基于科学探究的学生基础实验教学实践探索

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  摘要:随着课程改革的进一步深入推进,初中实验教学日趋受到关注与重视。在新版的沪教版九年级化学教材中将新课标中要求的“八个基础的学生实验”正式编入了教材内容。文章从“配制一定溶质质量分数的氯化钠溶液”案例中,尝试对实验步骤完整性、实验方案发散性、误差分析科学性等角度对“可计量”化学实验进行探索。
  关键词:基础实验教学;可计量化;实验误差
  文章编号:1008-0546(2015)11-0091-04 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
  doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2015.11.029
  化学是一门以实验为基础的自然学科,随着新一轮的课程改革深入推进,实验日趋受到关注与重视。《义务教育化学课程标准(2011年版)》(后简称“新课标”)在“科学探究”主题的架构中增设“学生至少完成的八个基础的学生实验”,明确规定以此作为“学习和运用化学实验技能和科学探究方法”的基本内容,作为学生亲历科学探究实践活动的底线[1]。这既是新课标对“科学探究”实践性认识上的完善与操作上的落实,更是对学生实验赋予更高的地位与使命的表达。笔者以“配制一定溶质质量分数的氯化钠溶液”为例,对基础实验进行科学探究教学做了一些思考与尝试。与各位同仁分享,以期交流。
  [教师]从以上例子中不难发现,比较准确的配制一定浓度的溶液在实际生活中是非常重要的。关于配制溶液的相关知识,我们在前一段时间已经比较系统地学习过了。今天我们来到实验室,来亲手配制100g溶质质量分数10%的氯化钠溶液。
  设计意图:新课标强调教师在教学活动中应“注意从学生已有的经验出发,让他们在熟悉的生活情景和社会实践中感受化学的重要性,了解化学与生活的密切关系”。对于一定浓度的氯化钠溶液,学生最为熟悉的就是“0.9%的生理盐水”。然而,氯化钠溶液在实际生活、生产中的用途远不止于此。教师通过形象的资料展示,拓展了学生的知识视野,建立了课堂的情境状态,同时奠基了本堂课的情感基础。
  2. 实验方案确定
  [展示]实验药品:氯化钠固体、蒸馏水。
  [问题1]根据所提供的实验药品,请大家思考本实验的基本步骤。
  [学生]对此实验的配制步骤一般为:计算、称取、量取、溶解。
  [问题2]配制100g溶质质量分数为10%的氯化钠溶液,分别取用多少氯化钠和水?
  [学生] 对照表1内容对实验用品的齐备与完好情况进行清点工作,以保证后续实验步骤的顺利进行。
  设计意图:“新课标”在“科学探究”主题中关于“学习基本的实验技能”中除了要求学生“能进行药品的取用”等基本的实验操作,还明确学生应“初步养成良好的实验工作习惯”及“在教师的指导下根据实验需要选择实验药品和仪器,并能安全操作”。化学实验用品清点工作,作为化学实验步骤中不可缺少的组成,在许多实验教学中却往往受到师生的忽视,因此需要在此让学生得到强化。   [教师]同学们清点后,有没有仪器破损或缺失?
  [学生]缺少了量筒。
  [问题]那我们能否在不使用量筒的情况下,完成今天配制氯化钠溶液的实验?
  [学生]可以的,用托盘天平、烧杯通过间接称量的方法称取所需水的质量。先称空烧杯质量为m1,再将砝码和游码的总质量调整为m2=m1 90g,随后向烧杯内逐渐添加水,直至天平再次平衡。即实验的步骤调整为:计算、分别称取氯化钠和水、溶解。
  设计意图:在新课标中对于“科学探究的理解”指出,“科学探究可以通过实验、观察等多种手段获取事实和证据”。 对于“称取水的质量”环节的设计,笔者在课前准备实验过程中特意将4组学生的100mL的量筒“漏放”。预设在教学活动中进入实验仪器清点环节中使对应的学生发现“缺少仪器”的状况,能发散思维,设计利用托盘天平代替量筒,同时通过两种实验方案的比对,为后续分析提供实践经验。
  3. 学生实验操作
  [学生]根据制定的实验方案,进行分组实验(2人一组)。
  [教师] 对学生化学实验的基本操作规范性等进行巡视、指正、帮助。
  4. 实验结果反馈、分析、评价
  [问题3]各组同学,包括4组没有量筒的小组,都顺利完成了实验。请问你们对“利用托盘天平称取水”的方法有什么看法?
  [学生]利用天平称取水操作上不太方便:需要称取两次才能获得所需的水量;在通过滴加的方式称取水的过程中,天平两端始终摆动,不容易判断平衡;有些250mL的烧杯质量过大,超过了天平的量程,需要用100mL的烧杯盛水……
  [教师]通过同学们的实践操作,我们不但确认了可以用称取水的方案,而且也对比得出量筒取用水的便利。
  设计意图:在新课标中强调了“加强化学实验教学”,通过“做科学”的实践激发学生对科学的兴趣,引导学生在观察、实验和交流讨论中学习化学知识,提高学生的科学探究能力,充分发挥实验的教育功能。学生通过切身体验,认真分析实验的操作过程,能够促使自身对化学知识的深入理解与掌握。这个比“教师讲实验”有效得多。
  [问题4]今天我们用不同的方法配制了一定浓度的氯化钠溶液,它们是否符合要求呢?我们能用什么方法判断我们配制的氯化钠溶液的溶质质量分数为10%呢?
  [学生]进行蒸发,分别称取蒸发前后蒸发皿内物质总质量。
  [教师]不错,这个方法在理论上的确可行。但是实际操作中是否过于繁琐了呢?我们可以利用不同浓度的氯化钠溶液的某个性质不同进行区分。请大家联想一下刚刚提到的“盐水选种”的问题,这是利用什么原理?
  [学生] 利用了不同浓度的氯化钠溶液具有不同密度的性质。颗粒饱满的种子密度大,会沉入盐水,而干瘪的种子密度小,会漂浮在盐水上。
  [学生]可以测定溶液的密度。
  [教师]展示不同浓度氯化钠溶液的密度(如表2)。
  [教师]展示“规格为1.000~1.100g·cm-3”的溶液密度计,介绍密度计的用法及读数方法。
  [学生]将配制的氯化钠溶液倒入100mL量筒中,再将密度计放入溶液中,测定所配溶液的密度(给4组没有量筒的小组补上量筒)
  [汇总]:我们将每小组测定的结果汇总到表格中(如表3)。
  设计意图:新课标在“教学建议”的主题中提出“在教学中,应有目的、有计划地设计一些学习活动,加强化学与物理、生物、地理等学科的联系”。在本实验中若不借助其他仪器,氯化钠溶液的浓度很难直观地进行判断。而物理学科中的溶液密度计,使实验结果变得可测、可见,同时也能引导从多个角度对有关问题进行分析、探究。
  [问题5]各组同学测得的结果都略有不同,这是为什么?
  [学生]实验误差。
  [追问]这的确可认为是实验误差的结果。那么,这个误差是否在我们允许范围之内呢?我们配制的溶液是否都符合10%的要求呢?
  [学生]对于这个问题无法提出自己的解答。
  [教师]化学实验中,特别是定量实验中,误差是无法避免的。有些误差是由操作引起,,而有些误差则是由所使用的仪器本身造成。如本实验中所使用的量筒量程是100mL,精确度为1mL,使用的托盘天平的量程为200g或100g,精确度为0.2g或0.1g。本次实验的目的是配制10%的氯化钠溶液,有效数字为两位。也就是说(10.4%,9.50%)这个范围之内的浓度,均可认为10%。根据氯化钠溶液浓度与其密度绘制的坐标图(如图2)所示,对于密度数值为介于1.067~1.075g·cm-3均可认为是10%氯化钠溶液的密度。因此,本次实验大家都符合实验配制要求!
  设计意图:“科学探究是获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动,它涉及提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流等要素”。在笔者听取的诸多关于此类课题的公开课中,教师通常会从学生的操作规范性的层面上进行评价、交流,或者进而对于某些错误操作所引起的实验误差进行分析交流,但是对于“误差”是否是“允许范围之内”这个问题却从未提及。笔者预设从“有效数字”这个层面上向初三学生介绍“不同浓度精度要求会导致实验误差允许范围的不同”。
  四、 教学实践反思
  1. 教学资源追求真实
  化学是一门真实的学科,它是建立在大量实验事实基础上的自然学科。教学中需要运用“真实、生动、直观而又富于启迪性的学习情景,能够激发学生的学习兴趣,帮助学生更好地理解和运用化学知识”。因此,无论是引入部分图片数据资料,还是氯化钠溶液密度数据,笔者都向学生呈现数据来源,在“有依有据的情境下”体现化学学科的“真实性”。   同时,在教学的过程中更应“去形式化”,引导学生“真实地”去“做实验”。如本节课的“清点实验器材”环节,由于教学设计的需要,对于4组学生的器材中故意“漏放”量筒,但是在教学过程中却有2组学生并没有发现仪器的缺少,直接在对应表框内勾划“√”。这作为一个生成性的教学资源,笔者也进行了指正,力求在实验室中做到“真实的”化学。
  2. 教学过程追求严谨
  严谨的治学态度,是学习和研究化学的基础。化学又是一门以实验为基础的自然学科,那么实验误差的确是不可避免的。然而在日常教学中对于误差分析的角度往往局限于“错误操作”,而对于“实验精度”及其“仪器精度”很少提及。正如本节课中,当实验数据与理论数据不一致时,学生第一时间就能想到是“实验误差”。可当问及“实验数据是否合理”时,学生就没有办法去回答了。正是由于平常教学中片面教学,从而容易导致学生对于“误差”的理解过于片面、极端:会认为误差是不可避免的,所以可以忽略不计,或者认为误差就是错误,需要重新测量等。作为“可计量”的化学,需要有自身的研究方式和评判标准。
  所以在教学过程中,教师对待问题的“严谨态度”是至关重要的。学生通过日常性的教学活动,能够耳濡目染,逐渐将“严谨”吸收、内化,提高自身的学习素养。
  3. 教学活动追求个性
  没有个性的教师,就很难培养出丰富个性的学生。“教材作为教学的载体,我们既要关注教材的结构特点、呈现方式,同时也不能拘泥于教材,要在把握教学本质的前提下灵活运用和处理教材”[3]。个性化的、创造性的运用教材组织教学,是化学实验教学取得实效的必由之路。在本节实验课中,笔者对教材实验内容进行深入加工,除了修改了“配制溶液的质量及浓度”之外,还创造性地添加了“量筒称取水”、“测定氯化钠溶液密度”、“结果呈现及误差判定”等环节,目的就在于让学生亲身经历丰富的探究活动,在“做科学”的探究实践中培养学生的创新能力和实践能力。
  在教学实践中不难发现,如果单纯地使用教材来进行实验,没有“未知问题”的挑战,会让学生的实验只停留在“验证”层次,对于问题思考性缺乏,会让学生的综合性思维能力得不到锻炼。
  4. 教学环节追求互动
  基础实验课的目的之一就是让学生“体验科学探究过程”,而通过提问、思考、交流、回答的方式,能够在师生、生生互动中,使学生逐步学会分析和解决化学有关的一些简单实际问题。本节课中,主要通过以下提问环节推进教学进程的:
  本节课在丰富的互动环节进行下,教师通过预设问题与生成问题的解决,使学生能够在比较愉悦的氛围下逐渐在知识的形成、相互联系和应用过程中逐渐养成科学的态度,学习科学方法。
  5. 教学评价追求全面
  在学生实验课中对于学生评价,不但需要考虑三维学习目标的达成情况,还应注意过程性评价与结果性评价相结合。
  与其他课型所不同的是,学生实验一般都是以分组实验的形式进行的。在教学实践中,我们可以发现目前学生在合作学习中存在较大的问题,主要体现在分工合作上。组内成员在整节实验课中,对于自身的职责并不清楚,从而导致有些学生从头做到尾,而某些学生却坐了一节课的“冷板凳”。因此,在实验课中教师需要通过评价等手段,引导组内成员合理分工。
  同时,评价的功能是为了促进学习的。本堂课在学生动手操作实验过程中,教师通过个别评价与指导使学生对基本操作的规范性得到了锻炼,达成了“知识与能力”的目标,同时在师生互动中,对于实验设计方案及实验步骤的分析中,使学生在“过程与方法”上得到锻炼,最后在实验结果总结中,通过“误差分析”环节对全体学生良好表现的肯定,强化了“情感·态度·价值观”的和谐发展。
  通过学生基础实验课的教学,目的就在于“使每一个学生以愉快的心情去学习生动有趣的化学,激励学生积极探究化学变化的奥秘,增强学生学习化学的兴趣和学好化学的信心”。
  参考文献
  [1] 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准(2011年版)[M],北京:北京师范大学出版社,2012:12
  [2] 中学化学国家课程标准研制组,义务教育教科书化学(九年级下册)[M],上海:上海教育出版社,2014:25
  [3] 田长明,初中化学基础实验课的实践思考[J].教学仪器与实验,2015,(3):13~15
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