基于科學本質觀的學生必做實驗教學實踐
——以“水的組成及變化的探究”為例

郭建虹

一、新舊課標探究內容對比分析

《義務教育化學課程標準（2011 年版）》和《義務教育化學課程標準（2022 年版）》均規定了學生必做的8 個實驗，但2022 年版的課標在原有基礎上刪除了“溶液酸堿性的檢驗”，增加了“水的組成及變化的探究”，該實驗為什么會成為學生實驗的內容呢？筆者對此進行了初步探索與實踐。

（一）值得探究的知識

九年級化學教材遵循化學史發展的邏輯線，以對物質組成的兩個基本問題的思考（構成物質世界的基本本原是什么？物質的基本本原是怎樣構成物質世界的？）展開敘述。認識“水的組成”，是培養學生將“宏觀—微觀—符號”三重表征建立關聯的重要聯結點，也是學生認識“物質的組成”的事實性基礎知識。這一內容既深化、發展和完善元素觀，又引導學生對微觀粒子形成具象的認識，初步體會從定性與定量、元素組成與微粒構成相結合的角度認識物質及其反應。

有關物質組成的內容具有抽象性高、概括性強的特點。實驗的增設，可以豐富學生體驗，為學生的理論構想提供素材，有利于學生破除“水由氫氣和氧氣組成”的誤解，形成“元素是物質本原”的觀念。“化學反應中，氫氣和氧氣存在固定的、整數的體積比關系”的現象，有利于學生產生“物質是由一份一份的、具有一定質量的微粒構成的想象”，建立“原子是元素在物質中存在形式”的觀念，初步形成通過對產物定性檢驗、定量計量，運用分析、推理、想象等方法研究無機化合物組成的一般思路和方法。

（二）能夠探究的知識

從學生的因素考慮，物理和歷史學科亦在同時段有“電”的教學內容。通過物理的學習，學生掌握了連接電路的方法，具備安全使用“電”進行實驗探究的能力；通過歷史的學習，學生認識到“電”對社會發展的影響。那么，作為一種新的能量形式，“電”對于物質組成的研究，對于化學學科的發展會起著怎樣的促進作用呢？電，激蕩起社會、生活、科學的革命性變化，激蕩起學生進行化學實驗的好奇心和探究欲望。

從儀器材料的角度考慮，學生已經具備了安全、方便地獲得和使用電的能力，物理電學知識為學生提供了尋找實驗用品的判斷力。因此，學生能夠借助物理器材、生活用品組裝電解水裝置，并根據實驗室制取氧氣、二氧化碳的經驗設計氣體收集裝置。

從難易程度的角度考慮，太簡單的實驗，不值得探究；太難的實驗，探究不了。水作為研究對象，經歷過加熱、煮沸等操作，但未能“分解”，實驗具有挑戰性。從實驗操作看，學生熟悉的是傾倒、混合、加熱等操作，但未在化學實驗里用過電。從實驗裝置的角度看，反應產生兩種氣體，需要分開收集；水既是反應物，又起著排空氣的作用，需要將發生裝置和收集裝置合為一處，實驗雖有難度但可完成。

綜上，學生具備自主設計、組裝電解水裝置，完成“水的組成及變化探究”的能力。

二、基于科學本質觀的教學整體設計

（一）基于科學本質觀的教學目標分析

教學圍繞“拉瓦錫為什么認為水可以分”“學生自制電解水裝置”“學生繪制氫氣燃燒過程微觀圖示”三個任務展開，在理論推演、實踐活動、思維外顯圖示繪制中達成如下目標：

1.通過對“氫氣燃燒生成水”兩種解釋，認識到理論具有負載性，受科學家的理論、信念、學識經驗等影響，其研究結果也是社會和文化相互作用的產物。

2.通過“氫氣燃燒、碳和水的反應、電解水”的實驗，認識到科學家的定論是基于一定證據的支撐，而并非主觀臆想的。

3.通過對實驗現象的推理，分析水的元素組成，認識到觀察和推理存在不同。

4.通過繪制“氫氣燃燒生成水”的模型，基于證據，進行想象，建構理論，認識到理論是對自然現象的解釋，和定律有區別。

5.在實驗、推理、想象、建構模型的過程中，認識到科學方法并不單一，具有多樣性。

（二）學生實驗評價要素分析

學生設計、組裝、試驗、討論、修正、再設計、展示電解水裝置。從以下要素展開評價：

1.概念理解：能運用“合”和“分”的方法探究簡單化合物的元素組成

（1）通過水的合成、分解實驗，診斷并發展單質、化合物的概念。

（2）通過繪制反應微觀模擬圖，診斷并發展原子、分子的概念。

2.實驗能力：從實驗三要素（裝置、藥品、操作）進行評價

（1）試劑選用能力：小蘇打、食鹽的作用分析；電極材料的分析。

（2）儀器選用能力：收集容器口徑宜細、材料宜透明的依據分析。

（3）操作能力：電池連接方式的選擇；裝置密閉性的考量。

（4）解決問題的能力：從試劑、電極的角度分析提升反應速率的方案。

（5）分析推理能力：依據現象，推理、分析得出水是化合物的結論。

3.實驗思想

（1）設計思想：方案設計必須符合科學性、準確性、安全性要求；對實驗中出現的問題，能提出優化方案（電極材料、電解質的選擇）；對霍夫曼電解水器的理解與評價。

（2）創新意識：創造性解決未學的問題（發生裝置和收集裝置合二為一）。

（3）證據推理與模型認知：對實驗現象的推理和建模要講究證據、合乎元理論設定；合理運用科學的模型去認識、分析和解決問題。

三、教學流程

1.任務一：剖析實驗背景，認識研究物質組成的一般思路

【化學史資料】拉瓦錫用硬質玻璃管持續加熱水101 天，發現水的質量并沒有減少，加入碳，重新加熱，得到兩種可燃氣。經檢驗，兩種氣體密度不同，重的可燃空氣燃燒生成二氧化碳；極輕的一種氣體燃燒生成水，命名為hydrogen（產生水的要素）。

【問題鏈】（1）鎂條和醋酸反應生成一種可燃性氣體。如何確定該可燃性氣體是什么？

（2）對于可燃氣燃燒的解釋，燃素說認為是“可燃氣-燃素→水”；氧化說認為是“可燃氣+氧氣→水”，兩種解釋的區別是什么？如何證明？

（3）拉瓦錫于1794 年去世，伏打1800 年發明電堆。沒有電的幫助，拉瓦錫如何“分”水？

（4）碳和水在高溫條件下生成一氧化碳和氫氣，能說明水可分嗎？

【實驗】將該可燃氣依次通入石灰水、紫色石蕊試液中，再點燃并檢驗其產物。

【設計意圖】教師從相關化學史中提取問題，擯棄了實驗開展的盲目性和神秘性，使學生體悟到科學家的實驗設計是建立在對實驗事實的觀察、邏輯推理之上的，了解科學的一般方法和思維。學生認識到化學反應條件是化學反應的靈魂所在，體悟到技術對科學的促進作用。

2.任務二：自制電解水器，認識研究物質組成的一般方法

【演示實驗】觀察霍夫曼電解水器和學生電源。用霍夫曼電解水器演示電解水實驗并檢驗產物。

【學生活動】設計、組裝、測試，課堂上演示自制電解水器，展開自評、互評活動。（見表1）

表1 學生制表對“自制電解水器和霍夫曼電解水器”的比較

【設計意圖】學生自制的電解水器雖然簡單，但成功率低，在設計過程中，遇到一系列問題，如金屬做電極、氯化鈉做電解液會參加反應，反應速率慢，產生氣體量少，難以檢驗。學生在尋求解決問題的方法的過程中，認識到尋求證據嚴密性的實驗方案，認識到影響反應速率的因素。從失敗到成功，本身就是科學方法、科學精神的探究過程。

3.任務三：繪制微觀圖示，體驗科學理論的形成過程

【實驗事實】2 體積氫氣在1 體積氧氣中燃燒，產生2體積水蒸氣。

【化學史資料】1803 年，化學家道爾頓發表原子說，基本觀點如下：

（1）化學元素由非常微小的，不可再分的物質粒子——原子組成。原子在所有化學變化中均保持自己的獨特性質，原子既不能被創造，又不能被消滅。

（2）同一元素的原子質量完全相同。原子的質量是元素的基本特征。

（3）不同元素的原子以簡單數目的比例相結合，形成化合物，其組成遵循“最簡式原則”。

1805 年，化學家蓋·呂薩克針對氣體化學反應，對物質的體積變化進行研究，發現氣體反應簡比定律：同溫同壓條件下，相同體積的不同氣體含有相同數目的原子。

【學生活動】依據實驗事實和元理論知識，學生繪制氫氣在氧氣中燃燒的微觀圖示并進行評價。（見圖1）

圖1 學生繪制氫氣燃燒的微觀示意圖

【設計意圖】學生通過對自繪微觀示意圖的評價，能區分“混合”和“化合”，認識到水不是由氫氣和氧氣組成的；認識到化學反應中元素的種類不變，微粒種類發生變化，元素在物質中以原子的形式存在，化學變化中原子是不可再分的微粒；認識到“原子學說”發展到“原子-分子理論”不是一蹴而就的，而是基于實驗事實推理、想象、修正的歷程。

四、教學反思

本課以“致敬拉瓦錫”為思維活動線，引導學生在對“拉瓦錫為什么認為水可以分”的推演中，感悟邏輯推理之妙；在“自制電解水裝置”的實踐活動中，體驗制作技術與科學原理相互促進、彼此成就的緊密關系；以“拉瓦錫為什么沒有使用電解法”的歷史局限，啟迪學生“跨學科”融合思維，從元素數量爆發式增長的事實認識“電”對化學發展研究的促進作用；以繪制“氫氣在氧氣中燃燒”思維外顯圖示的創作，經歷“原子-分子說”的演變歷程，感受想象力在科學理論建立過程中的強大作用。

本課以“致敬霍夫曼電解水器”為實驗活動線，通過“自制電解水裝置”的實踐活動，啟迪學生“跨學科”融合思維，即從物理學科的角度認識“電路”連接及其控制，并審視“電”的利用對第二次工業革命的影響，從此元素數量爆發式增長，認識“電”對化學發展研究的促進作用，體驗制作技術與科學原理相互促進、彼此成就的緊密關系；學生設計的裝置雖然簡陋，但均可以分解水，稍加改進也能收集氣體并檢驗。在閱讀資料“拉瓦錫的生卒時間是1743—1794。1800 年，意大利教授伏打發明了世界上第一個連續發電器，為電學研究提供了穩定的容量較大的電源”時，學生不禁扼腕嘆息：“只差6 年！”那一刻，是化學史融入課堂的另一重意義，以生命激蕩生命，以悲憫之情、敬重之心培育珍惜時光的善良之人。