优化实验设计 启迪学生思维

王秀秀

文章编号:1005-6629(2009)07-0030-03中图分类号:G633.8文献标识码:B

在实验教学过程中,教师要善于从多种角度优化实验设计,使学生学会“手脑并用”,让学生的思维火花在“设疑→实验→质疑→顿悟”的教学进程中一次次闪耀,体验学习的快乐和科学知识的魅力,并有利于知识的同化和灵活运用,逐步形成科学思维的习惯。

1 改变反应物的用量,促进求异思维

初中科学教材中很多实验具有“量变引起质变”的辩证内涵,教师若有意识地改变实验中药品的用量,与教材中规定用量的实验现象进行对比,会达到“出其不意”的效果。

如华师大《科学》九上第二章有一个实验活动:“用新制的Cu(OH)₂检验葡萄糖”。在学完九下化学内容后,安排一个学生分组探究活动,重做这个实验。

原课本要求:用2 mL 10 % NaOH滴加 4~5滴 5 %CuSO₄溶液制成 Cu(OH)₂再加入2 mL 10%葡萄糖加热煮沸,通过观察Cu(OH)₂颜色变化,检验葡萄糖的存在。

分组实验:每组第一次按课本药品用量及步骤进行实验,加热煮沸观察Cu(OH)₂颜色变化。

设疑:增大NaOH溶液浓度,滴入CuSO₄溶液量增多,现象仍一样吗?

实验:第2次用4 mL 10% NaOH滴加8~10滴5% CuSO₄溶液制成 Cu(OH)₂, 再加入 2 mL 10%葡萄糖(Cu(OH)₂过量), 加热煮沸,观察Cu(OH)₂颜色变化,并与第一次的实验现象进行比较。

质疑:不同的实验现象引发学生的思考,纷纷提出问题:“第一次实验 Cu(OH)₂加热煮沸后变成红色。第2次实验Cu(OH)₂加热煮沸后为什么一部分变成黑色,一部分变成红色?”

教师趁势引导:“同学们,根据第一次实验现象你能得出什么结论?你们猜想第二次实验中生成的黑色物质是什么?红色物质是什么?说出你们猜想的理由。”

学生提出多种猜想:有的认为黑色物质是碳,红色物质是Cu。猜想理由是Cu(OH)₂使C₆H₁₂O₆脱水碳化生成了碳;有的认为黑色物质是CuO, 红色物质是Cu。猜想理由Cu(OH)₂是不溶性碱加热能分解成CuO和H₂O;还有的认为黑色物质是CuO,红色物质是Cu和Cu₂O。他的理由 Cu(OH)₂不可能使C₆H₁₂O₆脱水碳化,否则第一次实验中Cu(OH)₂也能使C₆H₁₂O₆脱水碳化生成黑色物质;对红色物质猜想是Cu和Cu₂O,理由是从H₂还原CuO实验了解到红色生成物可能是Cu和Cu₂O的混合物。以上学生的猜想及理由似乎都有道理,教师不急于评价对错或抛给学生答案,而是让学生通过设计实验来验证黑色物质是C还是CuO,红色物质是Cu还是Cu₂O。学生又提出了多种实验方案:1.取黑色物质加入少量的稀硫酸微热看溶液是否变成蓝色,若变蓝色说明黑色物质是CuO而不是C。2.用石棉网灼热黑色物质,用内壁附有澄清石灰水的小烧杯罩住,观察内壁是否变浑浊,若浑浊说明黑色物质是C。3.将黑色物质灼热后,立即放入盛满氢气的集气瓶,看是否变成红色,若变红色说明黑色物质是CuO。4.在红色物质中滴加稀硫酸微热,若不能反应则红色物质是Cu,若能反应则是Cu₂O。”

又如:探究“空气中氧气的体积分数”实验中,白磷足量或不足量充分燃烧后,钟罩内水面上升刻度不同,从而启发学生思考影响氧气体积分数偏小的各种原因。还如探究“用H₂O₂溶液和MnO₂催化剂制取氧气”实验时, 让学生用溶质质量分数分别为2%、5%、8%的H₂O₂溶液和等质量的MnO₂混合制取氧气,可以观察到各实验中产生氧气的速率明显不同,从而激发学生探究“影响化学反应速率可能与哪些因素有关?”。再如探究“Na₂CO₃溶液与盐酸反应”实验时,若在 Na₂CO₃溶液中滴加少量稀盐酸,与加入足量稀盐酸时观察到产生气泡现象不同,从而激发学生探究“Na₂CO₃与少量稀盐酸反应生成产物是什么?”这些事例中渗透了“量变到质变”的辨证思想,学生的学习也更积极主动,课堂充满了活力。

2 改变实验器材,培养发散思维

在实验教学中,教师要有强烈的课程资源整合意识。同一实验中,要善于改变实验器材,采用多种方法的实验设计,开阔学生的视野,启迪学生的发散性思维。

如在已学过实验室制取O₂的基础上,学习“实验室制取CO₂气体”时,教师故意创设如下情景:“用如图1所示带单孔橡皮塞的小试管和集气瓶制取CO₂气体,在取石灰石药品时,挑出来的石灰石大多放不进小试管口,只好取小颗粒与稀盐酸反应,实验时发现反应速率太快,验满时发现集气瓶中CO₂未满而反应已停止。”学生看在眼里急在心里,七嘴八舌议论纷纷。此时教师提出问题:“如你想制取3瓶CO₂气体,用于检验CO₂性质,你认为此装置有何不足?”学生纷纷动脑一起讨论解决困难,有的说此反应装置太小;有的说此装置不能控制反应速率;有的说此装置不能随时控制反应停止和进行。教师又问“为了解决以上问题,应如何改进装置,请设计装置草图。”学生设计了多种反应装置,如图2所示:

接着让学生当裁判评价哪种设计方案最佳, 说出理由,并评选最佳设计奖和最佳评论员。在这过程中学生参与的热情高涨,顺利解决了发生装置的问题。教师再提出关于收集装置的问题:“我们生活中有哪些器材可以收集CO₂气体?”学生方法很多,除了课本中常见的收集装置外,有的说用扁瘪的气球或塑料袋收集较方便不用排空气,而且使用时只要插入管子通过挤压就可把气体导出;有的说用洗气瓶收集气体比常见的排空气法方便,可以直接在导管口验纯不用浪费整瓶气体,可节约药品;有的说用针筒跟带橡皮管的导管相连收集更方便。

又如探究喷泉形成原因时,若让学生设计实验难度太高,教师可以展示多种形成喷泉的实验装置,让学生逐个分析这些装置形成喷泉的原理,并让学生归纳要形成喷泉可采用方法。经过分析归纳学生得出形成喷泉可采用方法有:1.利用气体和溶液反应改变装置压强差。2.利用溶解性极大的气体溶于水形成压强差。3.利用物理方法通过改变装置内温度改变装置压强差。

实验教学中,改变器材的设计方法有:1.同一实验让学生设计不同的装置进行实验。2.通过教师展示不同实验装置让学生分析各装置的实验原理,进行总结归纳,等等。但教师在引导学生解决问题的过程中应始终坚持不急于指思路、抛答案,而是要给出相关信息激发学习热情、挑战他们的思维。课堂教学目的不只是使学生获得知识,更重要的是培养学生科学思维的能力和科学研究方法。

3 改变实验操作步骤,培养学生逆向思维

在实验过程中,教师可有意“颠倒或改变实验操作顺序,或省略必须的操作步骤。”使实验结果出错,让学生在找错改错中,培养学生严谨求实的科学态度,提高学生逆向思维能力。

如在学习浓硫酸稀释时,如果教师让学生由浓硫酸的性质,推测出稀释时应将浓硫酸倒入水中,再让学生实验。这样的实验,学生照方抓药显得被动、缺乏思维。我试着改变实验操作步骤,为保证实验安全,选用一只大烧杯下面垫一块50 cm×50 cm的正方形玻璃板,以免酸液飞溅到桌面。先向大烧杯中滴入几滴紫色石蕊试液,倒入一定量的浓硫酸,学生观察到石蕊试液变红——马上说出这是酸与指示剂的作用,不一会儿,红色褪去——学生想到浓硫酸使石蕊脱水,接着向该烧杯中加入水,看到酸液剧烈飞溅,大烧杯内、外溅满了液滴。学生既惊慌又兴奋,积极性受到极大的调动,几乎都异口同声地说:“不能将水倒入浓硫酸中。”学生思维积极,不但问题分析得好,并且印象深刻。

又如:在探究“Fe₂O₃样品中Fe₂O₃的质量分数”实验时,教师出示如图3装置,并提出问题:“通过哪些方法可以求得Fe₂O₃样品中Fe₂O₃的质量分数?”

学生考虑出如下三种方案:1.待完全反应后,通过C装置反应前后增加的二氧化碳质量,求得Fe₂O₃质量;2.通过B装置反应前后减少的氧元素质量,得到Fe₂O₃质量;3.把反应后的锌粒洗涤烘干,根据反应前后锌粒质量改变量求得氢气,再求得Fe₂O₃质量。

接着教师让学生当裁判评价上述三种方案求得样品中Fe₂O₃的质量是否准确,若不准确,请分析原因及应如何改进实验?教师在解决问题的过程中应始终坚持不急于指思路、抛答案,而是要给出相关信息激发学习热情、挑战学生的思维。课堂教学目的不只是使学生获得知识,更重要的是培养学生科学思维的能力和科学研究方法。

4 制造实验“假象”,培养逻辑思维能力

古人云:“疑者,觉悟之机。”无智者往往被实验“假象”所蒙蔽, 智者往往能识破“假象”, 去伪存真。在实验教学中, 教师也不妨制造实验“假象”,营造积极思维的氛围,培养逻辑思维能力,让学生争做火眼金睛的智者,体验科学探究的乐趣。

如在探究“铝和锌与酸反应的速率大小”时,用久置在空气中的铝片和存放在试剂瓶中锌粒分别和同质量分数、相等质量的稀盐酸反应,让学生观察不同时间段金属表面产生气泡的速率变化。学生观察的结果是实验刚开始时锌粒表面产生气泡速率远远大于铝片,一段时间后发现铝片表面产生气泡速率且远远大于锌粒表面。在这实验过程中,学生观察到了两种截然不同的现象感到非常好奇,从而激发他们探究产生实验“假像”的可能原因。又如在复习唾液淀粉酶对淀粉的消化作用时,教师故意设计了这样一个实验:向淀粉糊中滴加几滴唾液,再滴入碘液结果发现试管内物质变蓝色。教师让学生分析老师实验失败的原因,并让他们比比谁“火眼金睛”最厉害。学生分析出了多种形成假象的原因:1.淀粉糊太浓或太多。2.滴入唾液太细或太少。3.试管内物质温度太低或太高。4.原试管没清洗干净残留酸性或碱性物质影响酸的活性。5.操作时没有振荡等等。

在探究原理、规律性实验时,教师可有意让实验“假象”和“真相”同时出现,这样不仅可以使学生从实验真相中得出实验结论,还可以通过实验“假象”激发学生质疑,促进思维,提高他们利用所学知识解决问题的能力。在拓展性实验中教师可直接展示实验“假象”使其与学生原认知结构中的实验现象产生矛盾,从而激发学生的探究热情。