发展“科学探究与创新意识”素养的高中化学教学实践

摘

要：文章以“甲烷和氯气反应”教学为例，通过创设真实实验情境，引领学生提出假设、设计实验、初步验证、分析并解释实验现象，针对实验出现的问题，交流讨论并提出改进意见，最终结合对反应机理的理解，设计最优方案并验证。在高中化学教学过程中引领学生体悟“预测—设计—分析—评价—改进”的科学探究过程，有助于促进学生“科学探究与创新意识”素养的提高，以供相关教育工作者参考。关键词：科学探究；创新意识；甲烷与氯气一、问题的提出（一）基于發展核心素养的需要“科学探究与创新意识”作为五大学科核心素养之一，指的是“认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动；能发现和提出有探究价值的问题；能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究；勤于实践，善于合作，敢于质疑，勇于创新”。就是说，学生要在探究中学会合作，面对“异常”现象敢于独立思考并提出自己的见解。北京师范大学王磊教授认为，化学学科五大核心素养中，科学探究与创新意识最重要，是其他素养的核心。实验探究的主题是重点培养学生的实验探究能力，重点发展的化学学科核心素养是科学探究与创新意识，证据推理和模型认知，同时可以提升学生的科学态度和社会责任。在实验探究活动中，宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想也将有发展。（二）化学实验教学的现状目前高中化学实验课主要以教师讲授理论知识或实验解题训练为主，实验仅作为辅助教学手段，对学生的实验教学普遍缺乏重视。受课时的限制，在课本必做的实验中，教师也去繁从简将很多探究实验改为演示实验，使学生失去了自主探究学习的机会和乐趣。同时，由于部分教师教学理念滞后、教学效率低下，无法通过实验教学激发学生的创造性思维，实验的教学功能被淡化甚至被忽略。（三）教材实验存在的问题甲烷与氯气的反应是学生学习有机化学的第一个实验，该实验对理解甲烷的性质及甲烷与氯气的取代反应有重要意义，也能为学生深入学习有机反应机理打下基础。课本实验方案存在反应速率慢、现象不明显、成功率低的特点，且容易造成氯气泄露对环境和人体都有害，教学过程中教师基本不做这个实验，通常是用实验视频或动画替代。二、“甲烷与氯气反应”教学实践（一）课标要求分析《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对本节内容的要求是：以甲烷、乙烯、乙炔、苯为例认识碳原子的成键特点，知道氧化、加成、取代、聚合等有机反应类型。通过模型拼插等活动引导学生认识有机化合物中碳原子的成键特点、价键类型及简单分子的空间结构。提倡采用观察实验现象、联系生产生活实际、归纳总结等策略对有机化合物的结构、性质及应用进行教学。（二）教材内容分析甲烷作为最简单的有机化合物，甲烷和氯气的反应都是作为取代反应概念的载体，通过对比“甲烷与氯气的反应”在现行三套教材中的内容安排可知，三套教材在内容安排上基本一致，都是通过呈现甲烷和氯气的四步反应方程式，分析化学键的变化情况，归纳取代反应的定义。通过对比“甲烷与氯气的反应”在三套教材中的实验设计，现行三套教材对甲烷和氯气反应实验的呈现方式各有不同。人教版和苏教版的甲烷与氯气反应的实验装置基本相同，实验内容主要区别体现在以下三点：第一，原料气的比例：苏教版中甲烷和氯气体积比为1∶4，人教版的甲烷和氯气体积比为1∶1。第二，光源问题：苏教版用“灯光”照射，人教版“放在光亮处”（不要放在日光直射的地方）。第三，苏教版是单一实验，新、旧人教版是对比实验（是否光照）。鲁科版则删除了取代反应的实验，直接以实验事实的形式呈现。（三）教材实验设计存在的问题通过分析2019人教版教材64页甲烷与氯气反应装置及内容，实验过程中未明确光源类型、照射时间等实验条件，通过大量实验探索发现实验结果差异较大。同时存在以下缺陷：气体易逸出，实验装置不够环保，在正常光亮条件下实验8～10分钟后反应现象仍不明显，反应速度慢，在有限的课堂时间内完成不实际。基于课标和教材的要求，教师可以尝试在教学过程中通过真实的实验情境引导学生思考并改进实验。（四）教材实验改进及教学实施思路发展“科学探究与创新意识”素养的教学实践中，需要注重引领学生进行相应的学习活动，并将核心素养各要素落实到各活动环节中，具体教学思路如表1所示。三、“甲烷与氯气反应”实验改进及效果（一）气体比例查阅大学教材可知：CH4与Cl2的反应是游离基取代反应，在光照条件下Cl2分子中Cl-Cl键均裂成为游离基，与CH4分子发生有效碰撞时，从CH4分子中夺取H原子引发取代反应。在其他条件一定时，反应速率很大程度上受Cl2体积分数大小的影响。新、旧人教版教材中甲烷与氯气体积比为1∶1，新苏教版气体比例为1∶4。查阅文献可知，刘英杰通过大量的实验发现CH4与Cl2体积比可控制在1∶4～1∶1之间，也有研究者认为体积比1∶3实验效果也很好。教师通过控制变量实验将甲烷和氯气气体体积比分别确定为：1∶1、1∶2、1∶3和1∶4，本实验条件下通过对比得出CH4与Cl2气体体积比为1∶3效果最好。（二）光源选择甲烷和氯气的反应属于光化反应，光化学反应依赖于光活化，而光活化程度与光的强度成正比，所以反应可以在室温下、在足够强的光源下进行。在光源的选择上，教师也做了以下探讨：第一，普通日光：实验时间长，受气候影响较大。第二，白炽灯：反应速度较慢，现象不明显。第三，镁条燃烧：燃烧速度快且白光很刺眼，持续反应需要不断点燃镁条。第四，紫外光灯：对人体造成伤害，不环保。第五，高压汞灯：环保且效率高。在CH4与Cl2气体体积比为1∶3时，通过用不同的光源照射进行对比实验，实验结果表明：在本实验条件下，用高压汞灯照射的实验效果最好，故最终选取的光源是自镇流125W荧光高压汞灯。此外，教师也尝试在针剂瓶中利用注射器混合两种气体，利用压强使甲烷和氯气充分反应，现象也较明显，但反应条件不是光照，在方程式书写时易误导学生，故最终没有采用该方法进行实验。（三）实验改进方案通过学生的小组讨论，教师结合反应机理及反应历程，引导学生自评并互评实验方案，最终得出本实验的最佳改进方案：用排饱和食盐水法收集约1/4试管的CH4和3/4试管的Cl2，将试管固定在铁架上，用高压汞灯照射2～3分钟。可明显观察到试管内气体颜色变淡，形成白色雾，试管壁上形成油类液滴，说明该反应能够进行。该实验方案反应速度快，实验用时短（2～3分钟），现象明显，成功率高。四、“甲烷与氯气反应”教学反思甲烷是最简单的有机化合物，也是学生第一个认识的有机化合物。物质的结构决定性质是化学的基本逻辑之一，与认识无机物类似，认识有机物也要遵循并体现“结构决定性质”的观念。学生在化学必修第一册已经学习化学键的知识，知道碳原子的成键特点。本节内容前两课时也已掌握用球棍模型拼插甲烷的空间结构，本节课的教学目标是通过对甲烷和氯气取代反应的实验探究和反应机理的微观探析，进一步夯实学生“结构决定性质”的学科观念。同时在实验探究中通过预测甲烷和氯气反应的实验现象，诊断和评价学生已有的“结构决定性质”认知水平；通过拼插甲烷与氯气球棍模型并模拟反应历程，诊断和评价学生对化学反应本质是“旧键断裂和新键形成”的认知水平；通过实验探究过程中生成性的问题，激发学生对实验事实进行交流、讨论、质疑，进而研讨改进优化方案，最终突破认知障碍，构建对有机化学反应机理的新认知。科学探究的一般过程从发现问题、提出问题开始，再根据已有知识对问题的答案提出假设，进而设计探究方案进行验证，得到结果。但并不是所有的问题都能一次探究就得到正确的结论，有时候由于探究方案的不完善或操作的不恰当也会得到错误的结果。因此在得出结论后还要对整个实验探究的过程进行反思，多角度地重新提出新的假设再进行新一轮的科学探究。本节课以“甲烷和氯气的反应”为载体，通过对实验问题的猜测、设计、验证、分析、质疑、改进及再验证，引领学生体悟“預测—设计—分析—评价—改进”的科学探究过程，教学内容层层递进。在教学过程中学生能深度参与课堂，多角度思考实验的问题，面对实验的异常现象能发散思维，及时反思改进，寻求更充分的证据，充分体验科学探究的曲折和乐趣。实践证明：通过改进后的实验现象和拼插球棍模型体悟甲烷和氯气的反应历程，能帮助学生更好地理解取代反应的机理，进一步夯实“结构决定性质”的学科观念。基于发展“科学探究与创新意识”的教学活动不仅有助于学生思维能力的培养，还对化学学科核心素养其他四个维度的发展都有明显促进作用。实验探究是帮助学生从感性认识上升到理论认知的重要手段，教材中的实验素材作为一种重要的教学资源，其价值并不仅在于实验的成功展现，如何挖掘实