淺談高中化學隨堂分組實驗的教學設計

淺談高中化學隨堂分組實驗的教學設計

李銀濤+王濤+陳笑鴿Summary：針對新課程高中化學實驗教學中存在的問題，從確定實驗主題與模式、創(chuàng)新實驗儀器、教學設計開展等角度簡單介紹了河南大學附屬中學高中隨堂分組實驗的教學設計的研究過程。Key：化學實驗；隨堂實驗；分組實驗；微型實驗；教學設計：1005–6629（2015）9–0023–04：G633.8：B1隨堂分組實驗的背景化學是一門實驗性科學，化學實驗在化學教育和教學中具有不可替代的地位，實驗教學承載著豐富感性認知、提升理解建構的獨特功能。然而，在實際教學過程中，很多教師卻不喜歡實驗課，主要原因有：（1）教學內容多和課時少之間的矛盾；（2）實驗準備繁復；（3）實驗室藥品儀器配備數(shù)量和種類不足；（4）教學過程難以掌控等。而化學本位教育的缺失的原因之一，就是教師上課在黑板上“做實驗”（清華大學化學系宋心琦先生語）。因此，我們嘗試在高一必修模塊中設計大量隨堂分組實驗，以期能夠初步解決以上幾點問題。2隨堂分組實驗的內涵隨堂分組實驗，是為了達到一定的教學目的，在教師的啟發(fā)指導下，由學生分組獨立地運用實驗去探求知識或獲取必要的感性認識的教學活動。隨堂分組實驗能與教師的講授密切配合，是教師為了讓學生獲得直觀的感性認識，更深刻地理解概念和規(guī)律，掌握學科研究方法而設計的課堂實驗，在整個過程中將由學生親自動手使用儀器、觀察測量、取得資料數(shù)據(jù)并親自分析總結。隨堂分組實驗的設計要為教學目標服務，能夠激發(fā)學生好奇心和學習興趣，能夠培養(yǎng)學生基本的科學實驗研究方法。在研究設計過程中，將會涉及驗證性、探究性或設計性等多種類型，并滿足實驗儀器的簡易性、易操作性、小型細致性、靈活性、創(chuàng)造性和系列整體性等要求。我們嘗試了多種學生的實驗分組方式。一開始，我們也是直接利用學生同桌間的自然分組，三人一組，其中一人負責記錄結果，兩人負責處理實驗，這種直接干預的方式讓實驗記錄的完整度大大提高。但在課下交流的時候，學生認為記錄實驗的同學動手機會少，做實驗的同學沒有機會體會記錄實驗現(xiàn)象的生成過程。此外，由于自然分組存在過多的班主任因素，有時3個學生的能力不足以較好地完成實驗和記錄整理。所以，在后續(xù)階段，我們也嘗試了自由組合的方式，仍然是3人一組，但將實驗手冊增至每人1份，同時建議不同水平的學生盡可能搭檔組合，包括男女學生的自由組合。在這種分組方式中，學生間的分工合作和交流更充分。3隨堂分組實驗的設計3.1確定分組實驗主題哪些內容可以設計成隨堂分組實驗的形式呢？最值得選擇的應該是對于化學學科來說具有核心和基礎地位的概念和規(guī)律性知識，因為一方面學生真正理解了這些知識，就等于掌握了學科知識的主干，形成了擴充和擴展自己知識結構的能力；另一方面也調和了教學內容與課時之間的矛盾。結合《普通高中化學課程標準（實驗）》和三套全國教材，經過討論，我們以原子結構、堿金屬、鹵族元素、幾種常見的金屬和非金屬、幾種常見的有機物等基礎知識點為對象開展了隨堂分組實驗設計，共計16個，見表1。3.2選擇分組實驗模式無論是雜志發(fā)表還是優(yōu)質展示課的教學設計，均涉及實驗探究活動，參加優(yōu)質課比賽時上課的學生也大都已經完成了該內容的學習，因此，總是給人一種虛假和不實用的感覺。在分析入校高一新生的知識儲備和實驗能力基礎上，我們認為必修模塊的實驗應該存在多種類型，不能為了探究而探究，驗證性實驗估計會多些，適當增加實驗中探究的成分，見表2。以“20世紀化工業(yè)的明星分子：氨”這節(jié)課為例，在“氨”之前的不少實驗，都是驗證為主、探究為輔的設計。與前面所學知識相比，氨對于學生而言，是一個熟悉的陌生人。初中時學生就在學習“分子擴散”時對其揮發(fā)性、溶液顯堿性等性質有所了解。因而，我們將其設計成開放的探究性實驗，活動步驟如下：[活動用品]濃氨水、濃NaOH溶液、配套10mL注射器；空NaCl瓶（用以制備氨NH3，無標簽）、配套10mL注射器；濃鹽酸、氯水；酚酞溶液（250mL燒杯）、廢液缸（100mL燒杯、稀鹽酸）[活動提示]1.觀察注射器標簽，注射器專針專用。2.小心使用注射器，避免扎傷。3.嚴格控制濃氨水、濃NaOH溶液用量，以免NaCl注射液瓶過度膨脹漏氣。[活動步驟]1.準備工作：制備氨氣（1）分別用配套注射器小心抽取4mL濃氨水、濃NaOH溶液，將其注入空NaCl瓶，充分振蕩。（2）將反應后的廢液小心抽出，將其注入盛有稀鹽酸的廢液缸。2.設計實驗：氨氣的性質因為在“氯及其化合物”的實驗中已經接觸過空塑料鹽水瓶和注射器，所以本節(jié)課學生已經能夠熟練使用這些用品，他們的創(chuàng)意設計也給了我們很多驚喜。在課后總結的過程中，我們認為，一個實驗是否能夠設計成探究實驗，要取決于以下幾個方面：（1）學生對于該知識的前期儲備是否足夠充分；（2）學生對實驗過程中的用品使用是否熟練。因此，在“鐵鹽與亞鐵鹽的相互轉化”實驗的設計時，我們首先呈現(xiàn)各種檢驗Fe2+/Fe3+的方法，為學生提供有效的技術支持，再結合已經了解的常見氧化劑、還原劑，利用廢舊藥板完成有關探究。3.3創(chuàng)新分組實驗儀器已有的片段式探究實驗設計，都是針對30人左右的優(yōu)質課和展示課。如何在70名學生的課堂上完成分組實驗，如何滿足16個教學班的循環(huán)教學，這是現(xiàn)有文獻資料中根本沒有提及的問題。因此，我們開發(fā)了適用于大班額的微型、綠色化實驗，并創(chuàng)設生活情境，使其更加生動活潑。以“海水中的元素：氯及其化合物的性質”為例，由于Cl2有毒，一部分高中教師選擇了演示方式，更多教師則選擇了“說實驗”。而氯及其化合物的性質既是學生認識非金屬及其重要化合物的關鍵一環(huán)，也是進一步理解氧化還原反應和離子反應的重要實驗依據(jù)。因此，我們認為這是一個不能回避的實驗設計。如何減少氯氣的泄露污染，能否在課堂上讓學生快速制取少量氯氣呢？經過討論與選擇，我們利用廢棄塑料生理鹽水瓶和注射器、青霉素藥瓶進行半封閉實驗，并創(chuàng)造性地利用了強酸性潔廁靈和“84消毒液”來完成液液混合制備少量氯氣，借助于這樣的設計，無論從制備還是性質實驗，都能夠在幾分鐘內快速完成。同時，利用便當盒，把整節(jié)課的實驗打包帶走，60盒就可以完成16個教學班的循環(huán)教學過程。分組活動中與該實驗類似的微型設計還有不少，見表4。3.4教學設計的具體過程以“Na2CO3、NaHCO3的性質”為例，簡單介紹我們進行隨堂分組實驗教學設計的一般過程。3.4.1結合課標和學情，大致確定本節(jié)課的實驗目的和方案結合課程標準，我們知道碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質既能幫助學生認識金屬及其重要化合物間的重要規(guī)律，也能使學生進一步熟悉“物質的量”這一重要工具的使用技巧。又因為Na2CO3和NaHCO3在生活中的廣泛應用，我們選擇了在制作面包的過程中面團的兩次膨脹現(xiàn)象作為本節(jié)課的主線：一是在發(fā)酵箱中與酸性物質反應，二是在烘焙箱中受熱分解。3.4.2討論分析實驗細節(jié)，提高設計可操作性隨堂分組實驗課的成敗，除了有一個好的引領思路外，關鍵還要有可操作性的實驗設計。為了滿足整個年級16個教學班的循環(huán)教學，我們將這節(jié)課中的很多實驗設計成微型實驗，一方面大大提高了便攜性，另一方面微型實驗能夠快速得到現(xiàn)象，保證了整節(jié)課的教學完整性。Ⅰ.與酸反應的半定量實驗為了比較Na2CO3、NaHCO3與鹽酸反應的速率問題，學生需要同時將兩種固體加入過量鹽酸中。根據(jù)以往經驗，由于試管入口小，操作很難完全成功，試管容積不大，反應時酸液容易沖入氣球。我們挑選了100mL平底燒瓶，很好地解決了上述幾個問題，同時由于小燒瓶的精致程度，實驗的美感也得到很大的提高。Ⅱ.NaHCO3受熱分解實驗流傳很廣的大小套管實驗存在以下問題，裝置組裝復雜，操作比較困難，加熱時間太長，不適合學生分組實驗。經過查閱大量資料，我們利用W形管微型加熱反應裝置[2]（見圖1），在10s左右就順利完成了實驗。我們還發(fā)現(xiàn)，加入的NaHCO3稍多些，能使澄清石灰水產生“先渾濁再澄清”的現(xiàn)象，再加熱石灰水處，“溶液又會重新渾濁”，為我們講解碳酸鹽與碳酸氫鹽的相互轉化提供非常實用的實驗支持。3.4.3結合課堂實踐，評估優(yōu)化設計結合授課教師感受，以及與學生的課下交流，兩個實驗設計在三個不同層次的班級中均能較好地體現(xiàn)設計目的，順利達成教學效果。3.5教學設計反思，加強教師引導在第一輪試用的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，相比于跟隨教師設計一步步完成實驗，學生更喜歡將所有實驗一氣呵成完成?？傻阶詈髿w納整理實驗現(xiàn)象、講授知識時問題就來了，學生興趣索然，忘記的比記住的多。針對這個問題，在教學設計中，我們增加了一個環(huán)節(jié)，增加活動手冊中指引導語的內容，設計合理的與實驗有關的思考題目，幫助學生及時地了解自己每一步所做實驗的目的和原理，起到事半功倍的作用。例如，在“膠體”的有關實驗[3]中，當學生利用丁達爾效應區(qū)分出三種分散系后，從“分析與討論”中就能夠發(fā)現(xiàn)原來這種方法是專門用來區(qū)分溶液和膠體的；當完成了“鹵水點豆腐”模擬實驗后，通過分析“石膏、蔗糖溶于水有什么不同”，結合蔗糖溶液不能使豆?jié){發(fā)生聚沉的現(xiàn)象，猜測出膠體介穩(wěn)性的可能原因。同時，我們也將大部分教學設計修改成了適合先集中完成實驗、再引導學生歸納整理的形式，使設計更加符合教學實際情況。通過增加小組間展示次數(shù)和加強作業(yè)批改等方式，從教師層面引起學生關注實驗現(xiàn)象的記錄與整理、實驗結果的生成過程。4結語經過幾年的努力，我們已經完成了16個隨堂分組實驗的教學設計。2009級學生接觸到的實驗遠遠超過了新課標實施以來的前幾屆。隨堂分組