用呢？请同学们一起讨论并进行探究.

小组讨论并汇报：

（生）：我们认为取5%过氧化氢溶液5mL于三支试管中，分别向其中加入等体积的水、硫酸溶液、氯化铜溶液，立即伸入带火星木条，看其是否复燃即可.

（生）：我们认为水不需要验证，因为过氧化氢溶液中本身就有水，只需要分别验证Cu2+、SO2-是否对过氧化氢起催化作用即可.取5%过氧化氢溶液5mL于二支试管中，分别向其中加入等体积的硫酸溶液、氯化铜溶液，立即伸入带火星木条，看其是否复燃即可.

（生）：我们觉得他们的讨论是不够严密的，若要证明硫酸铜是过氧化氢分解的催化剂，还需要通过实验确认它在反应前后的质量和化学性质是否发生改变.

（师）：很好，考虑得很周到.下面我们先通過实验证明是哪种或哪几种微粒对过氧化氢有催化作用，请各小组开始实验.

学生很快通过实验得出：Cu2+对过氧化氢分解具有催化作用.

设计意图：适时地鼓励学生产生观点和问题，注意聆听并尊重学生的观点、问题和提出的证据，使教师与学生之间建立起了工作性关系，优化了实验复习教学的方式.对硫酸铜溶液对过氧化氢分解催化作用的微观分析，有利于发展学生对催化剂概念的理解和问题解决，充分关注化学知识对学生认识角度的形成的作用，充分明确学生认识发展的进阶（层级），用最合理的时间以最有意义的方式引导学生学习最有价值的内容，从真实的问题解决的需求中体现观念建构的价值，注重了开放性与实效性相统一.

3加强实验教学，实现从知识解析到促进认识发展化学课堂教学的转型

现代社会是化学化的社会，现代社会的公民必须具备必要的化学知识、技能，需要具有较强的实验意识，否则在面临跟化学有关的问题时就难以作出正确的决策.实验教学是实现三维目标的基本要求，强调以教材知识为基础，注重对教材知识进行提炼演绎、发散、应用.两个课例集气体的制备、药品的选择、实验方案的设计与评价、混合物分离、除杂、误差分析、计算等初中化学核心知识、技能于一体，具有一定的思维容量，综合性较强，有利于培养学生的实验观、定量观、宏微结合观等化学基本观念，对于提升学生的化学学科能力和科学素养具有一定的价值.

加强实验教学，应依据具体的教学目标、教学内容和学生的认知水平，有效组织和实施，学情分析须关注学生偏差认识、认知障碍和认识发展层级，灵活运用启发式、探究式讨论交流等各种教学方式，引导学生开展自主学习、探究学习和合作学习，精心设计和组织探究活动，促进学生科学素养的主动发展;处理好教师引导探究和学生自主探究之间的关系，所选用的教学方式应与学生具体的学习任务、学习活动和学习方式相适合，以保证教学方式运用的有效性将探究教学与创新能力培养通过高级思维能力建立起本质上的联系，将科学探究教学与创新能力培养落到实处”，使实验探究更富有成效.

加强实验教学，充分发挥实验的教学功能，有利于培养学生严谨的科学态度、创新精神和实践能力;有利于学生认识方式的转变（孤立、要素地——联系、系统地;静态、组成地——动态、变化地;定性地——定量地）;有利于学生形成了认识能力（描述和说明、分析和解释、预测和证明、设计和调控）.有利于实现从低水平的探究式教学到高水平的探究式教学的转变.追求如何在日常的核心知识教学中开展探究活动做到促进学生高级思维进而发展创新能力的，需要我们一线教师去重视并开展有关的研究.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]靳莹.超越器物层面思想创新先行[J].化学教学，2014（02）：7—11.

[3]宋心琦.化学实验教学问题[J].中学化学教学参考，2011（11）：3—6.

[4]李嘉.MnO2催化剂中毒现象的探究[J].中学化学教学参考，2012（11）：37—38.

[5]历晶，郑长龙，齐艳娟.优化实验教学方式实现实验教学价值[J].现代中小学教育，2013（12）：47—50.

[6]王祖浩，王磊.義务教育化学课程标准（2011年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2012.

[7]王磊基于培养学生高级思维和创新能力的化学探究教学发展趋势[J].化学教育，2014（07）：5—9.