化学教学_中学化学实验教学高级研修班_上的讲话.pdf

化学教学 2013年第4期 3 再谈中学化学实验教学改革 下 在 化学教学 中学化学实验教学高级研修班 上的讲话 宋心琦 清华大学化学系 北京 100083 摘要 阐述了对中学化学实验教学重要性及其教育功能的认识 提出了化学实验体系的三个要素 通过具体实验案例说明 改进 实验教学 不仅应当关注具体的实验 更要从课堂教学开始 学会赏析 学会批判 学会思考 所谓动手能力才能体现为学会做实验 结合课程标准的实例进一步阐述了如何提高实验教学质量 关键词 中学化学 实验教学 教学改革 文章编号 1005 6629 2013 4 0003 04 中图分类号 G633 8 文献标识码 B 5 结合课程标准的实例谈如何提高实验教学质 量 5 1 课堂教学中的实验探究 氯气溶于水后的 漂白作用问题 想探究什么 预期的答案可能是什么 这是所有探 究性活动必须思考的问题 对于像氯气和水相作用这 类简单的反应 也可以从分析反应物组成之间可能实现 的交换方式入手 从而凸显出学习和应用化学式 化合 价和几类基本反应类型的作用 虽然所涉及的分子很 简单 其实在下面的方程式中 用的是它们的化学结构 式 对于初学者进一步学习如何依据反应物的化学结 构式来推断它可能发生的反应 是一个很好的铺垫 Cl Cl 2H O H 2HCl O2 或 Cl Cl H O H HCl HClO 依据上式 可以形成如下的结论 即漂白作用来自 水与氯气的反应产物 此处只提到次氯酸 未提及反应 产物中还可能有其他价态的氯的含氧酸 所以得不出产 生漂白作用的只有次氯酸的结论 同是氯元素 价态不同 此处包括了0 1 和 1 三 种价态的氯 使得物质的性质截然不同 有助于强化对 对物质性质起决定性的作用是它的组成和结构 这 一基本认识 通过课堂演示实验 证实了以上推论中第二个反 应的存在 除此之外 还能学到和想到些什么 1 氯气可以损伤人的呼吸系统 因为呼吸道中 有水存在 2 氧气 氮气的无味 氯气 氨的有刺激气味 和它们的什么性质有关 3 氯可用钢瓶存放 说明室温下氯气和铁单 质无作用 但是氯气必须是干燥的 4 高温下氯可以和铁粉或铁屑直接化合生成氯 化铁 说明物质的化学性质往往和所处的外界环境 有关 请回忆并对比氧气和铁单质的反应情况 在课堂教学中为什么要介绍次氯酸的不稳定性 通过不稳定性的学习可以让学生思考以下问题 1 化学物质的稳定性为什么是最重要的基本性 质 2 不稳定的化学物质如何转变为安全性较高的 商品 3 使用时使之转变为原来的那个化学物质的常 用方法 从而推衍出在化学中普遍适用的规律 酸碱盐 间的相互联系是探究化学合成方法时的最重要思路之 一 由强酸 碱 金属 氧化剂或还原剂 制备弱酸 碱 金属 氧化剂或还原剂 由易溶物制备难溶物 由稳 定性高的代替稳定性低的等 都是首选的化学合成方 法 基本原理为这类过程所共有的自发性 判据主 要为该过程的 G 0 由个别实验所得结果 结合相 关事例 获得具有普适性的结论或推论 不仅生动而 具体 也是通过实验学习化学的重要途径之一 5 2 粗盐的提纯 难溶性杂质的去除 实验后值 得思考和探究的问题 4 1 本实验要想除去的杂质具有什么特点 实验 指示书中建议采用的方法依据了什么原理 2 除去粗盐中所含不溶性杂质还有其他方法可 用吗 3 所得氯化钠晶体中是否存有水或残余的母 液 如何用实验证明你的推测或判断 4 残液是否一定是废物 5 假如粗盐中含有可溶性有色物质 这个实验 教学篇 专 论 化学教学 2013 年第4期 4 教学篇 专 论 介绍的方法也一定有效吗 5 3 氧气的实验室制取与性质 5 这是一个利用化学方法从含氧化合物中分离出氧 元素并制备氧单质的实验 安全且具有典型性 仪器和 基本操作都很简单 却最能体现化学特色 从含氧化合物中获取单质氧的体验 是对化学元 素论的证实 对于其他含氧化合物 加热或加催化剂并 非都可以奏效 表明在不同的含氧化合物中 氧所处化 学环境不同 即结合的方式和强度不同 所以结果不 同 其差别包含在化学性质不同的含义之中 也可以理 解为与元素在化合物中形态 或环境 的差别有关 这 是学习和理解化学结构概念的最好铺垫 选取一些不 能用类似方法制取氧气的化学体系进行对比 其间的 相似及差异的发现和比较 是通过实验学习化学的有 效途径 这种认知过程虽然偏于感性 却更为生动而具 体 容易引发学生的学习兴趣 最简单的选择莫过于参照实验中加热作为反应容 器之用的玻璃仪器 只要想到 以二氧化硅为主要组分 的玻璃 其中也包含有氧 却能够经历整个反应过程而 安全无恙 二者之间形成的鲜明对照 可以帮助学生在 物质性质取决于它的组成与结构 同时物质的变化可以 用外界条件来控制这两个方面经历实际的体验 从而 体现出初中化学的启蒙作用 建议在实验过程中思考以下问题 并在实验后总 结通过这个实验获得的主要收获 1 探究带火星的木条 细细的铁丝等在空气中 和在纯氧中的氧化 或燃烧 过程时 起反应的物质相 同 化学反应式相同 为什么现象并不相同 2 类似于上面的事例 在日常生活中并不少见 你能够举出几个实例吗 3 如果有人说 只要物质的组成中含有氧元素 就一定可以用它制得氧气 你同意这种说法吗 如果不 完全同意 请试着给出一个合理的说法 6 创新性科学实验实例简介 学会对已有实验的赏析和批判 学生就初步有了从 创新性科学实验学习如何运用基础知识萌发创新思维 并设计实验探究方案的基础 为了避免整篇文字过长 对以下所举事例 只从和基础知识的关系着眼作一点 提示 有兴趣的读者可以由所附文献找到更加详细的 介绍 6 1 第一个稀有气体化合物的发现 6 源于物理概 念的运用 1962 年巴特利在合成 O2 PtF6 络合物的硕士 学位论文工作中 从所查到的数据发现 O2和 Xe 的 第一电离能数值相近 通过计算又发现 O2 PtF6 和 Xe PtF6 两种盐的晶格能相近 这时他没有受到当时 公认为稀有气体 曾称作惰性气体 具有绝对的化学惰 性 从稀有气体的发现史和稀有气体族在元素周期表 中的位置得出这个结论应当认为是合理的 是经过大 量实验证明了的 的影响 合成了第一个稀有气体化合 物 彻底改变了人们原有的认识 导致了惰性气体改名 为稀有气体的决定 促进了稀有气体化学领域的形成和 发展 6 2 无机富勒烯 WS2 MoS2等 7 的制备 源于 几何学的考虑 以 C60为代表的富勒烯家族的问世 使得无机化 学 材料化学 晶体化学以及技术等领域的化学家和 专家们耳目一新 萌发了极大的研究兴趣 理论化学家 更依此推断 N Si 等元素也存在由正多边形构建成为 空心封闭多面体的可能性等等 可是以色列的 Tenne 研 究小组思考的却是另外的一个方面 亦即由正六边形 拼合而成的石墨层 如果要转化为类似于足球的 C60 从几何角度来看 只需要层中有部分正六边形转变为 正五边形就可以完成 既然如此 那么具有类似于石墨 结构的层状晶体如硫化钨 硫化钼 在电弧轰击下 应 当也可能转化为封闭的空心多面体结构 实验证明了他 们的想法 于是以硫化钨 硫化钼为代表的无机富勒烯 随之问世 有趣的是 鳞片状的硫化钨 硫化钼本来就 是常用的固态润滑剂 变成空心球体后 润滑性能进一 步得到提升 已经开发成为新的产业 6 3 石墨烯制备的最简便方案 源于对物质表面黏 附力差别的应用 8 人们早就设想 单层的石墨 应当具有非同寻常的 物理性能 除去采用化学合成方法进行试探外 也尝 试过直接剥离的方法 但是一直没有获得成功 A Geim 和 K Novoselov 巧妙地利用黏胶纸对石墨层的粘合力大 于石墨层间的作用力的性质 用最简单的办法解决了这 项难题 他们之所以获得 2010 年的诺贝尔物理奖 和 他们在量子物理方面的优异研究成果有关 以最简便 的方法获得石墨烯的成功 而且为这个领域的研究工 作提供良好物质条件的贡献却成为另一个重要的亮点 因为有助于解决 巧妇难为无米之炊 的困境 6 4 磁场诱导下的变色体系 9 铁磁性纳米材 料和丁铎尔效应的结合 Jianping Ge 等发现 具有铁磁性的纳米 Fe3O4溶 胶 胶粒间的聚集程度 聚集数 可因外磁场的强弱变 化而改变 因而可以实现对白色入射光的散射频区的 调控 根据瑞利散射定律 散射光强具有和分散相粒 子半径的 4 次方成反比的关系 Jianping Ge 等利用了 这个原理 成功地研制出这种不用外电源驱动的在磁场 化学教学 2013年第4期 5 诱导下的变色体系 下图为实验所得结果 注 瑞利散射公式 式中 I为散射光强 A为入射光的振幅 V为每个 粒子的体积 n1和n2分别为分散相和分散介质的折射 率 为入射光的波长 为单位体积中的粒子数 6 5 氢动力能源新设想 10 着眼于铝表面氧化 膜的持续破坏 HgCl2溶液滴在 Al 板上 可以持续破坏覆盖在金 属铝表面的 Al2O3膜的保护作用 因此铝金属不断和大 气中的水汽发生氧化还原反应 产物中的氢氧化铝 应 为水合氢氧化铝或羟基铝 呈直立胡须状 这个实验曾 经成为初等化学中著名的演示实验 用以证明铝的活 泼性和氧化铝薄膜的完整性和致密性 但是往往忽略 了这个反应的另一个产物 氢 在研究如何解决氢动 力装置所需的氢能源时 可能会有人想到过这个反应 但是反应中要用到汞或氯化汞这样一类对环境能够产 生严重污染 对人体有害而且具有积累性的物质 使 得它不能转化为实用技术 普渡大学的研究者找到了 以镓代汞的方案 发现和铝同族的镓 不仅具有熔点低 29 78 沸点高 2403 的特点 而且很容易和铝形 成固溶体型合金 并且镓铝合金也可以起到持续破坏 氧化铝薄膜的完整性的作用 因此有可能构成实时供 氢的燃料电池 周期系还能告诉些什么 6 6 除汞新技术 11 破损废旧袖珍荧光灯泡 CFLS 中残汞处理一 直受到关注 R Hurt 发现由亚硒酸钠和谷胱甘肽 C10H17O6N3S 反应制成的无定形粉状纳米硒和汞能够 生成无生物活性的 HgSe 24 小时内可除去约 99 9 的 汞 单个灯泡的用量仅 10 mg 而常规除汞剂如硫 锌 活性炭等用量为数克至数千克 周期系还能告诉些什 么 注 荧光灯发光的原理不同于热炽灯 当灯管中的 汞蒸气受到启动装置发出的电弧的轰击后 汞的外层 电子被激发至高能级 电子回跳至低能级时 激发时获 得的能量大部分转化为紫外光 紫外光辐照到管壁上 的荧光质时 再一次转化为波长为可见光范围的光 所 以破损废旧袖珍荧光灯泡 CFLS 中残汞的处理 是一 个无法回避的问题 7 简短的结论 即使实验体系不改 只要改变实验指导书的写法 使 得实验教学改革的指导思想具体化 适当增加对实验 体系变化过程探究的提示和实践 就可以实现通过实 验学习化学和提高实验者科学素质的教育目标 所以 实验教学质量的提高 首先应当对以往的化学实验教 学中的问题达成共识 由对经典实验体系和教学要求 的深入分析入手 形成改革的基本方向 然后再从更改 补充 更新实验内容方面着力 不必强求一律 这样教 师们和选修的学生可以因地因时制宜地来组织和构建 自己的有特色的实验教学体系 下一个问题是中学化学实验的教育内涵是什么 过去我们只强调学习基本操作 侧重对基本原理和重 要的化学事实的验证和记忆 以及科学方法中实证方 法的认识等 亦即侧重于学科本身的学习 这些要求应 当保留 但是就中学化学的教育任务而言 我们不必着 重于化学专业人才的培养 应以提升公民的基本素质为 主 所以课标中提出以三维教育目标代替原来奉行多年 的教育目标 如果同意这种改变 就应当重新审视并体 现化学实验和相关的课外活动的教育功能 可以把它 细分为 学做人 学做事 学做科学实验 学会思考 12 虽然要求不可太高 但是这样的实验教学必定能够呈 现出崭新的面貌 有利于推进中学的教学和教育改革 学做人指的是 对于前人或他人的成果要有敬佩 感 要真心实意地尊重他人的劳动 确认剽窃 抄袭是 可耻的行为 在小组活动中 要尊重其他同学的意愿和 劳动成果 要真心实意地感谢所有帮助过自己的人 包 括提供参考的书籍作者 学做事指的是 面对问题时 必须首先弄清问题的主要内容和产生问题的来龙去脉 要有针对性地思考和设计解决问题的方案 凡事预则 立 不预则废 还要做到及时反省 适时调整 学做科 学实验指的是 要学习如何根据实验体系和探究要求 选择适当的仪器设备和把握必需的操作技术 学会观 察现象和数据收集 以及真实地记录观察到的现象和 在实验过程中对原定步骤和方案所做的更动 学习如 何根据实验现象和结果形成自己的结论 学会思考指的 是 对于科学实验所得结论持严格的批判态度 尝试从 中发现结论的不确定性所在 设想可能获得解决的途 径 这些要求并不需要体现在所有的实验活动之中 但 是在全部实验活动中有意识地进行相关的教育 应当 是可以做到的 它有助于学生对已经掌握的各个学科 的基础的整合和运用 从而形成合理的创新意识和实 践活动 上面用文字表述的要求 似乎很高 如果结合 具体的实验活动来思考 可能会认为是大有可为的 例 如在进行小组活动时 建议轮流担任组长 让每位同学 教学篇 专 论 I 2 24 2A2 V2 2 n12 n22 n12 2n22 下转第18 页 化学教学 2013 年第4期 18 课堂教学中进行严格落实 从而确保教学任务完成 比 如 在初三 二氧化碳 一课中 笔者设计了三个 核心 问题 1 实验室制取二氧化碳反应的原理是什么 2 实 验室制取二氧化碳的装置怎样的 3 如何验满和检验 二氧化碳 三个问题的预设解决时间分别为 10 分钟 15 分钟 5 分钟 为了有效控制好这个时间 需要对学 生的学习基础 学习能力进行充分估计 同时要做好应 对学生可能回答不出的心理准备和应对方案 第二 管理好行为主体 体现 环节 类型 化学 课堂 有效教学 中 我们针对凸显不同的行为主体 设计了两类教学 环节 即 引导 探究 环节和 自 主 探究 环节 5 图 2 引导 探究 教学环节示意图 图 3 自主 探究 教学环节示意图 前者凸显教师的行为主体 突出教师的 引导 功 能 后者凸显学生的行为主体 突出学生的 自主 学习 那么 设计好的 环节 类型如何在课堂教学中体现出 来呢 在管理中要做好两件事 一是强化行为角色的提 醒 二是体现好关键环节要素的落实 比如 在二氧化 碳一课中 笔者设计的是 引导 探究 环节 那么整堂 课的教学过程中 教师都要随时提醒自己 做好教学的 点拨 工作 关键环节 用 标注 要随时根据学生 的学习情况 铺垫台阶 搭设桥梁 启发 点拨学生 让 学生的探究活动顺利进行 教师做好了 点拨 工作 也就凸显了教师的行为主体角色 第三 管理好探究过程 体现 环节 要素 教师 在强化 提醒自己的行为角色 落实好 关键环节 之 后 还需要对其他的教学环节进行管理 力求全面落 实 比如 在这两类教学环节中 均有 目标 动机 团队 合作 非必须环节 和 总结 感悟 等环 节 那么在问题探究过程中 也要关注这些环节的落实 情况及效果 使得整个探究过程比较流畅 有序 也使 得问题探究的质量和效益得到充分保证 需要指出的 是 以上两类 环节 均属于 主体环节 落实到每堂 课中 由于受到教学内容 要求 学生基础 能力 教师 习惯 特长等诸多因素的影响 一般细化为具体的教学 行为 表现为不同的探究活动 比如 盐酸 一课采用 引导 探究 教学环节 第四个核心问题设计的 点 拨 细节为 讨论 录像 小结 但归属 环节 的类 型不变 参考文献 1 毛东海 化学课堂 有效教学 的 4 点共识 J 化学教育 2011 8 18 2 张长江 中学化学教学技术指导 M 上海 上海教育出版社 2005 465 3 4 毛东海 试论化学课堂 有效问题 的设计 J 化学教育 2011 10 22 5 毛东海 试论化学课堂 有效教学 的 环节 与 方法 J 化 学教学 2012 1 8 目标 动机 问题 思考 点拨 探究 总结 感悟 团队 合作 明确目标 萌发动机 提供素材 自主探究 启发归纳 交流讨论 总结评价 感悟提高 组建团队 分工合作 课改前沿 探索实践 上接第 5 页 都有机会对工作进行合理的安排和人员分配 而且这 种分配是经过集体讨论后形成的 加上事后的总结和 反省 使得每位同学都得到组织能力的训练和团队精神 的体验 老师也可以由此发现每位同学的