启发式实验探究模型建构

龚姗姗

【摘要】科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动。新版人教版教材实验相关的栏目设计占了很大的比重，而很多学生容易在实验题失分，主要原因是对于实验，没有思考相应的设计原理，每一种仪器、每一步操作的作用不明确，缺少思考探究的思维过程。因此，需要改变在实验中注重动手但缺少思考的现状，需要强调学生参与设计的高级思维过程。

【关键词】思考;设计;实施;素养

一、本课的设计初衷。

新版《普通高中化学课程标准》（2017版2020年修订），在必修模块的第一个主题“化学科学与实验探究”中，有一句话引起了我的思考“改变在实验中注重动手但缺少思考的现状，强调高级思维过程”。确实，近些年，对于实验这一块内容，一直在强调让学生动手实验，也规定了一些学生比作实验。但是在考试中，实验题依然是最容易失分的。这与很多学生没有好好思考过，实验为什么要这样做，每一种仪器、每一步操作是什么作用，与缺少这样的思维过程有一定的关系。

《课程标准》明确指出：科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动。包括提出问题或假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解释或建构模型、形成结论及交流评价等核心要素。从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案。学习研究物质性质，探究反应规律，进行物质分离、检验和制备等不同类型化学实验及探究活动的核心思路与基本方法。

再分析人教版新教材必修部分内容和栏目设置（如下表），我们看到“思考与讨论”占比最大，“实验”其次，而“实验活动”、“探究”、“研究与实践”这些栏目大都与实验探究有所关联。

所以，我希望通过带着学生们一起设计、探究实验来给学生一点思维启发。告诉他们，任何实验的设计、操作、改进都是由实验目的出发，通过一步一步的探究和实施来完成这一目的。也希望能够启发学生更全面的思考问题。

二、课堂教学设计。

通过四个主题实验展开，逐步得出化学实验设计的一般方法。过程简要介绍如下：

1.引课的素材来自于知名动画片《名侦探柯南》，里面很多破案的方法都和化学知识有关，中南大学徐海教授曾做了一系列“柯南和化学探秘”的短视频，通过视频展示引课。柯南与学生一样，也是高一学生，通过一个简单的物质检测引发学生的积极性，同时强调了操作和答题的规范性。

2.通过离子反应概念验证实验，归纳出实验探究的一般方法。

3.根据性质强弱比较实验，提示学生多角度思考，按要求改进实验方法，优化实验方案。

4.通过以上铺垫，进行“菠菜中铁元素的检验”进一步落实设计、探究、实施、操作各个环节，鼓励学生在实验探究过程中不断克服困难，去尝试、去分析、去查阅资料、去改进优化。得出更为完整的实验探究方法。也通过教师和学生的前几次实验失败经历，去加深实验成功后的喜悦感。

然后，设计了两个应用环节。环节一是根据“海带中碘元素的检验”得出“食品中元素检验的一般方法”;环节二是2020年1月的浙江省学考真題中的实验情境分析。使学生将实验探究方法与生产生活、课堂学习和习题测试联系起来。

最后，紧跟时事，聚焦两会，利用“人民日报”发布的“未来几年最值得关注的行业新动向”，强调学生学会科学探究方法的重要性，提升学生的学习积极性。

三、课堂教学过程。

[引课]：化学是一门以实验为基础的学科，同学们参与操作了不少实验，也已经做过非常多有关实验的题目。但是，你是否曾经参与设计实验，是否曾经利用实验解决过实际问题呢？我们一起来试一试。

某地发生一起命案，犯罪嫌疑人有十分明确的不在场证明，破案线索中断，使得调查过程陷入僵局。就在这时，一位高一学生出现在大家面前，（播放《柯南与化学探秘》视频片段）柯南指出，凶手很可能在犯罪现场撒了食盐、生石灰和水，以混淆犯罪时间的判断。请你帮助柯南，设计实验进行验证。

[探究一.样品成分分析]：首先要确定实验目的，知道检验的物质是什么？（食盐、生石灰。生石灰遇水就会反应，是以Ca（OH）2形式存在，还有可能存在部分CaCO3。）

问题1：拿到样品首先需要做什么？（取样—溶解—过滤—滤液）

问题2：向滤液中加入什么试剂可以进行检验？（HNO3和AgNO3、Na2CO3溶液）

问题3：怎样加比较科学？（分装到两只试管操作）

操作的规范性很重要，否则将无法看清实验的现象。同时，我们在实验题的答题时，也要注意答题的规范性！要按照“取样、操作、现象、结论”的顺序，完整规范地答题。

板书1：一.操作/答题规范性：取样—操作—现象—结论。

[探究二.离子反应验证]：首先还是要明确实验目的，以Ba（OH）2溶液与稀H2SO4的反应为例，验证该反应是由离子参加的反应。

问题1：如何验证溶液中存在离子？（测定导电性，连接电路观察灯泡是发光）

问题2：如何验证溶液中的离子浓度发生了改变？（溶液导电性有溶液中离子的浓度及离子所带电荷数决定。观察随着稀H2SO4逐滴加入Ba（OH）2溶液时，灯泡明亮程度，据此判断溶液中自由移动离子浓度的变化，从而证明该反应是离子反应）

问题3：为了更加清晰的观察到OH-浓度的变化，我们可以做一个改进，滴加2滴酚酞，通过溶液红色逐渐褪去的现象可以判断OH-浓度的变化。

分析现象灯泡由亮变暗至熄灭后再变亮，溶液红色褪去，产生白色沉淀。说明原溶液有大量Ba2+和OH-，导电能力较强;随着H2SO4的加入，生成BaSO4沉淀和水，离子浓度降低，灯泡变暗至熄灭;又由于H2SO4过量，溶液中H+和SO42-浓度逐渐增大，但不会无限增大，最终逐渐接近于硫酸本身的导电能力。

通过以上两个实验，总结出实验探究的一般方法。

板书2：二.实验探究一般方法：1.明确目的—设计方案—实验验证—得出结论。

[探究3.判断金属活动性]：对于物质性质强弱判断的实验探究。依然要先明确目的，再设计实验方案。

问题1：现在有大小形状相同的铁丝、铜丝、铝丝，你觉得可以采用什么方法比较他们的金属活动性强弱？（与酸反应置换出H2的剧烈程度，相对于其他方法，比较容易操作和观察）

问题2：一开始的现象如何？（只有铁丝上有气泡）过一段时间后呢？（铝丝上出现大量气泡，铁丝有气泡，铜丝无一气泡）

问题3：该实验需要等待几分钟才能出现明显的现象，可以改进一下吗？

改进1：做验证试验前，需对金属进行怎样的处理？（除去表面氧化膜）我们继续思考，时间节省了，有没有更好的方案没让药品也节省一点呢？

改进2：只用一支盛有少量稀盐酸的试管，只需调整金属丝的放入顺序，也能证明三种金属的活动性顺序。则放入金属丝放入的顺序怎样更合理？（铜、铁、铝，除了考虑物质本身的性质，还要考虑盐酸的浓度、甚至温度的影响）

用更少的资源，更高效地完成，也是我们实研究和实际生产生活过程中经常需要考虑的问题。所以在实验探究过程中，我们有时候还需要改进方案。

板书3：2.明确目的—设计方案—实验验证—改进方案—得出结论

在以上三个实验的基础上，接下来就要开始我们这节课的重头戏了，不仅需要同学们一起参与设计，还需要大家一起动手操作和实施。我们一起来完成“菠菜中铁元素的检验”

[探究四：菠菜中铁元素的检验]：

明确目的：检验菠菜中的铁元素。

问题1：检验方法有哪些？（回顾Fe2+、Fe3+的检验方法）

把菠菜处理一下，菠菜没法溶于水，我们可以研磨出菠菜汁。

实验设计：菠菜—研磨—浸泡液

问题2：绿色的是什么？（主要是叶绿素）能直接检验吗？（不利于观察现象）如何除去？（活性炭吸附脱色）

改进1：菠菜—研磨—浸泡液—活性炭—过滤—滤液

问题3：菠菜中的铁可能以什么形式存在？（Fe2+、Fe3+）向过滤后的滤液中加入NaOH溶液或酸性KMnO4会怎么样？

演示实验1：取一根菠菜剪碎、加水研磨，加活性炭，搅拌后过滤，取少量滤液加入NaOH溶液（无明显现象）;另取少量滤液加入酸性KMnO4溶液（不褪色）

问题4：有没有更灵敏的检测方法？（先加KSCN溶液再加H2O2溶液）

演示实验2：再另取少量滤液加KSCN溶液（无现象）;再加H2O2溶液（仍无现象）

问题5：实验失败的最大原因是什么？（如果溶液中有Fe2+或者Fe3+，应该是可以检验的，肯定是还有什么我们没有注意到的。这时候，我们就需要通过书籍或者网络查询资料了。）

信息查询1：菠菜中的铁元素以草酸亚铁的形式存在于植物细胞中，主要以有机亚铁盐的形式存在，菠菜中的草酸和维生素C具有很强的还原性。高温灼烧能够破坏植物细胞壁和叶绿素，使有机物转化为CO2和H2O除去。

问题6：根据这个信息，我们刚才的实验为什么失败？（滤液中可能没有Fe2+、者Fe3+）可以对实验进行怎样的改进？（高温灼烧）

改进2：脱水菠菜—灼烧—溶解—过滤—取滤液加KSCN溶液、H2O2溶液

学生实验1：现有灼烧后的菠菜灰，请同学们完成检验。（无明显现象）为什么还是失败呢？我们再查查资料，克服困难，学无止境嘛！

信息查询2：菠菜中的铁元素以草酸亚铁形式存在，草酸亚铁是一种淡黄色结晶性粉末，难溶于水，溶于强酸溶液，160℃时分解为氧化亚铁。

那么我们的实验哪一步出了问题？

问题7：那么我们的实验哪一步出了问题？（用水无法溶解）灼烧后的灰分中铁主要以什么形式存在？（FeO或FeC2O4）如何改进？（改用酸溶）

改进3：脱水菠菜—灼烧—2mol/L稀硫酸溶解—过滤—取滤液加KSCN溶液、H2O2溶液。

学生实验2：菠菜灰酸溶，过滤，取滤液加KSCN溶液（浅红）、加H2O2溶液（红色加深）

问题8：FeO或FeC2O4酸溶后为Fe2+，为什么会有Fe3+？（灼烧过程中，有可能被氧化）实际生产过程往往比较复杂，需要多角度，全面地分析。

我们终于在菠菜中检验出铁元素的存在，成功了！在这个过程中，我们不断地改进方案、查询资料、改进方案，使得实验探究过程更加完善。因此实验探究过程也需要继续补充和完善。

板书4：3.明确目的—设计方案—实验验证—查询资料—改进方案—得出结论

[拓展迁移1]：海带中碘元素的检验的实验设计与实施，其实很多食品中元素的检验方法都会用到类似的方式。归纳如下：

我们考试的实验题，大都来自于生产生活中的这些真实的情境。

[拓展迁移2]：2020年1月浙江省学考29题

[聚焦时事]：通过不断学习，掌握好科学探究的方法，不仅能够提高我们对问题的分析和解决能力，还能让自己拥有更强的竞争力！人民日报根据两会精神，汇总了未来几年内最值得关注的行業新动向。新能源、新材料、药物医疗、芯片研发、生态环境等，这些领域都需要科学的探究方法。化学与人类的衣食住行以及能源、信息、材料、国防、环境保护、医药卫生、资源利用等都有密切的联系，它是一门社会迫切需要的实用学科。

参考文献：

[1]中华人名共和国教育部.普通好重化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]王兰廖钫人教版高中化学新教材栏目设置变化[J].中学化学教学参2021.01：68—69

[3][英]哈利弗莱彻伍德基于问题导向的互动式、启发式与探究式课堂教学法[M]北京：中国青年出版社，2019.