高中化学定量实验教学的实践和反思

PAGEPAGE6高中化学定量实验的教学实践和反思一、课题的提出长期以来在中学化学教学中，实验一直处于形高实低的地位，一方面教师一直在强调实验的重要性，另一方面，由于课时和教学内容的挤占，实验教学常常被牺牲，教师将实验步骤、实验现象等内容告诉学生，学生则采取死记硬背的方法来应对。这样一来，看似挤出了时间，实则放弃了实验教学对学生化学思维能力的培养，学生学会的书本知识始终处于“死”的状态。曾有同学提出这样的问题：“为什么用氢氧化钠滴定硫酸不能代公式C1V1=C2V2进行计算，我们以前用氢氧化钠滴定盐酸都是代这个公式的。”学生把根据方程式得到的比例关系式称为“公式”真让人深有感触：学生只记住了实验原理中最表面的部分而将最重要的部分忽略了！分析原因，其一，教师没有找到定量实验和学生已有知识点的内在联系或是在课中没有帮助学生完成新旧知识的联系；其二，第一课时教师主体的教学方式与第二课时学生主体的实验方式明显脱节，很难着重展示其中的化学实验设计思维，许多有助于学生形成策略性知识的机会被白白浪费。随着课程改革的不断深化，一线教师对于化学实验教学的认识也在不断深化，大量的好的实验教学方式不断涌现，较多侧重于对于学生实验观察能力的培养，以及验证性实验的改进创新上。而在高中化学教学中，化学定量实验内容占据一定比重，其教学功能不仅仅在于能够培养学生的观察能力，还能够深化学生对事物变化中的量的关系的认识，理解化学变化的本质。鉴于目前教学中对于定量实验教学的探索相对较少，可供参考的经验也不多，我们选择了这个研究课题。二、课题研究的内容与目标（一）课题研究内容1、对定量实验教学的阐述定量实验是利用专用仪器和化学反应计量关系来认识客观世界的一种化学方法，是以定性实验为基础的研究。定量实验的教学应包括对实验设计的教学及误差分析等内容。定量实验的核心是“定量”，因而实验的设计应围绕“定什么量？”、“如何定量？”、“如何精确定量？”展开，实验设计的教学中应引导学生实现下列三个原理的整合：①实验原理：定量实验中采用的化学原理（包括反应原理、定义式）和化学计量关系。②操作原理：为准确实现实验原理采用的操作步骤和专用仪器使用要求配套的操作步骤。③仪器原理：定量实验中专用仪器的设计原理和使用方法。2、研究载体：课程载体：1、硫酸铜晶体中结晶水含量的测定2、物质的量浓度溶液的配制3、气体摩尔体积的测定4、酸碱中和滴定以上实验在新教材中都有所要求，均为高中化学阶段定量实验，且难度相对适宜，同时涉及了定量实验的基本方法：重量法，量气法，滴定法等，具有一定代表性。研究对象：根据二期课改课程标准的要求，在高一高二的基础型课程部分，化学实验的教学应当达到以下目标：“通过化学实验活动，使学生了解和体验科学研究的一般过程，学习必要的实验技能以及分析、综合、归纳和比较等科学思维方法，在增强实验能力的同时，培养科学精神、科学态度和创新能力”。据此，我们认为化学基础型课程中的定量实验教学应侧重于通过设计简单定量实验方案，给学生搭建运用化学知识和技能进行分析、综合、归纳、比较等科学思维方法的平台，帮助学生在整合上述三原理的相互关系过程中，形成设计简单定量实验方案的一般思维框架。由于本课题研究时间为一年，故选择教材中的重点实验，以高一、高二学生为研究对象，课题研究重点确立为在定量实验设计的教学中，促使学生形成设计简单定量实验方案的一般思维框架。（二）研究目标：基于以上对高中化学定量实验的思考，将课题研究具体目标设定为：（1）积累设计简单定量实验的课堂教学实例。（2）摸索设计简单定量实验的课堂教学设计模式。三、课题研究的过程1、研究策略本课题主要采用行动研究和经验总结相结合的研究方法。通过教师对定量实验教学的实践，收集一定实例，通过思考与讨论，对于教学设计进行改变和比较，尝试摸索定量实验教学的规律。2、研究方案第一阶段：选择上海二期课改新教材中的四个定量实验内容研究的课程载体。通过查阅相关资料，开展对教学内容的深入分析，进行理论和方法上的思考。第二阶段：研究小组通过共同分析教材，集体备课，对四个实验进行了两轮教学实践。第一轮教学实践以2005级学生为对象，课题组采取共同备课、听课、修改的方式着重对以上四个实验的第一课时（实验预备课）进行课堂教学。每个课题各选取一节课当堂录像，并完成课堂实录。通过对1）从教师课堂及时效果进行分析；2）学生课后问卷调查；3）第二课时学生实验课堂效果；4）相关习题的准确率的分析，对照教学实录，进行教学设计进行反思和总结。再以2006级学生进行第二轮实践，将得到的经验应用到新的教学设计中，进行效果的比较和验证。第三阶段：对收集的实例进行整理，对实践过程中的理论认识进行思考，摸索规律，形成本课题的观点。四、课题研究的结果与分析（一）适应定量实验教学内容的不同教学设计高中化学定量实验教学设计是将实验原理、操作原理和仪器原理进行整合，使学生形成实验过程和思维。在教学中帮助学生寻找到需要测定什么量，在将目标量转化为可测量的过程中，形成实验原理，围绕实验原理选择甚至设计出测定这些量的操作和仪器，而操作原理和仪器原理通过相互修正来共同实现实验原理。高中定量实验教学可分为定量验证和定量分析，在不同的实验中思维上有所不同，设计也有所差异。第一、定量验证：如一定物质的量浓度溶液的配制和气体摩尔体积的测定，这类实验可深化对概念的理解。其实验原理即是已有的概念和相关的定义式，因此需要测定的目标量是十分明确的。要解决的是如何通过实验完成对目标量的确定，如果目标量无法直接测定的话，需要利用化学反应，依据化学计量关系将目标量转化为可测定的量。我们课题组得出的一般模式如下：定义式定义式可操作性？寻找合适化学反应配套仪器实验步骤能否精确定量完成设计设计专用仪器以《一定物质的量浓度溶液的配制》教学为例，简单流程如下：以复习质量分以待测量为依据以量筒为量器从精度要求切入引数引入教学确定仪器和步骤修改操作步骤出容量瓶完成设计以复习质量分数引入教学，从浓度的定义引出实验原理：确定“溶液体积”和“溶质物质的量”。由于这两个量可转换成溶质质量和溶液体积，是有现成仪器可测量的，学生得出了使用天平和烧杯。根据仪器原理，学生就设计出计算、称量、溶解和定容的操作步骤。此时由实验原理得到的配套仪器（学生已有知识范围内）和主要操作步骤已经成型。教师接着提问：“烧杯定容准确吗？”转入能否精确定量的讨论，引出实验原理对仪器的更精确要求。学生想到了用量筒替代，由于使用了量筒，实验步骤必须添加转移和洗涤，以确保溶质的量不变，这一环节体现了仪器原理对操作原理的修正过程。教师在分析了量筒的缺点后，学生提出修正意见：要密封容器，要更细一点，要有一定容积；于是，容量瓶被学生设计出来。通过专用实验仪器的设计，对操作原理提出了进一定的改良和修正，同时实验仪器又满足了操作原理的需求。这样在操作原理和仪器原理的共同作用下，实现了实验原理，完成了实验设计。第二、定量分析：如硫酸铜晶体中结晶水含量的测定和酸碱中和滴定等。这类实验中实验原理的设计需要先找到合适的相关反应并确定计量关系，然后围绕实现实验原理、测准实测量展开关于操作原理和仪器原理的讨论，完成实验设计。课题组得出的一般模式如下：待测目标量待测目标量实验实测量配套仪器操作能否准确测定实测量完成设计设计专用仪器转化（化学反应确定计量关系）实验步骤确定修正仪器原因步骤原因例如：《硫酸铜晶体中结晶水含量的测定》教学简单流程如下：寻找合适反应设计基本步骤就测定结果是否修改实验步骤确立计量关系确定配套仪器准确进行讨论完成实验设计流程第一模块中从定性实验“如何证明晶体中有结晶水？”引入，通过“如何测定有多少结晶水？”“要测定什么量？”实现从定性到定量的转化，学生利用相关化学反应，建立起待测目标量与实验实测量的计量关系，完成对实验原理的讨论。第二模块中，在实验原理的指导下，学生很快完成了基本步骤的设计（即称量、加热、称量）和配套仪器的选择（即酒精灯、坩埚及配套仪器）。教师接着提问：“要结果准确操作中的关键是什么？”进入流程第三模块，以是否能准确测定实测量为切入，对实验操作步骤和仪器使用展开进一步讨论。由于本实验对实验仪器的要求不高，而对称量及加热操作和判断实验终点有较高要求，因此在这个流程中，教师通过“你准备怎样称量？”“怎样确保完全分解？”“如何判断完全分解？”的提问，帮助学生进一步将实验操作具体化，从而寻找到步骤中的漏洞和仪器的需求。讨论后，学生相继提出了“用坩埚代替称量纸”、“要进行研磨”、“冷却不能在空气中”、“重复加热至质量不变”，“加热程度即需要充分又需要适宜”的问题，依据这些思考，学生得到了研磨、冷却、恒重操作这些重要的操作原理。明确了使用坩埚直接称量，使用干燥器冷却这些实验仪器使用中的原理。通过修改和完善，形成了实验设计。这样的教学过程，为学生提供了解决问题的真实情景，使学生始终处于解决问题的思维模式中，让学生在完成实验设计的同时，建构起化学的学科思维。（二）简单定量实验设计对促进学生实验态度改变的作用。在实验设计课时，按照形成计量关系的实验原理，围绕实验原理展开对操作原理和仪器原理的讨论，学生不再是单一的记录教师对实验步骤的阐述，而是与教师针对定量问题，开展有思维的讨论，学生形成定量实验的思维成为了教学主线。这样的课堂开放度增大了，从“以教师出发”转变为“从学生出发”，从“教师示范”转变为“教师引导”，课堂教学的内涵被扩展了，真正实现了师生互动。在观察学生的设计实验和操作实验中，不乏自发的出现对准确定量的实验目的进行思考和讨论。例如：在物质的量浓度溶液配制的教学课上，在尝试的过程中，学生已经发现不能使用称量纸称取NaOH固体，而自主换成了烧杯。“我发现纸上有残留，那就不能准确定量了”这样的答案的出现，不能不说是学生对定量的一种真正认识的体现。通过实验预备课，学生是利用化学思维形成了实验步骤，在实验操作课中就能自主按照实验步骤完成实验，在实验报告中“凑答案”的现象也减少了，部分同学还在实验过程中表现出较严谨的态度。原先问起学生对定量实验的感觉，同学们都说：“为什么要那么烦!”现在大多数同学的反应是：“烦是烦，不过都不能省，否则就不准了。”课题组教师曾就《硫酸铜晶体中结晶水含量的测定》新、旧授课方式学生实验课做了比较：在传统授课后的实验中，学生边查阅实验手册边做实验。有2/3左右的小组提出要称量纸称量；超过1/3小组没有研磨直接称量，其中有些小组在发现漏了研磨后将已称量好的晶体放入研钵中研完后再到入坩埚中直接加热；在加热过程中，很多同学无视玻棒上沾有的大量晶体，随意的将玻棒放在石棉网上；实验报告中大多数同学的答案为5。而在探究式授课后，学生普遍表现对实验步骤比较熟悉，不需查阅实验手册即可进行实验操作。三个班级只有一组同学提出要称量纸；所有小组都没有忘记研磨的步骤，并且很多同学研得非常细，同学间的对话很多是“再细点，否则加热不行的。”很多同学在加热过程中玻棒的活动范围没有离开过坩埚，更有同学当场就提问：“老师，玻棒上沾的晶体怎么办？有误差的。”实验报告中只有一组同学的答案为5。很明显，学生对待实验的态度从“要我做”变成了“我要做”，学生实验课的过程是学生们检验自己实验设计的过程，更是要精益求精了。教学效果（特别是学生的长期记忆）有所提高，教师原先特别头疼的问题是学生的遗忘率高，尤其在定量实验的细节上，每做一次练习都需要重复一遍，现在这些问题有了改善，个别好同学还能保持较高的正确率。五、不足与思考1、定量实验学生操作实践与理论脱节二期课改对实验的提出更高的要求，定量实验的比重和要求也不断提高，突显出配套实验仪器的精确性对学生实验的感知的重要性。虽然教师能够引导学生形成对定量实验思维，并对误差的存在进行分析，引导学生关注方法而不是结论。但是学生在体验实验后，绝大多数是以自己的定量是否精确来认知方法的可行性。实验仪器的不配套造成学生难以形成认知，如：缺少分析天平，量气装置，