基于翻转课堂的化学实验有效改进案例研究

    李应育

    

    

    

    [摘要]以人教版化学九年级上册“质量守恒定律”的实验教学为例，结合化学学科的特点，运用现代化教学方法与手段，结合课程学习内容的需要，将如何改进教材的演示实验为问题导向，引导学生通过课前自主学习、课堂小组合作探究的翻转课堂教学模式有效改进化学实验，培养学生提出问题、分析问题并通过实验探究解决问题的能力。

    [关键词]翻转课堂;质量守恒定律;化学实验;有效改进

    [中图分类号]

    G633. 8

    [文献标识码] A

    [文章编号] 1674-6058（2020）17-0076-03

    一、教学背景分析

    化学是一门以实验为基础的学科，化学实验是培养学生动手实践能力的一个重要环节。著名的化学家戴安邦说过，化学实验教学是实施全面化学教育的一种最有效的教学形式。

    日前，教材中的化学实验是以验证性实验为主。在实验前，制订好实验方案，设计好详细的操作步骤，准备好所需的实验仪器、实验药品等，让学生按要求完成实验，在实验中形成概念，或者验证、理解所学的化学知识。这种化学实验教学已经不能适应新时代的教学需求，要切实提高学生的化学学习实践能力，发挥实验在化学教学中的最大作用，还需要对现行的化学实验教学进行的改进和创新。

    下面以翻转课堂教学模式下的“质量守恒定律”实验教学为例，了解化学实验的有效改进策略。

    1.教材分析

    “质量守恒定律”是人教版化学九年级上册第五单元的第一课题。在本课题前，教材已经介绍了一些基本的实验操作，同时也简单渗透了部分物质微观结构的化学理论知识。

    通过前面的学习，学生对化学反应已经有了初步认识，知道物质经过化学反应可以生成新的物质，理解化学反应的特征;对物质的微观结构有了一定的认识，初步建立了微粒观，知道化学反应过程中原子是不发生变化的;但没有把化学反应与物质的质量变化联系起来。质量守恒定律的探究实验是初中化学的第一个定量分析实验，它揭示了化学反应过程中反应物和生成物之间的质量关系，是学好质量守恒定律的直观载体。

    教材利用两个化学实验“探究红磷在密闭容器中燃烧”“硫酸铜溶液与铁钉反应前后的质量关系”，由反应前后天平平衡引出质量守恒定律的概念;另外还安排了两个演示实验“碳酸钠与稀盐酸的反应”“镁带的燃烧”，展示了反应前后质量不相等导致天平失衡。由此提出问题：这两个演示实验中的化学反应是否违反了质量守恒定律呢？显然，答案是否定的。但是在学习过程中，有不少学生因为没有弄清楚天平失衡的原因而被实验结果所迷惑，不管给出的数据是否是物质质量的总和，就以此来判断是否符合质量守恒定律，成为质量守恒定律应用中最容易出错的地方。

    2.教学设计思路

    本课结合翻转课堂展开教学，以解决常见难点、疑点问题，满足学生学习的实际需要。课例的教学思路设计为：安排课前学习任务一课上以问题为导向，引导学生寻找解决问题的方案并实验探究一展示实验结果一练习巩固及小结。其中的教学重点是：改进碳酸钠与稀盐酸反应的实验设计，让学生通过亲身实验，加强理解反应前后质量不相等的原因，有利于学生顺利解决有关质量守恒定律的疑难问题。

    二、翻转课堂教学模式下的教学重构设计

    翻转课堂教学流程具有结构化特点，课前学习是以发展学生的低阶思维为主，主要是针对基础知识点的微课学习、一些基本任务和学习效果评测。而课堂教学和课外拓展则是以发展学生的高阶思维为主，课堂活动主要是培养学生解决问题的能力以及分析评价的能力，从而提高学生的审辨性思维能力;课外拓展则以学生的创新思维与创新能力为主要培养日标。

    1.课前学习任务设计

    （1）课前学习微课视频（时长6'33"）设计（见表1）

    （2）課前导学案设计

    课前导学案分为课本实验探究的内容梳理和基础检测题两部分。内容梳理主要为实验探究过程的记录及质量守恒定律的简单分析，引导学生从微观角度对质量守恒定律进行思考。基础检测题共有6道，目的是加强学生对质量守恒定律基础知识的巩固，如计算反应物或生成物的质量以及反应前后元素种类的简单判断，以此检测学生课前学习的效果，以及发现学生在课前学习中存在的问题。

    2.课堂教学设计

    （1）设疑微课视频（时长5'31"）设计（见表2）

    （2）导学案设计

    导学案设计分三部分，第一部分为演示实验的实验现象记录，日的是突出实验前后质量不相等的结果，引起学生的认知冲突，激发学生的探究欲望;第二部分为提供改进实验所需的仪器或生活中的替代品、药品，要求学生设计实验改进方案，并根据设计思路画出简易的实验装置图;第三部分为能力提升训练，侧重于质量守恒定律的应用，如判断反应物或生成物的元素组成、构建微观粒子模型及确定反应物或生成物的化学式等。

    3.学习活动设计

    环节一：衔接。展示学生的课前学习导学案，点评学生在课前学习中存在的问题。

    环节二：设疑。观看“质量守恒定律（二）”微课，记录相关实验现象并提出问题：为什么反应前后天平不平衡？让学生思考：如何改进实验才能令反应后的天平平衡？

    环节三：设计改进实验并利用提供的器材、药品进行实验探究。

    环节四：实验改进成果展示、交流。

    环节五：强化训练，归纳小结。

    三、实验改进方案设计及分析

    1.学生的实验改进方案

    由于学生已在微课“质量守恒定律（二）”的实验归纳中了解到碳酸钠与稀盐酸反应前后质量不相等，是因为在敞开的容器中反应生成的C02气体逸散的缘故（如图1）。要实现实验日标令碳酸钠与稀盐酸反应前后天平仍然保持平衡，前提是反应须在密闭容器中进行。经过小组合作、讨论，学生最终设计的实验改进方案主要有以下三种（如图2、图3、图4），基本符合教师的课前预设。

    （1）方案一

    如图2所示，改用锥形瓶代替原来的烧杯作为反应容器，碳酸钠粉末直接放置在锥形瓶内，稀盐酸则是装在小试管中并小心放入锥形瓶内，用胶塞塞好锥形瓶。实验前先称量装置质量，然后将装置倾斜使小试管内的稀盐酸流出并与碳酸钠粉末接触，反应完毕后再将装置放回托盘天平进行称量。

    （2）方案二

    如图3所示，在方案一的基础上，在胶塞上打孔插入玻璃管，并在玻璃管的末端系上一个气球。

    （3）方案三

    如图4所示，用生活中常见的塑料汽水瓶代替烧杯作为反应容器，碳酸钠粉末直接加在塑料汽水瓶内，稀盐酸则是装在小试管中并小心放入塑料汽水瓶内，拧紧瓶盖。实验前先称量装置质量，然后将装置倾斜使小试管内的稀盐酸流出并与碳酸钠粉末接触，反应完毕后再将装置放回托盘天平进行称量。

    2.实验改进的有效性分析

    在六个实验小组中，有两个小组采用方案一，在成果展示時其中一个小组的发言人坦言由于胶塞塞得不够紧，反应后称量时，胶塞突然冲出而导致实验失败，无法达到实验改进的日的。

    而另一个小组的发言人说他们小组也遇到相同的情况，但随即重新设计得到方案三并顺利完成实验。在反应前后的两次称量中，托盘天平保持平衡，成为唯一有效达到实验改进日的的小组。

    其他四个小组参考红磷燃烧实验，采用了方案二，反应后称量时发现天平指针不同程度地偏右。而气球大小在称量过程中基本保持不变，排除装置漏气的可能，从而推测可能是气球膨胀而导致装置受空气的浮力作用进而影响了实验结果，实验改进无效。

    四、教学反思

    针对质量守恒定律的疑难问题，在实验改进的教学中，方案二不仅是多数实验小组的选择，同时也是教师预设的最理想的实验改进方案。

    学生之所以采用方案二，除了满足密闭反应容器的前提条件外，主要是受红磷在密闭容器中燃烧的探究实验的影响，即在容器上系气球可以有效避免胶塞在实验过程中因压强增大而被冲出。但两者间是存在差异的，红磷燃烧后因反应消耗容器中的氧气，最后气球是瘪的，即反应前后容器的总体积基本不变。而碳酸钠与稀盐酸反应后产生的二氧化碳气体会令气球膨胀，引发了浮力变化，直接影响了实验结果，最终导致实验改进失败。

    课前教师之所以将方案二作为预设的改进方向，更多的是受练习题或教辅资料中常常忽略空气浮力的影响。这种想当然式的忽略令很多教师误把方案二当作是最好的实验改进方案，但从实验结果来看，气球膨胀的浮力影响在实验过程中是不容忽略的。

    方案三在教师的预设中只是作为备用方案，主要是希望学生通过用生活中的常用物品替代化学实验仪器，实现多开展家庭小实验的日标。但从实验结果来看，这种“无心插柳”的备用方案却是最好的。在学生展示该实验改进后，教师让学生轻轻拧开汽水瓶盖，随着瓶内气体的一丝丝泄漏，托盘天平的指针逐渐向右偏转，直观反映出了天平失衡的原因。

    新课程理念下的化学教学呼唤实验创新，而引导学生对实验进行创新改进必须基于实验的有效性。本课例凸显了一个问题，即预设的实验改进方案没能出现预期的实验结果。这与想当然的实验改进有关，实验改进是一项严谨科学的事情，需要经过反复的验证！

    [参考文献]

    [1]罗成.新课改下初中化学演示实验的有效改进策略[J].课程教育研究，2019（35）：155-156.

    [2]王荣桥.改进化学演示实验可视性的有效策略[J].化学教学，2016（5）：75-78.

    （责任编辑 罗艳）