發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的高中化學(xué)教學(xué)實踐

摘

要：文章以“甲烷和氯氣反應(yīng)”教學(xué)為例，通過創(chuàng)設(shè)真實實驗情境，引領(lǐng)學(xué)生提出假設(shè)、設(shè)計實驗、初步驗證、分析并解釋實驗現(xiàn)象，針對實驗出現(xiàn)的問題，交流討論并提出改進(jìn)意見，最終結(jié)合對反應(yīng)機(jī)理的理解，設(shè)計最優(yōu)方案并驗證。在高中化學(xué)教學(xué)過程中引領(lǐng)學(xué)生體悟“預(yù)測—設(shè)計—分析—評價—改進(jìn)”的科學(xué)探究過程，有助于促進(jìn)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的提高，以供相關(guān)教育工作者參考。關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；創(chuàng)新意識；甲烷與氯氣一、問題的提出（一）基于發(fā)展核心素養(yǎng)的需要“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”作為五大學(xué)科核心素養(yǎng)之一，指的是“認(rèn)識科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的科學(xué)實踐活動；能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題；能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案，運用化學(xué)實驗、調(diào)查等方法進(jìn)行實驗探究；勤于實踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新”。就是說，學(xué)生要在探究中學(xué)會合作，面對“異?！爆F(xiàn)象敢于獨立思考并提出自己的見解。北京師范大學(xué)王磊教授認(rèn)為，化學(xué)學(xué)科五大核心素養(yǎng)中，科學(xué)探究與創(chuàng)新意識最重要，是其他素養(yǎng)的核心。實驗探究的主題是重點培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力，重點發(fā)展的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是科學(xué)探究與創(chuàng)新意識，證據(jù)推理和模型認(rèn)知，同時可以提升學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任。在實驗探究活動中，宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想也將有發(fā)展。（二）化學(xué)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀目前高中化學(xué)實驗課主要以教師講授理論知識或?qū)嶒灲忸}訓(xùn)練為主，實驗僅作為輔助教學(xué)手段，對學(xué)生的實驗教學(xué)普遍缺乏重視。受課時的限制，在課本必做的實驗中，教師也去繁從簡將很多探究實驗改為演示實驗，使學(xué)生失去了自主探究學(xué)習(xí)的機(jī)會和樂趣。同時，由于部分教師教學(xué)理念滯后、教學(xué)效率低下，無法通過實驗教學(xué)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，實驗的教學(xué)功能被淡化甚至被忽略。（三）教材實驗存在的問題甲烷與氯氣的反應(yīng)是學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的第一個實驗，該實驗對理解甲烷的性質(zhì)及甲烷與氯氣的取代反應(yīng)有重要意義，也能為學(xué)生深入學(xué)習(xí)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理打下基礎(chǔ)。課本實驗方案存在反應(yīng)速率慢、現(xiàn)象不明顯、成功率低的特點，且容易造成氯氣泄露對環(huán)境和人體都有害，教學(xué)過程中教師基本不做這個實驗，通常是用實驗視頻或動畫替代。二、“甲烷與氯氣反應(yīng)”教學(xué)實踐（一）課標(biāo)要求分析《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對本節(jié)內(nèi)容的要求是：以甲烷、乙烯、乙炔、苯為例認(rèn)識碳原子的成鍵特點，知道氧化、加成、取代、聚合等有機(jī)反應(yīng)類型。通過模型拼插等活動引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識有機(jī)化合物中碳原子的成鍵特點、價鍵類型及簡單分子的空間結(jié)構(gòu)。提倡采用觀察實驗現(xiàn)象、聯(lián)系生產(chǎn)生活實際、歸納總結(jié)等策略對有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用進(jìn)行教學(xué)。（二）教材內(nèi)容分析甲烷作為最簡單的有機(jī)化合物，甲烷和氯氣的反應(yīng)都是作為取代反應(yīng)概念的載體，通過對比“甲烷與氯氣的反應(yīng)”在現(xiàn)行三套教材中的內(nèi)容安排可知，三套教材在內(nèi)容安排上基本一致，都是通過呈現(xiàn)甲烷和氯氣的四步反應(yīng)方程式，分析化學(xué)鍵的變化情況，歸納取代反應(yīng)的定義。通過對比“甲烷與氯氣的反應(yīng)”在三套教材中的實驗設(shè)計，現(xiàn)行三套教材對甲烷和氯氣反應(yīng)實驗的呈現(xiàn)方式各有不同。人教版和蘇教版的甲烷與氯氣反應(yīng)的實驗裝置基本相同，實驗內(nèi)容主要區(qū)別體現(xiàn)在以下三點：第一，原料氣的比例：蘇教版中甲烷和氯氣體積比為1∶4，人教版的甲烷和氯氣體積比為1∶1。第二，光源問題：蘇教版用“燈光”照射，人教版“放在光亮處”（不要放在日光直射的地方）。第三，蘇教版是單一實驗，新、舊人教版是對比實驗（是否光照）。魯科版則刪除了取代反應(yīng)的實驗，直接以實驗事實的形式呈現(xiàn)。（三）教材實驗設(shè)計存在的問題通過分析2019人教版教材64頁甲烷與氯氣反應(yīng)裝置及內(nèi)容，實驗過程中未明確光源類型、照射時間等實驗條件，通過大量實驗探索發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果差異較大。同時存在以下缺陷：氣體易逸出，實驗裝置不夠環(huán)保，在正常光亮條件下實驗8～10分鐘后反應(yīng)現(xiàn)象仍不明顯，反應(yīng)速度慢，在有限的課堂時間內(nèi)完成不實際?；谡n標(biāo)和教材的要求，教師可以嘗試在教學(xué)過程中通過真實的實驗情境引導(dǎo)學(xué)生思考并改進(jìn)實驗。（四）教材實驗改進(jìn)及教學(xué)實施思路發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的教學(xué)實踐中，需要注重引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的學(xué)習(xí)活動，并將核心素養(yǎng)各要素落實到各活動環(huán)節(jié)中，具體教學(xué)思路如表1所示。三、“甲烷與氯氣反應(yīng)”實驗改進(jìn)及效果（一）氣體比例查閱大學(xué)教材可知：CH4與Cl2的反應(yīng)是游離基取代反應(yīng)，在光照條件下Cl2分子中Cl-Cl鍵均裂成為游離基，與CH4分子發(fā)生有效碰撞時，從CH4分子中奪取H原子引發(fā)取代反應(yīng)。在其他條件一定時，反應(yīng)速率很大程度上受Cl2體積分?jǐn)?shù)大小的影響。新、舊人教版教材中甲烷與氯氣體積比為1∶1，新蘇教版氣體比例為1∶4。查閱文獻(xiàn)可知，劉英杰通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)CH4與Cl2體積比可控制在1∶4～1∶1之間，也有研究者認(rèn)為體積比1∶3實驗效果也很好。教師通過控制變量實驗將甲烷和氯氣氣體體積比分別確定為：1∶1、1∶2、1∶3和1∶4，本實驗條件下通過對比得出CH4與Cl2氣體體積比為1∶3效果最好。（二）光源選擇甲烷和氯氣的反應(yīng)屬于光化反應(yīng)，光化學(xué)反應(yīng)依賴于光活化，而光活化程度與光的強(qiáng)度成正比，所以反應(yīng)可以在室溫下、在足夠強(qiáng)的光源下進(jìn)行。在光源的選擇上，教師也做了以下探討：第一，普通日光：實驗時間長，受氣候影響較大。第二，白熾燈：反應(yīng)速度較慢，現(xiàn)象不明顯。第三，鎂條燃燒：燃燒速度快且白光很刺眼，持續(xù)反應(yīng)需要不斷點燃鎂條。第四，紫外光燈：對人體造成傷害，不環(huán)保。第五，高壓汞燈：環(huán)保且效率高。在CH4與Cl2氣體體積比為1∶3時，通過用不同的光源照射進(jìn)行對比實驗，實驗結(jié)果表明：在本實驗條件下，用高壓汞燈照射的實驗效果最好，故最終選取的光源是自鎮(zhèn)流125W熒光高壓汞燈。此外，教師也嘗試在針劑瓶中利用注射器混合兩種氣體，利用壓強(qiáng)使甲烷和氯氣充分反應(yīng)，現(xiàn)象也較明顯，但反應(yīng)條件不是光照，在方程式書寫時易誤導(dǎo)學(xué)生，故最終沒有采用該方法進(jìn)行實驗。（三）實驗改進(jìn)方案通過學(xué)生的小組討論，教師結(jié)合反應(yīng)機(jī)理及反應(yīng)歷程，引導(dǎo)學(xué)生自評并互評實驗方案，最終得出本實驗的最佳改進(jìn)方案：用排飽和食鹽水法收集約1/4試管的CH4和3/4試管的Cl2，將試管固定在鐵架上，用高壓汞燈照射2～3分鐘?？擅黠@觀察到試管內(nèi)氣體顏色變淡，形成白色霧，試管壁上形成油類液滴，說明該反應(yīng)能夠進(jìn)行。該實驗方案反應(yīng)速度快，實驗用時短（2～3分鐘），現(xiàn)象明顯，成功率高。四、“甲烷與氯氣反應(yīng)”教學(xué)反思甲烷是最簡單的有機(jī)化合物，也是學(xué)生第一個認(rèn)識的有機(jī)化合物。物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)是化學(xué)的基本邏輯之一，與認(rèn)識無機(jī)物類似，認(rèn)識有機(jī)物也要遵循并體現(xiàn)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的觀念。學(xué)生在化學(xué)必修第一冊已經(jīng)學(xué)習(xí)化學(xué)鍵的知識，知道碳原子的成鍵特點。本節(jié)內(nèi)容前兩課時也已掌握用球棍模型拼插甲烷的空間結(jié)構(gòu)，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)是通過對甲烷和氯氣取代反應(yīng)的實驗探究和反應(yīng)機(jī)理的微觀探析，進(jìn)一步夯實學(xué)生“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科觀念。同時在實驗探究中通過預(yù)測甲烷和氯氣反應(yīng)的實驗現(xiàn)象，診斷和評價學(xué)生已有的“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”認(rèn)知水平；通過拼插甲烷與氯氣球棍模型并模擬反應(yīng)歷程，診斷和評價學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)是“舊鍵斷裂和新鍵形成”的認(rèn)知水平；通過實驗探究過程中生成性的問題，激發(fā)學(xué)生對實驗事實進(jìn)行交流、討論、質(zhì)疑，進(jìn)而研討改進(jìn)優(yōu)化方案，最終突破認(rèn)知障礙，構(gòu)建對有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的新認(rèn)知。科學(xué)探究的一般過程從發(fā)現(xiàn)問題、提出問題開始，再根據(jù)已有知識對問題的答案提出假設(shè)，進(jìn)而設(shè)計探究方案進(jìn)行驗證，得到結(jié)果。但并不是所有的問題都能一次探究就得到正確的結(jié)論，有時候由于探究方案的不完善或操作的不恰當(dāng)也會得到錯誤的結(jié)果。因此在得出結(jié)論后還要對整個實驗探究的過程進(jìn)行反思，多角度地重新提出新的假設(shè)再進(jìn)行新一輪的科學(xué)探究。本節(jié)課以“甲烷和氯氣的反應(yīng)”為載體，通過對實驗問題的猜測、設(shè)計、驗證、分析、質(zhì)疑、改進(jìn)及再驗證，引領(lǐng)學(xué)生體悟“預(yù)測—設(shè)計—分析—評價—改進(jìn)”的科學(xué)探究過程，教學(xué)內(nèi)容層層遞進(jìn)。在教學(xué)過程中學(xué)生能深度參與課堂，多角度思考實驗的問題，面對實驗的異常現(xiàn)象能發(fā)散思維，及時反思改進(jìn)，尋求更充分的證據(jù)，充分體驗科學(xué)探究的曲折和樂趣。實踐證明：通過改進(jìn)后的實驗現(xiàn)象和拼插球棍模型體悟甲烷和氯氣的反應(yīng)歷程，能幫助學(xué)生更好地理解取代反應(yīng)的機(jī)理，進(jìn)一步夯實“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科觀念。基于發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的教學(xué)活動不僅有助于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，還對化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)其他四個維度的發(fā)展都有明顯促進(jìn)作用。實驗探究是幫助學(xué)生從感性認(rèn)識上升到理論認(rèn)知的重要手段，教材中的實驗素材作為一種重要的教學(xué)資源，其價值并不僅在于實驗的成功展現(xiàn)，如何挖掘?qū)?/p>