從教育實驗研究的角度設計高中化學實驗

邵冰

摘? 要：本文從教育實驗研究的角度，以《Fe（OH）2快速轉化成Fe（OH）3》的探究實驗為例，給讀者介紹了一項成功的教育實驗應當準確把握的三個要素以及高中化學實驗探究的一般程序。

關鍵詞：教育實驗研究? 變量

中圖分類號：G633.8? ? ? ? ?文獻標識碼：C? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-1578（2020）01-0117-02

化學是一門以實驗為基礎的學科，近年來高考化學實驗部分的考查偏重于化學實驗探究，這類試題命題格式相對固定，主要是針對某一化學情境提出問題，然后針對問題作出合理假設，再對假設設計實驗方案進行實驗探究。科學研究開始于問題，首先要能創造性地發現問題，提出科學問題。

以《Fe（OH）2轉化成Fe（OH）3》的實驗為例：常規高中化學教材的實驗方法是把吸有NaOH溶液的膠頭滴管伸入新制的FeSO4溶液的液面以下，可以看到瞬間存在的白色Fe（OH）2沉淀，白色沉淀迅速變成灰綠色，振蕩試管，最終變成紅褐色的Fe（OH）3沉淀。可是事實上即使半個小時后再觀察，試管內的物質仍為灰綠色，只是在試管壁上有少量的紅褐色物質附著。這個實驗所需時間很長而且實驗現象不明顯，怎么樣操作能夠使Fe（OH）2快速轉化成Fe（OH）3呢？灰綠色的物質究竟是什么呢？筆者做了如下兩個探究實驗：

1? ?Fe（OH）2快速轉化成Fe（OH）3的探究實驗

思考：影響物質氧化還原能力的外界因素有哪些？

1.1 實驗步驟和現象

注明：制備氫氧化亞鐵后，用抽濾代替過濾，即節約時間又現象明顯。

1.2 實驗結論

改變酸堿度和接觸面積的第II、III組實驗中灰綠色物質變成紅褐色物質的時間均比對照組所需時間短，尤其是第IV組現象非常明顯，片刻間灰綠色物質變成紅褐色。

1.3 原因分析

Fe（OH）2轉化成Fe（OH）3的過程中發生了下述反應：

4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3，此反應中氧氣是氧化劑，影響氧氣氧化Fe（OH）2能力的因素主要有三點：

1.3.1 氧氣的濃度

常規實驗制備的Fe（OH）2存在于溶液中，因為氧氣在水中的溶解度很小，所以灰綠色物質變成紅褐色所需的時間很長而且實驗現象不明顯。抽濾得到的Fe（OH）2直接與空氣中的氧氣接觸，相當于增大了氧氣的濃度，縮短觀察灰綠色物質變成紅褐色所需的時間。

1.3.2 介質的酸堿性

根據資料可查，介質的酸性越強，氧氣的氧化能力越強。濾紙提前用稀鹽酸潤濕的目的就是為了提高氧氣的氧化能力，增大反應速率，縮短觀察灰綠色物質變成紅褐色所需的時間。

1.3.3 反應物的接觸面積

增大反應物的接觸面積，可以增大化學反應速率。實驗中用玻璃棒將濾紙上的Fe（OH）2攤開，就是為了增大Fe（OH）2與空氣中氧氣的接觸面積，縮短觀察灰綠色物質變成紅褐色所需的時間。

其實上述過程就是一次簡單的教育實驗。教育實驗是研究者根據研究目的和計劃，適當控制條件，（即排除無關因素的干擾），對研究對象施加可操縱的影響，然后根據研究對象的變化，比較準確地尋找出所施加的影響同教育效果之間是否存在因果關系的一種研究方法。

我們把教育實驗中涉及到的可以變化的“因素”統稱為“變量”。變量按其在實驗過程中的作用可以分為“自變量”、“因變量”、和“無關變量”三種。自變量是實驗前假定存在的因果關系中的原因變量，即本實驗中的酸堿度和接觸面積為自變量。本實驗如何操縱自變量呢？第一種操縱自變量的方法是要使自變量發生合乎實驗要求的變化：這種變化可以是從無到有的變化，例如：以I組為參照物，II、III、IV組就發生了從無到有的變化;這種變化也可以是有教育影響，但在形式上、層次上有差異，例如：II、III、IV組相對于I組有層次上的差異。第二種操縱自變量的方法是使自變量真正有效地作用于研究對象：例如改變酸堿度時，沒有設置用氫氧化鈉溶液潤濕濾紙這組實驗，就是因為原來制備氫氧化亞鐵就是堿性環境，再用氫氧化鈉溶液潤濕濾紙也沒有明顯的效果。因變量是實驗前假定存在的因果關系中的結果變量，即本實驗中的灰綠色物質變成紅褐色所需的時間為因變量。無關變量是指教育實驗中除了自變量與因變量以外的其他一切變量，如II和IV組實驗需要提前將濾紙用稀鹽酸潤濕，以便將灰綠色物質等分成四份后同時開始實驗，消除時間差帶來的干擾。由此可見一項成功的教育實驗應當準確把握住自變量、因變量和無關變量這三者之間的關系。

2? ?灰綠色物質組成成分的探究實驗

在教學中經常有學生會問：白色的Fe（OH）2在空氣中迅速變成灰綠色，最終變成紅褐色，灰綠色物質是什么呢？借此問題我們熟悉一下實驗探究的一般程序：提出問題——作出假設——設計實驗驗證。假設灰綠色物質是Fe（OH）2和Fe（OH）3的混合物，我們設計如下實驗加以驗證。

2.1 實驗步驟和現象

2.2 實驗結論

第I組實驗中溶液不變紅色，證明溶解后的溶液中沒有Fe3+生成，說明新制的灰綠色物質中沒有Fe（OH）3;第II組實驗中酸性高錳酸鉀溶液褪色，說明溶解后的溶液中含有Fe2+;第III組實驗中生成藍色的沉淀，說明溶解后的溶液中含有Fe2+。綜合以上三組實驗現象，我們推測灰綠色物質不是Fe（OH）2和Fe（OH）3的混合物，應該是二價鐵的化合物，具體是什么有待有興趣的同學查閱資料繼續研究。

教師從實際出發針對教學中的困惑與問題開展研究，通過問題的解決，提供可推廣的經驗和實際操作方法，這種研究與教學具有高度的一致性，這是最有生命力的實踐性研究。在基于真實問題的真正教育實驗研究過程中教師不僅豐富了自身的教育理論，思維更加縝密嚴謹，而且教師對自身教學和學生學習會有更多本質上的思考，會有發自內心的研究沖動。筆者希望教育科研能夠成為每一位教師的工作方式，做一名研究型的教師，是新時代教師的光榮職責，也應是新時代教師追求卓越的目標。