基于翻轉課堂的化學實驗有效改進案例研究

李應育

[摘要]以人教版化學九年級上冊“質量守恒定律”的實驗教學為例，結合化學學科的特點，運用現代化教學方法與手段，結合課程學習內容的需要，將如何改進教材的演示實驗為問題導向，引導學生通過課前自主學習、課堂小組合作探究的翻轉課堂教學模式有效改進化學實驗，培養學生提出問題、分析問題并通過實驗探究解決問題的能力。

[關鍵詞]翻轉課堂;質量守恒定律;化學實驗;有效改進

[中圖分類號]

G633. 8

[文獻標識碼] A

[文章編號] 1674-6058（2020）17-0076-03

一、教學背景分析

化學是一門以實驗為基礎的學科，化學實驗是培養學生動手實踐能力的一個重要環節。著名的化學家戴安邦說過，化學實驗教學是實施全面化學教育的一種最有效的教學形式。

日前，教材中的化學實驗是以驗證性實驗為主。在實驗前，制訂好實驗方案，設計好詳細的操作步驟，準備好所需的實驗儀器、實驗藥品等，讓學生按要求完成實驗，在實驗中形成概念，或者驗證、理解所學的化學知識。這種化學實驗教學已經不能適應新時代的教學需求，要切實提高學生的化學學習實踐能力，發揮實驗在化學教學中的最大作用，還需要對現行的化學實驗教學進行的改進和創新。

下面以翻轉課堂教學模式下的“質量守恒定律”實驗教學為例，了解化學實驗的有效改進策略。

1.教材分析

“質量守恒定律”是人教版化學九年級上冊第五單元的第一課題。在本課題前，教材已經介紹了一些基本的實驗操作，同時也簡單滲透了部分物質微觀結構的化學理論知識。

通過前面的學習，學生對化學反應已經有了初步認識，知道物質經過化學反應可以生成新的物質，理解化學反應的特征;對物質的微觀結構有了一定的認識，初步建立了微粒觀，知道化學反應過程中原子是不發生變化的;但沒有把化學反應與物質的質量變化聯系起來。質量守恒定律的探究實驗是初中化學的第一個定量分析實驗，它揭示了化學反應過程中反應物和生成物之間的質量關系，是學好質量守恒定律的直觀載體。

教材利用兩個化學實驗“探究紅磷在密閉容器中燃燒”“硫酸銅溶液與鐵釘反應前后的質量關系”，由反應前后天平平衡引出質量守恒定律的概念;另外還安排了兩個演示實驗“碳酸鈉與稀鹽酸的反應”“鎂帶的燃燒”，展示了反應前后質量不相等導致天平失衡。由此提出問題：這兩個演示實驗中的化學反應是否違反了質量守恒定律呢？顯然，答案是否定的。但是在學習過程中，有不少學生因為沒有弄清楚天平失衡的原因而被實驗結果所迷惑，不管給出的數據是否是物質質量的總和，就以此來判斷是否符合質量守恒定律，成為質量守恒定律應用中最容易出錯的地方。

2.教學設計思路

本課結合翻轉課堂展開教學，以解決常見難點、疑點問題，滿足學生學習的實際需要。課例的教學思路設計為：安排課前學習任務一課上以問題為導向，引導學生尋找解決問題的方案并實驗探究一展示實驗結果一練習鞏固及小結。其中的教學重點是：改進碳酸鈉與稀鹽酸反應的實驗設計，讓學生通過親身實驗，加強理解反應前后質量不相等的原因，有利于學生順利解決有關質量守恒定律的疑難問題。

二、翻轉課堂教學模式下的教學重構設計

翻轉課堂教學流程具有結構化特點，課前學習是以發展學生的低階思維為主，主要是針對基礎知識點的微課學習、一些基本任務和學習效果評測。而課堂教學和課外拓展則是以發展學生的高階思維為主，課堂活動主要是培養學生解決問題的能力以及分析評價的能力，從而提高學生的審辨性思維能力;課外拓展則以學生的創新思維與創新能力為主要培養日標。

1.課前學習任務設計

（1）課前學習微課視頻（時長6'33"）設計（見表1）

（2）課前導學案設計

課前導學案分為課本實驗探究的內容梳理和基礎檢測題兩部分。內容梳理主要為實驗探究過程的記錄及質量守恒定律的簡單分析，引導學生從微觀角度對質量守恒定律進行思考。基礎檢測題共有6道，目的是加強學生對質量守恒定律基礎知識的鞏固，如計算反應物或生成物的質量以及反應前后元素種類的簡單判斷，以此檢測學生課前學習的效果，以及發現學生在課前學習中存在的問題。

2.課堂教學設計

（1）設疑微課視頻（時長5'31"）設計（見表2）

（2）導學案設計

導學案設計分三部分，第一部分為演示實驗的實驗現象記錄，日的是突出實驗前后質量不相等的結果，引起學生的認知沖突，激發學生的探究欲望;第二部分為提供改進實驗所需的儀器或生活中的替代品、藥品，要求學生設計實驗改進方案，并根據設計思路畫出簡易的實驗裝置圖;第三部分為能力提升訓練，側重于質量守恒定律的應用，如判斷反應物或生成物的元素組成、構建微觀粒子模型及確定反應物或生成物的化學式等。

3.學習活動設計

環節一：銜接。展示學生的課前學習導學案，點評學生在課前學習中存在的問題。

環節二：設疑。觀看“質量守恒定律（二）”微課，記錄相關實驗現象并提出問題：為什么反應前后天平不平衡？讓學生思考：如何改進實驗才能令反應后的天平平衡？

環節三：設計改進實驗并利用提供的器材、藥品進行實驗探究。

環節四：實驗改進成果展示、交流。

環節五：強化訓練，歸納小結。

三、實驗改進方案設計及分析

1.學生的實驗改進方案

由于學生已在微課“質量守恒定律（二）”的實驗歸納中了解到碳酸鈉與稀鹽酸反應前后質量不相等，是因為在敞開的容器中反應生成的C0²氣體逸散的緣故（如圖1）。要實現實驗日標令碳酸鈉與稀鹽酸反應前后天平仍然保持平衡，前提是反應須在密閉容器中進行。經過小組合作、討論，學生最終設計的實驗改進方案主要有以下三種（如圖2、圖3、圖4），基本符合教師的課前預設。

（1）方案一

如圖2所示，改用錐形瓶代替原來的燒杯作為反應容器，碳酸鈉粉末直接放置在錐形瓶內，稀鹽酸則是裝在小試管中并小心放入錐形瓶內，用膠塞塞好錐形瓶。實驗前先稱量裝置質量，然后將裝置傾斜使小試管內的稀鹽酸流出并與碳酸鈉粉末接觸，反應完畢后再將裝置放回托盤天平進行稱量。

（2）方案二

如圖3所示，在方案一的基礎上，在膠塞上打孔插入玻璃管，并在玻璃管的末端系上一個氣球。

（3）方案三

如圖4所示，用生活中常見的塑料汽水瓶代替燒杯作為反應容器，碳酸鈉粉末直接加在塑料汽水瓶內，稀鹽酸則是裝在小試管中并小心放入塑料汽水瓶內，擰緊瓶蓋。實驗前先稱量裝置質量，然后將裝置傾斜使小試管內的稀鹽酸流出并與碳酸鈉粉末接觸，反應完畢后再將裝置放回托盤天平進行稱量。

2.實驗改進的有效性分析

在六個實驗小組中，有兩個小組采用方案一，在成果展示時其中一個小組的發言人坦言由于膠塞塞得不夠緊，反應后稱量時，膠塞突然沖出而導致實驗失敗，無法達到實驗改進的日的。

而另一個小組的發言人說他們小組也遇到相同的情況，但隨即重新設計得到方案三并順利完成實驗。在反應前后的兩次稱量中，托盤天平保持平衡，成為唯一有效達到實驗改進日的的小組。

其他四個小組參考紅磷燃燒實驗，采用了方案二，反應后稱量時發現天平指針不同程度地偏右。而氣球大小在稱量過程中基本保持不變，排除裝置漏氣的可能，從而推測可能是氣球膨脹而導致裝置受空氣的浮力作用進而影響了實驗結果，實驗改進無效。

四、教學反思

針對質量守恒定律的疑難問題，在實驗改進的教學中，方案二不僅是多數實驗小組的選擇，同時也是教師預設的最理想的實驗改進方案。

學生之所以采用方案二，除了滿足密閉反應容器的前提條件外，主要是受紅磷在密閉容器中燃燒的探究實驗的影響，即在容器上系氣球可以有效避免膠塞在實驗過程中因壓強增大而被沖出。但兩者間是存在差異的，紅磷燃燒后因反應消耗容器中的氧氣，最后氣球是癟的，即反應前后容器的總體積基本不變。而碳酸鈉與稀鹽酸反應后產生的二氧化碳氣體會令氣球膨脹，引發了浮力變化，直接影響了實驗結果，最終導致實驗改進失敗。

課前教師之所以將方案二作為預設的改進方向，更多的是受練習題或教輔資料中常常忽略空氣浮力的影響。這種想當然式的忽略令很多教師誤把方案二當作是最好的實驗改進方案，但從實驗結果來看，氣球膨脹的浮力影響在實驗過程中是不容忽略的。

方案三在教師的預設中只是作為備用方案，主要是希望學生通過用生活中的常用物品替代化學實驗儀器，實現多開展家庭小實驗的日標。但從實驗結果來看，這種“無心插柳”的備用方案卻是最好的。在學生展示該實驗改進后，教師讓學生輕輕擰開汽水瓶蓋，隨著瓶內氣體的一絲絲泄漏，托盤天平的指針逐漸向右偏轉，直觀反映出了天平失衡的原因。

新課程理念下的化學教學呼喚實驗創新，而引導學生對實驗進行創新改進必須基于實驗的有效性。本課例凸顯了一個問題，即預設的實驗改進方案沒能出現預期的實驗結果。這與想當然的實驗改進有關，實驗改進是一項嚴謹科學的事情，需要經過反復的驗證！

[參考文獻]

[1]羅成.新課改下初中化學演示實驗的有效改進策略[J].課程教育研究，2019（35）：155-156.

[2]王榮橋.改進化學演示實驗可視性的有效策略[J].化學教學，2016（5）：75-78.

（責任編輯 羅艷）