基于科学本质观的学生必做实验教学实践——以“水的组成及变化的探究”为例

郭建虹

一、新旧课标探究内容对比分析

《义务教育化学课程标准（2011 年版）》和《义务教育化学课程标准（2022 年版）》均规定了学生必做的8 个实验，但2022 年版的课标在原有基础上删除了“溶液酸碱性的检验”，增加了“水的组成及变化的探究”，该实验为什么会成为学生实验的内容呢？笔者对此进行了初步探索与实践。

（一）值得探究的知识

九年级化学教材遵循化学史发展的逻辑线，以对物质组成的两个基本问题的思考（构成物质世界的基本本原是什么？物质的基本本原是怎样构成物质世界的？）展开叙述。认识“水的组成”，是培养学生将“宏观—微观—符号”三重表征建立关联的重要联结点，也是学生认识“物质的组成”的事实性基础知识。这一内容既深化、发展和完善元素观，又引导学生对微观粒子形成具象的认识，初步体会从定性与定量、元素组成与微粒构成相结合的角度认识物质及其反应。

有关物质组成的内容具有抽象性高、概括性强的特点。实验的增设，可以丰富学生体验，为学生的理论构想提供素材，有利于学生破除“水由氢气和氧气组成”的误解，形成“元素是物质本原”的观念。“化学反应中，氢气和氧气存在固定的、整数的体积比关系”的现象，有利于学生产生“物质是由一份一份的、具有一定质量的微粒构成的想象”，建立“原子是元素在物质中存在形式”的观念，初步形成通过对产物定性检验、定量计量，运用分析、推理、想象等方法研究无机化合物组成的一般思路和方法。

（二）能够探究的知识

从学生的因素考虑，物理和历史学科亦在同时段有“电”的教学内容。通过物理的学习，学生掌握了连接电路的方法，具备安全使用“电”进行实验探究的能力；通过历史的学习，学生认识到“电”对社会发展的影响。那么，作为一种新的能量形式，“电”对于物质组成的研究，对于化学学科的发展会起着怎样的促进作用呢？电，激荡起社会、生活、科学的革命性变化，激荡起学生进行化学实验的好奇心和探究欲望。

从仪器材料的角度考虑，学生已经具备了安全、方便地获得和使用电的能力，物理电学知识为学生提供了寻找实验用品的判断力。因此，学生能够借助物理器材、生活用品组装电解水装置，并根据实验室制取氧气、二氧化碳的经验设计气体收集装置。

从难易程度的角度考虑，太简单的实验，不值得探究；太难的实验，探究不了。水作为研究对象，经历过加热、煮沸等操作，但未能“分解”，实验具有挑战性。从实验操作看，学生熟悉的是倾倒、混合、加热等操作，但未在化学实验里用过电。从实验装置的角度看，反应产生两种气体，需要分开收集；水既是反应物，又起着排空气的作用，需要将发生装置和收集装置合为一处，实验虽有难度但可完成。

综上，学生具备自主设计、组装电解水装置，完成“水的组成及变化探究”的能力。

二、基于科学本质观的教学整体设计

（一）基于科学本质观的教学目标分析

教学围绕“拉瓦锡为什么认为水可以分”“学生自制电解水装置”“学生绘制氢气燃烧过程微观图示”三个任务展开，在理论推演、实践活动、思维外显图示绘制中达成如下目标：

1.通过对“氢气燃烧生成水”两种解释，认识到理论具有负载性，受科学家的理论、信念、学识经验等影响，其研究结果也是社会和文化相互作用的产物。

2.通过“氢气燃烧、碳和水的反应、电解水”的实验，认识到科学家的定论是基于一定证据的支撑，而并非主观臆想的。

3.通过对实验现象的推理，分析水的元素组成，认识到观察和推理存在不同。

4.通过绘制“氢气燃烧生成水”的模型，基于证据，进行想象，建构理论，认识到理论是对自然现象的解释，和定律有区别。

5.在实验、推理、想象、建构模型的过程中，认识到科学方法并不单一，具有多样性。

（二）学生实验评价要素分析

学生设计、组装、试验、讨论、修正、再设计、展示电解水装置。从以下要素展开评价：

1.概念理解：能运用“合”和“分”的方法探究简单化合物的元素组成

（1）通过水的合成、分解实验，诊断并发展单质、化合物的概念。

（2）通过绘制反应微观模拟图，诊断并发展原子、分子的概念。

2.实验能力：从实验三要素（装置、药品、操作）进行评价

（1）试剂选用能力：小苏打、食盐的作用分析；电极材料的分析。

（2）仪器选用能力：收集容器口径宜细、材料宜透明的依据分析。

（3）操作能力：电池连接方式的选择；装置密闭性的考量。

（4）解决问题的能力：从试剂、电极的角度分析提升反应速率的方案。

（5）分析推理能力：依据现象，推理、分析得出水是化合物的结论。

3.实验思想

（1）设计思想：方案设计必须符合科学性、准确性、安全性要求；对实验中出现的问题，能提出优化方案（电极材料、电解质的选择）；对霍夫曼电解水器的理解与评价。

（2）创新意识：创造性解决未学的问题（发生装置和收集装置合二为一）。

（3）证据推理与模型认知：对实验现象的推理和建模要讲究证据、合乎元理论设定；合理运用科学的模型去认识、分析和解决问题。

三、教学流程

1.任务一：剖析实验背景，认识研究物质组成的一般思路

【化学史资料】拉瓦锡用硬质玻璃管持续加热水101 天，发现水的质量并没有减少，加入碳，重新加热，得到两种可燃气。经检验，两种气体密度不同，重的可燃空气燃烧生成二氧化碳；极轻的一种气体燃烧生成水，命名为hydrogen（产生水的要素）。

【问题链】（1）镁条和醋酸反应生成一种可燃性气体。如何确定该可燃性气体是什么？

（2）对于可燃气燃烧的解释，燃素说认为是“可燃气-燃素→水”；氧化说认为是“可燃气+氧气→水”，两种解释的区别是什么？如何证明？

（3）拉瓦锡于1794 年去世，伏打1800 年发明电堆。没有电的帮助，拉瓦锡如何“分”水？

（4）碳和水在高温条件下生成一氧化碳和氢气，能说明水可分吗？

【实验】将该可燃气依次通入石灰水、紫色石蕊试液中，再点燃并检验其产物。

【设计意图】教师从相关化学史中提取问题，摈弃了实验开展的盲目性和神秘性，使学生体悟到科学家的实验设计是建立在对实验事实的观察、逻辑推理之上的，了解科学的一般方法和思维。学生认识到化学反应条件是化学反应的灵魂所在，体悟到技术对科学的促进作用。

2.任务二：自制电解水器，认识研究物质组成的一般方法

【演示实验】观察霍夫曼电解水器和学生电源。用霍夫曼电解水器演示电解水实验并检验产物。

【学生活动】设计、组装、测试，课堂上演示自制电解水器，展开自评、互评活动。（见表1）

表1 学生制表对“自制电解水器和霍夫曼电解水器”的比较

【设计意图】学生自制的电解水器虽然简单，但成功率低，在设计过程中，遇到一系列问题，如金属做电极、氯化钠做电解液会参加反应，反应速率慢，产生气体量少，难以检验。学生在寻求解决问题的方法的过程中，认识到寻求证据严密性的实验方案，认识到影响反应速率的因素。从失败到成功，本身就是科学方法、科学精神的探究过程。

3.任务三：绘制微观图示，体验科学理论的形成过程

【实验事实】2 体积氢气在1 体积氧气中燃烧，产生2体积水蒸气。

【化学史资料】1803 年，化学家道尔顿发表原子说，基本观点如下：

（1）化学元素由非常微小的，不可再分的物质粒子——原子组成。原子在所有化学变化中均保持自己的独特性质，原子既不能被创造，又不能被消灭。

（2）同一元素的原子质量完全相同。原子的质量是元素的基本特征。

（3）不同元素的原子以简单数目的比例相结合，形成化合物，其组成遵循“最简式原则”。

1805 年，化学家盖·吕萨克针对气体化学反应，对物质的体积变化进行研究，发现气体反应简比定律：同温同压条件下，相同体积的不同气体含有相同数目的原子。

【学生活动】依据实验事实和元理论知识，学生绘制氢气在氧气中燃烧的微观图示并进行评价。（见图1）

图1 学生绘制氢气燃烧的微观示意图

【设计意图】学生通过对自绘微观示意图的评价，能区分“混合”和“化合”，认识到水不是由氢气和氧气组成的；认识到化学反应中元素的种类不变，微粒种类发生变化，元素在物质中以原子的形式存在，化学变化中原子是不可再分的微粒；认识到“原子学说”发展到“原子-分子理论”不是一蹴而就的，而是基于实验事实推理、想象、修正的历程。

四、教学反思

本课以“致敬拉瓦锡”为思维活动线，引导学生在对“拉瓦锡为什么认为水可以分”的推演中，感悟逻辑推理之妙；在“自制电解水装置”的实践活动中，体验制作技术与科学原理相互促进、彼此成就的紧密关系；以“拉瓦锡为什么没有使用电解法”的历史局限，启迪学生“跨学科”融合思维，从元素数量爆发式增长的事实认识“电”对化学发展研究的促进作用；以绘制“氢气在氧气中燃烧”思维外显图示的创作，经历“原子-分子说”的演变历程，感受想象力在科学理论建立过程中的强大作用。

本课以“致敬霍夫曼电解水器”为实验活动线，通过“自制电解水装置”的实践活动，启迪学生“跨学科”融合思维，即从物理学科的角度认识“电路”连接及其控制，并审视“电”的利用对第二次工业革命的影响，从此元素数量爆发式增长，认识“电”对化学发展研究的促进作用，体验制作技术与科学原理相互促进、彼此成就的紧密关系；学生设计的装置虽然简陋，但均可以分解水，稍加改进也能收集气体并检验。在阅读资料“拉瓦锡的生卒时间是1743—1794。1800 年，意大利教授伏打发明了世界上第一个连续发电器，为电学研究提供了稳定的容量较大的电源”时，学生不禁扼腕叹息：“只差6 年！”那一刻，是化学史融入课堂的另一重意义，以生命激荡生命，以悲悯之情、敬重之心培育珍惜时光的善良之人。