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1、中学化学探索性实验研究 *钟志兴一、 研究背景 中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定指出：实施素质教育，就是全面贯彻党的教育方针，以提高国民素质为根本宗旨，培养学生的创新精神和实践能力。要培养创新精神、提高创新能力、造就创新人才，关键是逐步培养和形成创新人格（个性） ，有创新人格的人才具有创新精神，才会积极地、自主地树立创新意识、提出创新要求，才会以持久的热情、坚强的意志，不断去探索、去开拓、去创造。 现行中学化学教材中的实验，从设计形式上看多是帮助学生形成概念，理解和巩固化学知识的验证实验。这种实验的内容、原理、方法和步骤教材中均有明确的规定，实验的启发性和探索性受到限制使学
2、生在实验中处于被动地位，易导致实验重结果、轻过程，不利于培养学生的创新精神和创新能力，不利于培养学生进行科学方法的教育和训练，而且难于发挥实验的多重教育功能。为改变上述现状，我们选择了探索性实验为教学的突破口，并对此进行了深入地研究和探索。二、 理论思考布鲁纳的发现学习理论：“认识是一个过程，而不是一种产品。 ”学习不仅是让学生掌握知识，更要让学生去体验知识、原理的产生过程。教师要创设学生能够独立探究的情境，引导学生自己去探索新知识，而不是为学生提供现成的知识。皮亚杰的发生认识论：只有新刺激与认知的主体原有的认知结构之间发生矛盾或冲突，才能引起主体容纳新的刺激。按他的发生认识论，借助实验中与学
3、生原有的认识结构相矛盾的化学现象，使学生产生强烈的认知冲突和探索欲望，则有利于引起学生的认知结构重新组织和发展。自然科学方法论：自然科学的研究过程是以自然现象、科学实验为基础，用科学方法而展开的过程。即：发现或明确要解决的问题收集解决问题的有关信息提出假说验证假说发现问题的规律性。因此，按自然科学的研究过程设计探索性实验教学、发现新知识的意识，以及解决问题的能力。现代理科教学观的一个重要的特征是从强调知识内容向获取知识的科学过程的转变，从强调单纯积累知识向探求知识的转变。换言之，以往的理科教学注重教什么，教多少，而现代理科教学则十分注重怎样教，如何学。重视科学过程构成了现代理科教学的原则。实验
4、是理科学习中获取信息的主要渠道，实验目的不仅仅是验证规律，培训实验技能，而且要使学生通过实验在科学的学习和研究方法上获取感性体会，学生实验从课堂教学的辅助手段转变为贯穿在整个教学过程中创造情景、探索知识的重要手段，而通过探索让学生在理科学习中经历比较完整和丰富的科学过程，以培养学生科学的探索能力和态度。三、 中学化学探索性实验研究过程和方法1 对探索性实验教学的认识探索性实验来自“探索性学习” ，是在 20 世纪 50 年代美国掀起的教育现代化运动中，由施瓦布(Schwab)倡导提出来。我们对探索性实验的定义是：由教师给出实验课题，提供实验器材，提出实验要求，让学生自己拟定实验方案，制订实验步
5、骤，独立地通过实验的观测和分析去探索研究，从而发现“新”的化学现象，并通过解释实验现象，总结出他们原来并不知道的规律性认识的实验。2探索性实验教学的模式提出问题（教师或学生） 提出假说（教师或学生） 收集资料设计实验（学生） 论证假设进行实验（学生） 作出判断得出结论（学生） 3、实验研究阶段划分 *本文获嘉兴市化学论文评比二等奖（2004 年） 31 第一阶段：准备、确定探索问题提出一个问题往往比解决一个问题更重要，这是因为解决一个问题也许仅是一个教学上的或实验上的技能而己，而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想像力。32 第二阶段：精心设计、探索实验探索性实
6、验设计是教师对所提出的问题在课堂结构上进行的总体规划过程，或者是学生根据自己所学的化学知识和技能，独立的或在教师的启发指导下，灵活并创造性的对所提出的问题制定解决方案。它是进行实验探索的关键一步，决定着探索的问题能否顺利解决。4中学阶段的探索性实验教学的一般方法和实验内容采用参照比较实验设计，选取无差异的实验班一个和对照普通班三个，普通班按教材要求，用传统的方法进行化学实验教学。实验班挖掘教材内容设计为探索性实验，把部分验证性实验改为探索性实验，并开设第二课堂，开放实验室。 41 挖掘实验内容改为探索性实验在现行教材当中，据统计，在高中化学 106 个演示实验中，先有结论后演示验证的有 55
7、个之多，占了近 51.9的比例。如何能够利用教材的现有实验，深挖其内容，寻求将其转变为探索性实验的合理途径，在实验中我们做了一些探索。例如：高一教材(卤素)中在有关 HClO 的漂白性的教学中，就可以将此验证性实验改为探索性实验进行教学。(1)提出问题：通入 C12，能够使湿润的蓝色石蕊试纸先变红后褪色，说明了什么?(2)提出假说HClO 能够使试纸先变红后褪色，说明了 HClO 具有酸性和漂白性。HClO 能够使蓝色的石蕊试变红，C1 2能使其褪色。(3)设计实验：将 C12通入放有干燥的红色石蕊试纸的集气瓶中。将 C12通入放有湿润的蓝色石蕊试纸的集气瓶中。(4)验证假说(5)提出结论：H
8、ClO 具有漂白性。又如高一硫一章：铜与浓硫酸反应实验，教学时一般描述的现象为：溶液变为蓝色，有刺激性气味的气体产生。果真如此吗？我们要求学生独立进行实验探索，发现有如下现象：加热初期，Cu 片表面逐渐变黑；继续加热，有大量刺激性气味产生，形成墨绿色浊液，试管底部灰白色沉淀；再加热，管中出现白雾，浊液澄清，灰白色沉淀，Cu 片消失；冷却、静置，将试管中液体倒入另一支盛水试管中，管壁发烫，溶液略带蓝色，将灰白色固体倒入水中，形成蓝色溶液。然后鼓励学生通过查阅资料，最后一起讨论解释现象。主反应：Cu + 2H 2SO4 = CuSO4 + SO2+ 2H 2O (产生刺激性气体 SO2 和灰白色固
9、体 CuSO4) 副反应：5Cu + 4H 2SO4 =3CuSO4 + Cu2S + 4H2O （Cu 片表面变黑，灰白色固体 CuSO4增加）Cu2S + 2H2SO4 = CuS + CuSO4 + SO2 + 2H2O （墨绿色浊液变清，由于温度升高水蒸气形成白雾）CuS + 2H2SO4 = S + CuSO4 + SO2 + 2H 2OS + 2H2SO4 = 3SO2 + 2H 2O上述探究使学生扩展了知识，训练了创新能力，同时初步了解科学实验的现象往往是复杂的、多因素的。这种学习方法，学生是在主动探求中发现创造新知识的，体现了学生的主体作用。42 设置探索性实验如在学习 SO2
10、还原性时，提出问题：SO 2有还原性吗？假设 SO2有还原性。学生自学教材收集资料，设计论证过程：1） SO 2能被催化氧化，教师指出这是 SO2在催化剂存在条件下所发生的氧化还原反应。 2） 提问：能否用我们已有的知识通过实验来证明它的还原性呢？学生根据教师提供的实验用品设计了：将 SO2分别通入：Cl2 Br2 水 酸性 KMnO4现 象分析解释学生自己动手实验，分析 SO2在反应硫元素价态的变化，得出结论：SO 2有还原性，假设成立。此后再引导学生认知 H2SO3、Na 2SO3的还原性，提示学生注意反应物间量的关系，并提供有效的应用场所使知识加以巩固。由此训练学生创造思维的新颖性和批判
11、性，使学生由知识单一型转变为知识综合型。43 注重实验的改革、设计创新教材中有些实验设计及操作方法虽然都是经过反复验证了的，但实际操作中仍存在着这样或那样的不足，为体现科学方法是需要创新而且是可以创新的，教师应鼓励学生对其不足之处加以改进，这样既符合学生的认知发展特点，又能促进学生对化学理论、化学知识的理解和掌握，并且通过对学生有步骤、有针对性的训练，提高学生的实验设计能力。例如：铜和稀硝酸反应实验中，由于一氧化氮 极易与空气中的氧气化合而生成红棕色的二氧化氮气体，学生难以从实验 现象上直观地得出稀硝酸与铜反应生成无色的 NO 气体的性质，通过改进的 实验装置（如右图）就可以克服上述缺点。打开
12、分液漏斗活塞，用稀硝酸 装满 U 型管，将管内空气排除，然后关闭活塞进行反应，生成的一氧化氮 气体将稀硝酸排入右端的漏斗中，避免了生成的 NO 气体与空气中氧气接触 的可能,而且将 NO 气体的制备与性质熔为一体，既可以清楚地看到实验的 主要产物：无色不溶于水的 NO 气体和蓝色的硝酸铜溶液。当打开分液漏斗的活塞时，又可演示 NO 与氧气反应生成红棕色NO2气体，避免了 NO2气体对空气形成污染，且该装置能重复使用。44 指导学生设计探索性实验方案学生设计探索性实验方案，要求学生不仅要有实验操作的直观体验，而且要有深入的全面的思考。例如：某光卤石（KClMgCl 26H2O）样品中含有不与 N
13、aOH 溶液、盐酸反应的杂质，请设计实验测定样品中 KClMgCl26H2O 的质量分数。要求根据所提供的实验试剂，选择精确度较高的实验测定方案。可选择的实验试剂有：a mol/L NaOH 溶液，b mol/L Na2CO3溶液，c mol/L HCl 溶液，d mol/L AgNO3溶液，酚酞试液，紫色石蕊试液。这是一个开放性的实验题，学生可设计出多种实验方案。但教师应引导学生思考：（1）根据题目的要求应采用什么方法来测定？（滴定法） 。（2）可选用什么溶液滴定？哪种精确度最高？（HCl 溶液滴定过量的 NaOH 溶液） 。（3）用何种指示剂？（酚酞）（4）具体操作时应注意什么问题？（沉淀
14、必须过滤洗涤，正确判断滴定终点，正确读数） 。又如在学习电解质的知识内容后，让学生思考：如何通过实验来证明醋酸是一种弱电解质，有哪些不同的方法，哪一种方法最好，让学生自行设计并完成实验。设计实验方案时教师给学生思考时间，给学生发问时间，给学生批判时间，学生设计出各种方案后，让学生互相比较，并根据实验方案进行演示操作。最后教师还要做好实验后的总结，使学生的理论知识得到巩固，逐步使学生掌握设计实验的要领和规律，提高设计实验的能力。45 开展第二课堂、进行社会调查和实践 高中化学总学时约 300 课时，而大纲规定的学生实验只占约 25 课时，偏少。我们根据已学过知识，与学生一起设计一些实验，如：学完
15、卤素一章以后，可以用碘酒法或喷洒硝酸银方法检验指纹进行破案。另外我们帮助学生制订一些课题，如：关于含碘食盐的日常保存的研究。部分废品的回收利用的研究。生活中的化学居室污染的研究。废电池的危害和处理方法的研究。学生带着课题调查，然后查阅资料写成小论文和课题小报告。学生在活动过程中既学到了知识，又拓宽了思路，同时培养了学生的能力。四、 研究成果1、中学化学探索性实验的设计指导思想 探索性实验的目的在于使学生获得化学实验研究方法的训练，让学生接触探索、发明、发现的过程和方法，培养他们的发现、探究能力。而要达到这种目的，首先要求教师树立正确的设计指导思想。那么，探索性实验的设计应该具备什么样的指导思想
16、呢？瑞士心理学家皮亚杰的发生认识论理论可以给我们以很好的启示。按照他的平衡学说，冲突是认知结构重新组织和随后发展的基础。 探索性化学实验作为学生的一种积极主动的认识建构手段，要达到这种目的，就要使学生在进行探索性实验时发生认知冲突。这要求探索性实验设计首先要足够“新颖” 。正是这种“新颖”的刺激，才会激发学生对探索的兴趣，才能引起学生探索的欲望，才使得它与主体原有的“定势”相矛盾、相对立，才能产生认识上的不协调和冲突。比如，我们设计的“铜和稀硝酸的反应”这比高中教材上的实验“新颖” 。 那么，设计的“新颖”要达到什么程度呢？这涉及一个“度”的问题，太弱的刺激由于不能引起认知上的不平衡。相反，如果外部刺激超过主体认知结构同化的范围，那么主体的反应无法
