中学化学探索性实验研究

1、中学化学探索性实验研究木文获嘉兴市化学论文评比二等奖（2004年）钟志兴、研究背景中共中央国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定指出：实丿施素质教育，就是全 而贯彻党的教冇方针，以提高国民素质为根木宗旨，培养学生的创新精神和实践能力。要培养创新 精神、提高创新能力、造就创新人才，关键是逐步培养和形成创新人格（个性），有创新人格的人才 具有创新精神，才会积极地、口主地树立创新意识、提出创新要求，才会以持久的热情、坚强的意 志，不断去探索、去开拓、去创造。现行屮学化学教材屮的实验，从设计形式上看多是帮助学生形成概念，理解和巩固化学知识的 验证实验。这种实验的内容、原理、方法和步骤教材屮均有明

2、确的规定，实验的启发性和探索性受 到限制使学生在实验中处于被动地位，易导致实验重结果、轻过程，不利于培养学生的创新精神和 创新能力，不利于培养学生进行科学方法的教育和训练，而且难于发挥实验的多重教育功能。为改 变上述现状，我们选择了探索性实验为教学的突破口，并对此进行了深入地研究和探索。二、理论思考布鲁纳的发现学习理论：“认识是一个过程，而不是一种产站。”学习不仅是让学生掌握知识， 更要让学生去体验知识、原理的产生过程。教师要创设学生能够独立探究的情境，引导学生自己去 探索新知识，而不是为学生提供现成的知识。皮亚杰的发生认识论：只有新刺激与认知的主体原有的认知结构之间发生矛盾或冲突，才能引 起

3、主体容纳新的刺激。按他的发生认识论，借助实验中与学生原有的认识结构相矛盾的化学现彖， 使学生产生强烈的认知冲突和探索欲望，则有利于引起学生的认知结构重新组织和发展。自然科学方法论：自然科学的研究过程是以自然现象、科学实验为基础，用科学方法而展开的 过程。w：发现或明确要解决的问题一一收集解决问题的有关信息提出假说验证假说 发现问题的规律性。因此，按自然科学的研究过程设计探索性实验教学、发现新知识的意识，以及 解决问题的能力。现代理科教学观的一个重要的特征是从强调知识内容向获取知识的科学过程的转变，从强调单 纯积累知识向探求知识的转变。换言z,以往的理科教学注重教什么，教多少，而现代理科教学则

4、十分注重怎样教，如何学。重视科学过程构成了现代理科教学的原则。实验是理科学习中获取信息 的主要渠道，实验冃的不仅仅是验证规律，培训实验技能，而要使学生通过实验在科学的学习和 研究方法上获取感性休会，学牛实验从课堂教学的辅助手段转变为贯穿在整个教v过程屮创造情景、 探索知识的重要手段，而通过探索让学生在理科学习中经历比较完整和丰富的科学过程，以培养学 生科学的探索能力和态度。三、中学化学探索性实验研究过程和方法1. 对探索性实验教学的认识探索性实验來白“探索性学习”，是在20世纪50年代美国掀起的教育现代化运动屮，由施瓦布 （schwab）倡导提出來。我们对探索性实验的定义是：由教师给出实验课题

5、，提供实验器材，提出实验要求，让学生自 己拟定实验方案，制订实验步骤，独立地通过实验的观测和分析去探索研究，从而发现“新”的化 学现象，并通过解释实验现象，总结出他们原來并不知道的规律性认识的实验。2. 探索性实验教学的模式捉出问题（教师或学牛:）捉出假说（教师或学牛）收集资料设讣实验（学生）论证假设进行实验（学生）> 作出判断得岀结论（学生）3、实验研究阶段划分3. 1第一阶段：准备、确定探索问题提出一个问题往往比解决一个问题更重要，这是因为解决一个问题也许仅是一个教学上的或实 验上的技能而己，而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想 像力。3. 2第二阶

6、段：精心设计、探索实验探索性实验设计是教师对所提出的问题在课堂结构上进行的总体规划过程，或者是学牛根据h 己所学的化学知识和技能，独立的或在教师的启发指导下，灵活并创造性的对所提出的问题制定解 决方案。它是进行实验探索的关键一步，决定着探索的问题能否顺利解决。4. 中学阶段的探索性实验教学的一般方法和实验内容采用参照比较实验设计，选取无差异的实验班一个和对照普通班三个，普通班按教材要求，用 传统的方法进行化学实验教学。实验班挖掘教材内容设计为探索性实验，把部分验证性实验改为探 索性实验，并开设第二课堂，开放实验室。4. 1挖掘实验内容改为探索性实验在现行教材当小，据统计，在高中化学106个演示

7、实验中，先有结论后演示验证的有55个之 多，占了近51.9%的比例。如何能够利用教材的现有实验，深挖其内容，寻求将其转变为探索性实 验的合理途径，在实验中我们做了一些探索。例如：高一教材(卤素)中在冇关hc1o的漂白性的教学 中，就可以将此验证性实验改为探索性实验进行教学。(1) 提出问题：通入c12,能够使湿润的蓝色石蕊试纸先变红后褪色，说明了什么？(2) 提出假说©hc1o能够使试纸先变红示褪色，说明了 hc1o具有酸性和漂白性。%1 hc1o能够使蓝色的石蕊试变红，c12能使其褪色。(3) 设计实验：%1 将cl通入放有干燥的红色石蕊试纸的集气瓶中。%1 将cl通入放有湿润的蓝

8、色石蕊试纸的集气瓶屮。(4) 验证假说(5) 提出结论:hc1o具有漂白性。又如高一硫一章：铜与浓硫酸反应实验，教学时一般描述的现象为：溶液变为蓝色，有刺激性 气味的气体产生。果真如此吗？我们要求学生独立进行实验探索，发现有如下现象：加热初期， cu片表面逐渐变黑；继续加热，有大量刺激性气味产生，形成墨绿色浊液，试管底部灰白色沉淀; 再加热，管屮出现白雾，浊液澄清，灰片色沉淀，cu片消失；冷却、静置，将试管屮液体倒入 另一支盛水试竹中，管壁发烫，溶液略带蓝色，将灰白色固体倒入水中，形成蓝色溶液。然后鼓励 学生通过查阅资料，最后一起讨论解释现象。主反应：cu + 2h.s01 = cusoi +

9、 sou + 2h20(产生刺激性气体so2和灰白色固体cus04)副反应：5cu + 4h2so1 =3cuso4 + cu2s + 4h20 (cu片表面变黑,灰口色固体cuso?增加)cu2s + 2h2so4 = cus + cuso, + so2 t + 2h20 (墨绿色浊液变清,由于温度升高水 蒸气形成口雾)cus + 2h2s0i = s + cuso., + so2 t + 2h.0s + 2h2so4 = 3s02 t + 2出0上述探究使学生扩展了知识，训练了创新能力，同时初步了解科学实验的现彖往往是复朵的、 多因素的。这种学习方法，学生是在主动探求屮发现创造新知识的，体

10、现了学生的主体作用。4. 2 设置探索性实验如在学习s02还原性吋，提出问题：s02有还原性吗？假设s02有还原性。学生口学教材收集资料, 设计论证过程：1) so?能被催化氧化，教师指岀这是s02在催化剂存在条件下所发主的氧化还原反应。2）提问：能否用我们已有的知识通过实验来证明它的还原性呢? 学生根据教师提供的实验用詁设计了：将s0?分别通入：clbr2水酸性kmno4现彖分析解释学生h己动手实验，分析s02在反应硫元素价态的变化，得出结论：s0?有还原性，假设成立。此后 再引导学牛认知h2sos. na,so：5的还原性，提示学生注意反应物间量的关系，并提供有效的应用场所使知识加以巩固。

11、由此训练学牛创造思维的新颖性和批判性，使序牛由知识单一型转变为知识综合 型。4. 3 注重实验的改革、设计创新教材中有些实验设计及操作方法虽然都是经过反复验证了的，但实际操作屮仍存在着这样或那 样的不足，为体现科学方法是需要创新而且是可以创新的，教师应鼓励学生对其不足之处加以改进, 这样既符合学生的认知发展特点，又能促进学生对化学理论、化学知识的理解和掌握，并通过对学生有步骤、有针对性的训练，提高学生的实验设计能力。极易与空气中的氧气化 象上直观地得出稀硝酸 验装置（如右图）就可以 型管，将管内空气排除， 酸排入右端的漏斗屮，避 将no气体的制备与性质 不溶于水的no气体和蓝 示no与氧气反应

12、生成红例如：铜和稀硝酸反应实验中，由于一氧化氮 合而牛成红棕色的二氧化氮气体，学牛难以从实验现 与铜反应生成无色的no气体的性质，通过改进的实 克服上述缺点。打开分液漏斗活塞，川稀硝酸装满u 然示关闭活塞进行反生成的一氧化氮气体将稀硝 免了生成的no气体与空气中氧气接触的可能，而且 熔为一体，既可以清楚地看到实验的主耍产物：无色 色的硝酸铜溶液。当打开分液漏斗的活塞时，又可演棕色no?气体，避免了 n02气体对空气形成污染，月该装置能重复使用。4. 4 指导学生设计探索性实验方案学生设计探索性实验方案，要求学生不仅要有实验操作的直观体验，而且要有深入的全而的思考。例如：某光卤石（kc1 - m

13、gcl2 - 6h20）样品中含有不与naoh溶液、盐酸反应的杂质，请设计实 验测定样品屮kc1mgcl26h20的质量分数。要求根据所提供的实验试剂，选择精确度较高的实验 测定方案。可选择的实验试剂有：a mol/l naoh 溶液，b mol/l na2c03溶液,c mol/l hc1 溶液,d mol/l agno3溶液,酚酥试液, 紫色石蕊试液。这是一个开放性的实验题，学生可设计出多种实验方案。但教师应引导学生思考：（1）根据题冃的要求应采用什么方法來测定？（滴定法）。（2）nj'选用什么溶液滴定？哪种和确度最高？（hc1溶液滴定过量的naoh溶液）。（3）用何种指示剂？（酚

14、駄）（4）具体操作时应注意什么问题？（沉淀必须过滤洗涤，正确判断滴定终点，正确读数）。又如在学习电解质的知识内容后，让学生思考：如何通过实验来证明醋酸是一种弱电解质，有 哪些不同的方法，哪一种方法授好，让学生自行设计并完成实验。设计实验方案时教师给学生思考时间，给学生发问时间，给学生批判时间，学生设计出各种方 案后，让学牛互相比较，并根据实验方案进行演示操作。最后教师还要做好实验后的总结，使学生 的理论知识得到巩固，逐步使学住掌握设计实验的要领和规律，提高设计实验的能力。4. 5开展第二课堂、进行社会调查和实践高中化学总学时约300课时，而大纲规定的学生实验只占约25课时，偏少。我们根据已学过

15、知 识，与学生一起设计一些实验，如：学完卤素一章以示，可以用碘洒法或喷洒硝酸银方法检验指纹进行破案。另外我们帮助学生制订一些课题，如:%1 关于含碘食盐的li常保存的研究。%1 部分废品的回收利卅的研究。%1 牛活中的化学居宗污染的研究。%1 废电池的危害和处理方法的研究。学生带着课题调查，然后查阅资料写成小论文和课题小报告。学生在活动过程中既学到了知识, 乂拓宽了思路，同时培养了学牛的能力。四、研究成果1、中学化学探索性实验的设计指导思想探索性实验的目的在于使学生获得化学实验研究方法的训练，让学生接触探索、发明、发现的 过程和方法，培养他们的发现、探究能力。而要达到这种目的，首先要求教师树立

16、正确的设计指导 思想。那么，探索性实验的设计应该具备什么样的指导思想呢？瑞士心理学家皮亚杰的发生认识论 理论可以给我们以很好的启示。按照他的平衡学说，冲突是认知结构重新纟r织和随示发展的基础。探索性化学实验作为学生的一-种积极主动的认识建构手段，要达到这种目的，就要使学生在进 行探索性实验时发生认知冲突。这耍求探索性实验设计首先要足够“新颖”。止是这种“新颖”的刺 激，才会激发学生对探索的兴趣，才能引起学生探索的欲望，才使得它与主体原冇的“定势”相矛 盾、相对立，才能产主认识上的不协调和冲突。比如，我们设计的“铜和稀硝酸的反应”这比高屮 教材上的实验“新颖”。那么，设计的“新颖”要达到什么程度

17、呢？这涉及一个“度”的问题，太弱的刺激由于不能引 起认知上的不平衡。相反，如果外部刺激超过主体认知结构同化的范围，那么主体的反应无法进行。 这正如皮亚杰所说的那样：“一个人既不注意太熟悉的东西，因为已经司空见惯了，他也不注意太不 熟悉的东西，因为和他图式中的任何东西都没有联系。”为了引起学生认知上的冲突，引起最佳或最大限度的不平衡，探索性实验的设计还要遵循“适 度”原则。“适度”是指设计既要与学生已冇的知识经验冇一定联系，同时又要冇一定的难度。这样 的设计如同树上的果子一样，学生必须“跳-跳”才能摘下来，这样就最人限度地激发了学生的求 知欲和好奇心。当他们依靠已有的知识解决了一个新问题时，往往

18、会在紧张的智力劳动之后带來梢 神上的满足。这种求知欲满足后，又会产生新的刺激，激励他们进一步去探索新的课题，从而转化 为学习上的一种内驱力。概括以上两个方面可知，探索性实验的设计指导思想应该是“新颖、适度”。2、中学化学探索性实验的设计原则根据上面所提出的探索性化学实验的设计思想，结合我们实验研究屮的体会与经验，我们认为 有必要进一步制订探索性实验的设计原则。这是因为，设计指导思想的确立能使我们从总体上把握 设计的方向，而设计原则的制订则会对设计的指导更臻于具体，并对探索性实验的设计选题、设计 思路等方而给了理论指导，从而指导我们设计出符合学牛认知水平发展的实验来。2.1探索性设计原则探索性设

19、计原则是指：所设计的实验包含的化学规律往往隐藏在较深的层次，需要学生去挖掘; 实验的条件和结果之间往往存在着较大的距离，需要学牛去跨越；解决问题的方法与途径往往不太 明确，需要学生通过尝试错误，提出假设并验证假设来寻找。提岀这一原则基于以下原因：探索性实验作为一种发现学习活动，首先需要学生进行深入仔细 的观察，并对外界输入信息和刺激进行过滤，唤起并指引注意作出有选择的记忆检索，并结合输入 信息进行评价，从而提出假设，进行试误性尝试，以便检验假设。这样，学生在解决问题的过程中, 不仅能学会并形成一定的认知策略和技巧，同时也激发了他们的智慧潜力，并冇助于形成内在的学 习动机。因此 探索性实验的性质

20、本身要求我们的设计要在条件与目的之间设置“障碍”，学牛在越 障的过程中，实际上是通过思维的中介在条件与fl的z间架起一座认知“桥梁”。这种越障过程既包 括发散性思维，同时又包括辐合思维。发散性思维不直接加工信息，它主要捉供解决问题的方向与 方法,它属于执行控制过程,它属于影响问题求解过程的认知策略范畴。待问题求解的方向与方法 确定后，乂需要辐合思维进行逻辑推理，按已确定的方向深入下去直至解决问题，从而在这一探究 的过程中培养学生的创造性思维。从探索性实验的教冇目的来看，由于探索性实验是建构学生良好认知结构的手段与方式，其信 息刺激是一种新颖、适宜的刺激，因而，决定了实验设计一定要具有探索性。探

21、索性的意义在于它 给出的新颖、适宜的刺激能在学牛的头脑屮引起认知冲突和危机，从而促使学牛积极、主动地建构 他们的认知结构。特别需要指岀的是，学生的探究行为作为一种动作或活动，它不同于演示实验屮 学生的观察，也不同于学生分组实验中的操作。上述观察和操作虽都包含物质动作和精神动作，但 是精神动作的参与少，同时缺少两者的转化。这种情况正是造成目前实验教学不受欢迎的一个重要 原因。而学牛的探究行为则表现为物质动作与精神动作自始至终的交织与转化。这种交织与转化的 前提来口由于探索而引起的认知冲突。这样，学生在探索性实验中进行的抽彖思维就不只是来口感 觉因素的联结，而是来自感知与行动的相互协调。这事实上就

22、冋答了我们经常为之困惑的一个问题: 为什么说化学理论的思维训练与运用实验的思维训练其效果大相径庭？进一步，我们也朝着解决探 索性实验教育功能的方向迈出一大步，这就是探索性实验探索性的价值z所在，也正是我们制订这 一原则的理由与根据。2.2趣味性设计原则趣味性设计原则是指：探索性实验的设计要充分考虑学生的心理特点和认知水平，实验设计要 求生动、冇趣，能使学生在进行实验探索时，自始至终保持很高的兴趣。在探索性实验设计中强调 趣味性原则是因为，探索性实验作为一种学习活动，不能依靠教师的督促使学生完成，而要通过设 计良好的实验本身來激发学生的兴趣，使学生从好奇出发，进而发生兴趣，只有这样，才能使学生

23、自觉白愿地参与实验探究活动。探索性实验作为学牛探究行为的日标或诱因，它还具有诱发和激励 主体的有目标指向行为的作用和功能。牛:动有趣的实验木身会使学生产生暂吋性的兴趣，而解决问 题的探究以及成功地解决问题，乂会使学生的暂时性兴趣转化为持久兴趣。兴趣作为主体的一种内 张力，它刺激主体并引起反应（活动和动作），反应的结果则导致主体需要的满足。当需要（探索的愿 望）和内驱力（兴趣）指向某种特定的目标（探索性实验）时，主体便获得了动机。2. 3理论联系实际设计原则理论联系实际设计原则是：探索性化学实验的设计不仅有观察、计算的过程，而且需要建立化 学模型，对实验的现象和结果用根据化学模型得出的表达式进行

24、解释，从而培养学住运用理论解决 实际问题的能力。在设计中提出这一原则的理由是：多年来我们对化学实验的教学功能缺乏深入的 研究，存在着一种普遍的观点，认为实验是附局于理论、服务于理论的手段。实验的1=1的和作用通 常被归纳为正确观察、分析、实验现象和结论，根据实验结论验证化学性质。其实，化学实验不仅 仅是用作训练技能，验证性质，而且它也是探索化学现象和规律的手段之一，它与化了理论相伴而 行，密不可分。2.4简易性设计原则简易性设计原则是指：实验的设计要尽可能采用较少的仪器，所使用的仪器要尽可能简单，设 计的选题要尽可能与口常生活实际和联系，实验的原理要尽可能在中学化学范围之内。提出这个原 则的理

25、由基于以下几点。首先，探索性实验作为实验教学的一种形式，它由教师给出实验课题、提 供实验器材、提出实验要求，让学生自己设计实验方案，并选取li常生活屮的一些物品作实验器材, h制一些简单的仪器或零件。就地取材，用简单的器材做实验的方法还富于教育意义。因为这样做 能使学生感到物理就在自己身边，研究化学并不神秘，从而调动学生的学习积极性、主动性，培养 创造精神。采川简单的器材还容易突出实验的化学原理，而不为那复杂的结构所干扰，因而能获得 更好的效果。事实上，实验的效果往往与仪器的复杂程度成反比。麦克斯韦在评价简单仪器时曾说 过：“这些实验的教育价值，往往仪器的复朵性成反比，学生用口制的仪器虽然经常

26、出毛病，但他 却会比用仔细调整好的仪器学到更多的东西。仔细调整的仪器学生易于依赖，而不敢拆成零件。”这 很好地说明了简单仪器特有的教育价值。比如，我们设计的“原电池，利用桔子，音乐贺卡、导线 等常用物詁”。这个实验山于器材简单、情境活泼，很容易激发学纶的兴趣，并且易于突出其概念本 质，又富于探索性。这样的实验设计较好地体现了探索性实验的特点。2.5科学性设计原则科学性设计原则是指：在探索性化学实验的设计中，首先，必须保证实验的设计不出现科学性 错课，这是最根本的要求。具次，实验设计要具有科学思想和科学方法的教育因索。为什么要提出 这个原则呢？这是因为，我们对学生进行科学教冇的基木要求就是要向学生传授科学知识，同时化 学知识木身的科学性也要求我们在实验中尊璽科学事实。提出这个原则的期一层含义在于，由于一 个较好的探索性实验设计木身就是一项小型科研，在选题及设计过程中对于设计者也是一种探究活 动，其结果很难在设计之始加以预测。因此，如果在设计中没有科学的态度和方法，或者没有认真 处理实验现彖，往往稍有疏忽就会出现科学性错误。比如“