基于模型建构的实验创新

王琴花

基于模型建构的化学实验创新，是化学教育领域中的一次重要尝试与突破。因此，我们有必要引入模型建构的理念，以创新的视角重新审视化学实验教学，从而推动化学教育的现代化与科学化。

一、教材分析

“金属资源的利用和保护”是人教版九年级下册课题三的内容，通过实验探究了解金属资源保护——导致钢铁锈蚀的因素，从内容来看，本实验为高中电化学知识打下基础；从学科价值来看，能够培养学生的科学探究能力，从而使学生认识到化学与生活密切相关。

二、学情分析

学生已经知道铁制品在潮湿的空气下容易生锈，有了一定的逻辑思维能力和实验探究能力，也有了辩证思维的萌芽。但是学生已有的知识和能力不能全面地了解导致钢铁锈蚀的各种因素，不能多角度、多手段运用控制变量法设计实验。

三、教学目标

体验的核心素养功能在于以钢铁锈蚀为例研究金属的锈蚀，进一步形成变化是在一定条件下发生的化学观念，认识、分析、比较、归纳、控制变量等科学方法培养通过科学探究解决实际问题的能力，以及形成严谨的科学态度（如图1）。

科学探究与实践：通过实验探究建构钢铁锈蚀的模型，了解影响钢铁锈蚀速率的因素，发展科学探究能力。

化学观念：通过科学探究形成化学变化发生需要一定的条件的化学观念。

科学思维：发展运用归纳、演绎、推理等思维的方法探究物质性质及变化和建构模型的能力。

科学态度与责任：通过实验探究培养学生科学严谨的学习态度和责任。

四、教学重难点

教学重点：探究金属锈蚀的条件及防锈方法。

教学难点：探究金属锈蚀的条件。

五、实验创新设计

利用课本实验我们可以得到金属锈蚀的条件——分别做三个实验，一周后观察实验结果得出结论（如表1）。但是这样的做法存在以下问题：（1）实验周期长（一周时间），课堂展示预先准备好的实验结果，学生对实验结果的真实性可能存在疑问。（2）只从生成物角度定性研究该反映研究角度单一且带有主观性。（3）只从物质变化的角度分析未关注到能量的变化。

★创新设计一：多种实验手段促进钢铁锈蚀模型建构

传统实验使用的器材：铁钉、试管、橡胶滴管。

数字化实验使用器材：氧气传感器、数据收集表、电脑、铁粉、集气瓶。

趣味实验使用器材：烧杯、试管、湿巾、碳粉、盐、胶头滴玻璃棒。

通过传统实验探究钢铁锈蚀的条件，不探究影响钢铁锈蚀的速率，学生很容易通过该实验从生成的角度认识钢铁锈蚀时需要氧气和水。然后通过数字化实验引入氧气传感器，将铁钉换为铁粉，分别测定在不同条件下氧气含量随时间的变化曲线。通过具体的实验分析，学生从反应物角度进一步证明钢铁锈蚀需要氧气和水，由此在传统实验的定性认识和数字化实验的定量分析下，共同建立钢铁锈蚀的模型（如图2），氧气和水缺一不可。

★创新设计二：趣味实验直观体验影响钢铁锈蚀速率的因素

在探究影响钢铁锈蚀速率的因素时，我和学生一起完成：将分割好的铁粉、盐、碳粉均匀地铺在湿巾上，用玻璃棒抹平，铺开以后稍微用力将湿巾卷起，放到试管中再放到红墨水中。很快观察到：红墨水上升，说明该反应速率很快，这说明增大接触面积、增加碳粉和盐会加快反应速率。实验结束后将湿巾取出用手触摸会感受到微热，说明该反应为放热反应（如图3）。

★创新设计三：与生活密切联系

将铁制品放置在干燥的环境中；在铁制品表面涂上一层保护膜，如可涂油、刷漆；在铁制品表面镀上其他金属；用化学方法使钢铁表面形成致密的氧化膜，如烤蓝；改变金属内部结构制成合金，如将铁制成不锈钢，使学生认识到钢铁锈蚀在生活中的应用等。

小结：学生看书总结：干——保持铁制品表面洁净和干燥；膜——在钢铁表面覆盖保护层；镀——在钢铁表面镀一层其他金属；烤——用化学方法使钢铁表面形成致密的氧化膜；改——加入其他金属，改变其组成。

学以致用：你知道自行车的链条、支架、钢圈分别采取了什么措施防锈吗？学生各抒己见。

实验反思：数字化传感技术在化学实验中的应用，使化学实验由传统走向现代。数字化实验的应用拓展了创新实验的视角，而在动画实验的应用过程当中，实验用时短，几分钟就可以观察到实验现象；操作简便，连接就可收集实验数据；数据明显、直观、客观。在不易察觉的氧气减少的同时，则出现明显的数据，对比效果明显。但是在实际操作中有一定的缺陷，我们在实验的时候只有一个氧气传感器，如果有三个效果更佳。

（设计意图：创新实验引入新的实验技术和手段，在实验的同时为学生提供开放、多元的实验环境，从而培养了他们的实践动手能力和创新精神。模型的建构不仅能够帮助学生更直观地理解实验原理和操作过程，还能够激发他们的探究兴趣和创新思维。）

★突破知识点：金属资源保护

学生看书，归纳出金属资源保护的相关内容。师出示PPT进行拓展和补充（如图4）。此环节培养了学生的归纳总结能力和语言表达能力、概括能力。

六、归纳总结与板书设计

七、课后反思

（一）教学实施概述

在本次教学中，我采用了基于模型建构的实验创新方法，以“金属资源的利用和保护”为主题，引导学生进行探究性学习。课堂上，我首先通过引入金属资源的重要性及其面临的问题，激发学生对课题的兴趣。然后，我通过创新实验展示和讲解金属利用和保护的基本模型，帮助学生理解相关概念和原理。接着，我指导学生分组进行实验设计，并亲自动手操作，探究金属腐蚀的原因及防护措施。最后，各小组汇报实验结果，我进行总结（如图5）和评价，最后用学到的知识解决问题。

（二）教学效果分析

通过模型建构和实验设计，学生能够更直观地理解金属利用和保护的过程，激发了他们的好奇心和探究欲，使得学生更加积极地参与到课堂讨论和实验操作中。通过亲手操作实验，学生能够在实践中加深对金属腐蚀原理、防护措施等知识的理解，形成更加深刻的印象。在实验设计环节，学生需要发挥创新思维，结合所学知识解决实际问题。这不仅锻炼了学生的动手能力，还培养了他们的创新能力和解决问题的能力。

（三）存在问题及改进措施

由于实验材料准备不充分（氧气传感器），部分学生在实验过程中无法顺利进行。未来教学中，我应提前准备好充足的实验材料，确保实验的顺利进行。在模型建构环节，部分学生对模型的构建过程理解不够深入，导致后续实验设计出现偏差。因此，在后续教学中，我应加强对模型建构过程的讲解和演示，确保学生能够充分理解并掌握。由于实验环节较多，课堂时间紧张，部分学生的实验进度受到影响。未来教学中，我应合理安排实验时间，确保学生有充足的时间进行实验操作和讨论。

（四）总结与展望

通过本次基于模型建构的实验创新教学，我深刻认识到实验教学在培养学生创新能力和实践能力方面的重要作用。虽然在教学过程中存在一些问题，但通过反思和改进，我相信能够进一步提高教学效果，为学生的全面发展奠定坚实的基础。展望未来，我将继续探索基于模型建构的实验创新教学方法，结合学科特点和学生实际，设计更多具有挑战性和趣味性的实验项目，激发学生的学习兴趣和探究欲望，培养更多具有创新精神和实践能力的人才。

编辑：温雪莲