对比实验在化学新课程教学中的应用.doc

化学教育工作站：http:/www.jxteacher.com/chemedu桂耀荣第1页共8页http:/www.chemedu.net对比实验在化学新课程教学中的应用支梅1黎敏2北京教育学院丰台分院，北京100071北京丰台二中，北京100071内容摘要新课程实验课题的选择和内容设计与传统教材相比有了较大改变，不仅不再区分哪些是学生实验、哪些是教师演示实验，还增加了实验探究活动以便使学生在学习知识的过程中，体验和感受知识形成的过程，学习科学研究的方法。同时也给教师提供了自主设计实验的广阔空间。经过一段时间的新课程教学实践，我们认为合理地使用对比实验在促进学生掌握各类化学知识、强化知识的形成过程、深入理解和掌握化学概念、实现在认识上的发展等方面效果显著。关键词对比实验强化概念的形成过程促进学生的认识发展正文新课程高中化学新教材为了凸显实验的教育功能，实验课题的选择和内容设计与传统教材相比有了较大改变，不仅不再区分哪些是学生实验、哪些是教师演示实验，还增加了实验探究活动以便使学生在学习知识的过程中，体验和感受知识形成的过程，学习科学研究的方法。同时也给教师提供了自主设计实验的广阔空间。经过一段时间的新课程教学实践，我们认为对教材实验进行改进和拓展，设计和运用对比实验，能够有效地促进学生对各类化学知识的学习和能力的培养，提高课堂教学效率。对比是科学研究中最常用的基本方法，对比是辨别异同，区分事物之间相同点和不同点的逻辑方法。在化学领域中各种物质普遍存在着个性与共性，这就是我们进行对比的客观基础，对物质进行对比，可以采用不同形式，实验是最直观、最有效的方式之一。对比实验又称为对照实验，指的是除了一个可变因素外，其他因素都保持不变的实验1。对比实验可以运用于课堂教学的引入、讲授新课、复习巩固各个环节，适用于学习事实性知识和理论性知识，特别是在学习元素化合物知识时，对比记忆、形象记忆都有利于掌握知识，减轻因机械记忆而造成的负担。运用对比实验就可以将形象、对比融为一体，从而收到良好的教学效果。对比实验不仅能使学生更有效地获取知识，还有助于培养学生的各种能力，所以在教学中应尽量多的采用对比实验，并且从实验装置、操作过程、使用先进教学技术、优化认知过程等方面发挥对比实验的功能。下面结合教学中的案例谈谈我们的做法。一、改进对比实验的装置图1Na2CO3和NaHCO3热稳定性的套管实验A：Na2CO3B：NaHCO3化学教育工作站：http:/www.jxteacher.com/chemedu桂耀荣第2页共8页http:/www.chemedu.net1加热固体的对比实验装置此类实验近年来有许多宝贵经验。例如比较碳酸钠和碳酸氢钠热稳定性的“套管实验”（如图1所示），有利于对比观察。但是组装仪器、添加药品不方便，我们在此基础上改进为“对比管实验”。对比管是自己设计制作的，将两支平底试管的地步相对熔接为一个中间有玻璃隔膜、两端开口的直形玻璃管（也可以使两端管口略向下倾斜，如图2），称之为，对比管是将两支平底试管进行对接而成的（两端试管口可以稍有角度向下倾斜）。实验时，首先将等物质的量的碳酸钠和碳酸氢钠分别从两个管口装入对比管的中部，用两个带直角导管的胶塞将两端管口塞紧，将导管插入盛有澄清石灰水的小烧杯中用酒精灯加热对比管的中部，使碳酸钠和碳酸氢钠同时受热（如图3）教学时，教师首先演示热稳定性对比试验，向试管两端分别装入等物质的量的碳酸钠和碳酸氢钠固体，塞紧胶塞后将导管插入澄清石灰水中。点燃酒精灯，放在两种固体中间加热，可以观察到盛有碳酸氢钠的一端有气体生成，并使澄清石灰水变浑浊，而另一端无明显变化。这个实验操作简单，现象明显，有利于学生理解和掌握碳酸氢钠的热不稳定性。应用对比管还可以演示碘升华与碳酸氢钠分解的对比（如图4）等固体加热的对比实验。2.固、液反应的对比实验装置为了使对比管实验扩大应用范围，我们还设计了包括直型对比管、大V型对比管、U型对比管一个系列的对比实验专用装置，这些装置不仅有利于学生理解和掌握知识，还开拓了学生的创新思路，培养了试验设计能力，学习了科学方法，促进了新课程三维教学目标的落实。利用图5所示，在底部中间有玻璃隔膜的U形对比管，可以演示铜与浓、稀硝酸的反应(图6)，不同浓度的盐酸与碳酸钙的反应（图7），以及碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸的反应等。应用U形对比管还可以演示液体与液体反应的实验。Na2CO3NaHCO3澄清石灰水澄清石灰水图3：Na2CO3和NaHCO3热稳定性的对比管实验图2：直形和大V型对比管适用于固体加热对比实验玻璃隔膜图4：固体热分解与升华对比实验NaHCO3碘(I2)化学教育工作站：http:/www.jxteacher.com/chemedu桂耀荣第3页共8页http:/www.chemedu.net二、优化对比实验的操作过程在实验设计中，为了落实三维教学目标，使学生在获取知识的同时，了解变化的过程和本质，实现“结论与过程”的统一，指导学生在做实验时，不仅注重最后的结果，还要仔细观察反应变化过程中的现象，激发学生去探究发生这些现象的本质。例如在学习铁的两种氢氧化物Fe(OH)2和Fe(OH)3时，如果按教材上实验3-9（新课程人教版）实施，会发现灰绿色沉淀变成红褐色时间较长，不利于学生观察。于是我们将实验改进为对比实验（见图8），分别用试管和表面皿进行实验，取2ml1mol/LNaOH溶液分别放在试管中和表面皿上，然后用长尖嘴的滴管吸取0.1mol/LFeSO4溶液伸入试管中液面以下再挤出试剂，可以看到沉淀由白色迅速变为灰绿色，同样用滴管取FeSO4溶液直接滴到表面皿上的NaOH溶液中，几乎看不到白色沉淀就直接出现灰绿色沉淀，并且沉淀迅速变为红褐色。运用这样的对比实验很好地帮助学生观察，对比同一物质在不同条件下发生的变化过程，认识不同条件对反应的影响。三、使用现代化实验仪器实现定量对比随着教育技术的迅速发展，越来越多的现代化实验仪器走入中学实验时，数字化传感器就是其中之一。运用传感器定量测量化学反应变化过程中的各种数据，有利于学生在定性观察的基础上，进一步依据数据对反应进行深入的思考和研究，培养学生思维的深刻性和敏捷性。例如我们使用传感器测定等物质的量的碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸的反应，在一个60mL的广口瓶（用于盛放碳酸盐）口塞上插有温度传感器、20mL带活塞的注射器（气体压力传感器配件）、玻璃弯管的橡皮塞，玻璃弯管的另一端与一个500mL的圆底烧瓶（用作缓冲瓶）气球等体积不同浓度盐酸CaCO3浓HNO3Cu片蘸NaOH棉花团稀HNO3图6：铜与浓、稀硝酸反应的对比试验图7：不同浓度的盐酸与碳酸钙反应的速率比较等浓度的稀NaOH溶液等浓度新配制的FeSO4溶液图8Fe2+与OH反应的对比实验图5：U型对比管适用于液体与固体（加热）对比实验化学教育工作站：http:/www.jxteacher.com/chemedu桂耀荣第4页共8页http:/www.chemedu.net口相连，气体压力传感器也连接在圆底烧瓶口。用两套同样的实验装置，在两个干燥的广口瓶中分别加入0.420gNaHCO3（0.005mol）、0.530gNa2CO3（0.005mol），两个注射器各抽满20mL0.8mol/LHCl（0.016mol），同时、迅速地注入盐酸后关闭注射器上的活塞。用四个数字传感器同时采集反应过程中“压强时间”、“温度时间”的实验数据。实验结果见图9。红色曲线为碳酸氢钠与盐酸的反应历程，蓝色曲线为碳酸钠与盐酸的反应历程。从两条压强变化曲线可以看出，碳酸氢钠与盐酸的反应速率较快（红色）；在反应末期，两条曲线趋于重合，说明两个反应中释放出二氧化碳的量基本相同。从两条温度变化曲线可以看出，碳酸氢钠与盐酸的反应使体系温度降低，表现为吸热反应；碳酸钠与盐酸的反应使体系温度升高，表现为放热反应。我们还使用传感器对比盐酸、乙醇、苯酚的酸性强弱，苯酚具有较弱的酸性，定性地使用指示剂石蕊一般不能变红，为了增加实验的直观性，可以借助pH传感器，定量测定等浓度的乙醇、苯酚、盐酸的pH，实验数据见图10，让学生从pH的数值差异上感受到苯酚的弱酸性，理解苯酚的酸性弱到不能使石蕊试液变红。同时通过对比乙醇和苯酚的酸性的不同，理解不同的原子团对于羟基图9：传感器测定曲线图10用pH传感器测定0.1mol/L乙醇、苯酚、盐酸的pH化学教育工作站：http:/www.jxteacher.com/chemedu桂耀荣第5页共8页http:/www.chemedu.net的失氢能力的影响，逐步建立有机化合物结构中不同的原子团之间相互影响、相互作用的基本认识。四、运用对比实验，深化理解，强化概念的形成过程化学学习中的概念原理性知识一直以来是学生学习的难点，这些知识抽象、概括性强，学生必须在理解的基础上才能真正掌握，利用化学实验的直观性增强概念原理教学的有效性，特别是设计和使用对比实验呈现概念的形成过程，促进学生深入理解概念是很好的教学策略。1全面对比，完善认识我们运用对比试验改进新课程人教版九年级化学第二单元课题3催化剂概念的教学过程。按照初中教材上的催化剂有关内容进行教学时发现，学生会出现一些认识误区：1、由于在过氧化氢和氯酸钾的分解反应中都使用的是二氧化锰做催化剂，所以学生认为只有二氧化锰是催化剂；2、催化剂都是加快反应速率；3、催化剂都能很显著地加快反应速率。如何帮助学生消除学习误区，建立比较全面、科学的催化剂概念呢？我们进行了以下的实验设计（见图11、图12和图13）。对比实验：有无催化剂对比实验取两支试管，加入等体积等浓度（10%）的过氧化氢溶液，向另外一只试管中加入少量MnO2固体，立即剧烈反应，放出大量气体，让学生充分感受到催化剂对反应速率的影响，对比有无催化剂的不同。对比实验：不同催化剂催化效果对比实验取三支试管，加入等体积等浓度（10%）的过氧化氢溶液，其中一支作为空白对照，向另外两支试管中分别加入等量的MnO2和FeCl3粉末，观察到MnO2使得反应剧烈，产生大量气体，FeCl3也能使反应速率加快，但是比较平稳，没有加入MnO2剧烈。这组实验的设计旨在让学生感受到催化剂有多种，催化的效果有差别。对比实验：正负催化剂对比实验取两支试管，加入等体积(3mL)等浓度(2mol/L)的稀盐酸，用镊子取2颗锌粒分别放入两支试管中，观察到有无色气体产生，且速三支试管盛放等体积等浓度的过氧化氢溶液MnO2粉末FeCl3粉末图12：不同催化剂对比实验等量等体积10%稀盐酸Zn粒优洛托品固体图13：负催化剂对比实验少量MnO2固体两支试管盛放等体积等浓度的过氧化氢溶液图11：有无催化剂对比实验化学教育工作站：http:/www.jxteacher.com/chemedu桂耀荣第6页共8页http:/www.chemedu.net率基本相同。这时向其中一支试管中加入六甲烯胺固体（商品名为“优洛托品”或“乌洛托品”）约0.3g，可以看到反应速率明显减慢。本实验的设计旨在让学生感受到催化剂既可以加快反应速率，也可以减慢反应速率。在以上三组对比实验的基础上，引导学生讨论催化剂概念的内涵和外延，达到对催化剂认识的几点共识：第一：催化剂能够改变反应速率，可能加快或减慢；第二：不同的催化剂对同一反应催化效果不同；第三：同样的催化剂并不能催化所有反应，催化剂与反应有特定关系。通过以上三组对比实验的设计、实施以及相关问题的讨论，学生对于催化剂的认识就比较全面、科学、准确，对于学生今后进入高中的学习打下了比较好的基础。2.继时对比，发展认识继时对比是相对于同时对比而言的，指的是比较对象先后呈现，例如鸡爪子被浓氢氧化钠溶液腐蚀前后的对比【1】。例如在新课程人教版九年级化学第七单元课题1燃烧概念教学中，教师从人类认识燃烧的发展过程开始的，回顾了人类从远古钻木取火到近代研究燃烧、揭示燃烧的本质到现代控制燃烧、利用燃烧的发展历史，让学生感受到燃烧与人类文明发展的关系，体会到学习燃烧的个人意义和社会价值。教师特别注重了近代法国化学家拉瓦锡对于燃烧的研究和对“燃素说”的质疑和修订过程的教学价值挖掘。教师没有简单直白地介绍“燃素说”的错误，而是在介绍了300年前科学界对燃烧的普遍认识：“燃烧是一种分解反应，是可燃物自身达到一定温度以后发生的分解现象，分解的产物即为燃素”之后，增加了一个继时对比实验（实验装置见图14），先只加热，不通入氧气，观察到木炭不燃烧，然后通入氧气，木炭立即燃烧起来，观察到明亮的白光。这时教师提问：“根据刚才的实验，你同意燃素说吗？提出你的观点。”学生通过实验现象的观察和对比，充分地意识到燃素说中对于燃烧的三个要素只提到可燃物和温度，但是并未涉及助燃物，同时把燃烧理解为分解反应也是一种曲解。在此基础上，教师介绍了拉瓦锡对于燃烧的阐述：“燃烧的实质是物质与氧气发生的一种氧化反应。”到这里已经达到了初中教材要求的水平，但是教师并没有止步，而是继续提出问题：“拉瓦锡的结论就无懈可击了吗？”，紧接着播放了一段金属钠在氯气中燃烧的实验视频资料，得到燃烧的更广泛的定义即可燃物与助储气袋（O2）木炭图14：燃烧条件的继时对比实验化学教育工作站：http:/www.jxteacher.com/chemedu桂耀荣第7页共8页http:/www.chemedu.net燃物发生的发光、放热的剧烈的氧化反应。通过这样的教学设计和对比实验的运用，能够帮助学生建立起比较完整、科学的燃烧的概念。3.分层次对比，深化认识学生学习化学概念要经历概念的形成、深化和认识发展的过程，是有层次有脉络的。这就要求教师在进行教学设计的时候关注概念形成的层次，恰当地运用对比实验促进概念的形成。例如在新课程人教版高中必修1第二章第一节胶体概念教学中，对于胶体的概念形成过程我们设计为以下几个层次：初步感知胶体；体会胶体的性质；对比同一物质的不同聚集状态及其性质的差异；认识到物质聚集的程度也决定着物质的性质。根据以上的概念形成层次的设计，我们设计了几组对比实验以促进教学目标的达成。（见图15、图16）分别向冷水和沸水中滴加饱和氯化铁溶液，冷水中溶液变为浅黄色，沸水中溶液颜色立即加深，呈半透明状态，学生马上猜测有化学反应发生。这是教师拿出激光笔进行丁达尔实验，让学生体会胶体的性质，并写出生成氯化铁胶体的化学方程式。让学生看书了解胶体与其他分散系的本质区别在于粒子的大小。在此基础上，教师再演示2组对比实验，一组是Fe(OH)3胶体和沉淀的对比，另一组是CuSO4溶液和胶体（用酒精溶解CuSO4可以得到胶体），通过同一物质的不同聚集状态的丁达尔现象的对比，使学生认识到物质的聚集程度也决定着物质的性质。以上通过几个案例介绍了我们在新课程实施过程中运用对比实验优化实验装置、操作和效果、优化教学设计、优化学习过程，促进学生学习的一些经验和做法，实际上通过对比实验还可以逐步培养学生控制变量的科学研究方法，在后续的工作中我们将继续努力。总之，精心设计、巧妙运用对比实验能够增强教学效果，优化教学过程，在促进学生学习各类化学知识的同时，渗透学科思想方法的培养，提高学生的科学素养，在新课程实施中是大有可为的。特别鸣谢北京十二中兰宁静老师、首都师范大学附属丽泽中学陈小峰老师、郑晓红老师、北京市海淀区教师进修学校附中王严老师教学课例中为本文提供的相关素材。还要感谢首都FeCl3饱和溶液水图15：感知胶体的生成CuSO4胶体CuSO4溶液Fe(OH)3沉淀Fe(OH)3胶体图16：对比同一物质不同聚集状态及其性质差异