對比實驗在化學新課程教學中的應用.doc

化學教育工作站：/chemedu桂耀榮第1頁共8頁對比實驗在化學新課程教學中的應用支梅1黎敏2北京教育學院豐臺分院，北京100071北京豐臺二中，北京100071內容摘要新課程實驗課題的選擇和內容設計與傳統(tǒng)教材相比有了較大改變，不僅不再區(qū)分哪些是學生實驗、哪些是教師演示實驗，還增加了實驗探究活動以便使學生在學習知識的過程中，體驗和感受知識形成的過程，學習科學研究的方法。同時也給教師提供了自主設計實驗的廣闊空間。經過一段時間的新課程教學實踐，我們認為合理地使用對比實驗在促進學生掌握各類化學知識、強化知識的形成過程、深入理解和掌握化學概念、實現(xiàn)在認識上的發(fā)展等方面效果顯著。關鍵詞對比實驗強化概念的形成過程促進學生的認識發(fā)展正文新課程高中化學新教材為了凸顯實驗的教育功能，實驗課題的選擇和內容設計與傳統(tǒng)教材相比有了較大改變，不僅不再區(qū)分哪些是學生實驗、哪些是教師演示實驗，還增加了實驗探究活動以便使學生在學習知識的過程中，體驗和感受知識形成的過程，學習科學研究的方法。同時也給教師提供了自主設計實驗的廣闊空間。經過一段時間的新課程教學實踐，我們認為對教材實驗進行改進和拓展，設計和運用對比實驗，能夠有效地促進學生對各類化學知識的學習和能力的培養(yǎng)，提高課堂教學效率。對比是科學研究中最常用的基本方法，對比是辨別異同，區(qū)分事物之間相同點和不同點的邏輯方法。在化學領域中各種物質普遍存在著個性與共性，這就是我們進行對比的客觀基礎，對物質進行對比，可以采用不同形式，實驗是最直觀、最有效的方式之一。對比實驗又稱為對照實驗，指的是除了一個可變因素外，其他因素都保持不變的實驗1。對比實驗可以運用于課堂教學的引入、講授新課、復習鞏固各個環(huán)節(jié)，適用于學習事實性知識和理論性知識，特別是在學習元素化合物知識時，對比記憶、形象記憶都有利于掌握知識，減輕因機械記憶而造成的負擔。運用對比實驗就可以將形象、對比融為一體，從而收到良好的教學效果。對比實驗不僅能使學生更有效地獲取知識，還有助于培養(yǎng)學生的各種能力，所以在教學中應盡量多的采用對比實驗，并且從實驗裝置、操作過程、使用先進教學技術、優(yōu)化認知過程等方面發(fā)揮對比實驗的功能。下面結合教學中的案例談談我們的做法。一、改進對比實驗的裝置圖1Na2CO3和NaHCO3熱穩(wěn)定性的套管實驗A：Na2CO3B：NaHCO3化學教育工作站：/chemedu桂耀榮第2頁共8頁1加熱固體的對比實驗裝置此類實驗近年來有許多寶貴經驗。例如比較碳酸鈉和碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性的“套管實驗”（如圖1所示），有利于對比觀察。但是組裝儀器、添加藥品不方便，我們在此基礎上改進為“對比管實驗”。對比管是自己設計制作的，將兩支平底試管的地步相對熔接為一個中間有玻璃隔膜、兩端開口的直形玻璃管（也可以使兩端管口略向下傾斜，如圖2），稱之為，對比管是將兩支平底試管進行對接而成的（兩端試管口可以稍有角度向下傾斜）。實驗時，首先將等物質的量的碳酸鈉和碳酸氫鈉分別從兩個管口裝入對比管的中部，用兩個帶直角導管的膠塞將兩端管口塞緊，將導管插入盛有澄清石灰水的小燒杯中用酒精燈加熱對比管的中部，使碳酸鈉和碳酸氫鈉同時受熱（如圖3）教學時，教師首先演示熱穩(wěn)定性對比試驗，向試管兩端分別裝入等物質的量的碳酸鈉和碳酸氫鈉固體，塞緊膠塞后將導管插入澄清石灰水中。點燃酒精燈，放在兩種固體中間加熱，可以觀察到盛有碳酸氫鈉的一端有氣體生成，并使澄清石灰水變渾濁，而另一端無明顯變化。這個實驗操作簡單，現(xiàn)象明顯，有利于學生理解和掌握碳酸氫鈉的熱不穩(wěn)定性。應用對比管還可以演示碘升華與碳酸氫鈉分解的對比（如圖4）等固體加熱的對比實驗。2.固、液反應的對比實驗裝置為了使對比管實驗擴大應用范圍，我們還設計了包括直型對比管、大V型對比管、U型對比管一個系列的對比實驗專用裝置，這些裝置不僅有利于學生理解和掌握知識，還開拓了學生的創(chuàng)新思路，培養(yǎng)了試驗設計能力，學習了科學方法，促進了新課程三維教學目標的落實。利用圖5所示，在底部中間有玻璃隔膜的U形對比管，可以演示銅與濃、稀硝酸的反應(圖6)，不同濃度的鹽酸與碳酸鈣的反應（圖7），以及碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸的反應等。應用U形對比管還可以演示液體與液體反應的實驗。Na2CO3NaHCO3澄清石灰水澄清石灰水圖3：Na2CO3和NaHCO3熱穩(wěn)定性的對比管實驗圖2：直形和大V型對比管適用于固體加熱對比實驗玻璃隔膜圖4：固體熱分解與升華對比實驗NaHCO3碘(I2)化學教育工作站：/chemedu桂耀榮第3頁共8頁二、優(yōu)化對比實驗的操作過程在實驗設計中，為了落實三維教學目標，使學生在獲取知識的同時，了解變化的過程和本質，實現(xiàn)“結論與過程”的統(tǒng)一，指導學生在做實驗時，不僅注重最后的結果，還要仔細觀察反應變化過程中的現(xiàn)象，激發(fā)學生去探究發(fā)生這些現(xiàn)象的本質。例如在學習鐵的兩種氫氧化物Fe(OH)2和Fe(OH)3時，如果按教材上實驗3-9（新課程人教版）實施，會發(fā)現(xiàn)灰綠色沉淀變成紅褐色時間較長，不利于學生觀察。于是我們將實驗改進為對比實驗（見圖8），分別用試管和表面皿進行實驗，取2ml1mol/LNaOH溶液分別放在試管中和表面皿上，然后用長尖嘴的滴管吸取0.1mol/LFeSO4溶液伸入試管中液面以下再擠出試劑，可以看到沉淀由白色迅速變?yōu)榛揖G色，同樣用滴管取FeSO4溶液直接滴到表面皿上的NaOH溶液中，幾乎看不到白色沉淀就直接出現(xiàn)灰綠色沉淀，并且沉淀迅速變?yōu)榧t褐色。運用這樣的對比實驗很好地幫助學生觀察，對比同一物質在不同條件下發(fā)生的變化過程，認識不同條件對反應的影響。三、使用現(xiàn)代化實驗儀器實現(xiàn)定量對比隨著教育技術的迅速發(fā)展，越來越多的現(xiàn)代化實驗儀器走入中學實驗時，數(shù)字化傳感器就是其中之一。運用傳感器定量測量化學反應變化過程中的各種數(shù)據(jù)，有利于學生在定性觀察的基礎上，進一步依據(jù)數(shù)據(jù)對反應進行深入的思考和研究，培養(yǎng)學生思維的深刻性和敏捷性。例如我們使用傳感器測定等物質的量的碳酸鈉和碳酸氫鈉與鹽酸的反應，在一個60mL的廣口瓶（用于盛放碳酸鹽）口塞上插有溫度傳感器、20mL帶活塞的注射器（氣體壓力傳感器配件）、玻璃彎管的橡皮塞，玻璃彎管的另一端與一個500mL的圓底燒瓶（用作緩沖瓶）氣球等體積不同濃度鹽酸CaCO3濃HNO3Cu片蘸NaOH棉花團稀HNO3圖6：銅與濃、稀硝酸反應的對比試驗圖7：不同濃度的鹽酸與碳酸鈣反應的速率比較等濃度的稀NaOH溶液等濃度新配制的FeSO4溶液圖8Fe2+與OH反應的對比實驗圖5：U型對比管適用于液體與固體（加熱）對比實驗化學教育工作站：/chemedu桂耀榮第4頁共8頁口相連，氣體壓力傳感器也連接在圓底燒瓶口。用兩套同樣的實驗裝置，在兩個干燥的廣口瓶中分別加入0.420gNaHCO3（0.005mol）、0.530gNa2CO3（0.005mol），兩個注射器各抽滿20mL0.8mol/LHCl（0.016mol），同時、迅速地注入鹽酸后關閉注射器上的活塞。用四個數(shù)字傳感器同時采集反應過程中“壓強時間”、“溫度時間”的實驗數(shù)據(jù)。實驗結果見圖9。紅色曲線為碳酸氫鈉與鹽酸的反應歷程，藍色曲線為碳酸鈉與鹽酸的反應歷程。從兩條壓強變化曲線可以看出，碳酸氫鈉與鹽酸的反應速率較快（紅色）；在反應末期，兩條曲線趨于重合，說明兩個反應中釋放出二氧化碳的量基本相同。從兩條溫度變化曲線可以看出，碳酸氫鈉與鹽酸的反應使體系溫度降低，表現(xiàn)為吸熱反應；碳酸鈉與鹽酸的反應使體系溫度升高，表現(xiàn)為放熱反應。我們還使用傳感器對比鹽酸、乙醇、苯酚的酸性強弱，苯酚具有較弱的酸性，定性地使用指示劑石蕊一般不能變紅，為了增加實驗的直觀性，可以借助pH傳感器，定量測定等濃度的乙醇、苯酚、鹽酸的pH，實驗數(shù)據(jù)見圖10，讓學生從pH的數(shù)值差異上感受到苯酚的弱酸性，理解苯酚的酸性弱到不能使石蕊試液變紅。同時通過對比乙醇和苯酚的酸性的不同，理解不同的原子團對于羥基圖9：傳感器測定曲線圖10用pH傳感器測定0.1mol/L乙醇、苯酚、鹽酸的pH化學教育工作站：/chemedu桂耀榮第5頁共8頁的失氫能力的影響，逐步建立有機化合物結構中不同的原子團之間相互影響、相互作用的基本認識。四、運用對比實驗，深化理解，強化概念的形成過程化學學習中的概念原理性知識一直以來是學生學習的難點，這些知識抽象、概括性強，學生必須在理解的基礎上才能真正掌握，利用化學實驗的直觀性增強概念原理教學的有效性，特別是設計和使用對比實驗呈現(xiàn)概念的形成過程，促進學生深入理解概念是很好的教學策略。1全面對比，完善認識我們運用對比試驗改進新課程人教版九年級化學第二單元課題3催化劑概念的教學過程。按照初中教材上的催化劑有關內容進行教學時發(fā)現(xiàn)，學生會出現(xiàn)一些認識誤區(qū)：1、由于在過氧化氫和氯酸鉀的分解反應中都使用的是二氧化錳做催化劑，所以學生認為只有二氧化錳是催化劑；2、催化劑都是加快反應速率；3、催化劑都能很顯著地加快反應速率。如何幫助學生消除學習誤區(qū)，建立比較全面、科學的催化劑概念呢？我們進行了以下的實驗設計（見圖11、圖12和圖13）。對比實驗：有無催化劑對比實驗取兩支試管，加入等體積等濃度（10%）的過氧化氫溶液，向另外一只試管中加入少量MnO2固體，立即劇烈反應，放出大量氣體，讓學生充分感受到催化劑對反應速率的影響，對比有無催化劑的不同。對比實驗：不同催化劑催化效果對比實驗取三支試管，加入等體積等濃度（10%）的過氧化氫溶液，其中一支作為空白對照，向另外兩支試管中分別加入等量的MnO2和FeCl3粉末，觀察到MnO2使得反應劇烈，產生大量氣體，F(xiàn)eCl3也能使反應速率加快，但是比較平穩(wěn)，沒有加入MnO2劇烈。這組實驗的設計旨在讓學生感受到催化劑有多種，催化的效果有差別。對比實驗：正負催化劑對比實驗取兩支試管，加入等體積(3mL)等濃度(2mol/L)的稀鹽酸，用鑷子取2顆鋅粒分別放入兩支試管中，觀察到有無色氣體產生，且速三支試管盛放等體積等濃度的過氧化氫溶液MnO2粉末FeCl3粉末圖12：不同催化劑對比實驗等量等體積10%稀鹽酸Zn粒優(yōu)洛托品固體圖13：負催化劑對比實驗少量MnO2固體兩支試管盛放等體積等濃度的過氧化氫溶液圖11：有無催化劑對比實驗化學教育工作站：/chemedu桂耀榮第6頁共8頁率基本相同。這時向其中一支試管中加入六甲烯胺固體（商品名為“優(yōu)洛托品”或“烏洛托品”）約0.3g，可以看到反應速率明顯減慢。本實驗的設計旨在讓學生感受到催化劑既可以加快反應速率，也可以減慢反應速率。在以上三組對比實驗的基礎上，引導學生討論催化劑概念的內涵和外延，達到對催化劑認識的幾點共識：第一：催化劑能夠改變反應速率，可能加快或減慢；第二：不同的催化劑對同一反應催化效果不同；第三：同樣的催化劑并不能催化所有反應，催化劑與反應有特定關系。通過以上三組對比實驗的設計、實施以及相關問題的討論，學生對于催化劑的認識就比較全面、科學、準確，對于學生今后進入高中的學習打下了比較好的基礎。2.繼時對比，發(fā)展認識繼時對比是相對于同時對比而言的，指的是比較對象先后呈現(xiàn)，例如雞爪子被濃氫氧化鈉溶液腐蝕前后的對比【1】。例如在新課程人教版九年級化學第七單元課題1燃燒概念教學中，教師從人類認識燃燒的發(fā)展過程開始的，回顧了人類從遠古鉆木取火到近代研究燃燒、揭示燃燒的本質到現(xiàn)代控制燃燒、利用燃燒的發(fā)展歷史，讓學生感受到燃燒與人類文明發(fā)展的關系，體會到學習燃燒的個人意義和社會價值。教師特別注重了近代法國化學家拉瓦錫對于燃燒的研究和對“燃素說”的質疑和修訂過程的教學價值挖掘。教師沒有簡單直白地介紹“燃素說”的錯誤，而是在介紹了300年前科學界對燃燒的普遍認識：“燃燒是一種分解反應，是可燃物自身達到一定溫度以后發(fā)生的分解現(xiàn)象，分解的產物即為燃素”之后，增加了一個繼時對比實驗（實驗裝置見圖14），先只加熱，不通入氧氣，觀察到木炭不燃燒，然后通入氧氣，木炭立即燃燒起來，觀察到明亮的白光。這時教師提問：“根據(jù)剛才的實驗，你同意燃素說嗎？提出你的觀點?！睂W生通過實驗現(xiàn)象的觀察和對比，充分地意識到燃素說中對于燃燒的三個要素只提到可燃物和溫度，但是并未涉及助燃物，同時把燃燒理解為分解反應也是一種曲解。在此基礎上，教師介紹了拉瓦錫對于燃燒的闡述：“燃燒的實質是物質與氧氣發(fā)生的一種氧化反應?！钡竭@里已經達到了初中教材要求的水平，但是教師并沒有止步，而是繼續(xù)提出問題：“拉瓦錫的結論就無懈可擊了嗎？”，緊接著播放了一段金屬鈉在氯氣中燃燒的實驗視頻資料，得到燃燒的更廣泛的定義即可燃物與助儲氣袋（O2）木炭圖14：燃燒條件的繼時對比實驗化學教育工作站：/chemedu桂耀榮第7頁共8頁燃物發(fā)生的發(fā)光、放熱的劇烈的氧化反應。通過這樣的教學設計和對比實驗的運用，能夠幫助學生建立起比較完整、科學的燃燒的概念。3.分層次對比，深化認識學生學習化學概念要經歷概念的形成、深化和認識發(fā)展的過程，是有層次有脈絡的。這就要求教師在進行教學設計的時候關注概念形成的層次，恰當?shù)剡\用對比實驗促進概念的形成。例如在新課程人教版高中必修1第二章第一節(jié)膠體概念教學中，對于膠體的概念形成過程我們設計為以下幾個層次：初步感知膠體；體會膠體的性質；對比同一物質的不同聚集狀態(tài)及其性質的差異；認識到物質聚集的程度也決定著物質的性質。根據(jù)以上的概念形成層次