基于POE教学策略的无机化学实验教学--以物质性质的三个实验为例.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：基于 教学策略的无机化学实验教学 以物质性质的三个实验为例杨舒帆，谭帅，翁哲慧，李艳妮，杨艳华（昆明学院化学化工学院云南省金属有机分子材料与器件重点实验室（筹），云南昆明 ）摘要：教学策略在培养学生理解科学概念、提升探究能力等方面作用突出。以物质性质的三个实验为例，探究此策略在大学无机化学实验教学中的应用，通过预测、观察和解释等教学活动，在学生认知冲突的基础上，通过自主学习、合作学习和教师指导等方式，实现学生对化学反应原理的系统性建构。同时，进一步提升学生的实验探究技能和实验操作能力。关键词：教学策略；无机化学实验；探究能力中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，：；年，澳 大 利 亚 莫 纳 什 大 学 的 和 以物理系学生对 个生活情境中的重力概念理解为内容，通过预测 观察 解释（，）的方法，探察学生对科学概念的理解，并于 年正式提出了 教学策略 。教学策略的实质是以学生为中心，在学生已有认知基础上，对未知实验的现象进行合理预测，并在预测中显露出学生的前概念（即学生在新课前掌握的科学概念）掌握情况。通过具体的实验操作及现象，产生认知冲突，在讨论的基础上，形成对实验现象的科学解释，最终实现学生的概念转变 。这不仅符合学生的认知发展规律，而且对以实验为主的探究式教学具有很好的指导作用 。在化学教学中，教学策略主要应用于中学化学教材中的演示型实验改革和探究型实验教学中，并归纳出抽象性的概念知识和元素化合物性质 。但是，教学策略在大学化学实验教学中的应用和研究几乎未见报道。对传统教学模式的不断改革和创新，是提升实验教学质量的重要途径之一 。无机化学实验课程在整个化学实验科学中处于基础地位，使学生加深对无机物性质的认识及无机化学基本理论的理解，是课程的主要目的之一；培养学生辩证唯物主义世界观、实事求是的科学态度和严谨的实验作风，全面提高学生的知识、能力和素质，为后续实验课程打好基础，为学生终身发展奠定基础，是课程的主要任务之一。虽然课程中的大多数实验与中学化学相似，属于验证性实验，但其中一部分实验内容是课程教学的延伸，学生有所了解但理解不深入、不透彻，易产生认知冲突，在教学过程中适合采用 教学策略。因此，本文选取自编实验教材中，以最能体现 教学策略的个实验为示例进行教学设计 ，旨在帮助学生构建完善的化学知识体系，加深对物质性质的理解，强化基础实验操作技能。与 的反应此实验是“氧化还原反应”和“氮和磷”的一个教学实验，分别出现在教材 页和 页，安排在大一上学期和下学期。实验内容在两支试管中各加入一粒 ，在试 年 月云南化工 第 卷第 期 ，管中加入 浓 （质量分数约为 ）、试管中加入 的 ，观察实验现象。学生预测 ：根据人教版义务教育教科书 化学（九年级下册）第八单元 金属和金属材料“课题 金属的化学性质”和“实验活动 金属的物理性质和某些化学性质”，学生已经掌握了金属活动性顺序，知道金属单质与稀 和稀 等稀酸反应可以生成氢气。然而，金属单质与稀 反应不会生成。：根据人教版普通高中教科书 化学（必修第二册）第五章 化工生产中的重要非金属元素“第二节 氮及其化合物”中，单质 与浓 和稀 反应，分别生成 和 ，但 易与 反应生成 。因此，预测单质 和稀 反应，可观察到生成红棕色气体。：常温下，活泼金属单质 、等与浓 和浓 接触时，单质表面生成一层致密氧化膜，阻止反应进一步进行。因此，预测单质 与浓 的反应，观察不到现象。在面对新的知识情境时，学生根据已有认知，对实验现象进行了合理解释，并提出以上 点预测信息。在规范操作的基础上，对预测结果与实验现象的一致性进行验证。实验现象 观察到的现象如图 所示。）试管产生大量红棕色气体并放热，现象与预测 相矛盾。）试管生成无色气体，现象与预测 相矛盾，且试管生成的气体是否为 不可知，即是否与预测 相矛盾不可知。图 单质 与浓 和稀 反应的实验现象观察是 教学策略，重点强调通过观察物质颜色、状态、气味等的物理变化，强化学生的实验观察能力。当观察到的实验现象与预测不相符时，会产生认知冲突，进而激发学生的探索欲和学习兴趣。无论实验结果是否与预测一致，都需要学生对实验现象进行 分 析、查 阅 资 料 和 讨 论，最 终 提 出 合 理 的解释 。解释 ：硝酸根中有一个离域 键，易断键，使 的氧化性增强。因此，金属单质与稀 反应，不会生成，稀 不显示酸性，而是显示氧化性。与预测 结果一致，说明试管生成的无色气体不是。：金属单质与 的反应产物与 的浓度密切相关。虽然浓 作为氧化剂，但在酸性体系中，的电极电势（）大于 的电极电势（），且 与 可逆转化。因此，作为还原剂的单质 与浓 反应先生成 ，与 反应，最后再生成 ，观察到红棕色气体。但是，浓度较高时，周围氧化剂浓度高，存在争抢还原剂的现象，紧邻 周围的浓 得到一个电子后（），生成 ，并放出大量的热 。随着 浓度下降，紧邻 周围的 数量减少，争抢还原剂的竞争趋势减弱，可以得到更多 释放的电子（），生成氮的氧化数较低的 。再与 反应生成 。总的现象就是产生大量的红棕色气体，并释放大量的热。：金属单质 与浓 接触后，表面生成 ，键的键能较低，且不够致密 ，易发生解释 的反应。：稀 浓度越低、金属单质越活泼，生成的还原产物中氮的氧化数越低 。在酸性体系中，的电极电势（）大于 的电极电势（）。较大的电极电势表明其氧化型的氧化性较强。起初稀 浓度较大，随着反应的进行，还原产物中氮的氧化数降低。因此，单质 与稀 反应先生成 ，观察到试管中产生无色气体。当稀 浓度下降时，生成 ，试管中气泡停止生成，但反应仍在继续。为了进一步探究在试管中是否有 生成，采用气室法检测 。取两块大小不同、干燥、洁净的表面皿，在大的表面皿中滴加少许试管中的溶液和 滴 的 溶液，混合均匀。在小的表面皿中心粘附湿润的酚酞试纸，并倒扣在大的表面皿上形成气室。气室微热，观察到酚酞试纸变红，如图 所示，说明试管中有 。由于奈斯勒试剂需要现配，因此，在无其他干扰离子存在情况下，气室法检测 更为简单方便。年 月云南化工 第 卷第 期 ，图 气室法检测 ，湿润的酚酞试纸变红 归纳总结试管 （浓 ）（）（较浓 ）（）试管 （稀 ）（）（较稀 ）（）气室法检测 ：通过预测阶段和观察现象的对比，产生认知冲突，激发学生主动学习欲望。在合作交流、查阅资料、教师总结及解释的基础上，促进前概念的转化，建立新的知识概念，形成更为完善的知识体系，符合建构主义学习理论和皮亚杰认知发展理论。与 的反应此实验是“硼和铝”的一个教学实验，出现在教材 页，安排在大一下学期。实验内容将 铝粉和 预先研细的碘的干燥混合物，放在蒸发皿中混匀，堆成一小堆，加 滴 左右的热水，观察实验现象并解释（此反应在通风橱中或抽风机下进行）。学生预测 学生已经掌握卤素可与单质 反应，最为熟悉的是 在加热条件下与 反应生成 ，且单质 在常温下就可与活泼金属单质反应，但与 反应的大部分实验都需在加热下进行。根据前概念推测此反应生成 ，但对反应机理及过程的理解不清楚。实验现象 观察到的现象如图 所示。）先观察到有紫色的烟并伴随着刺激性气味。）反应结束后蒸发皿中剩余比反应物更高的一堆物质，这主要由反应产生的气体和单质碘升华造成生成物膨胀造成。）反应后的堆积物很蓬松，玻璃棒戳一下后成灰色的灰烬。图 铝粉与单质碘反应实验现象 解释 ：中存在弱电离（），且热水中的电离程度增大。：在热水作用下，单质 升华，可观测到紫色的烟，有刺激性气味。：单质 为活泼金属，与 电离出 的形成 （），而单质 与 电离出的 形成 。（）与 发生酸碱中和反应：（），并放出热量，生成的 呈白色粉末。由于 是路易斯酸，与空气中的水蒸气和反应产生的水作用，发生水解，因此，上述反应为可逆反应。而反应放出的热量也可使单质 升华，观察到紫色的烟。：水解产生的 气体，也具有刺激性气味。综上所述，先观察到有紫色的烟并伴随着刺激性气味，反应最后生成 （）。归纳总结实验原理：微热 幑幐 （）与 的反应此实验是“铁、钴、镍”的一个教学实验，出现在教材 页，安排在大一下学期。实验内容在 溶液中加入 溶液，观察现象。然后再加入 的 溶液，观察 年 月云南化工 第 卷第 期 ，有何变化，并解释原因。学生预测 ：根据人教版普通高中教科书 化学（必修第一册）第三章 铁 金属材料 “第一节 铁及其化合物”中，在装有 溶液和 溶液的试管中滴加 溶液，溶液由浅黄色变为血红色，溶液颜色不变，以此检验 的存在。根据中学化学知识，此反应原理为 （）。：根据配位化学基础知识，的电负性强于 中的配位原子 ，因此，与 可形成更加稳定的配合物，红色溶液颜色消失。实验现象 观察到的现象如图 所示。）淡黄色的 溶液中滴加无色的 试剂后，溶液颜色变成红色。）红色的溶液中滴加无色的 试剂后，同学可观察到四种溶液颜色，依次变为橙黄色、橙色、黄色和无色。图 与 反应后滴加 溶液反应现象 解释 ：与 的反应方程式为：（）（），且随着溶液中配位化合物浓度增大，溶液颜色由浅红逐渐变成暗红色，并不是单一的生成 （），与预测 产生认知冲突。：通过查阅资料可知 ，（）的 稳分别为 （）、（）、（）、（）、（）和 （），的 稳分别为 （）、（）、（）、（）和 （）。因此，（）与 的反应方程式为：（）（），溶液红色逐渐褪去，最终变为无色。中心离子 与配体 形成的配合物有颜色，而与配体 形成的配合物无色，配合物的颜色主要来源于 跃迁产生对光的吸收。加入 时，由于有色和无色配合物浓度不同，导致观测到的溶液颜色不一样，当加入的 浓度较大时，观察到溶液呈无色 。：根据软硬酸碱结合原则分析，的价层电子排布为 ，轨道和 轨道分别处于稳定的半满和全空状态，且可以接受电子对，电子云的变形性小，属于硬酸。的价层电子排布为 ，轨道处于稳定的全满状态，且可以给出电子对，电子云的变形性也小，属于硬碱。而 中存在离域的 键，易失去电子、易断键，基团电子云易变形，属于软碱。因此，硬酸 与硬碱 结合的配合物稳定性强于硬酸 与软碱 结合的配合物，可与 （）反应。解释 和 是在预测 的基础上进一步系统分析的结果，能够鼓励学生深入挖掘现象背后的本质，进而构建成体系的化学原理知识。归纳总结实验原理：（）（）（血红色）（）（）（无色）（）的稳定性强于 （）（）展望无机化学实验教学内容较多，在探索物质基本性质和熟悉基本的实验操作基础上，采用 教学策略，可以更好的激发学生化学思维，更加充分的调动学生学习积极性。在此基础上，通过在课程教学中对学生的操作过程给予全程关注和指导，能够更好的将理论与实践相结合，得出科学的解释和结论。应用 教学策略的教学实验设计，在符合学生认知规律的建构主义发展理论下，重视理论的知识构建过程，不仅可以进一步提升学生的探究能力，而且还能培养 年 月云南化工 第 卷第 期 ，学生探究问题的意识，提升课堂教学质量和效率。参考文献：，（）：，：，计从斌，林建芬，徐逸群，等 基于 策略的高中化学“酸雨”教学 教育与装备研究，（）：廖超平，王伟 浅谈 策略在苯酚教学中的应用 中学化学教学参考，（）：邓琳，王后雄 教学策略在化学概念教学中的应用 中学化学，（）：吴利敏，熊建飞 基于 策略的探究式教学在化学教学中的应用 以“铝的重要化合物”教学为例 实验教学与仪器，（）：孙宇红，耿亚萍 基于 教学策略和比较思维的教学 以“碳酸钠和碳酸氢钠的性质”为例 化学教育（中英文），（）：庄建德，李伟溪，黄倩莹 运用 教学策略与数字化实验的化学课堂教学 以“金属钠与氧气的反应”的教学为例 化学教与学，（）：杨艳华，王宝玲，高树林，等 课程思政融入 材料化学 教学中的探索与实践 云南民族大学学报（自然科学版），（）：李浩宇，马金文，杨艳华，等 基于科教融合的无机化学实验改革探索 以双三苯基硅烷铬酸酯的制备为例 云南化工，（）：马怀蕊，王建坤，杨艳华，等 基于“科学探究与创新意识”的化学实验设计 以质量差法测定咖啡中碳酸氢钠含量为例 云南化工，（）：王宝玲，杨树，鞠海东，等 无机化学实验 北京：科学出版社，申树芳，张英锋 基于 策略的教学设计及实施 以碱金属元素原子结构与元素性质的教学为例 化学教与学，（）：龙安瑜，陈新丽，李彪生 策略在高中化学教学中的应用 以“探究葡萄糖的结构与性质”为例 教育与装备研究，（）：王稼国，李荣强，林海量 中学化学疑难问题剖析 北京：科学出版社，宋天佑，程鹏，徐家宁，等 无机化学（下册）版 北京：高等教育出版社，原创力文档知识共享平台 配合物稳定常数 （）：杨艳华，王宝玲，李艳妮，等 无机化学课程思政探索 以“配位化学基础”中部分内容的教学设计为例 大学化学，（）：收稿日期：基金项目：云南省化学一流本科专业建设项目；云南省“兴滇英才支持计划”青年人才专项项目（）；云南省科技厅基础研究专项青年项目（）；昆明学院引进人才科研项目（）；昆明学院专业学位研究生教学案例库建设项目（，）；云南省金属有机分子材料与器件重点实验室（筹）一般项目（）；昆明学院化学化工学院“课程思政”示范课 无机化学实验、结构化学、材料化学研究成果。作者简介：杨舒帆（），女，云南曲靖人，本科生，主要从事光电功能材料研究。通讯作者：杨艳华（），男，云南昆明人，副教授，主要从事光电功能材料研究。：