人教版高中化学新课程必修模块科学探究栏目的教学实践.doc

人教版高中化学新课程必修模块科学探究栏目的教学实践
熊伟章 李进军 徐忠秋
襄阳市谷城县第三中学 441700
摘要：高中化学课程改革以培养学生科学素养为宗旨，积极倡导让学生亲身经历以探究为主的学习活动，而化学实验就属于科学探究的一种重要方式和途径，学生掌握基本的实验方法，具备一定的化学实验技能和实验能力，是进行科学探究活动的基础和保证。在新课程教学实践中科学探究是一种重要的学习方法，也是一种重要的教学方式，是高中化学新课程的重要内容。新教材的必修模块突出科学探究活动的设计，探究教学可划分为两种过程，一是发现知识的探究，二是解决问题的探究。在课堂教学中我们必须重视科学探究栏目的教学。
关键词：高中化学 科学探究  教学设计
 一、科学探究在课程标准中的地位
 教育部在2003年颁布《普通高中化学课程标准（实验）》（以下简称高中化学课程标准）中，提出化学课程以提高学生的科学素养为宗旨，其中最大的变化是强调科学探究。在高中化学课程标准中，无论是在课程理念、课程目标、内容标准，还是在教学建议、评价建议、教科书编写建议、课程资源的开发与利用建议中，都对实验探究进行了系统的讨论。高中化学课程改革以培养学生科学素养为宗旨，积极倡导让学生亲身经历以探究为主的学习活动，培养他们的好奇心和求知欲，发展他们对科学本质的理解，培养他们的科学探究能力。而化学实验是化学教与学中主要的探究方式，同时也应作为学生学习化学的最主要方式。
科学探究从本质上说，就是运用证据对科学及与科学有关的问题进行解释，并进行检验，从而得出结论的过程。科学探究是一种重要的学习方法，也是一种重要的教学方式，是高中化学新课程的重要内容。义务教育初中化学新课程“将科学探究作为课程改革的突破口”，倡导以科学探究为主的多样化的学习方式，激发学生的主动性和创新意识，促使学生积极主动地学习。高中化学新课程在义务教育化学课程的基础上，进一步倡导“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程”“重视探究学习活动，培养学生的科学探究能力”。
中学化学实验在教学中具有不可替代的作用，课程内容方面，原教学大纲只是从演示实验和学生实验两个方面规定了教学中的实验内容。而新课程必修模块则在这方面有了非常大的改变。首先，从实验内容的范围来看，不仅要让学生“初步学会物质的检验、分离、提纯和溶液配制等实验技能”，还要“认识实验、假说、模型、比较、分析等科学方法对化学研究的作用”，“体验科学探究的过程，学习运用以实验为基础的实证研究方法”，“树立安全意识，能识别化学品安全实验标识，初步形成良好的实验工作习惯”等等。可见，课程内容对于实验的挖掘是非常全面的。其次，从实验内容的涵义来看，不仅规定了学生要学习的实验内容，而且还在“活动与探究建议”中给出了相应的各种实践活动。教学大纲仅重视告诉学生在化学实验中应该学什么、学到什么程度，而课程标准还进一步提供了如何学、怎样学的弹性建议。
二、高中新课程必修模块的科学探究内容分析
 高中化学新课程（必修1）安排有七个科学探究活动
第一章 （一个） 探究气体的摩尔体积（实验与计算结合）
第二章 （一个） 探究胶体性质与溶液、浊液的区别
第三章 （四个） 探究加热铝箔熔化（有、无氧化膜保护的情况）
探究铁粉与水蒸气的反应（装置图的设计）
探究碳酸钠与碳酸氢钠的性质
探究Fe2+与Fe3+的相互转化和Fe3+的鉴别
第四章 （一个） 探究NO2尽可能多的与水反应（设计实验）
 高中化学新课程（必修2）安排有七个科学探究活动
第一章 （三个） 探究碱金属元素性质与原子结构（实验、归纳总结）
探究元素周期律（填表、比较）
探究第三周期元素性质（实验，比较）
第二章 （一个） 探究设计原电池装置（装置图的设计）
第三章 （三个） 探究甲烷的取代反应（实验观察）
探究石蜡油分解实验（实验观察得出结论）
探究乙酸的性质（设计实验）
十四个科学探究活动中，有一类是教材在探究栏目中给出了明确的探究主题、实验方案和实验步骤，这类探究活动的水平相对较低；另一类是教材给出了探究的问题，但是并没有给出明确的实验方案和步骤，提示学生要经历猜想与假设、设计实验方案、完成实验记录、形成实验结论等环节进行体验，这类探究活动的水平相对较高一些。教材中留出的空格是需要学生通过对该部分知识的学习，自己总结出来的，通过这样一个过程，形成知识。随着新课程必修课、选修课的不断学习对学生的探究能力要求将逐渐提高,进一步发展学生的探究能力。
三、实验探究教学设计策略及案例分析
1.科学探究教学设计策略
科学探究内容的教学和学习目标的实现，必须让学生亲身经历丰富多彩的探究活动。普通高中《化学课程标准（实验）》在内容标准中对各个主题的学习都提出了探究活动的具体建议，这就为教师理解和实施“科学探究”教学提供了有效的指导。对于“活动与探究建议”中的探究活动，可以从不同的角度对其进行分类，以便于教师把握。新教材的必修模块突出科学探究活动的设计，让学生尽可能通过探究活动来学习化学知识。教材在内容的呈现上，不是把现成的结论直接告诉学生，而是从学生已有的生活经验出发，创设生动活泼的学习情景，引导学生自己去发现和提出问题、做出假设和猜想，设计方案，并通过观察、实验、阅读、思考、讨论等活动，获得对知识的理解。实验操作表面看来似乎属于技术操作项目，实际上参透着积极的思维活动，在实验操作中，仪器的选用、安装，试剂的取用以及实验中条件的控制等，都离不开思维对操作的支配作用。通过动手操作，能使学生在实验中产生新思维，从而激发学生的创新性，甚至能在已有的、以被验证为正确的理论中寻求新的突破。在科学探究活动中，围绕着核心问题，学生充满了假设预期。而后通过自己的活动或是教师引导的活动搜集各种证据，并对证据、假设、问题之间的关系形成科学解释和推理，当问题、假设、证据之间都匹配自洽的时候，学生会得到合理的科学结论。
探究教学设计是在对教学环境中的探究活动所涉及的各种因素进行系统分析的基础上，对探究教学活动进行合理规划的活动过程，也是把一般教学设计原理运用到探究教学中去的过程。在这个过程中，设计者要牢牢把握教学环境中探究活动的特点，根据不同的内容和环境灵活地对教学活动进行周密的安排。在化学课堂教学中，以过程与方法为轴线开展实验教学，既重视学生知识与技能的建构，又强调学生情感、态度与价值观的提升，应是开展实验教学的最终目标。
2. 案例分析
案例一： 铁与水蒸气反应的条件（化学实验条件的探究）
人教版新教材特意将铁与水蒸气反应的条件设计成科学探究，这个实验难度非常大，现在要刚进入高中的学生来设计这个实验难度就更大了。在对学生初中化学实验学习情况作了调查后，我发现学生对于简单实验的基本操作掌握的还可以，但是几乎没有实验设计的经历，所以让他们贸然进行这个科学探究，可能会让学生对化学实验产生畏难情绪从而降低学习化学的热情。所以我将这个科学探究设计成由简到难三个实验设计（见后附实验报告），让学生循序渐进地领会科学探究的方法。对于刚刚体验科学探究的同学，为避免学生过于茫然不知从何入手，我在实验设计1中对学生做了一些指导，将实验设计1设计成教师提出实验目标、学生在教师的指导下按步骤完成设计。实验设计2是教师只提出实验目标、学生自己完成实验设计；开展实验设计2的科学探究活动时，我特别注意探究过程的开放性，不给学生规定框框，不束缚学生的思维，让学生动手实践，学生的思维非常活跃。实验设计3是教师不给设计目标、学生自己在实践过程中寻找问题、自己制订实验目标并完成实验设计；实验设计3是让学生不仅学会通过实践来解决问题，更要从实践中发现新的问题。
铁和水蒸气反应的科学探究报告
[目的]探究铁和水蒸气反应的实验装置
[仪器和药品]
[实验设计1] 探究点：I. 能够在实验室条件下进行该反应
II. 该反应包括三部分
III. 要保证在高温条件下铁和水蒸气反应
IV. 生成的氢气应有足够的量供检验和收集
步骤：
1. 请你设计一套水蒸气的发生装置
2. 请你设计一套水蒸气与铁粉发生反应的装置
3. 请你设计一套产生气体的检验装置
4. 请你将前三部分装置联系起来设计一套组合装置
装置图：
现象

结论

评价

[实验设计2]
探究点：I 仪器和装置尽可能简单
    II. 操作尽可能简便
 （你可以参考书上第50页图3-8，更欢迎大家标新立异，设计新的方法。）
步骤：
装置图：
现象

结论

评价

[实验设计3]
请你给出探究点：
能够自己解决吗？
步骤：
装置图：
现象

结论

评价

在现实化学教学中，许多教师缺乏对实验条件的深入分析。比如，探讨影响化学反应速率因素的实验，不少教师只是演示给学生看，先出现现象的反应速率快从而得到影响速率的因素，很多教师到此为止，而没有对实验中溶液为何采用相同浓度或相同温度进行分析。这其实是一种重要的科学方法——变量控制。因为只有这样，反应速率才仅与其中一种因素有关。所以，教师深入分析教材中的实验内容，挖掘出其中蕴涵的探究因素，通过探究性实验真正促进学生科学素养的提高。

案例二：Fe2+与Fe3+的相互转化的探究报告（应用新知识的实验探究）
提供药品：铁粉、铜片、KI溶液、淀粉溶液、CCl4、氯水、酸性高锰酸钾溶液、稀硝酸、双氧水、Vc实验用品：试管、胶头滴管
I.根据化合价预测可能的氧化、还原性，对药品进行分类。
常见还原剂
常见氧化剂
检验试剂
铁粉、铜片、KI溶液、Vc
氯水、酸性高锰酸钾溶液、稀硝酸、双氧水
淀粉溶液、CCl4

 II. 利用已有药品用实验验证假设。

III.实验探究过程：自主选择相应的药品，设计实验，并开始实验。 
预期转化
所选试剂
预期现象
实验现象
结论及反应
→

→

→

→

→

实验探究过程中的问题及解决：
Fe2+   Fe3+：+强氧化剂
Fe3+   Fe2+：+强还原剂 
[思考]实验室中如何保存FeSO4溶液？
 这种探究课的教学设计是应用新知识的探究，强调对学生探究技能和思维能力的培养。即要把能力的培养作为第一依据。至于选择什么内容，则是次要的事，只要通过这种内容的学习能够培养出学生特定的能力即可，内容只不过是获得能力的媒介而已。这种设计有时甚至可以要求根据能力的序列发展，重新编排内容，至于内容的体系如何，则是另一回事。例如我们在必修1中学习元素化合物中还可以设计一些探究实验：对于CO32-和HCO3-结合H+能力，甲认为HCO3-结合H+能力强，理由是在等质量的碳酸钠和碳酸氢钠固体中加入等体积等浓度的盐酸，碳酸氢钠固体中产生气体速率快；乙认为CO32-结合H+能力强，理由是在同一温度下同浓度碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液的pH，前者大于后者。可以启发学生设计实验：取相同体积、相同浓度的碳酸钠的碳酸氢钠溶液放入同一试管中，再滴加盐酸，如果马上有气泡产生，则是HCO3-先结合H+；如果是滴入一定量盐酸后才产生气泡，则是CO32-先结合H+。
案例三：气体摩尔体积的探究设计（形成新知识的科学探究）
气体摩尔体积是一个非常抽象的概念，概念中要素又多，而学生的相关知识较少，不少学生还有一个错误的前概念（他们认为和摩尔质量相似，不同的气体摩尔体积不同。），所以学生理解起来难度也较大。
【发现问题 】
I. 计算：假设电解了1.8gH2O，根据电解水的方程式计算生成的O2和H2的质量。根据O2、H2的摩尔质量，计算物质的量，并并通过下表进行比较。

质量
物质的量
H2和O2的
物质的量之比
H2

O2

n1/n2=V1/V2
II演示：根据电解水原理进行动画演示（略），观察不同时间试管内的气体体积之比。结论：同温同压下气体的体积之比等于物质的量之比，达成学习目标1。
推导：写成数学表达式为： 当n1=n2时有V1=V2。 所以同温同压下，不同的气体摩尔体积相同，达成学习目标2。
【数据处理】
I.求标准状况下的气体摩尔体积
下表列出了00C、101KPa（标准状况）时O2、H2、 空气的密度，请计算出1mol H2、O2和空气的体积。

摩尔质量/g/mol
密度/g.L-1
1mol物质的体积
O2

1.429

H2

0.0899

空气
29
1.293

得出结论：在标准状况下不同的气体摩尔体积都约为22.4L/mol，达成学习目标3。
II.练习
在标准状况下，1molH2的体积为： ；在标准状况下，2mol空气的体积为： ；
在标准状况下，nmolH2S的体积为： 。得出结论：V=n×Vm,达成学习目标4。
III.下表列出了200C、 时几种固体和液体的密度，请计算出1mol 这几种物质的体积。

密度/g.cm-3
1mol物质的体积
Fe
7.86

Al
2.70

H2O
0.998

H2SO4
1.83

【得出结论】在标准状况下不同的气体摩尔体积都约为22.4L，达成学习目标。

这种探究课的教学设计是形成新知识的探究，强调内容的重要性。尤其对于抽象难以理解的概念，通过探究活动得以形成新的概念，得出合理的结论。这种探究主要以学生的发现问题的驱动力进而到解决问题的能力形成为教学目标，必修2第一章中的三个科学探究碱金属元素性质与原子结构、探究元素周期律、探究第三周期元素性质也属此类

四、科学探究教学设计分析及其要注意的问题
1.探究教学设计分析
上述科学探究案例设计的优点是明显的。内容取向强调基本知识，便于通过探究活动获得比较系统的知识，而且这种取向更便于利用现有的教科书。能力取向则立足于能力的发展，大大地促进了学习的迁移性，使学生的能力得以迅速提高。探究教学设计的两种路径探究活动有两种过程，一种是发现的过程，一种是问题解决的过程，所谓发现的过程就是探究者根据一定的原理，对事物进行有目的的观察后，得出具有逻辑合理性的概念、原理或规律等；所谓解决问题的过程，就是探究者综合运用各种概念、原理或规律来解决一个比较复杂的问题的过程。前者更多地具有归纳的意味，而后者则运用的是演绎思维。不管哪类设计从探究的本意来说，可以激发学生的学习兴趣，激励他们的探究精神，磨练克服困难，获取成功的喜悦。
适宜的难度要求探究的内容具有适度的不确定性，其变量的多少要以学生能够掌握和控制为限度，过多的变量使学生产生过多的疑惑。能够满足学生现实需要的内容能够引起学生兴趣也是科学探究设计应主要考虑的因素，学生有一种天生的好奇倾向，喜欢探索未知世界，喜欢探究问题的答案。随着问题的解决，学生的好奇心得到了满足，也同时感受到了成就感，这些成为他进一步探究的动力所在。探究教学的特征决定着探究内容应具有可操作性，即探究内容是可以通过有步骤的探究活动得到答案的问题。一是探究的结果与某些变量之间具有因果联系，这种因果联系通过演绎推理是可以成立的。二是这种因果联系在现有条件下可以通过探究活动而证明。所谓现有条件，即是一方面是指现有的物质条件，如学习材料、实验设备等。另一方面指学生已有的知识准备、技能准备等。
探究教学在实质上是一种模拟性的科学研究活动。具体说来它包括两个相互联系的方面：一是有一个以“学”为中心的探究学习环境。这个环境中有丰富的教学材料、各种教学仪器和设备等，而且这些材料是围绕某个知识主题来安排，而不是杂乱无章；有民主和谐的课堂气氛，使学生很少感到有压力，能自由寻找所需要的信息、自己作种种设想、以自己的方式检验自己设想。总之，这种环境要使学生真正有独立探究的机会和愿望，而不是被教师直接引向问题的答案。二是教师给学生提供必要的帮助和指导，使学生在探究中能明确方向。这种指导和帮助的形式与传统教学中教师的作用有很大的不同，主要是通过安排有一定内在结构、能揭示各现象间的联系的各种教学材料，以及在关键时候给学生必要的提示等。实验的成功，结论的得出，将使学生初步尝试科学探究的乐趣，从而激发学生的学习积极性和主动性，使他们在主动探究的同时，受到科学方法的训练，逐步认识和熟悉科学思维的一般规律。这有利于培养学生的创新精神和实践能力，提高学生的科学素质。由于实验、讨论是以小组形式进行，可充分调动每个学生参与的积极性，比传统教学要求学生承担更多的管理任务，使他们真正成为自主的思考者和学习者，从而取得良好的教学效果。教师在学生进行探究活动时应做到认真倾听学生的讨论、意见，必要时要介入学生的讨论中去，最后还要进行点评。
探究性实验的特点是学生自主选择仪器、药品，可设计不同的方案解决同一问题，或同样的仪器药品解决不同问题。如，有的平时化学成绩比较差的同学，却设计出了很多的方法，教师若能及时加以鼓励，这些同学看到了自己的长处，尝到了成功思考的快乐，提高了学习化学的兴趣。可见探究实验这种开放性和探究性的特点，再加上每个学生独特的思考方法和不同的解决问题的途径，得出的结论可能百花齐放，又由于这些方案源于学生，相互之间更容易交流与沟通，同时引发学生相互竞争，每个同学都争着设计更多更好的实验方案。这样通过实验成果的交流，不同层次的学生都有一个展示成果的机会而产生兴奋感、增强自信心，提高内部动机。同学的启示和点拨相互开阔了思路，启迪了思维，通过交流，每个同学对问题的理解更加全面和深入，对实验的原理和操作有了本质上的理解，实验能力从本质上得到了极大的提高，从而获得终身受用的基本能力、创新精神和创造能力通过探究性实验的开展，一是有利于增强学生学习化学的浓厚兴趣，调动学生的学习积极性。二是有利于发展学生的智力，有效地培养学生的实验操作能力，观察能力，思维能力和创造能力。三是有利于培养学生的科学态度。
2. 实施探究活动存在的问题
一是受课时所限，科学探究的教学时间用得不够，探究不充分，探究的结论由教师包办代替得出的现象很普遍；二是实验探究不重视做实验（教师演示、学生实验)，讲实验、视频演实验现象普遍。没有让学生真正体验到科学探究的过程。
3．教学建议
（1）加强对新课程科学探究的认识，明确科学探究的基本要素、环节，注重学习、研究、掌握科学探究的教学方式、方法，认真实施、落实科学探究活动。“科学探究”呈现方式的教材，空白格需填写的内容，如“描述实验现象”、“解释、结论” 、“化学方程式、离子方程式书写”、“画出设计的装置简图”等，都是《课标》要求的重点内容、核心知识，往往是考试的重点。教师要指导学生认真、科学、准确的填写，正确、完整的呈现在教材上，以便学生阅读、复习使用。
（2）在科学探究教学中，老师应该明确教材上设置该探究活动的目标是什么，是知识的落实，还是科学方法的提升？明确探究目标后，在进行探究活动时要把教材的意图很好的体现出来。教学时，教师应将“科学探究”呈现方式的教材内容，当作指导学生自主看书学习的学案，以引导学生的思维过程，提供给学生科学的学习、思维方法。
（3）探究学习是学生学习化学的重要方法，也是培养学生探究意识和探究能力的重要途径。对教材上的七个科学探究活动，要保证时间,认真组织学生探究。教师要在探究活动中充分调动学生主动参与探究学习的积极性，引导学生通过实验、观察、调查、资料收集、阅读、讨论、辩论等多种方式，在提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流的等活动中，增进对科学探究的理解，发展科学探究能力。
（4）重视实验，有条件的学校应进行同步的学生分组实验探究；条件不允许的，平时可采取教师示范实验探究过程，学生小组上讲台与教师配合的方式，确保实验探究活动的进行。教师在一个学期中应有计划地安排不同的小组进行实验活动，体验科学探究过程。
有经验的老师一定会根据教学内容在教学过程中尽可能安排相关实验，以激发学生学习兴趣，达到情意发展的目标。我们老师有这样的体会：大多数学生几乎对所有的化学实验都感兴趣，特别对有声、光、电现象的实验更是兴趣倍增。化学教师要把化学实验作为激发学生学习化学兴趣的“法宝”。教师不能怕麻烦图省事，要动脑筋想办法，像朱正元教授倡导的那样，“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”。如矿泉水瓶，可以做金属钠与水反应，也可做喷泉实验；青霉素小玻璃瓶、喝奶的吸管、针、果冻塑料瓶等可以做电解水实验；……这些好的“土仪器、土药品”操作简便，现象明显，能揭示反应本质，加深化学实验与现实生活的联系，且在引发学生兴趣，提高教学效果，培养学生的创新意识方面有它的独到之处。课堂时间有限，而体验和探究无限，可以让学生在家里时充分利用实验室药品和厨房用品做实验，如利用碘化钾和碘盐、白醋检验碘盐中碘元素的存在；用番茄做原电池实验。这样，学生实验的体验得到了加强，实验的情感得到了升华，实验的兴趣发生质的飞跃，学生的探究能力就会迅速得到提升。
（5）关于空白格的填写过程：先让学生通过实验、看书学习、思考或复习，将自己的认识、理解填写上去（自主学习过程）；教师再通过组织讨论、分析，引导学生得出正确结论，并将正确结论完整、准确的板书出来，督促学生对照自己的填写进行修正。特别要注重落实实验现象的准确描述和化学方程式、离子方程式的正确书写
在认真完成教材要求的七个科学探究活动前提下，鼓励老师根据教材内容的核心知识，自主设计探究活动，促进学生科学探究能力的发展。

主要参考文献

[1] 中华人民共和国教育部制订.全日制普通高级中学化学教学大纲[m].北京：人民教育出版社，2002
[2] 中华人民共和国教育部制订.普通高中化学课程标准（实验稿）[m]. 北京：人民教育出版社，2003
[3] 吴俊明.议当前实验教学的改革和创新[j].化学教学.2004(4)
[4] 周青,刘建青,杨辉祥.我国目前中学化学实验研究述评[j].化学教育.2005（1）
[5]刘知新主编，化学教学论[Ｍ]，北京：  高等教育出版社，1990年。 化学教学系统论[Ｍ]，南宁：  广西教育出版社，1998年。
[6] 毕华林，刘冰，化学探究学习论，济南：山东教育出版社，2004年。