2022年从验证走向实证-新课程背景下化学验证性实验教学的新视角及案例分析

1、从验证走向实证新课程背景下化学验证性试验教学的新视角及案例分析摘 要在新课程背景下, 大力提倡科学探究的今日,高中化学验证性试验教学如何走出尴尬,落实“ 过程与方法”的课程目标？笔者提出了以科学过程性技能的培育为主导的教学视角,从验证走向实证,最终实现同学科学素养的提升；本文结合（苏教版）普通高中课程标准试验教科书化学（必修2,其次版, P 39）验证性试验氢氧燃料电池的讨论性学习教学为例,进行了详细阐述；关键词 验证性试验过程与方法科学过程技能科学素养1问题的提出课程目标的创新与验证性试验教学的尴尬新一轮课程改革努力凸显以同学的进展为本的课程理念,要完全扭转“ 应试训练” 的弊端,培育同学健

2、全的个性与完整的人格；为此一般高中化学课程标准 （下面简称 标准）“ 立足于同学适应现代生活和将来进展的需要,着眼于提高21 世纪公民的科学素养,构建了学问与技能、过程与方法、 情感态度与价值观相融合的高中化学课程标准体系” （下面简称“ 三维” 目标）,要求同学在上述三方面得到统一和谐的进展,最终实现学习方式的转变和科学素养的提升；大家普遍认为“ 三维” 目标的提出是个亮点,其中“ 过程与方法” 目标可谓是亮点中的“ 亮点”,又是亮点中的“ 难点”；化学学科如何阐释本学科的“ 过程与方法” 的目标？依据对标准文本的分析,可以看出“ 过程” 指的是科学探究的过程,“ 方法” 主要是指科学探究的

3、方法（科学方法）,仍包括同学学习的方法；化学是一门试验科学；化学试验教学就更多的承载着落实“ 过程与方法”课程目标的重任；所以新课程一改传统的化学试验教学存在着同学看试验多,做试验少；验证性试验多,探究性试验少的状况,充分发挥试验作用,把大量的试验分散在教材的“ 活动与探究”、“ 观察与摸索”栏目之中； 同时新课程仍淡化演示试验和分组试验的界限,把大量的演示或验证性试验改为同学探究性试验、为同学亲自做试验开创了宽阔的空间；因此在新课程试验教学中,“ 验证性试验教学过程缺少探究性” 的观点引起了人们对验证性试验价值的怀疑,以及对“ 科学探究” 的误会；相当一部分人认为“ 验证性试验” 不具有“

4、科学探究” 的功能,在提倡以 “ 科学探究”为显著标志的同学学习方式转变的今日,验证性试验好像已失去应有的生命力；其实,验证性试验不应受到批判,作为一种重要的试验形式,验证性试验无论是在化学讨论中仍是在化学训练中都是不行或缺的,其作用也是任何其他类型试验所无法替代的；现实中人们对验证性试验的熟悉所暴露出的一些误区,缺少应有的熟悉和对验证性试验教学的支配不当有关,性试验教学使其发挥科学探究功能的问题；是与传统的对验证性试验的价值 这同时也向我们提出了如何改进验证2理论的摸索验证性试验教学的终极目标：科学素养21 什么是科学素养什么是科学素养,目前尚无公认的定义,但是我们可以通过国际上对公民科学素

5、养调查建议的内容获得概略的熟悉；国际上对公民科学素养调查包括三方面的内容：对科学术语和概念的基本懂得；对科学讨论过程和方法的基本懂得；对科学、 技术与社会相互关系的基本懂得； 依据科学素养的内涵,在化学课程中培育同学的科学素养必需全面落实“ 三维” 目标特别是“ 过程与方法” 目标；而落实“ 过程与方法” 目标的关键举措就是让同学在“ 做科学” 中学习科学；这里所谓“ 做” 不是盲目的做,或者仅仅表现为外显动作的“ 做”；仍必需 “ 动脑”的理性体验在做的过程中猎取科学学问、在做的过程中体验和感悟科学讨论的基本过程,从而学习和把握科学讨论的基本技能、在做的过程中懂得科学本质；22 从验证走向实

6、证人类在科学讨论活动中所进行的科学试验通常有两个目的,其一是利用各种试验装置,在人为干预或掌握自然现象的发生、进展过程中, 观看迄今未知或未加说明的新事实；其二是利用各种试验装置,制造特定的观看条件,以便判定或验证科学假说或理论；由此也就衍生出探究性试验和验证性试验两种基本试验类型；从思想方法的角度看,探究性试验与验证性试验分别与试验归纳法和理论演绎法相对应；归纳是从有限的个别事例中推断出一般规律的过程, 归纳推断的基础是假设将来事实与现有事实具有相像性；从这个意义上讲,一切由归纳得出的规律原就上是可错的,它仍是一个需要进一步实证的假说；演绎是从一般推出个别的过程,这第一要求作为推理前提的“

7、一般” 应当为真的,但问题是我们经常无法确定其前提是否为“ 真”,而且即使前提为真并在推理正确的情形下,也并不意味着从一般性动身就肯定能揭示出个别事物的特点；因而,无论是由归纳得来的结论仍是由演绎得来的结论,都是可错的,都需要经过试验验证才能得到确认；从这个意义上讲,“ 科学的本质就是通过观看验证” ；因而,验证性试验在科学发觉以及科学训练中的作用是不言而喻的；通过验证性试验来验证假说或检验理论,这是培育同学实证精神和科学素养的重要途径；验证性与探究性原来就是亲密联系的,探究的过程离不开验证,验证的过程同样也可以布满探究；其实,试验过程是否具有探究性,这并不简洁地取决于试验类型,现实教学中探究

8、性试验缺少探究性或“ 伪探究”的情形也并不少见； 所以我们所面临的主要问题不应是“ 如何改验证性试验为探究性试验” 的问题,而应是“ 怎样使验证性试验更多的包蕴探究性” 的问题；笔者认为,欲使教学过程包蕴探究性,落实“ 过程与方法” 目标,绝非靠简洁的仿照一些“ 探究教学模式”所能凑效的, 而是要认真分析探究过程的各个环节,抓住各个 “ 环节”中所包蕴的基本技能方能见成效；探究过程中的基本技能到底是什么？它就是科学过程技能；23科学过程技能依据科学家的工作性质和工作过程的特点,美国科学促进会（AAAS ）将其定义为一组具有广泛迁移力的适合多种学科和科学家的工作性质所需要的才能；美国基础科学课程

9、方案科学过程与方法将科学过程技能概括为 6种基础性科学过程技能和 6种综合性科学过程技能（如下表） ；基础性科学过程技能 综合性科学过程技能1观看：利用感官猎取关于事物或大事的1识别或掌握变量： 识别出能影响试验结果的信息；变量,掌握和操作自变量,使其它无关变量均保持不变；2推论：利用从前所搜集到的资料或信息,2下操作性定义： 提出在试验中如何测量一个对事物或大事做有依据的推测；变量；3测量：利用标准或非标准测量或估量,来描画物体或大事的尺寸；4沟通：利用文字或图形符号去描述一项 行动、物体或大事；5分类：依据物体或大事的性质或标准,以集合或序列列出不同的类别；6推测：依据证据的形式描述将来大

10、事的3形成假说：提出试验的预期结果；4说明资料：组织资料并提出结论；5进行试验：实施一个完整的试验,从提出适当的模型开头,接着做出假说,确认并掌握变量,进而对这些量下操作性定义,设计一个合理的试验,并实施这个试验方案,收集证据,最终来说明试验结果,得出科学结论；6形成模型： 制造一个有关过程或大事的理论可能结果；或实物模型；科学过程技能是科学讨论活动过程中的基本技能,它是智力技能与动作技能的有机融合,而且以智力技能为核心；儿童对外界世界的爱好和求知欲是与生俱来的,但他们对于如何正确的探究却缺乏体会；这方面的技能是靠后天培育的；科学过程技能进展受学习者的认知进展水的影响,是一个循序渐进的过程；3

11、解决的途径落实科学过程技能的培育验证性试验教学教学中的体会规律的来源一般有两条途径：其一是依据同学在生活经受或探究性试验中所猎取得体会事实进行归纳概括得出；其二是利用已知的科学体会规律进行理论演绎得出；无论从何途径得出的体会规律在未经证明之前,都只能将其看作为尚待进一步验证的科学假说对待； 所以在验证性试验教学中,我们要突破传统的将全部验证性试验都支配在同学已经学习了有关结论之后,并且客观上已把这些结论作为“ 正确结论”用于分析和解决问题的情况下进行的弊端, 结合教学进度考虑适当增加试验的提前量,让同学能在未做试验之前将经验规律明确作为假说对待,渗透假设性； 同时在验证性试验教学中,仍要努力引

12、导和鼓励学生进行科学推测；当然, 教学过程中的推测是相对于同学的未知而言的,凡是同学依据所研究的体会规律通过演绎推理而作出的关于某种未知自然现象的推测对他们来说就是一种科学推测, 而检验这种推测的试验便是教学意义上的推测性验证性试验；如此就可以理所当然地也应当将试验设计融入到验证性试验的步骤中；而且从操作层面考虑,验证性试验的设计与探究性试验设计比,就更为简洁、 可行, 对于同学科学过程技能的培育有着重要的进展意义；4实践的案例氢氧燃料电池演示仪的开发与制作燃料电池（特别是氢氧燃料电池）以其能量转换效率高、污染小、高度牢靠性,必将成为将来电池的主角；由于燃料电池在电极制作和燃料的储存、携带方面

13、技术要求很高,目前尚未得到普及；中学化学教科书的大部分版本中关于燃料电池的介绍仅限于文字和示意图,这使得同学并体对燃料电池的构造和原理缺乏感性熟悉,从而产生一种神秘感； 通过验证性试验引导同学熟悉和懂得氢氧燃料电池图 1 的构造和原理（如右图1）,这是（苏教版）一般高中课程标准试验教科书 化学（必修 2,其次版, P 39）的一大特色与创新；我们在上相关内容之前支配同学进行了分组试验,初衷是让同学懂得和利用原电池原理动手制作简易电池,验高科技与我们的生活是如此的贴近；.但在试验过程中,不少小组做不显现象,而且有学生提出该装置先充电,后放电, 从能量转化的角度来讲能叫作燃料电池吗？为此,我们组织

14、部分同学进行了一次讨论性学习活动,实践；41 文献检索说明资料并在活动中有意识的进行了同学科学过程技能培育的我们知道典型氢氧燃料电池由 3 个主要部分组成：燃料电极（负极）、电解质溶液、空气氧气电极（正极）；其工作原理是：负极处的氢气被“ 抽取” 电子,这些电子通过导线流入正极；在正极,氧气发生仍原反应获得电子；由于燃料电池不会燃烧发出火焰,也没有旋转的发电机,所以燃料的化学能大部分直接转化为电能；工业上,人们用 Pt 作催化剂和吸附剂, 只要不断的加入氢气和氧气,燃料电池就可以连续供电了；而上述装置从能量转换的角度看实质上是一个蓄电池（电能化学能电能）和工作原理；42 试验探究进行试验,似不

15、能完全反映燃料电池的构造探究试验 1我们重复了上述试验：用多孔碳棒做电极,插入电解质溶液中,通电一段时间（半分钟） ,使水发生电解,产生的部分氧气和氢气被碳棒吸附；然后停止电解,将电极接电压表和电流表；（如右图）；我们观看到电压表和电流表均发生偏转,但此时电压和电流都很小,且不稳定,衰减得很快；在中性电解质溶液中,氢氧燃料电池的电极反应式为：（） 2H2 4H + + 4e-；（） O2 + 2H2O + 4e- 4OH -；依据上述电极反应式,我们发觉电流的大小与参加反应的氢气的量有关；由于多孔碳电极虽能吸附一部分氢气,但量有限,在发生放电反应时,产生的电流太小； 这也就是不少同学做不出试验

16、现象的缘由；于是我们第一对电极进行了改造：用试验室里的破试管截成 60 70 mm 的玻璃管,配好单孔塞；将多孔碳电极塞入单孔塞,使电极置于玻璃管内； 这样就可以利用玻璃管贮存气体,而提高电极四周氢气和氧气的浓度；当用新电极重做上述试验时,我们欣喜的发觉电池的电压和电流明显增强,不仅仅可以使起辉电压为 1.7 V, 电流为 0.6 mA 发光二极管发光,而且仍可以使音乐贺卡上的扬声器发出美妙的音乐；但是多孔碳电极不能像 Pt 电极那样主动的吸附和催化氢气和氧气,我们仍无法从原理的角度来改进上述试验装置,讨论曾一度陷入僵局；43 其次次文献检索说明资料、形成假说在前一次文献检索时,老师和同学们主

17、要依靠于互联网,多数关于燃料电池的介绍都停留在科普水平,对于如何从原理上克服上述装置的缺陷奉献不大；于是我们又进行了其次次文献检索, 充分利用学区内有高校的便利走进了高校图书馆；一本由 P.W.阿特金斯、 M.J.克吕斯顿著 庄宏鑫、王和春译的物理化学原理（化学工业出版社,1990 年）中的一幅插图引起了我们的爱好；（如右图）在这个燃料电池装置图中只有通入氢气的那个电极是碳极铂催化剂,而通入氧气的那个电极却没有催化剂；书中仍配了一段文字“ 实际燃料电池装置图上,燃料电池的操作就像一个电化学电池,在一个电极上放出电子,通过外电路到达另一电极,引起另一电极的仍原作用；唯独不同的是反应的燃料由外部储

18、存的气体供应；工业上,人们用 Pt 作催化剂和吸附剂（如图）；氢气被吸附在催化剂的表面,离解为氢原子,氢原子放出电子,通过外电路,引起氧气的仍原反应,构成燃料电池；整个操作的关键在于如何引发氢气在电极上放出电子；”在中学化学试验室里,我们虽然无法实现工业上的操作,但是我们却可以通过电解水时阴极发生 2H+ 2e-H2 的反应,使多孔碳电极吸附大量仍原性强,易失去电子的活性氢而得到活化的氢电极 .；氧气能不能由外界直接通入呢？44 再次试验探究进行试验探究试验2于是我们对装置进行了改造（如右图）：将两只改造后的电极的玻璃管中注满溶液,并插入盛有电解质溶液的烧杯中；在一只电极的玻璃管内用排液法收集

19、肯定量的氧气；然后另一只电极作为阴极接上电源氢氧燃料电池模拟装置1 （812 伏）电解（约2 分钟）,收集产生的氢气；多孔碳电极吸附活性氢,同时在玻璃管内收集肯定量的氢气,提高电极四周氢气浓度；在停止电解后, 我们将经电解活化的氢气电极和收集有氧气的电极接上电压表,测得路端电压为 贺卡上的扬声器） ,可使扬声器发出精妙的音乐；经过改造后, 该装置由于采纳了外界通入的氧气,1.4V ；接上扬声器（我们用的是音乐其得电子才能不如刚刚电解产生氧气来得强,所以电池的路端电压只有 1.4V,不足以使起辉电压为 1.7 V, 电流为 0.6 mA发光二 极管发光, 但可以使音乐贺卡上的扬声器发出精妙的音乐

20、；关键是如此改造后的装置就从原 理上突破了原装置的缺陷,是一个模拟氢氧燃料电池；而且该试验装置的制作简便易行,装置稳固性好,胜利率100%,可重复率100%；并且该试验药品消耗少,对环境无污染,取材便利,无论城镇或农村中学都可以演示该试验,仍可作为同学分组试验,便于推广；45 第三次试验探究推论、说明资料、形成假说、进行试验 讨论性学习小组内此时又有了不同的声音：“ 氢氧燃 料电池在工作时应当可以看到气体的消耗,而上述的改进 虽说从原理上突破了教材试验装置的缺陷,却不能直观的 看到气体的消耗！ ” ；经过前面的讨论,大家积存了比较丰 富体会,我们很快从物理上的连通器和毛细现象受到启示 尝试着制

21、作了一个仪器（如右图）；探究试验 3通过电解产生氢气和氧气在 U 型管中形成气室,并将排开的液体送入球泡,进而进入带刻度的毛细管；停止电解,将电极接上音乐贺卡,我们欣喜的发觉,贺卡上的扬声器发出精妙的音乐,发光二极管发光的同时毛细管中的液面在缓慢的下降,说明两个电极上的氢气和氧气在缓慢的消耗,将化学能转化为电能；46 第四次试验探究识别和掌握变量、说明资料、进行试验既然在前面的文献检索中发觉氢氧燃料电池“ 整个操作的关键在于如何引发氢气在电极 ” 即形成活性氢电极,那么能不能在一个装置中表达这一点呢？于是我们又一起设计了第三个氢氧燃料电池装置（如下图）；探究试验 4在氢氧燃料演示仪3（如上图）中注满硫酸钠稀溶液,将制作好的电极插入（要留意装置的气密性,涂抹凡士林可