基于提升学生实验科学素养的“翻转课堂”教学研究*——以“探究铜与浓硫酸反应的异常现象”为例

江合佩

（厦门市教育科学研究院　福建厦门　361003）



基于提升学生实验科学素养的“翻转课堂”教学研究*——以“探究铜与浓硫酸反应的异常现象”为例

江合佩

（厦门市教育科学研究院福建厦门361003）

摘要：以“探究铜与浓硫酸反应的异常现象”为例，探索了在翻转课堂教学模式下基于提升学生实验科学素养，将科学探究的提出问题和提供背景信息材料环节置于课前，课中从实验及理论两个角度进行相互印证，提升学生的化学核心素养与思维品质，强化师生互动，促进情感交流，拓展师生交互性。

关键词：实验探究；核心素养；翻转课堂

*福建省教育科学“十二五”规划课题：翻转课堂下的高中化学教学研究。课题编号：FJJG15-21。

一、问题的提出

化学是一门以实验为基础的学科。化学实验有助于激发学生学习化学的兴趣，创设生动活泼的教学情景，帮助学生理解和掌握化学知识和技能，启迪学生的科学思维，训练学生的科学方法，培养学生的科学态度和价值观［1］。国际课程改革的发展趋势从关注学生“素质”转向“核心素养”的研究［2］，以学生核心素养模型来推动和促进课程改革的发展。化学学科的六大核心素养分别为实验探究、分类表征、宏微结合、模型认知、变化守恒、绿色应用，其中实验探究能力又排在了第一位，足见实验对于化学学科学习的重大价值所在。

然而在实际教学过程中，由于学科总课时的限制以及教材中关于教师演示实验和学生探究实验界限模糊，使得新课程实施以来学生和教师的实验能力整体下降是个不争的事实。虽然教材在编排上都很重视学习的过程，重视探究，但是由于课堂时间紧、任务重，学生的实验探究往往演变成了老师指导下的验证实验，对培养学生的探究精神和科学思维产生了莫大的伤害。鉴于此，将实验探究当中的演示实验前置，并且在课前自主学习阶段给予学生足够的学习支架，重新建构教学流程，设计基于提升学生实验科学素养的翻转课堂教学模式（图1）。

图1实验探究翻转课堂教学模式

二、教学过程

1.生成学习资源包

本节课的教学对象是已经在必修1学过铜与浓硫酸反应的高二学生，学习的课题是选修6《实验化学》模块第四单元研究型实验《课题三综合实验设计（选学）》，学生们在学习必修1的时候都知道铜与浓硫酸反应会生成蓝色硫酸铜溶液和能使品红褪色的SO2，但实际上实验过程中很难观察到溶液呈现明显的蓝色，甚至在实验过程当中试管底部会出现灰白色固体，铜片表面会产生黑色物质［3-6］。本节课的设计意图就是通过学生的自主探究来解决与实际实验事实产生的巨大认知冲突。

在学习资源包的准备上，首先要让学生感受真实的实验事实，其次根据元素守恒的观点确定思考问题的维度，再次根据在解决问题当中需要提供给学生的相关背景知识。基于此，生成了相关学习资源包。当然，老师在思考解决整个问题当中可能还会存在思维的盲区或者遗漏的关键点，因此可以通过给予学生相关的网络文献检索方面的素材让学生根据探究目标主动查阅有效的资料。

2.微课的设计

微课的设计的目标主要有四方面，一是通过演示实验给学生创造巨大的认知冲突，二是根据实验现象引导学生思考并解决问题的方向，三是根据实验研究问题的方法即控制变量、平行实验、对比实验、空白实验与相关定量方法确定使用恰当的方法解决相关的问题，四是提供学生在解决问题过程中的有价值的信息材料。基于此，微课设计见表1。

表1“探究铜与浓硫酸反应的异常现象”微课设计

3.课前自主学习

学生进行课前自主学习是个系统性的学习过程，微课视频的观看只是提供给学生思考问题的视角。在具体学习过程中，学生应结合多种平台整合学习资源，形成对问题的基本理解，提出合理的假设，进而与同学进行交流，得出初步统一的意见后，与老师进行在线交流或者面对面交流，进一步确定研究问题的方向。

4.课堂学习

（1）提出假设小组讨论

学生以学习小组为单位进行研讨、交流、针对老师课前布置需要解决的问题提出假设、设计实验方案，然后由各组代表在班级交流本组已经确定的实验方案，同学相互点评进行思维碰撞，教师适时进行点评，确定合理研究方向。全班同学根据三个问题提出相应假设并设计的相关实验方案如表2所示。

表2学生针对3个问题提出的假设与实验方案

针对问题3中的浓硫酸最低浓度定量测定问题，学生提出了四种实验方案：

方案一：取样，向其中滴加足量氯化钡溶液，经一系列操作称量沉淀的质量。

方案二：取样，向其中滴加足量硫化氢溶液，经一系列操作称量沉淀的质量。

方案三：取样，进行酸碱中和滴定操作，测定残余H+浓度。

方案四：取样，加入足量锌粉，量取产生气体体积。

老师根据上述实验方案，提出问题让学生反思与评价，测定问题3的四个方案中哪些方案不合理?哪些方案需要优化?说明理由。

学生在进行分组讨论后，对四个方案进行了如下评价：

方案一通过测定反应停止后溶液中SO42-的浓度是不合理的。因为不仅残留的稀硫酸溶液中存在SO42-，反应生成的硫酸铜溶液中也存在SO42-，因此不能根据电荷守恒推出硫酸的浓度，所以方案一不合理。

方案二通过测定溶液中生成的铜离子的浓度，然后根据元素守恒计算出消耗的浓硫酸的量，由总的浓硫酸的量减去消耗的量即为溶液中残余的硫酸的浓度。表面上思维没有任何问题，但是细细品味，就会发现，问题2已经引导同学们思考在实验过程中会产生黑色物质CuxSy，这样会消耗一部分铜离子，自然元素就不守恒了，因此方案二也不合理。

方案三通过酸碱中和原理测定溶液中残余的H+浓度没有问题。但是需要注意三个问题，一是酸碱指示剂的选择，二是滴定终点的确定，三是一定要进行平行实验确认数据的有效性。

方案四通过测定H2的体积，根据元素守恒计算出溶液中残余的H+也没有问题，但是需要注意在移液过程中液体不能有任何损耗基于定量观的问题，其次要注意因为气体热胀冷缩如何确定有效读数的问题。

（2）分组实验成果展示

学生分三个大组九个六人小组分别完成问题1-3的相关实验，然后分享各组观察到的实验现象，得出结论。

表3问题1实验、现象、解释

实验结论：使用可抽动的镍铬丝（顶端缠绕细铜丝）与15 mo1·L-1的浓硫酸共热，控制反应温度低于150℃（或温度高于250℃）。

表4问题2实验、现象、解释

有同学针对问题2实验一提出质疑：试管底部为什么会产生白色无水硫酸铜固体，此时恰好可以通过解释浓硫酸的吸水性导致生成的硫酸铜溶液由饱和溶液变成过饱和溶液析出白色硫酸铜晶体。

有同学针对问题2实验二提出两点质疑：

1.根据强酸（H2SO4）制弱酸（H2S）原理，应该不存在Cu2S和CuS，如何解释?

2.根据查阅文献资料：反应①2Cu+2H2SO4（浓）=2CuS+2H2O+3O2的热力学数据△H=969.3 kJ·mo1-1和△S=508.38 J·mo1-1·K-1反应可能发生的最低温度为1633.5℃，计算出的结果是△G=807.74 kJ·mo1-1＞0不可能自发进行；反应②4Cu+2H2SO4（浓）=2Cu2S+ 2H2O+3O2的热力学数据△H=907.3 kJ·mo1-1和△S= 550.58 J·mo1-1·K-1反应可能发生的最低温度为1374.7℃，计算出的结果是△G=733.34 kJ·mo1-1＞0不可能自发进行。而实验过程中却出现了与理论计算相悖的结果，如何解释?

根据实验结果与学生认知相悖的实际情况，组织学生进行讨论，问题1组织学生从沉淀溶解平衡角度进行思考，得到反应：CuS+2H+=H2S+Cu2+，查阅相关数据得到如下计算过程：

该反应K值过小，因此不能自发进行，同理可得Cu2S也能存在于稀硫酸中。

问题2如果仅仅就反应论反应其计算过程天衣无缝，但是在实际反应过程中，其产物是非常复杂的，查阅相关化学手册及研究文献可以得知反应①会产生耦合反应：14Cu+2H2SO4（浓）=2CuS+6Cu2O + 2HO，其反应的△G=-70.42 kJ·mo1＜0可以自发进2-1行；反应②会产生耦合反应：16Cu+2H2SO4（浓）= 2Cu2S+6Cu2O +2H2O，其反应的△G=-144.82 kJ·mo1-1＜0可以自发进行。

表5问题3实验、现象、解释

5.反馈与评价

反馈与评价是反映教学效果改善教学过程最重要的环节，因此可采取多种反馈与评价方式，具体针对学生可以采用实验检测的方式，将实验过程设计成试题，抓住典型问题和难点问题进行设问，检测学生学习的效果；同时应结合调查问卷和师生直接交流谈话的方式直接反映学生的心声。当然学科教师直接的互相点评，找出改进意见也是必要的途径之一。

三、教学反思

1.翻转后的课堂培养了学生科学质疑的精神

学贵有疑，尊重科学实验事实，从异常现象当中发现问题，进而提出假说，是进行科学研究必备的素质。从学生们最熟悉的教材实验出发，有助于从最近发展区展开教学，有助于激发学生深入研究教材实验的兴趣，有助于培养学生的质疑精神，有助于培养学生利用实验及已学反应原理知识综合解决化学问题的能力。将演示实验中的异常现象提前到微课学习，有助于提供充分的时间思考解决问题的方法，有充分的空间利用多种媒体、平台查阅资料，还原真实的科学研究过程，帮助学生建立解决问题的思维模型，使得实验探究不是为了探究而探究，不是为了追求进度而降低学生思维的品质，将最重要的提出假设环节弃之如履，而科学精神的消亡也许正从忽略提出微不足道的问题开始。

2.翻转后的课堂培养了学生实验探究的方法

由于将演示实验及提出假设与查阅资料环节前置，为整个课堂争取了10分钟左右的时间。在这腾挪出来宝贵的时间里，学生和老师完全有足够的时间进行交流研讨，提出改进意见。在接下来的3个问题解决环节，利用问题1使用单一控制变量的方法帮助学生理清了自变量、因变量、不变量之间的相互关系。利用问题2使用实验事实与理论计算相互印证的方法帮助学生深刻理解了产物为什么可以稳定存在的原因。利用问题3使用发散思维帮助学生学会从定量的角度分别从重量法（沉淀法）、容量法（酸碱中和滴定）、气体法来解决定量问题。在获取有效数据过程中如何合理利用平行实验、对比实验、空白实验等思想方法解决问题，对学生如何进行科学探究，使用合理的探究方法是值得借鉴的案例。

3.翻转后的课堂培养了学生系统思考问题的能力

仔细研究新课程改革以来全国卷实验题的难度情况不难发现，难度值基本都维持在0.4左右。为什么学生恐惧实验题，主要是实验题往往涉及到元素化合物知识、基本概念、化学用语、反应原理等方面知识的综合，而在日常教学过程当中，我们的老师往往是割裂开来展开教学，缺乏系统性。但是这节课则是将学生化学实验之外的化学方程式的书写（化学用语）、平衡计算（反应原理）等多个模块知识有机融合，为解决问题服务。这样基于真实情境的系统教学对培养学生的高阶思维无疑有着不可估量的作用，这样的翻转课堂无疑会促进实验教学过程中学生实验能力真正的提高。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（实验稿）［M］北京：人民教育出版社，2003，（9）：33

［2］辛涛，姜宇，王烨辉.基于学生核心素养的课程体系建构［J］北京师范大学学报（社会科学版），2014，（1）：5-10

［3］陆军.硫酸和硝酸与铜反应时浓稀界限的实验探究［J］.教学仪器与实验，2005，（9）：12-13

［4］刘亚男.铜和浓硫酸反应的用量探究［J］.中国现代教育装备，2011，（2）：83

［5］云玉美，范进，格毕.铜与浓硫酸反应产物的分析［J］.内蒙古教育学院学报（自然科学版），1993，（11）：80-83

［6］杨淑梅.铜与浓硫酸反应黑色沉淀的探究［J］.长春师范学院学报（自然科学版），2006，（10）：61-64

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.003

文章编号：1008-0546（2016）02-0011-05

中图分类号：G633.8

文献标识码：B