摘要:“創(chuàng)新實驗”是2014年江蘇省高中化學(xué)青年教師教學(xué)基本功大賽的一個項目。雖然大賽中展示的許多“創(chuàng)新實驗”具有科學(xué)性與實用性等特點,但是還存在著操作不規(guī)范、替代稍過度、裝置太復(fù)雜、原理欠科學(xué)等問題。要改進“創(chuàng)新實驗”的現(xiàn)狀和提高實驗教學(xué)的質(zhì)量,廣大青年教師應(yīng)該自覺堅持實驗操作規(guī)范、努力傳承化學(xué)學(xué)科特色、廣泛收集實驗改進方案、深入思考實驗設(shè)計原理,以確?;瘜W(xué)實驗的規(guī)范性、實用性和科學(xué)性。
關(guān)鍵詞:高中化學(xué);青年教師;教學(xué)基本功大賽;創(chuàng)新實驗
文章編號:1005–6629(2015)2–0030–04 中圖分類號:G633.8 文獻標(biāo)識碼:B
2014年江蘇省高中化學(xué)青年教師教學(xué)基本功大賽已經(jīng)落下帷幕。該項賽事自2011年起每3年1屆,比賽內(nèi)容包括粉筆字、即興演講、教學(xué)設(shè)計與課件制作、課堂教學(xué)、化學(xué)教學(xué)專業(yè)知識測試、實驗設(shè)計及操作技能等6個項目。在2011年的首屆比賽中,“實驗設(shè)計及操作技能”的內(nèi)容是現(xiàn)場公布的教材演示實驗,“通過實驗證明淀粉(蔗糖)本身沒有還原性,而水解產(chǎn)物具有還原性”,但“有不少參賽教師的實驗操作不規(guī)范、不嚴謹,同時失敗率也較高”[1]。2014年的第二屆比賽方案將“實驗設(shè)計及操作技能”調(diào)整為“創(chuàng)新實驗”,要求“基于課程標(biāo)準(zhǔn),各自提前設(shè)計一個適合高中課堂教學(xué)的創(chuàng)新實驗,體現(xiàn)創(chuàng)新價值與意義,具有科學(xué)性與實用性”[2]。從2014年5月公布比賽方案,到各地通過預(yù)賽推薦參賽選手,再到10月省級比賽的如期舉行,選手有比較充分的時間進行“創(chuàng)新實驗”的設(shè)計和操作訓(xùn)練,同時還可以借助“外力”,在一定范圍文獻檢索的基礎(chǔ)上進行設(shè)計,并在主動征求其他教師意見的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化。因此,“創(chuàng)新實驗”的展示讓廣大化學(xué)教師產(chǎn)生了許多期待,同時也成了本屆比賽唯一進行網(wǎng)絡(luò)直播(直播地址為http://hx.jssjys.com/Html/Article/2860/)的項目。
江蘇每屆高中化學(xué)青年教師教學(xué)基本功大賽共有26名選手,分兩組同時進行相關(guān)項目的比賽,這次“創(chuàng)新實驗”是比賽的最后一個項目,分別標(biāo)注為E組和F組。從F組13位選手的展示情況來看,其中許多“創(chuàng)新實驗”具有科學(xué)性與實用性等特點。如有選手在過去W型彎管改進化學(xué)實驗的基礎(chǔ)上,在W型彎管后增加了一個帶加料口的V型管,使其成為3個V型相連的彎管(如圖1),以便深度檢驗反應(yīng)的氣體產(chǎn)物;再有選手按照自己通過正交實驗探究得到的條件成功進行了蔗糖與濃硫酸“氣室制黑面包”的實驗,并有效處理了實驗中可能產(chǎn)生的尾氣;還有選手展示了有關(guān)“奇妙電池”的實驗,包括由U型管底部果凍鹽橋和左右兩側(cè)銅鋅半電池構(gòu)成的原電池,以及由兩組碳棒電極電解制成的氫氧燃料電池。同時,參賽選手在“創(chuàng)新實驗”的展示過程中也存在諸多問題。本文擬以F組13位選手的“創(chuàng)新實驗”為例,在分析存在問題及其緣由的基礎(chǔ)上提出相關(guān)改進對策,以供青年教師在提升自身專業(yè)素養(yǎng)的進程中參考。
1 “創(chuàng)新實驗”中存在的問題及其緣由分析
1.1 自己操作不顧受眾觀察
化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,實驗是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的重要中介。所以,比賽方案對“創(chuàng)新實驗”提出了“基于課程標(biāo)準(zhǔn)”和“適合高中課堂教學(xué)”等基本要求。如果“創(chuàng)新實驗”是課堂演示實驗還應(yīng)該有便于學(xué)生觀察的要求,必要時允許通過一定的途徑提高實驗現(xiàn)象的能見度,保證學(xué)生準(zhǔn)確獲取實驗中可能呈現(xiàn)的感性材料,即便是沒有明顯現(xiàn)象的實驗也要讓學(xué)生有真切的感受。圖2是一位選手進行鐵的吸氧腐蝕對比實驗的裝置,其中,兩支試管都被置于鐵夾的后方,鐵夾對試管產(chǎn)生了一定程度的遮擋,不利于學(xué)生對試管中實驗現(xiàn)象的全面觀察;同時試管下方的一個十字夾用凹槽向下的方向夾持鐵夾,還存在脫落的安全隱患。還有其他幾位選手也出現(xiàn)類似的遮擋情況。除此之外,有兩位選手出現(xiàn)了將用100mL小燒杯制作的氫氧燃料電池放在一排試劑瓶的后方進行電解操作的情況,這不僅不利于評委的觀察,也不利于攝像的直播。對此,有老師在直播網(wǎng)頁上留言說,“利用微型實驗參加這種比賽,從評委可視性角度比較吃虧,應(yīng)該安排攝像頭放大”。其實,無論是進行課堂教學(xué)的實驗演示操作,還是進行“基于課程標(biāo)準(zhǔn)”的實驗創(chuàng)新設(shè)計,雖然比賽時是評委在進行評判,但到課堂教學(xué)層面時真正的受眾是學(xué)生,所以應(yīng)該保證學(xué)生對演示實驗的能見度。青年教師在實驗展示過程中出現(xiàn)只顧自己操作不顧受眾觀察的現(xiàn)象,除了一時緊張造成慌亂以外,還可能有另外兩個方面的原因:一是教師平時課堂教學(xué)經(jīng)常用視頻替代演示實驗[3],從而缺乏給學(xué)生進行演示實驗操作方式的訓(xùn)練;二是教師沒有形成正確的學(xué)生觀,心中沒有學(xué)生,沒有把為學(xué)生學(xué)習(xí)和發(fā)展服務(wù)的意識擺到正確的位置。
另外,實驗展示過程中還有3位選手是戴著橡膠手套的。這些使用橡膠手套的選手,在實驗中分別使用了硫酸、硝酸等試劑。但橡膠手套的使用反而會導(dǎo)致手指的不靈活,使得儀器的連接等操作不能順利進行。一位戴著橡膠手套的選手在使用塑料注射器向試管中注入濃硫酸時還不慎將注射器跌落在地。如果將戴著橡膠手套的形象呈現(xiàn)在學(xué)生面前,還會使學(xué)生對化學(xué)產(chǎn)生強烈的恐懼感。所以有教師戲言:“長期這樣進行中學(xué)化學(xué)教學(xué),以后大學(xué)化學(xué)系就可能招不到學(xué)生了?!背霈F(xiàn)這些使用橡膠手套等過度自我保護的現(xiàn)象,也是因為教師平時缺少實驗操作的訓(xùn)練,從而對自己的實驗技能產(chǎn)生高度不自信的外部表現(xiàn)。
1.2 器材替代不顧學(xué)科韻味
充分利用身邊生活中的物品,將其變“廢”為寶,或替代化學(xué)實驗的常規(guī)儀器和藥品,是化學(xué)實驗創(chuàng)新的重要路徑之一。所以,13位選手中有4位分別選用注射器、青霉素瓶、輸液管、靜脈注射袋、折疊式運動水壺等器材代替化學(xué)儀器進行了實驗創(chuàng)新設(shè)計。如果不看圖注或說明,可能難以想象圖3是一位選手正在靜脈注射袋內(nèi)進行銅與稀硝酸反應(yīng)的實驗。該實驗的操作是:先在潔凈干燥的靜脈注射袋內(nèi)裝入少量銅粉,并保持真空狀態(tài);然后用注射器向袋內(nèi)注入少量稀硝酸,并用溫水加熱;在觀察到產(chǎn)生的無色氣體使其慢慢脹大,溶液呈淺藍色之后,再用注射器注入空氣,這時可以觀察到無色氣體立即變?yōu)榧t棕色。這些選手實驗展示的第一個環(huán)節(jié),或是擺放用輸液管連接的青霉素瓶,或把事先裝有各種藥品的靜脈注射袋和注射器擺滿桌面,或?qū)鞚M折疊式運動水壺(瓶口各插有兩只注射器)的支架及若干裝有各種溶液的注射器擺放到桌面,等等。實驗中,他們還都能非常麻利地通過注射器向靜脈注射袋或折疊式運動水壺中注射各種溶液。所有這些很容易讓人聯(lián)想到醫(yī)院里護士配制靜脈注射液的場景,而與原本化學(xué)實驗中儀器的組裝、藥品的取用、溶液的傾倒等操作相去甚遠。
從實驗的效果看,利用醫(yī)藥等器材替代化學(xué)實驗的常規(guī)儀器存在以下4個問題:(1)容易堵塞。塑料管與玻璃管相比,容易扭曲變形而堵塞。有選手在檢查用輸液管連接的一組青霉素瓶的氣密性時,發(fā)現(xiàn)其堵塞只好另取一組進行實驗;還有選手用兩只相連的靜脈注射袋制取二氧化硫時,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管堵塞但又沒有備份只好放棄實驗。(2)不便清洗。醫(yī)用靜脈注射袋等貯放液體的容器,袋(瓶)口一般較小,在用于銅與稀硝酸反應(yīng)或氯氣、二氧化硫等氣體制備實驗時,既難以盛裝固體藥品,也不容易進行清洗和干燥處理。(3)成本太大。由于一次性醫(yī)療廢棄物存在傳染疾病的可能,一般不允許流向社會[4],所以選手基本都是使用嶄新的醫(yī)用器材。顯然這樣的所謂“代用”會大大提高化學(xué)實驗的成本。(4)有失學(xué)科韻味。自古以來,特別是在化學(xué)成為一門獨立的學(xué)科以來,化學(xué)實驗主要是在晶瑩剔透的玻璃器皿中進行的。使用不完全透明的塑料袋(瓶)等進行化學(xué)實驗,不僅會干擾實驗現(xiàn)象的觀察,而且會淡化實驗操作的基本規(guī)范,使化學(xué)實驗失去原有的韻味。出現(xiàn)這些有失化學(xué)實驗原有韻味的“替代”現(xiàn)象,主要是設(shè)計者沒有真正理解學(xué)科本身的特點和“替代”的真諦。
1.3 形式創(chuàng)新不顧實際操作
在比賽過程中,一位選手用自稱“二口管”的儀器按圖4裝置創(chuàng)新了銅與稀硝酸反應(yīng)的實驗。實驗時,先如圖組裝好儀器并檢查裝置的氣密性,之后向燒杯中加入4 mol/L的NaOH溶液,關(guān)閉醫(yī)用輸液管控制器,打開帶尖嘴玻璃管上的止水夾,從二口管的左側(cè)注入稀硝酸至接近左側(cè)管口,塞上插有銅絲的橡皮塞并使橡皮塞緊貼液面,銅絲與稀硝酸立即反應(yīng)產(chǎn)生無色氣體,溶液逐漸變淡藍色,一段時間后在左側(cè)形成無色氣柱。打開醫(yī)用輸液管控制器并控制流速,兩側(cè)液面同時下降,燒杯中形成藍色沉淀,二口管左側(cè)氣體變?yōu)榧t棕色,并與右側(cè)無色空氣形成鮮明對比。對于銅與稀硝酸的反應(yīng),早有老師在一只注射器中安全地完成了相關(guān)綠色化實驗。具體操作是:在注射器內(nèi)放入一小塊銅片,吸取少量稀硝酸,排盡空氣,迅速用塑料帽套牢尖嘴;過一會兒,可觀察到活塞緩慢外移,同時注射器內(nèi)出現(xiàn)無色氣體。為了驗證注射器內(nèi)的氣體是一氧化氮,拔去尖嘴上的塑料帽,向外拉動活塞,吸入少量空氣,注射器內(nèi)的氣體立刻變成紅棕色[5]。在結(jié)束實驗時,將注射器內(nèi)的液體擠入盛有一定量氫氧化鈉溶液的小燒杯中即可。圖4中被稱為“二口管”的儀器,其實是“克氏蒸餾”裝置中的“蒸餾頭”。顯然在一只注射器中進行銅與稀硝酸反應(yīng)的實驗,要比在“蒸餾頭”中的實驗快捷、簡便,更可貴的是大大減少了藥品的用量,這不僅能降低實驗的成本,而且減小了可能的環(huán)境污染。
在“創(chuàng)新實驗”比賽中,還有兩位選手運用氧氣傳感器和壓力傳感器對吸氧腐蝕過程中體系內(nèi)部氧氣濃度或氣體壓強的變化進行了演示。其實,這兩個實驗只能反映體系中氧氣濃度或氣體壓強的變化,一些邊遠的農(nóng)村中學(xué)可能還沒有氧氣傳感器和壓力傳感器,而人教版教科書安排的“鐵的吸氧腐蝕實驗”中“導(dǎo)管內(nèi)水柱的上升”就能說明問題。對于吸氧腐蝕的教學(xué)來說,真正的難點是對吸氧腐蝕電極反應(yīng)的理解。下列實驗就可以用來突破這一難點:在U型管中裝入氯化鈉溶液,左右兩側(cè)分別插入用導(dǎo)線連接的鐵釘和碳棒(干燥并用砂紙打磨表面),同時在鐵釘附近滴加2滴鐵氰化鉀溶液,碳棒附近滴加2滴酚酞試液。將檢流計串聯(lián)在兩極之間,可以觀察到檢流計指針的偏轉(zhuǎn)、鐵釘附近形成藍色沉淀和碳棒附近溶液顯紅色的現(xiàn)象[6]。那些不從操作的簡便、難點的突破等角度考慮的所謂“創(chuàng)新”,其實只是追求實驗儀器或裝置等外在創(chuàng)新的“形式主義”。
1.4 解決表象不顧原理科學(xué)
比賽中有兩位選手用靜脈注射袋或注射器創(chuàng)新了氯氣的制取和性質(zhì)實驗,由于加熱條件受限,他們都選用了氯酸鉀與濃鹽酸反應(yīng)的方法來制取氯氣。從實驗現(xiàn)象看,這兩位選手所制得的氣體都明顯呈現(xiàn)黃色,而且反應(yīng)混合液也呈黃色。究其原因,雖然氯酸鉀與濃鹽酸之間能發(fā)生反應(yīng)生成氯氣,但是同時會產(chǎn)生大量的二氧化氯氣體。
早在1811年,英國科學(xué)家戴維就在實驗室通過氯酸鉀與鹽酸的作用,首次成功制備了二氧化氯氣體[7]。由于常溫下二氧化氯是黃色氣體,極易溶于水,所以,選手們通過氯酸鉀與濃鹽酸反應(yīng)制得的氯氣明顯呈現(xiàn)黃色,反應(yīng)混合液也呈黃色。而用夾著大量二氧化氯的氯氣進行氯氣的性質(zhì)實驗,顯然是不科學(xué)也不嚴謹?shù)摹?/p>
還有選手用在表面均勻涂抹凡士林的鋅片進行了簡易銅鋅原電池的實驗,由于鋅片與稀硫酸接觸受阻,大大降低了原電池中的電流強度,同時也使鋅片表面產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象變得很不明顯。在解釋簡易銅鋅原電池中鋅片表面產(chǎn)生氣泡的原因時,該選手認為是由于鋅片不純形成局部原電池所導(dǎo)致的。而且還介紹說,過去人們往往通過形成鋅汞齊的方法來減小鋅片與稀硫酸的接觸面。其實,鋅片表面有氫氣產(chǎn)生是由于動力學(xué)原因,鋅片失去的電子只有一部分經(jīng)過導(dǎo)線傳遞到銅片表面被H+離子結(jié)合,而更多的電子由鋅片直接傳遞給了H+離子。所以相對于銅片,鋅片是原電池的負極,同時也有局部鋅片是另一個局部鋅片的正極,也就是說,鋅片表現(xiàn)著“二重電極”的角色。而且鋅汞齊的形成使鋅片表面變得更為不純,形成鋅汞齊后鋅片表面氫氣減少,主要不是鋅汞齊減小了鋅片與稀硫酸的接觸面,而是因為氫氣在汞表面有著很大的析出過電勢的緣故。要控制鋅片表面產(chǎn)生氫氣的現(xiàn)象,只有用帶鹽橋的原電池。鹽橋的使用不僅能完全控制鋅片表面的氣泡問題,同時會大大提高原電池的供電效率[8]。以上創(chuàng)新實驗之所以會出現(xiàn)原理欠妥的現(xiàn)象,主要是由于一些青年教師只注意實驗的表面現(xiàn)象而對原理卻不求甚解所導(dǎo)致的。
2 改進“創(chuàng)新實驗”現(xiàn)狀和提高實驗教學(xué)質(zhì)量的對策
2.1 自覺堅持實驗操作規(guī)范
科學(xué)規(guī)范的實驗操作是完成有關(guān)實驗獲取相應(yīng)感性材料的基本保障。因此,在化學(xué)教學(xué)活動中,教師除了對學(xué)生進行實驗規(guī)范指導(dǎo)以外,更應(yīng)該以身作則,自覺追求自身實驗操作的規(guī)范性,確保學(xué)生從演示或分組實驗中獲得相應(yīng)的感性材料和正確的操作方法。
2.2 努力傳承化學(xué)學(xué)科特色
任何學(xué)科都有自身的學(xué)科特色。學(xué)生從九年級學(xué)習(xí)化學(xué)開始,就對拉瓦錫在玻璃曲頸甑、汞槽和鐘罩中所進行的經(jīng)典著名的空氣成分測定等實驗留下了深刻的印象?;瘜W(xué)實驗也離不開儀器的組裝、藥品的取用等一系列基本操作。所以化學(xué)實驗的創(chuàng)新要傳承學(xué)科特色,鞏固學(xué)生對學(xué)科特色的認識。
2.3 廣泛收集實驗改進方案
創(chuàng)新實驗都是為教學(xué)服務(wù)的。為了發(fā)揮化學(xué)實驗所具有的激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、呈現(xiàn)物質(zhì)性質(zhì)、揭示反應(yīng)原理、解決化學(xué)問題等功能,教師應(yīng)該在做好教科書安排的有關(guān)實驗的基礎(chǔ)上,廣泛收集他人的實驗改進方案,從中汲取成功經(jīng)驗,使其成為自身實驗創(chuàng)新的起點,或直接為實驗教學(xué)提供有益的參考。
2.4 深入思考實驗設(shè)計原理
科學(xué)性是包括化學(xué)實驗在內(nèi)的一切教學(xué)活動的生命線。每個化學(xué)實驗都有相應(yīng)的教育功能,要全面實現(xiàn)化學(xué)實驗的教育功能,首先要深入思考實驗中的有關(guān)問題,保證設(shè)計原理的科學(xué)準(zhǔn)確,并使其與所要呈現(xiàn)的物質(zhì)性質(zhì)、揭示的反應(yīng)原理或解決的化學(xué)問題相對應(yīng),從而使其更好地為化學(xué)教學(xué)服務(wù)。
總之,“實驗設(shè)計及操作技能”是化學(xué)教師的一項基本功,無論是經(jīng)典實驗還是“創(chuàng)新實驗”,都應(yīng)該有規(guī)范、實用、科學(xué)以及蘊含學(xué)科傳統(tǒng)韻味的基本要求。廣大化學(xué)教師特別是青年化學(xué)教師,要結(jié)合實踐苦練教學(xué)基本功,以全面提升自己的專業(yè)素養(yǎng),為提高化學(xué)教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科的棟梁之才,做出自己應(yīng)有的貢獻。
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