基于证据推理的教材实验拓展教学

吕旭东 刘文 鹿杰

摘要：以教材中的两个实验进行拓展为例，引导学生对出现的“异常现象”提出问题，并开展基于证据推理的实验探究。在“证伪”和“证实”过程中强化学生对知识的理解，培养学生化学学科核心素养。

关键词：证据推理;实验探究;教材实验;拓展教学

文章编号：1008-0546（2021）05-0095-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.024

教材中的化学实验不仅仅是课堂教学的重要组成部分，也是帮助学生理解化学知识和提升实验技能的关键突破口。从隐性的价值来看，化学实验可以激发学生学习的兴趣和探究的欲望，有效培养学生的观察能力、实践能力及思维能力，同时也是发展学生化学核心素养，形成化学学科观念的重要途径。倘若把教材中的一些实验进行适当拓展和延伸，精心设置情境，有目的地引导学生进一步开展实验探究，势必会加强学生科学探索的体验，扩大学生思维的深度和广度，对增强教学效果起到事半功倍的作用。

笔者从证据推理的视角，以“草酸和高镒酸钾酸性溶液反应”和“氢氧化镁沉淀溶于氯化铵溶液”两个教材实验为例，开展实验拓展教学，旨在探索培养学生化学学科核心素养。

一、基于证据推理的实验拓展教学

1.草酸和高镒酸钾酸性溶液反应

“草酸和高镒酸钾酸性溶液反应”是人教版高中化学选修4第20页实验2-2的内容，该实验在教材中的功能是探究反应物浓度对化学反应速率的影响，探究结果为：在相同条件下，0.2moI/L的草酸比0.1 mol/L 的草酸使高镒酸钾溶液褪色时间短，以此说明了增大反应物的浓度，可以加快化学反应的速率。查阅相关文献，不少文章几乎一致的深入探讨了该实验实施的最佳条件或理论解释实验出现的特殊现象，而鲜有人介绍它在拓展教学中的功能。

综合教材实验内容和刘文芳⑴老师对该实验最佳条件的研究，并结合实际情况，课堂教学采用以下浓度和体积的试剂进行实验，见表1所示。

根据该反应的离子方程式引导学生思考比较实验1和实验2反应快慢的方法。经小组讨论，主要提出以下方法：对比溶液褪色的先后;对比溶液pH变化快慢;对比封闭条件下产生CO？的快慢等。根据溶液褪色判断， 虽然实验操作简单，現象明显，但学生无法感受到反应的进程。因此，为了更详尽地表达该反应，便于后续的拓展实验，要求学生采用数字化实验开展探究。

【探究1】分别向两个塑料瓶（容积300mL）中加入表1中的试剂：溶液—硫酸溶液—不同浓度 H2C2O4溶液，振荡后利用CO2传感器（Vernier， T同）同时测封闭条件下CO2的含量，如图1（a）所示。

实验曲线不难发现，单位时间0.2mol/L草酸溶液反应产生的CO2含量大，得出了反应物浓度大，化学反应速率快的结论。除此以外，不少学生敏锐地发现了曲线呈现出来的特殊性：反应刚开始生成CO2的速率较慢，过一段时间迅速加快。就浓度的角度考虑，随着反应的进行，反应物浓度减小，反应速率应该减小， 什么原因导致了速率的“异常现象”呢？针对这一问题，学生展开了讨论，老师从影响反应速率的因素方面适时引导，最终假设集中在两个方面：

假设一：反应放热，温度升高导致反应速率迅速增大;

假设二：反应生成的MnSO4起到了催化作用。

【探究2】基于假设一，用表1中实验2的试剂及用量开展探究，采用温度传感器测反应温度的变化（见图2）。

证伪：由图2可知，反应过程中温度变化由开始的25.0℃至最高26.2℃，说明该反应放热，但热效应非常小。学生通过查阅资料：经验告诉我们，温度每升高10℃，许多反应的速率会增大2?4倍⑵。然而，由图1发现，0?200s时间段CO2含量增加了约500ppm，而200?400s时间段CO2含量增加了约3000ppm，仅仅升高了1.2℃，反应速率却增大已超6倍，远远超越了温度对速率的影响，因此，假设一不成立。

如何设计实验证明是MnSO4起到了催化作用呢？很多学生都设计出了实验方案，但部分学生却忽略了控制变量的原则，经各小组讨论，最终达成一致并进行探究。

【探究3】取完全相同的两份表1中实验2的试剂和用量，其中一份加入少量MnSO4固体，同时进行对比实验测CO2的含量（见图3）。

证实：加入MnSO4固体的塑料瓶中，单位时间产生 CO？多，即反应速率快，证明MnSO4起到了催化作用。

2.氢氧化镁沉淀溶于氯化铵溶液

学习“难溶电解质的溶解平衡”这一节时，教材就“沉淀的溶解”内容安排了一组实验，但并没有说明实验药品的浓度及用量，笔者课前经过反复实验尝试后，课上要求学生分组进行定量实验（见表2），并提出以下几个拓展性问题。

【问题l】Mg（OH）2沉淀溶解在5mol/L NH4C1溶液中的原因可能是什么？

经讨论，排除溶剂水使其溶解的基础上，大部分同学认为是溶液水解产生的H+与OH-结合生成水，从而促进了 Mg（OH）2溶解平衡正向移动所致。少部分同学则坚持是NH4C1电离出的NH;直接结合OH-所致，如图4所示。

【问题2】如何设计实验证明自己所持观点正确呢？

方案一：配制与5.0mol/L NHQ溶液（经测定pH=4.6）相同pH的盐酸，向2mL Mg（OH）2悬浊液中加入2mL pH为4.6的盐酸后充分振荡，实验如图5所示，浑浊无明显溶解。

方案二：向2mL Mg（OH）2悬浊液中加入2mL 5.0mol/L CH3COONH4溶液。实验如图6所示，浑浊变澄清。

理论解释：已知25℃时，学生根据方案一实验现象可知，Mg（OH ）2沉淀的溶解显然不是水解产生的酸性所致。有一组学生则认为，由于所以CH3COONH4溶液发生了双水解且溶液呈中性，Mg （OH）2沉淀溶解在中性的CH3COONH4溶液中必然是铵根离子所致。此时，教师及时引导学生从定量的角度进行计算，CH3COONH4的水解常数：水解程度较大，因此，等浓度的CH3COONH4和NH4CI溶液，后者溶液中较大，所以进一步佐证了 Mg （OH）2沉淀溶解在NH4C1溶液中是结合促进了沉淀溶解平衡正向移动的结果。最后，还可以根据反应：的平衡常数进行判断，该反应为典型的可逆反应，增大反应物的浓度将有利于Mg（OH）2沉淀的溶解。

二、教材實验拓展教学的思考

1.教材实验是教学创新的源泉

化学是一门以实验为基础的自然科学，若离开实验，化学将会失去最灿烂的底色。中学化学教材中设置了许多演示实验、学生实验、科学探究等内容，这些素材恰恰是教学创新的源头活水。教师只要在教学过程中不断深入研究教材实验，注重素材的遴选与构思，不懈探索，亲身实践，长此以往便会创造性地使用教材，引导学生开展高质量的探究活动。对学生而言，化学实验充满着魔幻的力量，深深吸引着学生去发现和探索奥秘。因此，在教材实验的基础上，教师要善于引导学生完成“发现问题-思考原因-寻找证据T合作探究T解决问题”进阶拓展过程，这将有效提升学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。如在“草酸和高镒酸钾酸性溶液反应”实验中，学生发现一段时间后反应速率迅速增大的问题，从而思考影响反应速率的因素，进一步寻找可能的证据（温度和催化剂），再通过实验探究进行证伪和证实，最终得出了该反应为自催化反应的结论。

课本上还有很多实验适用此模式进行拓展教学， 如人教版化学必修1教材中“钠在増蜗中燃烧”实验， 产物除了淡黄色固体外为什么还有黑色物质;“Na2O2与H2O反应”实验结束以后滴入酚猷，溶液变红后为什么又褪色;“浓H2SO4与Cu反应”实验过程中溶液为什么会变黑;必修2教材中“KI溶液中加入氯水”，少量氯水和过量氯水现象为什么不同等等。教师只要善于思考，愿意为同学们搭建发现问题和探究问题的平台，学生就会在科学探究的过程中体验快乐、增强兴趣和收获知识。

2.拓展教学是提升化学核心素养的重要途径

教材中的内容大多数是以结论的形式直接呈现， 教学过程中若教师只以讲授的方式把结论传递给学生，长此以往学生就会重记忆轻理解，养成死记硬背的习惯，这与推进素质教育是相违背的。拓展教学则是对课本内容再加工、再整合、再创造的过程。教师精心设置问题情境，鼓励学生从已有知识寻找证据， 设计实验并合作探究，通过实验现象进行推理获取结论和新知。两组拓展实验的方案设计，从定性到定量突出了控制变量的思想;从证伪到证实，突出了化学核心素养的渗透。因此，教材实验拓展教学对学生的学科观念和学科思维的发展起到了至关重要作用，值得一线化学教师大胆尝试。

三、结语

苏霍姆林斯基认为，在人的心灵中，都有一种根深蒂固的需要，这就是希望感到自己是一个发现者、研究者、探索者，这种需要之于学生尤为强烈⑷。学生如果获取知识的方式是通过查阅资料分析出来、科学实验探究出来、文献数据计算出来，必将保持对化学学科的浓厚兴趣，乐于沉浸在学习科学知识的海洋中。

参考文献

[1]刘文芳.浓度对草酸与酸性高镒酸钾溶液褪色反应速率的影响研究[J].化学教育，2011（10）：86-88

[2][3]北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学编.无机化学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002：273，409， 410，420

[4]苏霍姆林斯基·杜殿坤编译.给教师的100条建议[M].北京：教育科学出版社，2015：63