實驗在高中化學概念教學中的應用探索

◇洛陽師范學院化學化工學院 夏丹丹 盧怡靜 趙 鈺 馮 勛 張 甜

高中化學涉及許多抽象性強的概念，傳統的灌輸式教學不利于學生全面、深入地理解化學概念。在“素養為本”的理念下，筆者嘗試挖掘實驗在理解概念中的重要價值，通過實驗手段引導學生主動參與課堂、完成自主建構，深化對基礎概念的認識和理解，實現感性認識到理性認知的飛躍。本文探索了演示實驗、探究實驗、數字化實驗、興趣實驗在氧化還原反應教學中的應用，以期改變化學概念教學中教師教和學生學的方式。

1 引言

化學概念教學是化學教學的關鍵點與難點，也是學生學好化學的基石。目前的化學概念教學中常見的方法是教師直接講授概念的定義，讓學生被動地接受化學概念，然后通過大量習題去鞏固概念并機械記憶，這種傳統的化學概念教學方式不僅低效而且忽視了概念學習對促進學生思維發展的作用。學生在學習紛雜抽象的化學概念時往往存在認知障礙，不能真正理解化學概念的內在含義，不易掌握化學概念在“宏觀—微觀—符號”之間的轉換。在實際教學過程中，教師通常將實驗教學與概念教學分開，導致實驗和理論教學兩張皮，沒有很好銜接。因此，教師轉變化學概念教學觀念勢在必行，教師應緊密圍繞學科核心素養研究化學概念教學，從更新實驗內容和方式、創新實驗裝置、開展數字化實驗、組織興趣實驗等方面入手，合理利用實驗提高化學概念教學的質量，打破傳統課堂重概念記憶輕知識遷移，重題海戰術輕實質理解的局面，使實驗更好地輔助化學概念教學，發展學生的化學學科核心素養。

2 內容分析

2.1 氧化還原核心概念的重要性

氧化還原反應位于人教版高中化學必修一第一章第三節，是高中化學知識的重難點和化學核心概念之一，在整個中學階段占據了重要的位置，該知識點是學習元素化合物、電化學等知識的基礎，氧化還原核心概念的掌握情況直接影響以后的化學學習。氧化還原相關概念繁多，規律抽象且難以理解，因此可借助實驗促進學生從低階的概念理解轉化為高階的規律掌握和應用。

2.2 化學實驗在概念教學中的作用

《普通高中化學課程標準》（2017版2020修訂）指出實驗教學可以幫助學生形成化學概念[1]，充分發揮化學實驗的獨特價值有利于學生自主構建化學概念。概念形成的過程是不斷提出假設并驗證假設的過程，而化學學科中驗證假設的有效方法便是實驗，實驗能夠很好地解釋概念的內涵與外延，化學概念的建構也促進學生更深入地理解實驗，兩者相輔相成[2]。通過實驗引導學生建立概念有利于實現“以講授為中心”到“以探究為中心”的轉變。巧妙利用化學實驗可以化抽象為形象，轉迷思概念為正確認識，幫助學生深層次地理解和掌握概念，最終實現化學概念的靈活應用，使學生成為核心概念的建構者。

3 實驗輔助概念教學實例

3.1 借助演示實驗，感知化學概念

化學是從微觀上描述物質本質的學科，借助演示實驗可以讓抽象思維能力薄弱的高中生對化學概念進行直觀感知。操作性強的實驗可由教師親自演示，教師通過演示變色龍、化學紅綠燈、火龍寫字或黑布作畫等與氧化還原有關的趣味實驗來創設情境，引導學生初步感知氧化還原反應，拉近化學概念與學生之間的距離。存在安全隱患或不易觀察的實驗可選擇多媒體演示實驗，在探究氯化鈉形成的微觀過程時，播放金屬鈉在氯氣中燃燒生成氯化鈉的實驗視頻及微觀動畫，引導學生基于宏觀實驗現象探究微觀本質，感知鈉原子和氯原子通過得失電子變成離子的過程，進而掌握電子得失與化合價升降的關系；在學習共用電子對偏移的概念時，播放氫氣和氯氣反應生成氯化氫的實驗視頻及微觀動畫，學生通過直觀觀察微觀粒子的運動特征認識微觀世界，之后利用單雙線橋表征氧化還原反應的實質，引導學生基于三重表征初步認識和形成氧化還原反應核心概念。教師可將微格教學、微課以及實驗微視頻引入到演示實驗教學中，為學生提供自制教學視頻及資料，學生在碎片化時間可反復學習視頻，進而深度掌握所學內容，此教學模式不僅為學生提供了新的學習方法[3]，還能提升教師的教學技能，幫助學生從宏觀到微觀、從變化到平衡等方面得到提升，有利于調動學生多感官協調并用。教師的直觀教學要配合直觀的語言講解，切不可讓多媒體代替了教師的主導地位。

3.2 借助探究實驗，理解化學概念

化學課程標準強調在化學探究中內化相應的化學知識點，借助探究實驗促進學生對概念本質屬性的理解。在驗證氧化還原反應電子轉移的本質時，教師可引導學生對銅鋅實驗進行探究與改進，學生經歷“猜想 —驗證 創新 —總結”的自主探究與合作探究過程，加深了對概念內涵和外延的理解。開展探究實驗教學不要僅僅拘泥于教材，教師需引導學生自主發現和提出有探究價值的化學問題，依據探究目的設計并優化實驗方案，養成獨立思考、敢于質疑的創新精神。按照傳統銅鋅實驗開展實驗探究教學會出現和教材結論有偏差的現象[4]，雖然可以達到一定的教學效果，但存在一些弊端：反應過程中鋅片表面產生的氣泡多于銅片表面、電流不穩定并逐漸減小等情況不利于學生抓住氧化還原反應的實質，甚至會誤導學生。因此，教師設計開展優化的銅鋅實驗幫助學生掌握氧化還原反應的實質是十分必要的。筆者對本實驗進行了創新：在鋅片附近加入硫酸鋅固體形成以Zn2+為主要陽離子的雙電層以減少鋅片表面氣泡的產生，在實驗裝置中加入質子交換膜以保證電流穩定性，使探究實驗教學更具科學性[5]。基于以上所述，探究過程中教師與學生活動及素養目標見表1。

表1 教學活動流程

基于教學環節，可創設出問題線、知識線、活動線和情感線四條主線，四線相輔相成，輔助探究實驗教學，詳情見圖1。

圖1 探究活動流程

3.3 借助數字化實驗，領悟化學概念

數字化實驗將先進的便攜技術、網絡技術與現代教學理念相融合，將定性描述轉變為定量數據，將數據信息轉變為曲線圖像，將孤立信息轉變為綜合信息，彌補了概念教學中僅依靠文字表述與宏觀現象分析的不足。在氧化還原反應的教學中，教師可以組織開展高錳酸鉀和亞硫酸鈉發生氧化還原反應使溶液發生顏色變化的數字化實驗，通過測量向KMnO4溶液中滴加Na2SO3溶液過程中的電勢變化，引導學生在曲線的實時變化中體會微觀化學反應，建構“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征[6]，從定性定量兩個角度抓住氧化還原反應的本質特征，完成對氧化還原反應相關概念的復習。開展數字化實驗教學時，應注重發揮學生的主觀能動性，引導學生從多種表征角度體悟概念的學習。實驗的改進過程如下。

實驗儀器：氧化還原傳感器、滴數傳感器、磁力攪拌器、數據采集器、計算機。

實驗試劑：酸性KMnO4溶液、Na2SO3溶液。

實驗主要步驟：①按要求安裝好滴數傳感器、氧化還原傳感器等實驗裝置；②將裝有KMnO4溶液的燒杯放置于磁力攪拌器上，將氧化還原傳感器插入KMnO4溶液中，向滴管內加入Na2SO3溶液；③打開氧化還原傳感器、滴數傳感器、實驗軟件和磁力攪拌器并開始數據采集；④待數據收集完畢保持穩定后停止采集，關閉滴管閥門停止滴定。

實驗觀察：溶液變色情況以及儀器顯示的溶液電勢變化曲線圖。

圖2 數字化實驗裝置圖

圖3 電勢變化曲線圖

3.4 借助課外興趣實驗，應用化學概念

興趣實驗是對課內知識的延伸與補充，積極參與課外實驗能加深對化學概念的理解，做到學以致用。教師需結合教學內容的特點、從學生實際出發，盡可能多的為學生提供能夠獨立完成的興趣實驗素材，積極組織和指導學生開展課外興趣實驗。學生發現問題后通過查閱資料、設計方案、實驗探究、小組合作、交流討論等方法找出合理的解決方案，在親歷問題解決的過程中鞏固化學概念。例如，在探究如何防止蘋果變色、食物腐敗、鋼鐵腐蝕等常見的氧化現象時，結合所學設計實驗并驗證猜想，掌握預防氧化的有效措施，感受化學與生活的緊密相連。通過觀看汽車尾氣綠色化處理的相關實驗視頻和資料，學習如何用氧化還原原理減少汽車尾氣對環境的污染，了解可持續發展賦予化學的使命，增強生態文明意識和社會責任感。此外，家庭實驗也能激發學生的探究欲望，如法老之蛇、大象牙膏、白紙顯字，銀飾恢復原色、碘水褪色等氧化還原興趣實驗。學生親身操作安全有趣的化學實驗，體會化學的魅力，在實踐中完成對氧化還原反應相關概念的建構。

4 結束語

在教學實踐中，借助演示實驗、探究實驗、數字化實驗和課外興趣實驗完成對化學概念的感知、理解、領悟與應用，彌補了傳統概念教學重視知識與技能傳授而輕視學科素養提升的不足，有助于走出“講解式”教學的誤區，掙脫應試教育的桎梏。在進行化學概念教學時，教師要將教學目標由“培養應試技能為中心”轉變為“培養核心素養為中心”，發揮各種實驗輔助手段獨特而重要的教學作用，巧借化學實驗優化化學概念教學，引導學生完成自我驅動，更深層次地理解和掌握知識，從而提高化學概念學習的質量。