“科学探究”引领的化学实验教学

姚毅

【摘  要】在实验教学中，通过创设情境激发探究、实验开启探究、实验深化探究、实验拓展探究等环节的设计，明晰科学探究素养引领下的化学实验教学脉络，形成可操作的流程，同时按照“预测性质→设计实验方案→实验→现象分析讨论→得出结论”的思路开展探究活动。本文以人教版（2019）必修1《钠及其化合物》第一课时“钠与水的反应”的教学为例，探讨基于科学探究的教学设计，发展学生的学科核心素养。

【关键词】科学探究;化学实验教学

一、问题的提出

实验探究是一种重要的科学实践活动，应基于学生的证据意识培养和实际行为改善来设计教学。现行化学课程标准也要求培养学生能发现和提出有探究价值的问题;能从问题和假设出发，根据探究目的，设计探究方案;提高课堂教学效率，培养学生的学习能力，认真开展验证性实验和探究性实验教学。目前，高中化学实验教学在实验准备不充分、实验证据缺乏的情况下，有些教师通过讲实验、视频实验 “圆满”地完成实验教学。这样做割裂了证据和结论的联系，实验教学仍旧重验证和培养学生的基本操作;这样做，学生虽然参与了，但动“手”多，动“脑”少，只要得出了结论就好，而在得出结论的过程中所要蕴含的科学方法和思想一律忽略，这种只关注“探”而不重视“究”最大的问题是缺失了证据意识和科学素养的形成和发展。本文以“钠与水的反应”的教学为例，探讨基于科学探究的教学设计，发展学生的学科核心素养。

二、教材与学情分析

教材分析：“钠与水的反应”内容，课程标准中对应的学业要求是，能够描述、辨认识别钠的重要物理性质及实验现象;能写出钠的主要化学性质的化学方程式或离子方程式;能用价-类二维认识模型，设计实验验证预测，并能通过实验收集证据，分析证据得出结论并解释有关实验现象。本部分内容承接第一章“物质及其变化”，铺垫第三章“铁和金属材料”及第四章的“元素周期律”等内容。所以本节课内容既可以巩固前面所学习的物质的分类及转化、离子反应和氧化还原反应等理论知识，又可以为后面继续学习其他元素、建构物质结构和元素周期律、了解化学反应与热量等知识打下学习的方法基础。

学情分析：初中阶段学生已学过铁、锌等金属，初步接触了金属单质的研究方法，已经学会从金属活动性顺序的角度去研究金属的共性和特性。通过第一章的学习，学生已经具备从类别、化合价角度研究物质的知识基础和素养储备，但理解不够深入，缺乏应用氧化还原反应知识推测钠的性质并加以证明的科学方法。故在教学中需要在教师的引导下进行基于证据推理的有关科学探究，这也是本节课的关键和创新。

三、教学进程

（一）教学目标

（1）了解钠与水反应的现象和本质，正确书写有关的化学方程式。

（2）以钠与水反应的学习为线索，逐步形成价-类二维认识模型。

（3）在研究钠与水反应的过程中，能依据预测设计实验方案，经过实验证实或证伪，培养证据推理意识。

（二）教学重点和难点

重点：钠与水反应;价-类二维认识模型的建构。

难点：钠与水的实验探究。

（三）设计思路

从生活场景引入新课，并布置任务：钠着火能否用水灭火，后继学习中围绕这一任务展开;紧接着用实验开启探究，让学生通过预测钠与水反应的产物，再从教材实验和氧化还原理论两个角度予以验证;继续就如何改进教材实验使钠与水反应的产物可见，通过实验设计和实验来深化探究;最后就钠能否置换出铜等不活泼的金属，通过钠与CuSO4溶液反应和钠与CuO反应来拓展探究，得出钠置换出不活泼金属的条件。这样环环相扣，层层递进，让学生在科学探究中兴趣盎然，在掌握知识的同时培养其实验设计能力、动手操作能力、证据意识，提高学生的综合素养。

（四）教学过程

1.情境创设，激发探究

【新闻视频】沈阳一企业库存金属钠爆燃致厂房起火。

师：你是现场指挥者，将采取什么样的措施救火？

学生1：用水灭火。

学生2：用泡沫灭火器灭火。

学生3：用干冰灭火器灭火。

师：以上物品能否用来灭火呢？用提供的试剂和药品经过实验得出结论。

设计意图：真实具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生化學学科核心素养提供了真实的表现机会。本环节以生活中真实发生的工厂钠起火、灭火事件引入该课，迅速将学生带入本节课的探究情境：钠与水的反应。同时将灭火物质的选择设计成课时学习的线索，贯穿课堂的始终，使该资源的价值和功能发挥得淋漓尽致。

2.实验开启探究

【实验】用镊子夹取一小块钠，用滤纸吸干表面的煤油，用刀切去外皮，取绿豆大的一粒钠，投入有水的烧杯中。

【问题】

（1）描述钠与水反应的实验现象，并分析得出对应的结论。

（2）通过以上实验，试归纳钠单质的物理性质，并说出推断理由。

（3）预测Na与H2O反应的化学方程式并说明理由。

教师强调安全注意事项，学生分组实验，合作讨论汇报。

学生1：钠浮在水面上（结论：钠密度小于水的密度）;钠熔化成小球（结论：钠的熔点低，钠与水的反应放热）;钠球四处游走（产生气体反推作用）;有“嘶嘶”声（产生气体）;钠最终消失（钠反应完全）。

学生2：钠单质物理性质：质软（刀切），银白色，密度大于煤油而小于水，熔点低（在水面上可熔）。

学生3：2Na+2H2O=2NaOH+H2↑，理由：活泼金属可与水或酸反应置换出H2。

师生一起点评，评价其合理性及不足之处。

设计意图：本环节将教材上“观察钠的颜色”和“钠与水的反应”探究活动整合在一起，带领学生认识钠与水的反应;取消了教材上滴加酚酞的操作，调整了预测化学方程式和动手实验的顺序，这一处理把学生将要学习的钠当作完全未知的东西，增强其演示的意义和教学的价值，能更好地将“教材”变“学材”，并引导学生学会从物质类别和化合价的角度去认识物质的性质，逐步建立价-类二维认识模型。

3.实验深化探究

师：刚才我们从钠的结构和化合价的角度预测了钠与水反应的产物，但从实验现象不能得到很肯定的结论，那么可设计哪些方案来验证我们预测的产物。

方案一：往水中滴加酚酞，再加钠，观察溶液是否变红。思路：NaOH溶液呈碱性，遇酚酞变红。

方案二：用香烟盒里的“锡纸”包好一小块钠，用针在“锡纸”上刺几个小孔，用镊子夹住，放入水中的试管口下方，并用排水法收集气体，靠近火焰，检验是否有爆鸣声。

方案三：用实验室制CO2的装置，将水滴到钠上，用产生的气体吹肥皂泡，再将气泡点燃。

师生一起评价、筛选最佳可行的方案，并动手验证，分析得出结论。

学生1： 加了酚酞的水变红，证明有NaOH生成。

学生2：肥皂泡点燃后，有清脆的爆鸣声，证明气体产物是氢气。

师：能否用含水溶液的灭火剂来灭钠引发的火灾？

学生：不能，因为钠与水会反应放热且产生H2。

师：火灾现场存放有大量的钠时，需要用干燥的沙土来灭火。至于CO2为什么不能用于灭火，我们将在下一节课学习。

设计意图：Na与H2O反应产物的探究是本课时的教学重点。先从化合价角度预测钠与水反应的产物，再引导学生从已有的知识出发，设计实验使钠与水反应的产物“可见”，并实验验证之。基于学生最近发展区进行分析推理、证实假设的科学探究思维，诊断并评价学生科学探究水平。滴加了酚酞的水变红、钠块在水层中“跳舞”、肥皂泡炸裂的爆鸣声给了学生无限成功的喜悦，极大促进学生愿意探究的欲望。

师：谈谈这节课的收获。

学生1：钠元素的常见化合价是+1，所以钠单质在反应中化合价会升高体现出还原性。

学生2：研究物质性质的方法：根据结构或化合价等知识预测性质→设计实验方案→实验→现象分析讨论→得出结论。

设计意图：在一节课结束时，让学生对这一节所学所思做一个小结，有利于知识的结构化、认识思路的结构化，能更好地将知识和方法内化，指导今后的学习，有利于学生核心素养的形成和发展。

四、教学反思

（一）开展有效的探究

本节课在教材探究实验的基础上引导学生设计实验使气体等产物“可见”并验证其成分，同时探究钠置换出不活泼金属的条件。在创设的真实情境中学生主动参与整个探究过程，既认识金属钠的性质，掌握实验操作，也感受到化学实验的变化之美，同时更重要的是知晓实验为什么要这样设计，这样设计的原因是什么。知识的学习和探究素养的形成并重。

（二）对教材实验的再认识

人教版《化学》必修1中将“钠与水的反应”设计成了探究实验，给出了非常明确的探究步骤：预测、实验、观察描述实验现象，基于实验得到的证据，分析推理得出结论。这样有利于学生探究思路的结构化，同时教材上的探究又是不完美的，主要是生成气体及气体成分确定证据不足。而正是教材实验的这种缺陷和不足给我们留下了探究的空间，能更好地引导学生发现问题、提出问题、解决问题，培养学生的科学素养。

【参考文献】

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]吉林省高考综合改革政策解读[N].吉林日報，2021-09-16（05）.

[3]马文静.以“元素周期表”为例对IB高中课程化学教材与人教版教材比较分析[D].郑州：河南大学，2020.

[4]于宝忠，崔利新，张国昶.基于核心素养，指向深度学习的高中化学学历案设计——以“钠”主题教学为[J].化学教与学，2019（1）：10.

（基金项目：湖南省教育科学“十四五”规划2021年度课题《新课标背景下高中化学课堂教学实践研究》（课题批准号：XJK21CJC080）阶段研究成果;湖南省教育科学研究工作者协会“十四五”规划2021年度立项课题《核心素养视域下农村高中化学情境化教学的应用研究与实践》（课题编号：XJKX21B411）阶段研究成果）