高中化學(xué)定量實驗教學(xué)的實踐和反思

PAGEPAGE6高中化學(xué)定量實驗的教學(xué)實踐和反思一、課題的提出長期以來在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，實驗一直處于形高實低的地位，一方面教師一直在強調(diào)實驗的重要性，另一方面，由于課時和教學(xué)內(nèi)容的擠占，實驗教學(xué)常常被犧牲，教師將實驗步驟、實驗現(xiàn)象等內(nèi)容告訴學(xué)生，學(xué)生則采取死記硬背的方法來應(yīng)對。這樣一來，看似擠出了時間，實則放棄了實驗教學(xué)對學(xué)生化學(xué)思維能力的培養(yǎng)，學(xué)生學(xué)會的書本知識始終處于“死”的狀態(tài)。曾有同學(xué)提出這樣的問題：“為什么用氫氧化鈉滴定硫酸不能代公式C1V1=C2V2進行計算，我們以前用氫氧化鈉滴定鹽酸都是代這個公式的?！睂W(xué)生把根據(jù)方程式得到的比例關(guān)系式稱為“公式”真讓人深有感觸：學(xué)生只記住了實驗原理中最表面的部分而將最重要的部分忽略了！分析原因，其一，教師沒有找到定量實驗和學(xué)生已有知識點的內(nèi)在聯(lián)系或是在課中沒有幫助學(xué)生完成新舊知識的聯(lián)系；其二，第一課時教師主體的教學(xué)方式與第二課時學(xué)生主體的實驗方式明顯脫節(jié)，很難著重展示其中的化學(xué)實驗設(shè)計思維，許多有助于學(xué)生形成策略性知識的機會被白白浪費。隨著課程改革的不斷深化，一線教師對于化學(xué)實驗教學(xué)的認識也在不斷深化，大量的好的實驗教學(xué)方式不斷涌現(xiàn)，較多側(cè)重于對于學(xué)生實驗觀察能力的培養(yǎng)，以及驗證性實驗的改進創(chuàng)新上。而在高中化學(xué)教學(xué)中，化學(xué)定量實驗內(nèi)容占據(jù)一定比重，其教學(xué)功能不僅僅在于能夠培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，還能夠深化學(xué)生對事物變化中的量的關(guān)系的認識，理解化學(xué)變化的本質(zhì)。鑒于目前教學(xué)中對于定量實驗教學(xué)的探索相對較少，可供參考的經(jīng)驗也不多，我們選擇了這個研究課題。二、課題研究的內(nèi)容與目標(biāo)（一）課題研究內(nèi)容1、對定量實驗教學(xué)的闡述定量實驗是利用專用儀器和化學(xué)反應(yīng)計量關(guān)系來認識客觀世界的一種化學(xué)方法，是以定性實驗為基礎(chǔ)的研究。定量實驗的教學(xué)應(yīng)包括對實驗設(shè)計的教學(xué)及誤差分析等內(nèi)容。定量實驗的核心是“定量”，因而實驗的設(shè)計應(yīng)圍繞“定什么量？”、“如何定量？”、“如何精確定量？”展開，實驗設(shè)計的教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)下列三個原理的整合：①實驗原理：定量實驗中采用的化學(xué)原理（包括反應(yīng)原理、定義式）和化學(xué)計量關(guān)系。②操作原理：為準(zhǔn)確實現(xiàn)實驗原理采用的操作步驟和專用儀器使用要求配套的操作步驟。③儀器原理：定量實驗中專用儀器的設(shè)計原理和使用方法。2、研究載體：課程載體：1、硫酸銅晶體中結(jié)晶水含量的測定2、物質(zhì)的量濃度溶液的配制3、氣體摩爾體積的測定4、酸堿中和滴定以上實驗在新教材中都有所要求，均為高中化學(xué)階段定量實驗，且難度相對適宜，同時涉及了定量實驗的基本方法：重量法，量氣法，滴定法等，具有一定代表性。研究對象：根據(jù)二期課改課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，在高一高二的基礎(chǔ)型課程部分，化學(xué)實驗的教學(xué)應(yīng)當(dāng)達到以下目標(biāo)：“通過化學(xué)實驗活動，使學(xué)生了解和體驗科學(xué)研究的一般過程，學(xué)習(xí)必要的實驗技能以及分析、綜合、歸納和比較等科學(xué)思維方法，在增強實驗?zāi)芰Φ耐瑫r，培養(yǎng)科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新能力”。據(jù)此，我們認為化學(xué)基礎(chǔ)型課程中的定量實驗教學(xué)應(yīng)側(cè)重于通過設(shè)計簡單定量實驗方案，給學(xué)生搭建運用化學(xué)知識和技能進行分析、綜合、歸納、比較等科學(xué)思維方法的平臺，幫助學(xué)生在整合上述三原理的相互關(guān)系過程中，形成設(shè)計簡單定量實驗方案的一般思維框架。由于本課題研究時間為一年，故選擇教材中的重點實驗，以高一、高二學(xué)生為研究對象，課題研究重點確立為在定量實驗設(shè)計的教學(xué)中，促使學(xué)生形成設(shè)計簡單定量實驗方案的一般思維框架。（二）研究目標(biāo)：基于以上對高中化學(xué)定量實驗的思考，將課題研究具體目標(biāo)設(shè)定為：（1）積累設(shè)計簡單定量實驗的課堂教學(xué)實例。（2）摸索設(shè)計簡單定量實驗的課堂教學(xué)設(shè)計模式。三、課題研究的過程1、研究策略本課題主要采用行動研究和經(jīng)驗總結(jié)相結(jié)合的研究方法。通過教師對定量實驗教學(xué)的實踐，收集一定實例，通過思考與討論，對于教學(xué)設(shè)計進行改變和比較，嘗試摸索定量實驗教學(xué)的規(guī)律。2、研究方案第一階段：選擇上海二期課改新教材中的四個定量實驗內(nèi)容研究的課程載體。通過查閱相關(guān)資料，開展對教學(xué)內(nèi)容的深入分析，進行理論和方法上的思考。第二階段：研究小組通過共同分析教材，集體備課，對四個實驗進行了兩輪教學(xué)實踐。第一輪教學(xué)實踐以2005級學(xué)生為對象，課題組采取共同備課、聽課、修改的方式著重對以上四個實驗的第一課時（實驗預(yù)備課）進行課堂教學(xué)。每個課題各選取一節(jié)課當(dāng)堂錄像，并完成課堂實錄。通過對1）從教師課堂及時效果進行分析；2）學(xué)生課后問卷調(diào)查；3）第二課時學(xué)生實驗課堂效果；4）相關(guān)習(xí)題的準(zhǔn)確率的分析，對照教學(xué)實錄，進行教學(xué)設(shè)計進行反思和總結(jié)。再以2006級學(xué)生進行第二輪實踐，將得到的經(jīng)驗應(yīng)用到新的教學(xué)設(shè)計中，進行效果的比較和驗證。第三階段：對收集的實例進行整理，對實踐過程中的理論認識進行思考，摸索規(guī)律，形成本課題的觀點。四、課題研究的結(jié)果與分析（一）適應(yīng)定量實驗教學(xué)內(nèi)容的不同教學(xué)設(shè)計高中化學(xué)定量實驗教學(xué)設(shè)計是將實驗原理、操作原理和儀器原理進行整合，使學(xué)生形成實驗過程和思維。在教學(xué)中幫助學(xué)生尋找到需要測定什么量，在將目標(biāo)量轉(zhuǎn)化為可測量的過程中，形成實驗原理，圍繞實驗原理選擇甚至設(shè)計出測定這些量的操作和儀器，而操作原理和儀器原理通過相互修正來共同實現(xiàn)實驗原理。高中定量實驗教學(xué)可分為定量驗證和定量分析，在不同的實驗中思維上有所不同，設(shè)計也有所差異。第一、定量驗證：如一定物質(zhì)的量濃度溶液的配制和氣體摩爾體積的測定，這類實驗可深化對概念的理解。其實驗原理即是已有的概念和相關(guān)的定義式，因此需要測定的目標(biāo)量是十分明確的。要解決的是如何通過實驗完成對目標(biāo)量的確定，如果目標(biāo)量無法直接測定的話，需要利用化學(xué)反應(yīng)，依據(jù)化學(xué)計量關(guān)系將目標(biāo)量轉(zhuǎn)化為可測定的量。我們課題組得出的一般模式如下：定義式定義式可操作性？尋找合適化學(xué)反應(yīng)配套儀器實驗步驟能否精確定量完成設(shè)計設(shè)計專用儀器以《一定物質(zhì)的量濃度溶液的配制》教學(xué)為例，簡單流程如下：以復(fù)習(xí)質(zhì)量分以待測量為依據(jù)以量筒為量器從精度要求切入引數(shù)引入教學(xué)確定儀器和步驟修改操作步驟出容量瓶完成設(shè)計以復(fù)習(xí)質(zhì)量分數(shù)引入教學(xué)，從濃度的定義引出實驗原理：確定“溶液體積”和“溶質(zhì)物質(zhì)的量”。由于這兩個量可轉(zhuǎn)換成溶質(zhì)質(zhì)量和溶液體積，是有現(xiàn)成儀器可測量的，學(xué)生得出了使用天平和燒杯。根據(jù)儀器原理，學(xué)生就設(shè)計出計算、稱量、溶解和定容的操作步驟。此時由實驗原理得到的配套儀器（學(xué)生已有知識范圍內(nèi)）和主要操作步驟已經(jīng)成型。教師接著提問：“燒杯定容準(zhǔn)確嗎？”轉(zhuǎn)入能否精確定量的討論，引出實驗原理對儀器的更精確要求。學(xué)生想到了用量筒替代，由于使用了量筒，實驗步驟必須添加轉(zhuǎn)移和洗滌，以確保溶質(zhì)的量不變，這一環(huán)節(jié)體現(xiàn)了儀器原理對操作原理的修正過程。教師在分析了量筒的缺點后，學(xué)生提出修正意見：要密封容器，要更細一點，要有一定容積；于是，容量瓶被學(xué)生設(shè)計出來。通過專用實驗儀器的設(shè)計，對操作原理提出了進一定的改良和修正，同時實驗儀器又滿足了操作原理的需求。這樣在操作原理和儀器原理的共同作用下，實現(xiàn)了實驗原理，完成了實驗設(shè)計。第二、定量分析：如硫酸銅晶體中結(jié)晶水含量的測定和酸堿中和滴定等。這類實驗中實驗原理的設(shè)計需要先找到合適的相關(guān)反應(yīng)并確定計量關(guān)系，然后圍繞實現(xiàn)實驗原理、測準(zhǔn)實測量展開關(guān)于操作原理和儀器原理的討論，完成實驗設(shè)計。課題組得出的一般模式如下：待測目標(biāo)量待測目標(biāo)量實驗實測量配套儀器操作能否準(zhǔn)確測定實測量完成設(shè)計設(shè)計專用儀器轉(zhuǎn)化（化學(xué)反應(yīng)確定計量關(guān)系）實驗步驟確定修正儀器原因步驟原因例如：《硫酸銅晶體中結(jié)晶水含量的測定》教學(xué)簡單流程如下：尋找合適反應(yīng)設(shè)計基本步驟就測定結(jié)果是否修改實驗步驟確立計量關(guān)系確定配套儀器準(zhǔn)確進行討論完成實驗設(shè)計流程第一模塊中從定性實驗“如何證明晶體中有結(jié)晶水？”引入，通過“如何測定有多少結(jié)晶水？”“要測定什么量？”實現(xiàn)從定性到定量的轉(zhuǎn)化，學(xué)生利用相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，建立起待測目標(biāo)量與實驗實測量的計量關(guān)系，完成對實驗原理的討論。第二模塊中，在實驗原理的指導(dǎo)下，學(xué)生很快完成了基本步驟的設(shè)計（即稱量、加熱、稱量）和配套儀器的選擇（即酒精燈、坩堝及配套儀器）。教師接著提問：“要結(jié)果準(zhǔn)確操作中的關(guān)鍵是什么？”進入流程第三模塊，以是否能準(zhǔn)確測定實測量為切入，對實驗操作步驟和儀器使用展開進一步討論。由于本實驗對實驗儀器的要求不高，而對稱量及加熱操作和判斷實驗終點有較高要求，因此在這個流程中，教師通過“你準(zhǔn)備怎樣稱量？”“怎樣確保完全分解？”“如何判斷完全分解？”的提問，幫助學(xué)生進一步將實驗操作具體化，從而尋找到步驟中的漏洞和儀器的需求。討論后，學(xué)生相繼提出了“用坩堝代替稱量紙”、“要進行研磨”、“冷卻不能在空氣中”、“重復(fù)加熱至質(zhì)量不變”，“加熱程度即需要充分又需要適宜”的問題，依據(jù)這些思考，學(xué)生得到了研磨、冷卻、恒重操作這些重要的操作原理。明確了使用坩堝直接稱量，使用干燥器冷卻這些實驗儀器使用中的原理。通過修改和完善，形成了實驗設(shè)計。這樣的教學(xué)過程，為學(xué)生提供了解決問題的真實情景，使學(xué)生始終處于解決問題的思維模式中，讓學(xué)生在完成實驗設(shè)計的同時，建構(gòu)起化學(xué)的學(xué)科思維。（二）簡單定量實驗設(shè)計對促進學(xué)生實驗態(tài)度改變的作用。在實驗設(shè)計課時，按照形成計量關(guān)系的實驗原理，圍繞實驗原理展開對操作原理和儀器原理的討論，學(xué)生不再是單一的記錄教師對實驗步驟的闡述，而是與教師針對定量問題，開展有思維的討論，學(xué)生形成定量實驗的思維成為了教學(xué)主線。這樣的課堂開放度增大了，從“以教師出發(fā)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皬膶W(xué)生出發(fā)”，從“教師示范”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處熞龑?dǎo)”，課堂教學(xué)的內(nèi)涵被擴展了，真正實現(xiàn)了師生互動。在觀察學(xué)生的設(shè)計實驗和操作實驗中，不乏自發(fā)的出現(xiàn)對準(zhǔn)確定量的實驗?zāi)康倪M行思考和討論。例如：在物質(zhì)的量濃度溶液配制的教學(xué)課上，在嘗試的過程中，學(xué)生已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不能使用稱量紙稱取NaOH固體，而自主換成了燒杯。“我發(fā)現(xiàn)紙上有殘留，那就不能準(zhǔn)確定量了”這樣的答案的出現(xiàn)，不能不說是學(xué)生對定量的一種真正認識的體現(xiàn)。通過實驗預(yù)備課，學(xué)生是利用化學(xué)思維形成了實驗步驟，在實驗操作課中就能自主按照實驗步驟完成實驗，在實驗報告中“湊答案”的現(xiàn)象也減少了，部分同學(xué)還在實驗過程中表現(xiàn)出較嚴(yán)謹?shù)膽B(tài)度。原先問起學(xué)生對定量實驗的感覺，同學(xué)們都說：“為什么要那么煩!”現(xiàn)在大多數(shù)同學(xué)的反應(yīng)是：“煩是煩，不過都不能省，否則就不準(zhǔn)了?！闭n題組教師曾就《硫酸銅晶體中結(jié)晶水含量的測定》新、舊授課方式學(xué)生實驗課做了比較：在傳統(tǒng)授課后的實驗中，學(xué)生邊查閱實驗手冊邊做實驗。有2/3左右的小組提出要稱量紙稱量；超過1/3小組沒有研磨直接稱量，其中有些小組在發(fā)現(xiàn)漏了研磨后將已稱量好的晶體放入研缽中研完后再到入坩堝中直接加熱；在加熱過程中，很多同學(xué)無視玻棒上沾有的大量晶體，隨意的將玻棒放在石棉網(wǎng)上；實驗報告中大多數(shù)同學(xué)的答案為5。而在探究式授課后，學(xué)生普遍表現(xiàn)對實驗步驟比較熟悉，不需查閱實驗手冊即可進行實驗操作。三個班級只有一組同學(xué)提出要稱量紙；所有小組都沒有忘記研磨的步驟，并且很多同學(xué)研得非常細，同學(xué)間的對話很多是“再細點，否則加熱不行的?！焙芏嗤瑢W(xué)在加熱過程中玻棒的活動范圍沒有離開過坩堝，更有同學(xué)當(dāng)場就提問：“老師，玻棒上沾的晶體怎么辦？有誤差的?！睂嶒瀳蟾嬷兄挥幸唤M同學(xué)的答案為5。很明顯，學(xué)生對待實驗的態(tài)度從“要我做”變成了“我要做”，學(xué)生實驗課的過程是學(xué)生們檢驗自己實驗設(shè)計的過程，更是要精益求精了。教學(xué)效果（特別是學(xué)生的長期記憶）有所提高，教師原先特別頭疼的問題是學(xué)生的遺忘率高，尤其在定量實驗的細節(jié)上，每做一次練習(xí)都需要重復(fù)一遍，現(xiàn)在這些問題有了改善，個別好同學(xué)還能保持較高的正確率。五、不足與思考1、定量實驗學(xué)生操作實踐與理論脫節(jié)二期課改對實驗的提出更高的要求，定量實驗的比重和要求也不斷提高，突顯出配套實驗儀器的精確性對學(xué)生實驗的感知的重要性。雖然教師能夠引導(dǎo)學(xué)生形成對定量實驗思維，并對誤差的存在進行分析，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注方法而不是結(jié)論。但是學(xué)生在體驗實驗后，絕大多數(shù)是以自己的定量是否精確來認知方法的可行性。實驗儀器的不配套造成學(xué)生難以形成認知，如：缺少分析天平，量氣裝置，