化学探究性实验在研究性学习项目中的设计与实施

郑沅

摘 要：本文系统探讨了化学反应的研究性学习项目设计及实施。首先，通过酸碱中和、金属与酸反应等实验，深入探讨了化学反应的热效应，通过测量温度变化揭示了反应中的能量转化原理。其次，通过设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案的微项目，学生在整合化学知识的同时，研究能源与氧气再生问题，培养了跨学科整合的能力。这一综合研究旨在提高学生的实验设计和科学研究能力，为未来化学在科学与工程领域的应用奠定基础。

关键词：化学探究性实验；研究性学习；化学反应；能量转换；学科整合

研究性学习作为一种强调学生主动参与、探究和发现的学习方式，在当今教育中得到了广泛的关注和应用。而化学作为自然科学的一个重要分支，其实验教学一直以来都是培养学生科学素养的重要手段。因此，将化学探究性实验融入研究性学习项目，对于激发学生的学科兴趣、提高他们的实验技能和科学思维能力具有重要的意义。

一、研究性学习对深度学习的促进作用

学生的主动参与、学科兴趣的激发、实践与理论的结合以及批判性思维的培养共同推动了学生在化学领域的深度学习，为其未来的学科发展奠定了坚实基础。

（一）鼓励学生主动参与

在高中化学教育中，引入研究性学习是为了突显学生主动参与的关键性，这对于促进深度学习至关重要。传统的教学方式往往是教师向学生传递知识，而研究性学习则强调学生在学习过程中的主动性。通过实验设计、操作和数据分析，学生积极参与到学习的全过程中，从而不再仅仅是被动地接受知识。这种主动性的参与有助于学生更深层次地理解和巩固学科知识，同时培养了他们在面对新问题时灵活运用知识的能力，进一步提升了问题解决的技能。

（二）激发学生的学科兴趣

研究性学习通过提供更富挑战性和实践性的学科任务，成功地激发了学生对高中化学的兴趣。学生参与实验项目时，他们通过主动设计和操作实验，使得对化学领域产生了更加浓厚的好奇心和兴趣。这种兴趣的培养不仅在短期内带动了学科学习的积极性，更在长期内为学生未来的专业发展奠定了积极的基础。通过实践性的学习体验，学生更容易认识到化学领域的广阔可能性，从而更愿意深入学习相关知识。

（三）实践与理论知识的有机结合

研究性学习的核心在于将实践性的实验与理论知识有机结合，从而推动学生对深度学习的追求。通过实验操作，学生能够更生动地理解抽象的理论概念，并将所学知识应用到实际问题的解决中。这种实践与理论的有机结合有助于学生形成更为全面深刻的学科认识。实验项目不仅是理论知识的验证，更是学生思考、实践和创新的舞台，促使他们将所学知识更加深刻地融入实际应用中。

（四）培养批判性思维

研究性学习强调在实验设计和数据分析中运用批判性思维。学生需要审慎评估实验步骤的合理性，分析实验数据的可靠性，并从中得出科学结论。这种思维方式的培养不仅提高了学生的实验技能，还促进了他们在面对复杂问题时的独立思考能力。通过批判性思维，学生能够更全面地审视问题，不仅关注实验结果，更关注实验的过程和方法，培养了他们在未知领域中主动探究的精神[1]。

二、高中化学探究性实验的现状和不足

通过深入分析高中化学探究性实验的现状和不足，可以更全面地认识到存在的问题，并在今后的教学实践中有针对性地改进，提升高中化学教育的质量。

（一）现状分析

目前高中化学教育中，探究性实验逐渐受到重视，但在实际教学中存在一些问题。首先，由于教学资源和设备的限制，一些学校难以提供充足的實验条件，导致学生在实践中的机会受到制约。这种限制可能阻碍学生在实验中充分发挥创造性思维和动手能力，从而影响其实践能力的培养。其次，教师在实验设计和指导中可能面临时间和能力的压力，难以全面引导学生深入参与。这可能导致实验过程变得机械和单一，无法真正激发学生的学科兴趣。此外，考试导向的评价体系也使得实验教学往往被边缘化，学生更关注应试而非真正的学科探究。

（二）不足之处

高中化学探究性实验在实施中存在一些不足之处。首先，一些实验设计可能缺乏足够的创新性，难以引发学生的浓厚兴趣。这可能导致学生对实验过程缺乏热情，影响其主动参与的积极性。其次，实验中的安全问题需要更加重视，确保学生在实践中的安全性。教育机构和教师需要确保学生在实验操作中掌握正确的安全知识和技能，以避免潜在的危险。同时，由于一些学校的师资力量和实验设备水平有限，导致一些学生无法充分体验到探究性实验的乐趣和价值。这使得教育资源的不平衡成为制约学科素养全面提升的瓶颈。

（三）未来展望

随着高中教育改革的不断深入，相信高中化学探究性实验将迎来更好的发展机遇。通过全社会的关注和支持，可以逐步解决实验条件不足的问题，为学生提供更广阔的学科实践空间。投入更多的资金和资源，提高学校实验设备水平，有助于创造更有挑战性和实际意义的实验环境。同时，加强教师队伍建设，培养更多高水平的化学教育专业人才，将有助于提升探究性实验在高中教育中的地位和作用。期待未来，高中化学探究性实验能够更好地服务于学生的全面发展和科学素养的培养。这需要教育体制、学校和教师共同努力，形成有利于学科探究和实践的教学环境[2]。

三、化学反应与能量转换实验设计

（一）化学反应的热效应

在化学反应的研究性学习项目中，选择了化学反应的热效应作为一个重要的实验方向。通过测量不同反应过程中的温度变化，学生可以深入了解反应过程中的能量转化。具体实验包括以下两个子实验：

1.酸碱中和反应

在酸碱中和反应实验中，学生选择强碱氢氧化钠（NaOH）与强酸盐酸（HCl）反应为例。该反应化学方程式如下：

HCl?+ NaOH →NaCl ?+H2O

学生在实验中按照一定的摩尔比例混合NaOH和HCl，通过测量混合溶液的温度变化，记录反应前后的温度差。通过实验数据的分析，学生能够计算反应过程中释放或吸收的热量，从而了解该酸碱中和反应的热效应。

2.金属与酸反应

在金属与酸反应实验中，学生选择锌（Zn）与盐酸（HCl）反应为例。该反应化学方程式如下：

Zn + 2HCl → ZnCl2+H2↑?

学生按照一定的摩尔比例将锌片与盐酸混合，同样通过测量反应前后的温度变化，记录反应过程中释放或吸收的热量。通过对实验数据的分析，学生能够比较不同反应的热效应，深入理解金属与酸反应的能量转化过程。学生不仅能够实际操作化学实验室中的反应，还能通过数据分析和计算，深入理解化学反应中的热效应原理，为研究性学习项目的深入进行奠定基础[3]。

（二）化学能转化为电能——电池

在这个研究性学习项目中，将设计一个关于电池的实验，以便学生深入了解化学能如何转化为电能的过程。以下是实验的详细步骤：

1.实验目的

通过构建简易电池装置，观察金属溶液反应，深入研究化学能转化为电能的机制，并探究不同金属对电池性能的影响。

2.实验材料

两块相同大小的铜片

两块相同大小的锌片

母液槽

铜和锌的硫酸溶液

导线

电流计

电压计

3.实验步骤

（1）准备材料

在进行电解实验之前，首先需准备实验材料。

（2）铜片和锌片处理

将铜片和锌片分别插入两个母液槽中，确保它们不直接接触，以避免直接的电化学反应。

（3）溶液倒入

在两个母液槽中分别倒入铜和锌的硫酸溶液。

确保液面充分覆盖铜和锌片，使它们完全浸泡在溶液中，为电化学反应提供足够的反应物。

（4）连接电路

使用导线将铜片和锌片连接，建立电池电路。

通过电流计和电压计分别连接电路，以准确测量电流和电压。

（5）测量和记录

启动电路后，记录实验过程中电流和电压的数值。

仔细观察反应过程中的现象，如气体产生、电极表面的变化等。

定期记录实验数据，包括电流随时间的变化、电压的波动等信息。

（6）重复实验

使用不同金属或调整硫酸溶液的浓度，以研究它们对电池性能的影响。可以改变铜和锌的组合，或者调整硫酸的浓度，记录并比较不同实验条件下的电流和电压数据。通过这一系列实验步骤，学生将深入了解不同因素对电池性能的影响，并培养实验设计和数据分析的能力。

4.实验数据示例

在使用铜和锌的硫酸溶液时，记录的电流和电压数据参照如下：

电流：0.5安培（A）

电压：1.2伏特（V）

通过比较不同金属组合和溶液浓度下的实验数据，学生可以深入研究电池的工作原理，了解不同条件下化学能如何转化为电能。这样的实验设计旨在提高学生对电池性能和化学能转化的理解，并培养他们的实验技能和科学思维能力。

（三）氢氧化亚铁的制备实验设计

1.实验目的

理解并掌握制备氢氧化亚铁的方法；

观察氢氧化亚铁的颜色和状态；

了解氢氧化亚铁不稳定的原因及保存方法。

2.实验原理

氢氧化亚铁【Fe（OH）2】是白色固体，难溶于水，但易被氧化。制备氢氧化亚铁通常采用将可溶性铁盐与强碱溶液反应的方法。为了防止氢氧化亚铁被氧化，制备过程中应嚴格控制反应条件，如氧气浓度、溶液酸碱性、反应温度等。

3.实验材料和仪器

硫酸亚铁溶液；

氢氧化钠溶液；

蒸馏水；

试管；

（特别长的）胶头滴管；

离心管；

离心机。

4.实验步骤

组装密闭装置，并将适量的氢氧化钠溶液滴入硫酸亚铁溶液中，同时搅拌；当观察到生成白色沉淀物时，停止滴加氢氧化钠溶液；

将试管中的混合物用离心机进行离心分离，分离出上层清液和下层沉淀物；

将离心后的沉淀物用蒸馏水洗涤多次，直至洗涤液中不含硫酸根离子；

将洗涤后的沉淀物离心分离，得到较纯净的氢氧化亚铁固体。

5.实验结果分析

通过观察离心后的上层清液和下层沉淀物的颜色和状态，确定是否成功制备了氢氧化亚铁；

分析实验过程中可能影响实验结果的因素，如：氧气浓度、溶液酸碱性、反应温度等；

根据实验结果讨论如何保存氢氧化亚铁，并探讨其在实际应用中的可能性。

（四）金属的腐蚀与防护

在金属的腐蚀与防护的研究性学习项目中，致力于让学生深入了解金属在不同环境中的化学反应过程。通过模拟大气、水等不同条件，学生将观察金属的腐蚀现象，并通过设计防护措施来延缓金属的腐蚀过程。这一实验旨在培养学生解决实际问题的能力，并使他们在化学知识的基础上掌握材料科学的应用。

1.实验步骤与数据记录

（1）腐蚀实验：模拟大气环境

在这个实验中，学生选择不同金属样品（如铁、铜、铝），将它们暴露于模拟大气条件中，包括潮湿环境或含有盐分的空气。学生定期测量金属表面的腐蚀程度，并记录环境条件，如湿度和盐分浓度。通过这些数据，学生可以计算腐蚀速率等参数，深入分析金属在大气环境中的腐蚀情况。实验旨在揭示不同金属在不同大气条件下的耐腐蚀性能，为腐蚀防护提供实验基础。

（2）腐蚀实验：模拟水中环境

在这一实验中，学生将金属样品浸泡在模拟水中的容器中，以模拟水中腐蚀环境。通过定期测量金属的腐蚀情况，并记录水的酸碱度等环境参数，学生可以分析水中环境对金属腐蚀的影响。实验旨在研究水质对金属的腐蚀性，为水处理和防腐工程提供实验数据支持。通过这两个实验，学生能够更全面地了解不同环境条件下金属腐蚀的机制和影响因素，为相关领域的应用提供科学依据[4]。

2.防护措施设计

（1）涂层防护

在涂层防护方面，学生可以设计多种类型的涂层，例如油漆或涂层膜，以覆盖金属表面。首先，选择合适的涂层材料，并在金属表面均匀涂覆。随后，通过周期性地测量金属表面的腐蚀情况，学生可以评估涂层对金属的保护效果。使用腐蚀速率等指标进行定量分析，了解不同涂层类型对金属的抗腐蚀性能，为实际应用提供有效的防护策略。

（2）电化学防护

学生可以尝试采用电化学方法，如电镀，来保护金属表面。在电化学防护实验中，学生需要选择适当的电镀材料和条件，进行电化学处理。通过对处理前后金属性质的测量，例如电位、电阻等，学生可以分析电化学防护的效果。这种方法的优势在于能够形成均匀且致密的保护层，提高金属的抗腐蚀性能。学生还可以考虑不同电化学方法对金属表面的影响，以优化防护效果。

（五）微项目：设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用

在微项目中，学生将致力于解决载人航天器长期航行中的能源和氧气供应问题，通过设计一种化学电池并研究氧气再生方案，旨在实现能量及物质的高效转化利用。以下是微项目的详细设计：

设计一种具有高能量密度和稳定性的化学电池，并研究一种可行的氧气再生方案，以满足载人航天器在太空中长期航行的能源和氧气需求[5]。

结束语

通过对化学探究性实验在研究性学习项目中的设计与实施进行深入探讨，本文旨在为化学教育领域提供一种有效的教学模式。通过合理设计实验项目，结合研究性学习的理念，能够更好地促进学生的深度学习，培养其学科素养，为其未来的学科发展奠定坚实基础。希望本文的研究能够为化学教育的改革和创新提供一些有益的启示。

参考文献

[1]杨益凤.试论高中化学实验改进的探究与实践[J].读与写（上，下旬），2015（19）：385.

[2]鞠小虎.高中化学实验体系构建分析[J].文理导航（中旬），2018（5）：66.

[3]王晓宇.“深度学习”视野下高中化学实验教学：问题与对策[J].文渊（高中版），2019（10）：350.

[4]何荣华.浅析创新高中化学试验[J].湖南农机，2010，37（9）：182-183.

[5]杨军.浅谈高中化学试验课教学[J].金田，2015（5）：235.

本文系南平市“十四五”中小學（幼儿园）学科教学带头人培养对象教育科研课题“化学探究性实验在研究性学习项目中的应用案例研究”的研究成果。