“过氧化氢制氧气中二氧化锰的作用”实验的教学与思考

沈莉萍

摘要：以单元整体理解为基础，以问题驱动为方式，以实验素养发展为目的，设计“过氧化氢分解制氧气中二氧化锰的作用”的探究实验，为学生从定性研究到定量探究做一个过渡，构建较为科学的、具有代表性的实验探究模型，在评价和改进中提升实验素养。

关键词：二氧化锰;反应速率;装置改进;实验素养

文章编号：1008-0546（2022）06x-0074-04   中图分类号：G632.41   文献标识码： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.019

化学实验是化学教学的核心。实验的设计和评价能力是学生形成高阶思维的必备能力。教材中的探究实验是培养学生实验能力的重要依托，教材中的探究实验之间虽是基于不同知识不同问题的探究，但是从能力发展上来看，这些实验之间存在相互继承和发展的关系。实验教学中，教师如果对教材中探究实验的能力目标不明确，单纯从知识本位出发，按部就班，循着操作步骤依葫芦画瓢进行教学，实验做成功了，但缺乏了探究的意味和批判性思维的培养。因此，精心设计实验探究教学内容，将教材所体现的科学性和逻辑性运用到教学实践中，构建具有化学学科特点的思维模型，推动学生在化学实验探究中形成一定的实验能力显得尤为重要。下面就以“过氧化氢分解制氧气中二氧化锰的作用”一课为例，浅谈实验教学设计的思路。

一、单元整体理解

中学化学实验素养的内涵包括实验知识和技能、实验思维和方法、实验情意和品行三个方面[1]。探究“过氧化氢分解制氧气”中二氧化锰的作用是人教版初中化学第二单元的实验探究课题，是在第一单元探究“蜡烛的燃烧”和“吸入的空气和呼出的气体有什么不同”后学生接触的第3个探究性实验。在前两个实验探究中，主要培养学生对实验现象的观察和描述能力，初步体会科学探究需要经过“提出问题—做出猜想—实验探究—得出结论—评价反思”的一般过程，主要是知识和技能的学习，属于定性研究。知识技能在中学化学实验教学中属于显性内容，即只要按照教学目标设计教学过程，就能使学生较快掌握[1]。在探究“过氧化氢分解制氧气”中二氧化锰作用之后，第五单元开篇就是有关化学反应前后物质质量关系的探究，也就是质量守恒定律，对学生的实验能力提出了更高的要求，需要学生对实验装置、天平平衡或者不平衡等现象进行分析和解释，属于定量探究实验;通过波意耳和拉瓦锡实验装置的差异对比，体会拉瓦锡在实验探究中严谨求实、勇于探索的精神，是对学生实验情意和品质范畴的培养。实验思维和方法、实验情意和品行属于隐性内容，这在课程标准中虽有一定说明，但在教材的实验设计中属于持续渗透的要素，是要在实验教学中隐性发展的实验素养[2]。因此，在“过氧化氢分解制氧气”中二氧化锰作用的实验探究中，除了实践上述对实验现象的观察和描述技能，体会科学探究的一般步骤外，如果能在实验的分析评价、定量研究上做一个过渡，在实验思维和方法上有一个衔接，将更有利于学生实验素养的稳步形成（如图1）。

二、教学目标

根据教材和课程标准，以实验素养的形成为目的，制定以下具体的教学目标：

（1）通过实验探究逐步认识二氧化锰在过氧化氢分解中的作用，认识催化剂及催化作用;在实验探究的过程中，巩固实验的观察和描述技能;渗透催化剂在化学变化中“变与不变”的学科素养。

（2）通过对实验现象严谨的分析，得出科学的实验结论;在尝试评价和改进的过程中，初识实验探究中的定量分析，培养科学的实验思维和方法，形成一定的批判意识。

三、实验教学设计

根据人教版初中化学教材中有关“过氧化氢制氧气中二氧化锰的作用”的主要内容，设计教学流程（如表1）：

四、实验教学的改进与思考

1.生活化教具实现一物多用

教材中的实验是在试管中进行的，首先，在实验过程中由于二氧化锰是黑色粉末，在过氧化氢溶液中形成了黑色悬浊液，不便于观察气泡的产生;其次，试管中产生的氧气不能定量测量其体积，所以学生不能通过该实验了解催化剂的特点;由于不能定量，无法比较不同催化剂的催化效果（如图3）。改用注射器进行实验，从取材的角度看，注射器价格便宜、易操作、气密性好，可以通过活塞的移动来观察气泡的产生;从用途的角度看，注射器实现了一物三用，既是量取装置，也是反应装置，还充当气体的收集装置;从思维角度看，注射器可以解决定量测量氧气体积的问题，使实验探究从定性研究走向定量研究。

2.定量化装置形成探究模型

在人教版初中化学中，还有不少涉及反应速率的实验探究，尤其是在气体的制取实验中。如在“二氧化碳制备的研究”中，教材侧重建立学生对实验室制取气体的一般步骤的认识，重点探究了实验装置的选择，并没有关于反应速率的探究。但是在后续学习酸、碱、盐的时候，就出现了碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钙分别与酸反应，随之可迁移到二氧化碳制备的原料选择問题上，解决为何不用碳酸钠或者碳酸氢钠，而用石灰石来制备二氧化碳的问题，这是对实验室制二氧化碳原料选择探究的补充。

图4是对教材中有关气体制取内容的分析整理。

再如，教材在制取氢气上并没有浓墨重彩的介绍，只是在介绍氢能源的时候顺便提了氢气的制取。一是由于在活泼金属和酸的反应中，将会学习到锌和酸反应产生氢气;二是气体制备的一般方法已经在制备二氧化碳的时候研究过了，也适用于氢气的制取，所以对于装置的选择无需再重复。但是，教材第九单元从金属（镁、锌、铁、铜）能否和酸反应产生氢气的角度说明金属的活动性顺序，没有提及金属（镁、锌、铁）与酸反应的速率问题，因此学生并不知道为什么制氢气要用金属锌，而不用镁、铁等，出现了知识衔接的断层。在此教师只要稍加引导，通过控制变量的方法和本课中的实验装置就可以来探究金属（镁、锌、铁）与酸反应的速率。如此，装置的定量化改进不是解决一个问题，而是解决了一类反应速率的探究问题，在今后的学习中，遇到相似问题，学生还能利用该实验装置设计其他探究实验，解决其他问题，给了学生很好的思维延伸。

3.可测性问题推动思维发展

问题是科学探究的起点，是思维的动力，设计有层次性、探究性、可测性的问题，能激发学生的深层次认知。本节课第一个模块要解决的问题是：实验时能否用过氧化氢来制氧气？这一个问题对于学生来讲并没有实际的可操作性，属于过渡型问题。要把这样的问题变得具有可测性，就要将其分解成具体可操作的若干个小问题，如怎么知道过氧化氢产生了氧气？学生第一反应就是观察，那就立即实验操作，通过实践观察，并没有发现明显的气泡。于是有了第2个追

问：还有什么方法可以证明氧气的产生？学生依据已学知识，很容易就想到用带火星的木条检验，立即实验操作，发现带火星的木条不复燃，引发再次疑问：木条不复燃是否说明没有氧气生成？学生否定，因为情境资料中已经说明了过氧化氢可以给鱼塘增氧，说明过氧化氢是可以产生氧气的，由此猜测可能是过氧化氢产生氧气的速率太慢。接着引出问题：如何加快过氧化氢分解？将教学带入到第二模块，探究二氧化锰的作用。这种可测性问题的设置将学生的思维引导向深处，驱动学生运用化学学科思维方式和方法理解和表征问题，并且利用一定的证据不断地对问题空间进行搜索，更新状态空间，形成最终的结论，实现问题的解决[3]，在问题解决过程中实现知识的结构化与思维能力的提升。

4.探究型设计助力素养提升

实验思维和方法是实验素养的核心。实验的思维需要学生在实验过程中通过对实验现象和实验数据的归纳比较、抽象概括，得出结论规律，获得实验事实的本质属性的高阶能力[4]。实验方法是获取实验知识和技能的途径与渠道，学生通过观察实验现象、记录实验数据、绘制实验曲线等方法，逐渐形成解决化学实验问題的认知结构[5]。过氧化氢制氧气中二氧化锰作用的探究实验中涉及的操作较为简单，这为实验的探究设计留出空间。整个教学设计切合学生学情，变教材逻辑为教学逻辑，变知识逻辑为素养逻辑，按照“提出问题——猜想假设——实验探究——证据推理——得出结论——反思评价”六个环节进行，通过“反思评价”将教材中的探究性实验进行适当补充和延伸，评价实验方案的不足，进而提出新问题，改进装置、设计新的探究实验（如图5），是一种开放式、循环式的教学模型，同时将教材中隐含的对实验思维和方法的要求从注重观察分析到渗透高阶化学思维的创新设计转变。

学生经历了以观察分析为基础的实验后，反复投入到这种创造性活动中，在获得实验事实、资料、数据后，进行分析、综合、抽象、概括、判断等思维活动，挖掘本质联系，发现科学规律，感受到实验探究的魅力，并潜移默化地将这种实验探究意识带到后面的学习中，经过多次实践和发展，最终实现实验素养的全面提升。

五、小结

教师应在整体上把握教材中的探究实验，充分理解教材编排中显现的学科特点，变教材逻辑为教学逻辑，变知识逻辑为素养逻辑，构建较为科学的、具有代表性的思维模型，推动学生在化学实验探究中形成一定的实验素养和创新能力。

参考文献

[1]吴俊明.中学化学实验研究导论[M].南京：江苏教育出版社，1997.

[2]胡红杏.中学化学实验素养体系及其发展研究[J].课程·教材·教法，2021（6）：116-122.

[3]杨梅.实验探究教学中证据推理内涵特征及其影响因素初探[J].化学教学，2021（9）：26-30.

[4]邓永财.试论中学化学实验思维能力的结构与构建[J].课程·教材·教法，2004（10）：53-58.

[5]刑红军，陈清梅.论“智力-技能-认知结构”能力理论[J].首都师范大学学报（自然科学版），2005（3）：41-47.