从验证走向实证—新课程背景下化学验证性实验教学的新视角及案例分析讲课讲稿.doc

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从验证走向实证
——新课程背景下化学验证性实验教学的新视角及案例分析
摘 要 在新课程背景下，大力倡导科学探究的今天，高中化学验证性实验教学如何走出尴尬，落实“过程与方法”的课程目标？笔者提出了以科学过程性技能的培养为主导的教学视角，从验证走向实证，最终实现学生科学素养的提升；本文结合（苏教版）普通高中课程标准实验教科书—化学（必修2，第二版，P 39）验证性实验——氢氧燃料电池的研究性学习教学为例，进行了具体阐述。
关键词 验证性实验 过程与方法 科学过程技能 科学素养
1．问题的提出——课程目标的创新与验证性实验教学的尴尬
新一轮课程改革努力凸显以学生的发展为本的课程理念，要彻底扭转“应试教育”的弊端，培养学生健全的个性与完整的人格。为此《普通高中化学课程标准》（下面简称《标准》）“立足于学生适应现代生活和未来发展的需要，着眼于提高21世纪公民的科学素养，构建了‘知识与技能’、‘过程与方法’、‘情感态度与价值观’相融合的高中化学课程标准体系”（下面简称“三维”目标），要求学生在上述三方面得到统一和谐的发展，最终实现学习方式的转变和科学素养的提升。大家普遍认为“三维”目标的提出是个亮点，其中“过程与方法”目标可谓是亮点中的“亮点”，又是亮点中的“难点”。化学学科如何阐释本学科的“过程与方法”的目标？根据对《标准》文本的分析，可以看出“过程”指的是科学探究的过程，“方法”主要是指科学探究的方法（科学方法），还包括学生学习的方法。
化学是一门实验科学。化学实验教学则更多的承载着落实“过程与方法”课程目标的重任。所以新课程一改传统的化学实验教学存在着学生看实验多，做实验少；验证性实验多，探究性实验少的状况，充分发挥实验作用，把大量的实验分散在教材的“活动与探究”、“观察与思考”栏目之中；同时新课程还淡化演示实验和分组实验的界限，把大量的演示或验证性实验改为学生探究性实验、为学生亲手做实验开辟了广阔的空间。因此在新课程实验教学中，“验证性实验教学过程缺少探究性”的观点引起了人们对验证性实验价值的怀疑，以及对“科学探究”的误解。相当一部分人认为“验证性实验”不具有“科学探究”的功能，在倡导以“科学探究”为显著标志的学生学习方式转变的今天，验证性实验似乎已失去应有的生命力。其实，验证性实验不应受到责备，作为一种重要的实验形式，验证性实验无论是在化学研究中还是在化学教育中都是不可或缺的，其作用也是任何其他类型实验所无法替代的。现实中人们对验证性实验的认识所暴露出的一些误区，是与传统的对验证性实验的价值缺少应有的认识和对验证性实验教学的安排不当有关，这同时也向我们提出了如何改进验证性实验教学使其发挥科学探究功能的问题。
2．理论的思考——验证性实验教学的终极目标：科学素养
2．1什么是科学素养
什么是科学素养，目前尚无公认的定义，但是我们可以通过国际上对公民科学素养调查建议的内容获得概略的认识。国际上对公民科学素养调查包括三方面的内容：①对科学术语和概念的基本理解；②对科学研究过程和方法的基本理解；③对科学、技术与社会相互关系的基本理解。根据科学素养的内涵，在化学课程中培养学生的科学素养必须全面落实“三维”目标尤其是“过程与方法”目标。而落实“过程与方法”目标的关键举措就是让学生在“做科学”中学习科学。这里所谓“做”不是盲目的做，或者仅仅表现为外显动作的“做”；还必须“动脑”的理性体验——在做的过程中获取科学知识、在做的过程中体验和感悟科学研究的基本过程，从而学习和掌握科学研究的基本技能、在做的过程中理解科学本质。
2．2从验证走向实证
人类在科学研究活动中所进行的科学实验通常有两个目的，其一是利用各种实验装置，在人为干预或控制自然现象的发生、发展过程中，观察迄今未知或未加解释的新事实；其二是利用各种实验装置，创造特定的观察条件，以便判断或验证科学假说或理论。由此也就衍生出探究性试验和验证性实验两种基本实验类型。从思想方法的角度看，探究性试验与验证性实验分别与实验归纳法和理论演绎法相对应。归纳是从有限的个别事例中推断出一般规律的过程，归纳推断的基础是假设将来事实与现有事实具有相似性。从这个意义上讲，一切由归纳得出的规律原则上是可错的，它还是一个需要进一步实证的假说。演绎是从一般推出个别的过程，这首先要求作为推理前提的“一般”应当为真的，但问题是我们常常无法确定其前提是否为“真”，而且即使前提为真并在推理正确的情况下，也并不意味着从一般性出发就一定能揭示出个别事物的特征。因而，无论是由归纳得来的结论还是由演绎得来的结论，都是可错的，都需要经过实验验证才能得到确认。从这个意义上讲，“科学的本质就是通过观察验证”。因而，验证性实验在科学发现以及科学教育中的作用是不言而喻的。通过验证性实验来验证假说或检验理论，这是培养学生实证精神和科学素养的重要途径。
验证性与探究性本来就是密切联系的，探究的过程离不开验证，验证的过程同样也可以充满探究。其实，实验过程是否具有探究性，这并不简单地取决于实验类型，现实教学中探究性实验缺少探究性或“伪探究”的情况也并不少见。所以我们所面临的主要问题不应是“如何改验证性实验为探究性实验”的问题，而应是“怎样使验证性实验更多的蕴含探究性”的问题。笔者认为，欲使教学过程蕴含探究性，落实“过程与方法”目标，绝非靠简单的模仿一些“探究教学模式”所能凑效的，而是要仔细分析探究过程的各个环节，抓住各个“环节”中所蕴含的基本技能方能见成效。探究过程中的基本技能究竟是什么？它就是科学过程技能。
2．3科学过程技能
根据科学家的工作性质和工作过程的特点，美国科学促进会（AAAS）将其定义为一组具有广泛迁移力的适合多种学科和科学家的工作性质所需要的能力。美国基础科学课程计划《科学——过程与方法》将科学过程技能概括为6种基础性科学过程技能和6种综合性科学过程技能（如下表）。
基础性科学过程技能
综合性科学过程技能
1．观察：利用感官获取关于事物或事件的信息。
1．识别或控制变量：识别出能影响实验结果的变量，控制和操作自变量，使其它无关变量均保持不变。
2．推论：利用先前所搜集到的资料或信息，对事物或事件做有根据的猜测。
2．下操作性定义：提出在实验中如何测量一个变量。
3．测量：利用标准或非标准测量或估计，来描绘物体或事件的尺寸。
3．形成假说：提出实验的预期结果。
4．交流：利用文字或图形符号去描述一项行动、物体或事件。
4．解释资料：组织资料并提出结论。
5．分类：根据物体或事件的性质或标准，以聚集或序列列出不同的类别。
5．进行实验：实施一个完整的实验，从提出适当的模型开始，接着做出假说，确认并控制变量，进而对这些量下操作性定义，设计一个合理的实验，并实施这个实验方案，收集证据，最后来解释实验结果，得出科学结论。
6．预测：根据证据的形式描述未来事件的可能结果。
6．形成模型：创造一个有关过程或事件的理论或实物模型。
科学过程技能是科学研究活动过程中的基本技能，它是智力技能与动作技能的有机融合，而且以智力技能为核心。儿童对外界世界的兴趣和求知欲是与生俱来的，但他们对于如何正确的探究却缺乏经验。这方面的技能是靠后天培养的。科学过程技能发展受学习者的认知发展水的影响，是一个循序渐进的过程。
3．解决的途径——落实科学过程技能的培养验证性实验教学
教学中的经验规律的来源一般有两条途径：其一是根据学生在生活经历或探究性实验中所获取得经验事实进行归纳概括得出；其二是利用已知的科学经验规律进行理论演绎得出。无论从何途径得出的经验规律在未经证实之前，都只能将其看作为尚待进一步验证的科学假说对待。所以在验证性实验教学中，我们要突破传统的将所有验证性实验都安排在学生已经学习了有关结论之后，并且客观上已把这些结论作为“正确结论”用于分析和解决问题的情况下进行的弊端，结合教学进度考虑适当增加实验的提前量，让学生能在未做实验之前将经验规律明确作为假说对待，渗透假设性。同时在验证性实验教学中，还要努力引导和激励学生进行科学预测。当然，教学过程中的预测是相对于学生的未知而言的，凡是学生依据所研究的经验规律通过演绎推理而作出的关于某种未知自然现象的预测对他们来说就是一种科学预测，而检验这种预测的实验便是教学意义上的预测性验证性实验。如此就可以理所当然地也应当将实验设计融入到验证性实验的步骤中。而且从操作层面考虑，验证性实验的设计与探究性实验设计比，则更为容易、可行，对于学生科学过程技能的培养有着重要的发展意义。
4．实践的案例——氢氧燃料电池演示仪的开发与制作
燃料电池（尤其是氢氧燃料电池）以其能量转换效率高、污染小、高度可靠性，必将成为未来电池的主角。由于燃料电池在电极制作和燃料的储存、携带方面技术要求很高，目前尚未得到普及。中学化学教科书的大部分版本中关于燃料电池的介绍仅限于文字和示意图，图1
这使得学生对燃料电池的构造和原理缺乏感性认识，从而产生一种神秘感。通过验证性实验引导学生认识和理解氢氧燃料电池的构造和原理（如右图1），这是（苏教版）普通高中课程标准实验教科书—化学（必修2，第二版，P 39）的一大特色与创新。我们在上相关内容之前安排学生进行了分组实验，初衷是让学生理解和利用原电池原理动手制作简易电池，并体验高科技与我们的生活是如此的贴近。.但在实验过程中，不少小组做不出现象，而且有学生提出该装置先充电，后放电，从能量转化的角度来讲能叫作燃料电池吗？为此，我们组织部分学生进行了一次研究性学习活动，并在活动中有意识的进行了学生科学过程技能培养的实践。
4．1文献检索——解释资料
我们知道典型氢—氧燃料电池由3个主要部分组成：燃料电极（负极）、电解质溶液、空气／氧气电极（正极）。其工作原理是：负极处的氢气被“抽取”电子，这些电子通过导线流入正极。在正极，氧气发生还原反应获得电子。由于燃料电池不会燃烧发出火焰，也没有旋转的发电机，所以燃料的化学能大部分直接转化为电能。工业上，人们用Pt作催化剂和吸附剂，只要不断的加入氢气和氧气，燃料电池就可以持续供电了。而上述装置从能量转换的角度看实质上是一个蓄电池（电能→化学能→电能），似不能完全反映燃料电池的构造和工作原理。
4．2实验探究——进行实验
［探究实验1］我们重复了上述实验：用多孔碳棒做电极，插入电解质溶液中，通电一段时间（半分钟），使水发生电解，产生的部分氧气和氢气被碳棒吸附。然后停止电解，将电极接电压表和电流表。（如右图）。我们观察到电压表和电流表均发生偏转，但此时电压和电流都很小，且不稳定，衰减得很快。
在中性电解质溶液中，氢氧燃料电池的电极反应式为：（－）2H2 → 4H+ + 4e-；
（＋）O2 + 2H2O + 4e- →4OH-。根据上述电极反应式，我们发现电流的大小与参与反应的氢气的量有关。由于多孔碳电极虽能吸附一部分氢气，但量有限，在发生放电反应时，产生的电流太小。这也就是不少同学做不出实验现象的原因。于是我们首先对电极进行了改造：用实验室里的破试管截成60—70 mm的玻璃管，配好单孔塞；将多孔碳电极塞入单孔塞，使电极置于玻璃管内。这样就可以利用玻璃管贮存气体，而提高电极周围氢气和氧气的浓度。当用新电极重做上述实验时，我们欣喜的发现电池的电压和电流明显增强，不仅仅可以使起辉电压为1.7 V,电流为0.6 mA发光二极管发光，而且还可以使音乐贺卡上的扬声器发出美妙的音乐。
但是多孔碳电极不能像Pt电极那样主动的吸附和催化氢气和氧气，我们仍无法从原理的角度来改进上述实验装置，研究曾一度陷入僵局。
燃料电池装置图
4．3第二次文献检索——解释资料、形成假说
在前一次文献检索时，老师和同学们主要依赖于互联网，多数关于燃料电池的介绍都停留在科普水平，对于如何从原理上克服上述装置的缺陷贡献不大。于是我们又进行了第二次文献检索，充分利用学区内有大学的便利走进了大学图书馆。一本由P.W.阿特金斯、M.J.克吕斯顿著 庄宏鑫、王和春译的《物理化学原理》（化学工业出版社，1990年）中的一幅插图引起了我们的兴趣。（如右图）在这个燃料电池装置图中只有通入氢气的那个电极是碳极＋铂催化剂，而通入氧气的那个电极却没有催化剂。书中还配了一段文字“实际上，燃料电池的操作就像一个电化学电池，在一个电极上放出电子，通过外电路到达另一电极，引起另一电极的还原作用。唯一不同的是反应的燃料由外部储存的气体供给。工业上，人们用Pt作催化剂和吸附剂（如图）。氢气被吸附在催化剂的表面，离解为氢原子，氢原子放出电子，通过外电路，引起氧气的还原反应，构成燃料电池。整个操作的关键在于如何引发氢气在电极上放出电子。” 在中学化学试验室里，我们虽然无法实现工业上的操作，但是我们却可以通过电解水时阴极发生2H+ + 2e- →H2 的反应，使多孔碳电极吸附大量还原性强，易失去电子的活性氢而得到活化的氢电极.。氧气能不能由外界直接通入呢？
氢—氧燃料电池模拟装置1
4．4再次实验探究——进行实验
［探究实验2］于是我们对装置进行了改造（如右图）：将两只改造后的电极的玻璃管中注满溶液，并插入盛有电解质溶液的烧杯中。在一只电极的玻璃管内用排液法收集一定量的氧气。然后另一只电极作为阴极接上电源（8—12伏）电解（约2分钟），收集产生的氢气。多孔碳电极吸附活性氢，同时在玻璃管内收集一定量的氢气，提高电极周围氢气浓度。在停止电解后，我们将经电解活化的氢气电极和收集有氧气的电极接上电压表，测得路端电压为1.4V；接上扬声器（我们用的是音乐贺卡上的扬声器），可使扬声器发出美妙的音乐。
经过改造后，该装置由于采用了外界通入的氧气，其得电子能力不如刚刚电解产生氧气来得强，所以电池的路端电压只有1.4V，不足以使起辉电压为1.7 V,电流为0.6 mA发光二极管发光，但可以使音乐贺卡上的扬声器发出美妙的音乐。关键是如此改造后的装置就从原理上突破了原装置的缺陷，是一个模拟氢—氧燃料电池。而且该实验装置的制作简便易行，装置稳定性好，成功率100%，可重复率100%；并且该实验药品消耗少，对环境无污染，取材方便，无论城镇或农村中学都可以演示该实验，还可作为学生分组实验，便于推广。
4．5第三次实验探究——推论、解释资料、形成假说、进行实验
研究性学习小组内此时又有了不同的声音：“氢氧燃
料电池在工作时应该可以看到气体的消耗，而上述的改进
虽说从原理上突破了教材实验装置的缺陷，却不能直观的
看到气体的消耗！”。经过前面的研究，大家积累了比较丰
富经验，我们很快从物理上的连通器和毛细现象受到启发
尝试着制作了一个仪器（如右图）。
［探究实验3］通过电解产生氢气和氧气在U型管中形成气室，并将排开的液体送入球泡，进而进入带刻度的毛细管。停止电解，将电极接上音乐贺卡，我们欣喜的发现，贺卡上的扬声器发出美妙的音乐，发光二极管发光的同时毛细管中的液面在缓慢的下降，说明两个电极上的氢气和氧气在缓慢的消耗，将化学能转化为电能。
4．6第四次实验探究——识别和控制变量、解释资料、进行实验
既然在前面的文献检索中发现氢氧燃料电池“整个操作的关键在于如何引发氢气在电极上放出电子”即形成活性氢电极，那么能不能在一个装置中体现这一点呢？于是我们又一起设计了第三个氢氧燃料电池装置（如下图）。

［探究实验4］在氢氧燃料演示仪3（如上图）中注满硫酸钠稀溶液，将制作好的电极插入（要注意装置的气密性，涂抹凡士林可以解决）。将电极1、2接在直流电源上，在电压8－12V下电解，收集一定量的氧气和氢气后，停止电解。同时在电极3、4处导入收集好的氧气和氢气，直至双球泡中的液体进入毛细管一段高度。将电极1、2，电极2、3接上音乐贺卡，将电极3、4接上灵敏电流计，电极4、1接上灵敏电流计，我们可以看到：

同时我们还能看见毛细管中的液面缓缓下降。说明了整个氢氧燃料电池的关键是电极2—活性氢电极的形成。
高中化学新课程以培养学生的科学素养为主旨构建了“三维”课程目标；科学素养培养的核心是科学探究能力的形成，尤其体现在“过程与方法”目标的落实；而科学探究能力形成的核心是科学过程技能的培养。因此如何在高中化学教学中尤其是在实验教学中系统培养科学过程技能，更好的落实“过程与方法”目标还有待进一步研究。以上只是笔者初步思考与尝试，以期抛砖引玉，请专家批评指正。
主要参考文献
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［7］张巨青主编．科学研究的艺术—科学方法导论[M]．武汉：湖北人民出版社，1988.
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