培養“科學態度與責任”的化學實驗教學

陳艷虹

摘要：實驗是研究化學最主要的方式和手段，在初中化學教學中有著重要的認知價值，對學生核心素養的培養具有重要的作用。初中化學實驗教學中，教師可通過強調步驟原理、關注尾氣處理、優化實驗方案等，幫助學生發展探究欲、樹立生態文明的理念、錘煉嚴謹求實的科學態度。

關鍵詞：初中化學；實驗教學；核心素養；科學態度與責任

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出“化學課程要培養的核心素養，主要包括化學觀念、科學思維、科學探究與實踐、科學態度與責任”［1］，并進一步指出科學態度與責任的主要表現包括“發展對物質世界的好奇心、想象力和探究欲……具有嚴謹求實的科學態度……樹立生態文明的理念”［2］。初中化學實驗教學中，教師可通過強調步驟原理、關注尾氣處理、優化實驗方案等，幫助學生發展探究欲、樹立生態文明的理念、錘煉嚴謹求實的科學態度。

一、 強調步驟原理，發展探究欲

化學實驗中，學生需要仔細觀察實驗現象，不放過每一個細節。尤其是有一些實驗的步驟有明顯的先后順序要求，那么，就可以進行對比實驗，通過現象分析，明確并強調實驗步驟的原理，幫助學生逐漸發展探究欲，培養科學探究的習慣。

例如，滬教版初中化學九年級下冊第8章中的“葡萄糖的檢驗”實驗，步驟為：在試管中加入2mL 10%的氫氧化鈉溶液，滴加5%的硫酸銅溶液4—5滴，混合均勻；再向上述試管中加入幾滴10%的葡萄糖溶液，并在酒精燈上加熱至沸騰。這是利用硫酸銅與氫氧化鈉反應制得氫氧化銅，氫氧化銅與葡萄糖在加熱條件下反應生成氧化亞銅。本實驗的關鍵是：需要用新制的氫氧化銅；制取氫氧化銅的反應需要在較強的堿性環境下進行；與葡萄糖混合后需要加熱。

為了凸顯實驗步驟的關鍵之處，教師可增加對比實驗，并引導學生根據實驗現象的不同理解實驗步驟的原理。增加對比實驗后的實驗過程如下：（1）取適量實驗室現有的氫氧化銅固體于試管A中，加入2mL 10%的氫氧化鈉溶液，然后加入適量葡萄糖溶液，振蕩，加熱，觀察現象。（2）在試管B中加入6mL 10%的氫氧化鈉溶液，滴加5%的硫酸銅溶液12—15滴，混合均勻，觀察現象；然后分出約13到試管C中，約13到試管D中；加熱試管B，在C、D兩試管中分別加入適量葡萄糖溶液，充分振蕩后靜置試管C，加熱試管D，觀察現象。（3）在試管E中加入2mL 5%的硫酸銅溶液，滴加10%的氫氧化鈉溶液4—5滴，混合均勻，觀察現象；加熱試管E，觀察現象。

學生通過試管A與試管D中的不同現象，可以理解檢驗葡萄糖需要用新制的氫氧化銅。由此，學生會自然生發的問題是：新制的氫氧化銅與已有的氫氧化銅有什么不同？從試管B與試管E中出現的沉淀顏色的不同，結合試管B加熱后藍色沉淀轉變為黑色固體，而試管E加熱后沒有明顯變化，可以推出兩種沉淀是不同物質，由此理解檢驗葡萄糖需要在堿性環境下新制氫氧化銅。自然引發的下一個問題是：不在堿性環境下生成的沉淀是否也能與葡萄糖反應？由試管C不加熱的，藍色沉淀變為深藍色沉淀，試管D加熱后，藍色沉淀最終轉變為磚紅色沉淀，可以理解檢驗葡萄糖的實驗需要在加熱條件下才能實現。引發的下一個問題是：是否一定需要加熱至沸騰？略微加熱是否可行？在試管D加熱至沸騰的過程中，可以觀察到先出現黑色沉淀，然后變為磚紅色。學生就會思考：黑色沉淀是什么？是否為氧化銅？后又變為磚紅色是氧化銅與葡萄糖反應的結果嗎？

初中階段，并不要求學生掌握葡萄糖的檢驗方法與原理，所以這部分內容僅在教材的《拓展視野》中出現。補充對比實驗的目的并不在于讓學生掌握某個知識點，而在于充分利用對實驗步驟的分析，加深學生對實驗原理的理解；同時，能激發學生的興趣，引發后續的探究問題，發展學生的探究欲。

二、 關注尾氣處理，樹立生態文明的理念

化學實驗中通常會涉及有害氣體，任意排放會環境污染。因此，在相關實驗教學中，可有意識地引導學生關注尾氣處理，思考如何避免污染環境，促使學生培養保護環境的習慣和意識，樹立生態文明的理念。

例如，滬教版初中化學九年級上冊第1章中的“加熱碳酸氫銨”實驗，裝置如圖1所示。

教學中，教師首先按照圖1組裝實驗裝置，進行演示實驗，請學生觀察實驗現象；然后提供氨氣和二氧化碳的部分信息，并提出三個問題：實驗中用到的容器是什么？實驗中的產物去哪里了？實驗對環境是否有影響？

學生討論后認為：實驗中選擇蒸發皿作為反應的容器，蒸發皿是不可能密封的，所以實驗中的產物逸散到了空氣中；加熱碳酸氫銨后的產物中有氨氣，根據信息提示，氨氣是一種有毒的氣體，會污染空氣。

教師順勢引導學生思考：老師想讓每一位同學都做一遍這個實驗，你們覺得是否妥當？學生由于已經意識到該實驗會產生有毒氣體污染環境，所以一致認為是不妥當的。順勢，師生一起思考、探究實驗裝置的改進，最終得到如圖2所示的實驗裝置。

改進后的實驗裝置有如下優點：選用試管作為反應容器，易密封；另取一支試管盛放澄清石灰水，并把產生的氣體通入其中，通過澄清石灰水變渾濁可證明產物中有二氧化碳氣體，試管口有小水珠能證明反應生成了水，這些現象充分說明了該反應是有新物質生成的化學變化；氨氣是極易溶于水的氣體，澄清石灰水能夠部分溶解產生的氨氣，處理一部分尾氣。此外，還可以在盛有澄清石灰水的試管口塞入雙孔橡膠塞，接上氣球，用以收集尾氣，然后集中處理。

三、 優化實驗方案，錘煉嚴謹求實的科學態度

化學實驗設計主要考慮以下幾個原則：科學性、可行性、安全性、簡約性、效果明顯。這也是優化實驗設計的方向。對此，教師可帶領學生通過對實驗方案的優化，初步學會批判性思維的方法，錘煉嚴謹求實的科學態度。

例如，滬教版初中化學九年級上冊中的“空氣中氧氣體積分數的測定”實驗，原料是紅磷；原理是利用紅磷燃燒消耗密閉空間內空氣中的氧氣，使密閉空間內的壓強減小，“壓迫”水進入集氣瓶中，根據進入集氣瓶中水的量推斷空氣中氧氣的體積分數；裝置如圖3所示。

教學時，教師提供幾種可燃物燃燒的最低氧含量數據（如表1所示），請學生討論分析該實驗是否有可以改進的地方。

表1可燃物燃燒的最低氧含量

可燃物最低氧含量可燃物最低氧含量氫氣5.9%汽油14.4%乙炔3.7%煤油15.0%乙醚12.0%黃磷10.0%乙醇15.0%棉花8.0%丙酮13.0%橡膠屑12.0%二硫化碳10.5%蠟燭16.0%在教師的指導下，學生交流的成果如下：

（1）該實驗的原理是利用紅磷燃燒消耗密閉容器內空氣中的氧氣，那紅磷在密閉容器中燃燒能把其中的氧氣消耗完嗎？

學生雖然沒有看到紅磷燃燒需要的最低氧含量，但是根據表格數據分析，認為：可燃物燃燒一般都需要達到一定的氧含量，當氧含量低于閾值時，可燃物不會燃燒起來或燃著的物質會熄滅。因此，該實驗中盡管紅磷過量，但是當紅磷熄滅時，并不可能耗盡密閉容器內的所有氧氣，所以進入集氣瓶中水的量最多只能是消耗掉的氧氣在空氣中的體積分數，而并非全部氧氣在空氣中的體積分數。如果其他操作都合理正確的話，那么進入集氣瓶的水應小于集氣瓶容積的五分之一。因而，要通過消耗氧氣來測定空氣中氧氣的體積分數的話，需要選擇能將氧氣耗盡的物質和反應。

（2）實驗操作時存在不可避免的誤差，怎么辦？

通過演示實驗，學生認為該實驗對操作要求比較高，其中之一是“將點燃的紅磷迅速伸入集氣瓶內，塞緊橡皮塞”。盡管教師在操作時已經很迅速了，學生還是觀察到，在將紅磷伸入集氣瓶時就有白煙從瓶口冒出。白煙是可以看到的，看不到的一些氣體是否也“逃”出來了？很難保證沒有氣體因紅磷燃燒放熱而被排出集氣瓶，那么進入集氣瓶內的水就會有所增加。

（3）實驗裝置是否也會導致誤差產生？怎么解決？

學生認為，裝置不是一體的，整套裝置涉及橡膠塞打孔，一個孔容納導管插入，另一個孔容納燃燒匙插入，玻璃導管上要連接橡膠導管，并使用止水夾。這些連接都要求密封性良好，否則會產生較大的實驗誤差。

在學生分析的基礎上，教師提示學生對比拉瓦錫的實驗（裝置如圖4所示）。學生發現，拉瓦錫的實驗的原料是汞，原理是汞在加熱條件下消耗氧氣，使密閉容器內壓強減小，液面上升，根據上升的量推斷空氣中氧氣的體積分數，不存在燃燒也就不存在最低需要的氧含量，能將空氣中的氧氣耗盡。該實驗的密封性很容易做到，曲頸甑伸入玻璃鐘罩，而玻璃鐘罩扣在汞槽中，汞起到液封的作用。

學生基于前面實驗的經驗，討論后覺得可以利用“鐵的銹蝕”實驗（裝置如圖5所示）進行替換。鐵銹蝕會消耗氧氣，雖然同樣也會存在最低檢測含量的問題，但是不燃燒的氧化對氧含量的要求低許多，結果會更接近事實；操作也比較簡便，動作快慢都沒有影響。

教師追問：同樣會有裝置密封性問題，能否簡單地做到裝置密封？能否比較精確地觀察到氧氣被消耗的量？

在教師的提示與引導下，學生討論得到如圖6所示的實驗裝置。可采取的實驗步驟如下：取一些細鐵絲繞成球，用稀鹽酸除去鐵銹后，塞到一只10mL量程的量筒底部；然后在量筒內裝入少量水，拇指按住量筒口，把量筒倒放在一只盛有水的大燒杯中，讀出此時量筒內液面的刻度V1；每天觀察現象，一周后再讀出量筒內液面的刻度V2；兩次液面刻度的差V1-V2（由于量筒倒放，所以水越多刻度越小），即可看作消耗掉的氧氣的體積，再除以10-V1，就得到氧氣在空氣中的體積分數。

本實驗對操作的要求較低，學生容易做到，而且能夠熟悉量筒的使用。通過每天的觀察，學生能體會到有些反應的發生是比較緩慢的。隨著每天液面的不斷上升，學生探究的興趣將持續被繳發。學生還會發現一個實驗可以有多種用途，之前學習的實驗稍作改進就能用作后續的研究。

參考文獻：

［1］［2］ 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：5，7.設計指南