發展“科學探究與創新意識”素養的高中化學教學實踐

楊喜燕

摘? 要：文章以“甲烷和氯氣反應”教學為例，通過創設真實實驗情境，引領學生提出假設、設計實驗、初步驗證、分析并解釋實驗現象，針對實驗出現的問題，交流討論并提出改進意見，最終結合對反應機理的理解，設計最優方案并驗證。在高中化學教學過程中引領學生體悟“預測—設計—分析—評價—改進”的科學探究過程，有助于促進學生“科學探究與創新意識”素養的提高，以供相關教育工作者參考。

關鍵詞：科學探究；創新意識；甲烷與氯氣

一、問題的提出

（一）基于發展核心素養的需要

“科學探究與創新意識”作為五大學科核心素養之一，指的是“認識科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動；能發現和提出有探究價值的問題；能從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗、調查等方法進行實驗探究；勤于實踐，善于合作，敢于質疑，勇于創新”。就是說，學生要在探究中學會合作，面對“異常”現象敢于獨立思考并提出自己的見解。北京師范大學王磊教授認為，化學學科五大核心素養中，科學探究與創新意識最重要，是其他素養的核心。

實驗探究的主題是重點培養學生的實驗探究能力，重點發展的化學學科核心素養是科學探究與創新意識，證據推理和模型認知，同時可以提升學生的科學態度和社會責任。在實驗探究活動中，宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想也將有發展。

（二）化學實驗教學的現狀

目前高中化學實驗課主要以教師講授理論知識或實驗解題訓練為主，實驗僅作為輔助教學手段，對學生的實驗教學普遍缺乏重視。受課時的限制，在課本必做的實驗中，教師也去繁從簡將很多探究實驗改為演示實驗，使學生失去了自主探究學習的機會和樂趣。同時，由于部分教師教學理念滯后、教學效率低下，無法通過實驗教學激發學生的創造性思維，實驗的教學功能被淡化甚至被忽略。

（三）教材實驗存在的問題

甲烷與氯氣的反應是學生學習有機化學的第一個實驗，該實驗對理解甲烷的性質及甲烷與氯氣的取代反應有重要意義，也能為學生深入學習有機反應機理打下基礎。課本實驗方案存在反應速率慢、現象不明顯、成功率低的特點，且容易造成氯氣泄露對環境和人體都有害，教學過程中教師基本不做這個實驗，通常是用實驗視頻或動畫替代。

二、“甲烷與氯氣反應”教學實踐

（一）課標要求分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對本節內容的要求是：以甲烷、乙烯、乙炔、苯為例認識碳原子的成鍵特點，知道氧化、加成、取代、聚合等有機反應類型。通過模型拼插等活動引導學生認識有機化合物中碳原子的成鍵特點、價鍵類型及簡單分子的空間結構。提倡采用觀察實驗現象、聯系生產生活實際、歸納總結等策略對有機化合物的結構、性質及應用進行教學。

（二）教材內容分析

甲烷作為最簡單的有機化合物，甲烷和氯氣的反應都是作為取代反應概念的載體，通過對比“甲烷與氯氣的反應”在現行三套教材中的內容安排可知，三套教材在內容安排上基本一致，都是通過呈現甲烷和氯氣的四步反應方程式，分析化學鍵的變化情況，歸納取代反應的定義。

通過對比“甲烷與氯氣的反應”在三套教材中的實驗設計，現行三套教材對甲烷和氯氣反應實驗的呈現方式各有不同。人教版和蘇教版的甲烷與氯氣反應的實驗裝置基本相同，實驗內容主要區別體現在以下三點：第一，原料氣的比例：蘇教版中甲烷和氯氣體積比為1∶4，人教版的甲烷和氯氣體積比為1∶1。第二，光源問題：蘇教版用“燈光”照射，人教版“放在光亮處”（不要放在日光直射的地方）。第三，蘇教版是單一實驗，新、舊人教版是對比實驗（是否光照）。魯科版則刪除了取代反應的實驗，直接以實驗事實的形式呈現。

（三）教材實驗設計存在的問題

通過分析2019人教版教材64頁甲烷與氯氣反應裝置及內容，實驗過程中未明確光源類型、照射時間等實驗條件，通過大量實驗探索發現實驗結果差異較大。同時存在以下缺陷：氣體易逸出，實驗裝置不夠環保，在正常光亮條件下實驗8～10分鐘后反應現象仍不明顯，反應速度慢，在有限的課堂時間內完成不實際。基于課標和教材的要求，教師可以嘗試在教學過程中通過真實的實驗情境引導學生思考并改進實驗。

（四）教材實驗改進及教學實施思路

發展“科學探究與創新意識”素養的教學實踐中，需要注重引領學生進行相應的學習活動，并將核心素養各要素落實到各活動環節中，具體教學思路如表1所示。

三、“甲烷與氯氣反應”實驗改進及效果

（一）氣體比例

查閱大學教材可知：CH4與Cl2的反應是游離基取代反應，在光照條件下Cl2分子中Cl-Cl鍵均裂成為游離基，與CH4分子發生有效碰撞時，從CH4分子中奪取H原子引發取代反應。在其他條件一定時，反應速率很大程度上受Cl2體積分數大小的影響。

新、舊人教版教材中甲烷與氯氣體積比為1∶1，新蘇教版氣體比例為1∶4。查閱文獻可知，劉英杰通過大量的實驗發現CH4與Cl2體積比可控制在1∶4～1∶1之間，也有研究者認為體積比1∶3實驗效果也很好。教師通過控制變量實驗將甲烷和氯氣氣體體積比分別確定為：1∶1、1∶2、1∶3和1∶4，本實驗條件下通過對比得出CH4與Cl2氣體體積比為1∶3效果最好。

（二）光源選擇

甲烷和氯氣的反應屬于光化反應，光化學反應依賴于光活化，而光活化程度與光的強度成正比，所以反應可以在室溫下、在足夠強的光源下進行。在光源的選擇上，教師也做了以下探討：

第一，普通日光：實驗時間長，受氣候影響較大。第二，白熾燈：反應速度較慢，現象不明顯。第三，鎂條燃燒：燃燒速度快且白光很刺眼，持續反應需要不斷點燃鎂條。第四，紫外光燈：對人體造成傷害，不環保。第五，高壓汞燈：環保且效率高。在CH4與Cl2氣體體積比為1∶3時，通過用不同的光源照射進行對比實驗，實驗結果表明：在本實驗條件下，用高壓汞燈照射的實驗效果最好，故最終選取的光源是自鎮流125W熒光高壓汞燈。此外，教師也嘗試在針劑瓶中利用注射器混合兩種氣體，利用壓強使甲烷和氯氣充分反應，現象也較明顯，但反應條件不是光照，在方程式書寫時易誤導學生，故最終沒有采用該方法進行實驗。

（三）實驗改進方案

通過學生的小組討論，教師結合反應機理及反應歷程，引導學生自評并互評實驗方案，最終得出本實驗的最佳改進方案：用排飽和食鹽水法收集約1/4試管的CH4和3/4試管的Cl2，將試管固定在鐵架上，用高壓汞燈照射2～3分鐘。可明顯觀察到試管內氣體顏色變淡，形成白色霧，試管壁上形成油類液滴，說明該反應能夠進行。該實驗方案反應速度快，實驗用時短（2～3分鐘），現象明顯，成功率高。

四、“甲烷與氯氣反應”教學反思

甲烷是最簡單的有機化合物，也是學生第一個認識的有機化合物。物質的結構決定性質是化學的基本邏輯之一，與認識無機物類似，認識有機物也要遵循并體現“結構決定性質”的觀念。學生在化學必修第一冊已經學習化學鍵的知識，知道碳原子的成鍵特點。本節內容前兩課時也已掌握用球棍模型拼插甲烷的空間結構，本節課的教學目標是通過對甲烷和氯氣取代反應的實驗探究和反應機理的微觀探析，進一步夯實學生“結構決定性質”的學科觀念。同時在實驗探究中通過預測甲烷和氯氣反應的實驗現象，診斷和評價學生已有的“結構決定性質”認知水平；通過拼插甲烷與氯氣球棍模型并模擬反應歷程，診斷和評價學生對化學反應本質是“舊鍵斷裂和新鍵形成”的認知水平；通過實驗探究過程中生成性的問題，激發學生對實驗事實進行交流、討論、質疑，進而研討改進優化方案，最終突破認知障礙，構建對有機化學反應機理的新認知。

科學探究的一般過程從發現問題、提出問題開始，再根據已有知識對問題的答案提出假設，進而設計探究方案進行驗證，得到結果。但并不是所有的問題都能一次探究就得到正確的結論，有時候由于探究方案的不完善或操作的不恰當也會得到錯誤的結果。因此在得出結論后還要對整個實驗探究的過程進行反思，多角度地重新提出新的假設再進行新一輪的科學探究。本節課以“甲烷和氯氣的反應”為載體，通過對實驗問題的猜測、設計、驗證、分析、質疑、改進及再驗證，引領學生體悟“預測—設計—分析—評價—改進”的科學探究過程，教學內容層層遞進。在教學過程中學生能深度參與課堂，多角度思考實驗的問題，面對實驗的異常現象能發散思維，及時反思改進，尋求更充分的證據，充分體驗科學探究的曲折和樂趣。實踐證明：通過改進后的實驗現象和拼插球棍模型體悟甲烷和氯氣的反應歷程，能幫助學生更好地理解取代反應的機理，進一步夯實“結構決定性質”的學科觀念。基于發展“科學探究與創新意識”的教學活動不僅有助于學生思維能力的培養，還對化學學科核心素養其他四個維度的發展都有明顯促進作用。

實驗探究是幫助學生從感性認識上升到理論認知的重要手段，教材中的實驗素材作為一種重要的教學資源，其價值并不僅在于實驗的成功展現，如何挖掘實驗素材的價值并讓其價值最大化，也應該是一線教師面臨的新課題。在日常實驗教學中，不應過分追求實驗方法的“新”“異”，也不應局限于改進或創新設計結果的呈現。教師要把握好設計過程中發現問題、思考解決途徑、探究設計方案的結構化思路流程，讓學生重點體驗問題提出及解決的過程，發揮學生的主體作用，在思考、改進、設計中調動高階思維，培養批判性思維與實踐能力，實現化學學科核心素養的發展。

參考文獻：

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（責任編輯：廖? 藝）