验证实验改为探究实验的设计策略——以“空气中氧气含量的测定”为例

江苏省如东县马塘初级中学(226401) 徐新峰

1 理清验证实验与探究实验的教学区别

验证实验在实验前已经知道实验结果，而且大多数验证实验都是前人做过的重要经典的实验，后人再按照原来的实验过程重新做一遍，根据数据或现象验证原有的结论，属于验证过程。以“空气中氧气含量的测定”为例，进行验证教学时，先呈现教材中拉瓦锡实验，得出氧气约占空气体积的1/5的结论，然后用红磷作为实验药品，设计实验并在相应装置中完成实验，验证结论的正确性。

探究实验在实验前并不知道实验的结果，需要在进行实验时收集记录数据或观察实验现象，再对数据和现象进行分析，最后得出结论，是一个不断探索的过程。

验证实验与探究实验是两种不同的实验形式，实验目的不一样，教学的呈现过程也就不一样。在实际教学中，教者可根据实验属性、学生实际认知等情况，对实验内容进行合理性分析，从而设计验证实验教学或探究实验教学。

2 验证实验改为探究实验的可行性分析

2.1 验证实验在教材中的定位分析

教材为了证明某一化学事实或结论，在相应的位置设计某一验证实验，教师在课堂上引导学生利用实验仪器和已具备的实验技能完成对已知结论的验证。人教版初中化学教材第2单元课题1“空气”一节提出了空气是由什么组成的问题，介绍了拉瓦锡研究氧气约占空气1/5的实验装置及原理，在学生已知晓结论的前提下，仿照该实验原理，在实验室中进行验证实验。此验证实验可以达到以下效果：①训练学生的操作技能，如向燃烧匙中加固体药品、装置的连接、检查气密性、点燃或熄灭酒精灯等；②培养学生的观察推理能力；③获得一个反应事实：磷与氧气的反应。只有理清验证实验在教材中的定位才能科学设计改为探究实验后的教学定位。

2.2 学生已有认知基础的分析

学生的已有认知基础是教学时将验证实验改为探究实验要考虑的前提因素。学生在学习氧气含量测定实验之前，已经学习了物理学中的压强知识，认识了常见的化学仪器，具备一定的实验操作技能。另外，学生在第1单元已开展了“对蜡烛及其燃烧的探究”“对人体吸入的空气和呼出的气体的探究”两个探究实验学习。这样，学生初步具备了探究“空气中氧气含量的测定”的认知基础，可以将其改为第一个严格意义上的探究实验、第一次定量化测量看不见的气体的实验[1]。

2.3 验证实验改为探究实验的教学目的分析

一是引领学生经历探究历程。化学是一门以实验为基础的学科，创设以实验为主的科学探究活动，有助于激发学生学习化学的兴趣，引导学生在观察、实验和交流中习得知识。因此，教者在教学中要根据学情和教学需求去创设更多的机会引领学生主动地体验科学探究的过程。基于这样的愿景，本探究实验将始于“氧气约占空气体积的多少”这一未知问题，在积极的师生互动、生生活动中获取最终结论，学生玩在其中、乐在其中、学在其中。学生在“做科学”的探究实践中亲身经历知识的形成过程。

二是引领学生进行深度学习。深度学习是指主动的、探究式的、理解性的学习，要求学习者主动建构知识意义、将知识转化为技能并迁移应用到真实情景中去解决复杂问题，进而促进学习者元认知能力、问题解决能力、批判性思维、创造性思维等高阶能力的发展[2]。在此验证实验中，学生容易走进误区：即只要记住“氧气约占空气总体积的1/5”“实验的现象及磷燃烧的文字表达式”就可以了。而深度学习就是要避免灌输性的教学，将本实验改为探究性实验后，学生可利用学科特点在深刻体验探究的曲折过程中丰富经验并自我建构。

3 验证实验改为探究实验的5个维度

3.1 追溯历史，探究原理

反应原理揭示反应的本质，属于探究实验中的理论层面设计，是探究的思维“灵魂”。原理的确立是选择药品的前提，也影响着反应装置的设计。笔者采用追溯化学史的方式探究出反应原理，但不呈现拉瓦锡实验的结论。

师：同学们，图1是拉瓦锡当年的实验装置，用来探究氧气约占空气的体积含量。曲颈甑中装着液态金属汞，瓶颈通过汞槽与玻璃钟罩上方的空气相通，拉瓦锡用火炉昼夜不停地加热曲颈甑中的水银，请同学们观看视频(注：将视频中的实验结论删除)。

图1 拉瓦锡的实验装置

师：视频中，你看到玻璃钟罩里的水银是如何运动的？

生：玻璃钟罩里的水银液面上升，汞槽里的液面下降。

师：请同学们说出其中的原理。

生：汞和内部的氧气发生反应生成固体氧化汞，导致玻璃钟罩内的气压减少，汞槽里的汞倒吸入钟罩内。

师：汞上升的体积与钟罩内空气中的氧气体积有什么关系？

生：相等。

借助视频展示那一段探究史，在追溯历史中理解拉瓦锡当年的设计，在对话交流互动中学生完成对反应原理的感悟，实现难点的突破，即通过选择药品消耗空气中的氧气，借助压强的变化，实现液体的流动，从而取代了空气中氧气所占体积的计算。

3.2 取舍有因，探究药品

学生研究药品的选择时，往往是从已学过的或身边所熟悉的化学物质入手，并运用所知的相关性质进行探讨。从拉瓦锡的实验中，学生能感悟到这里选择的药品必须能与空气中的氧气发生反应，如何选到实验室中合适的药品呢？笔者进行了如下教学。

师：同学们，汞适宜作为大家在实验室里测定空气中氧气含量的药品吗？

生：汞有毒，不适合用于该实验。

师：老师提供以下几种物品(蜡烛、红磷、铁丝)，请大家参考课件信息资料(①红磷在空气中燃烧产生白烟固体；②铁丝在空气中不能燃烧，在潮湿的空气中会缓慢地生锈)作出选择。

生：蜡烛在空气中燃烧生成二氧化碳气体，因而不能使装置压强减少；铁丝在空气中不能燃烧，不能消耗氧气，而在潮湿的空气中反应太慢，耗时太长，不适合用于实验室实验。因此，选择红磷。

生(补充)：因为红磷燃烧消耗装置内的氧气，且生成了固体，导致内部气压减小，所以选红磷。

药品的探究若采用开放式，即完全“放手”让学生“大海捞针”式选择，教学的针对性和有效性较差，原因：①学生选择的范围不确定，无从下手，不宜小组内有效讨论；②学生学习初三化学时间不长，掌握的能与氧气反应的物质有限。基于上述原因，笔者采用给定药品供学生选择，缩小了探究范围，虽然药品种类仅3种，但其代表性全面，学生的学习效率得到很大程度的提高。

3.3 自主搭建，探究装置

在验证实验中，装置由课本或教学课件直接呈现给学生，然后教师再花时间来介绍装置，学生对装置的思维是被动接受的，缺失组装体验的过程。装置探究解决了在哪里反应的问题，任务是选择相关仪器并进行组装，这有利于训练和考查学生对仪器的空间想象力和连接能力。

师：拉瓦锡研究空气成分所用的装置显然不适合大家在实验室进行实验，请大家根据反应原理和反应药品(红磷)来选择常见仪器。

学生独立思考后小组交流讨论，教师参与讨论。

生：水槽、导管、胶皮管、弹簧夹、集气瓶、橡胶塞，但我们不知道红磷放哪儿燃烧？

师：可放在燃烧匙中。

师：水槽可用容积小一些的烧杯来替代。

教师此时在电子白板上呈现学生选择的仪器(见图2)，学生小组合作交流后派代表在电子白板上拖动仪器搭建反应装置。

图2 学生选择的各种仪器

经过小组间相互帮助，学生们最终确立了如图3所示装置。

图3 反应装置

同时还有学生补充：红磷要燃烧，还需要酒精灯点燃。

上述环节的探究采用开放式探究。教师完全放手，学生在已学过的仪器中寻找适合于此反应原理的仪器，对于常见仪器的取舍，培养了学生自主设计能力。同时采用电子白板进行教学，便于即时展示和修改，体现了教学的互动性、生成性。

3.4 科学预判，探究步骤

实验步骤即实验方案，是进行实验的“行动指南”，关系到实验探究的结论准确与否，也是探究的重要环节。若采用教师开出 “药方”，学生照“单”做的模式，学生在实验过程中经常“手忙脚乱”，问题常出在实验步骤上，即学生缺少自主设计实验步骤的思维过程。

教师先播放磷的燃烧视频，可看到产生白烟，学生产生质疑，如何解决白烟问题？

师：五氧化二磷溶于水，可被水吸收。

生：集气瓶中要预先放些水。

师：同学们，那如何测倒吸的水的体积？

生：用倒吸后集气瓶中水的总体积减去集气瓶中预先放入的水的体积。

师：怎么知道倒吸的水的体积占瓶中空气体积的含量呢？

生(举手上讲台板书)：

师：请各小组整理出实验步骤，写在纸上，可以不按顺序写。

教师巡视，参与小组交流，选出具有代表性的小组答案投影，整理如下：

①测量集气瓶的体积和预先放入集气瓶中水的体积；②检查装置的气密性；③点燃燃烧匙中的红磷，立即伸入集气瓶中，塞紧橡胶塞；④红磷燃烧熄灭后，打开弹簧夹；⑤用弹簧夹先夹紧胶皮管；⑥测量倒吸入集气瓶中的水的体积。

教师组织学生对上述步骤中的问题进行修改，组织各学习小组进行讨论交流并排序。

生：红磷燃烧熄灭后，要等集气瓶冷却后才能打开弹簧夹，使气压减少的原因归结为氧气的消耗。

生：燃烧匙中红磷的量要足量。

生：修改后，按②①⑤③④⑥的顺序进行实验操作。

上述实验步骤的自主设计，给了学生想象的空间，是实践操作的前期构想，体现了学生对实验的科学预判能力。这样的设计打破了“照方抓药”的实验过程，实验步骤在学生自主思考、生生交流、师生讨论的环节中不断走向完善。

3.5 偏差分析，探究原因

实验过程因学生对步骤的理解和操作上的差异带来探究结果的差异，因此，对结果的偏差反思也属于探究的重要环节。

师：请两位学生到讲台上合作完成本实验的探究过程。

两位学生走上讲台合作完成实验，同时教师打开摄像，将两位学生的合作演示即时传输到屏幕上，供其他学生观察与思考。当两位学生操作上出现不规范或不顺畅时，其他学生马上提醒，同时记录实验过程中的数据：集气瓶上方空气的体积为450 mL，倒吸的水的体积为82.8 mL。

师：请同学们计算空气中氧气的体积含量是多少？

生：约18.4%。

生：拉瓦锡当年测得的结果是多少呢？

师：约1/5。

师：请大家分析为什么测得的体积分数比1/5少呢？

生：可能是刚才用的红磷没有足量。

生：可能是没有等集气瓶冷却，就打开弹簧夹了。

两位同学表示刚才实验时已注意到了这两个细节。

生：我们需要多次实验。

师：好，同学们分析得有道理。那足量的红磷真能将瓶内的氧气耗完吗？

课件展示：查阅资料得知，当空气中氧气的体积分数降至约7%以下时，不再支持红磷燃烧。

生：原来燃磷法测定氧气含量受到氧气浓度的制约，那有没有另外耗氧比较彻底的药品呢？

师：同学们，随着化学学习的深入，咱们可以在这方面作系列的研究，运用数字化实验作出进一步探索。现代科学实验运用精密仪器测得，空气中氧气的体积分数约为21%。

上述教学环节中，对实验结果的偏差分析，是学生对科学探究取得结果的反向思维，也是对探究结果的可信度和有效性判断的思维活动。学生自主测得结果，自然就想到与拉瓦锡当年测得的结果进行比对，主动发现问题，自我剖析，便于再次实验时调整优化。

4 验证实验改为探究实验后的教学反思

师生共做真实的探究，才有“探究味儿”。探的过程充满着开放性和生成性，学生经历真实的科学探究，从未知逐步走向已知。教师将整个探究实验分成5个环节具体展开教学，使探究教学有“着力点”。在追溯化学史中，开启了探究之旅，寻找和发现适合在实验室中进行探究的药品；学生从拉瓦锡的装置中获得启迪，并运用常见仪器并在电子白板上组装成一套新装置；而步骤的自主探究实现了自己即将怎么做的问题；最终学生在实验结果的偏差探究中获得逆向思维。探究式教学应让学生经历真实的科学，而要做到这一点，就不能是操作式、菜单式的探究，而应该是提倡对化学事实进行解释以及辩论式的探究[3]。

实践表明，探究实验教学耗时多，教师需要较高的教学组织能力，但对学生的学习效果和学习能力影响深远。在实际教学中，教师可根据本校实际、学情、学科具体内容以及自身的教情确立实验教学方式，使实验教学的效果最优化。