化学教学论 第 6 章 化学实验及实验教学研究 教学时数： 8 学时 教学目的与要求： 要求学生理解化学实验、 化学实验教学与化学教学之间的区别与联系， 掌握化学实验的基本理论，化学实验的构成及过程，学会进行初步的化学实验教学和化学实 验教学研究。 教学重点： 化学实验的构成及过程，化学实验教学及其研究 教学难点： 化学实验教学的基本理论，化学实验教学的研究 本章主要阅读文献资料： 1．郑长龙主编，化学实验教学的理论与实践，长春：东北师范大学出版社， 2001 2．郑长龙主编，化学实验教学的新视野，北京：高等教育出版社， 2003 3．刘知新，对“化学实验教学改革”的思考，化学教育， 1991（ 3） 主要内容： 6-1 化学实验、化学实验教学与化学教学 6-2 化学实验的构成及过程 6-3 化学实验教学的基本理论 6-4 化学实验及其教学改革 6-1 化学实验、化学实验教学与化学教学 自学，理解下列术语之间的联系与区别 科学实验与化学科学实验（化学实验） ；化学教学实验与化学实验教学； 实验方法与实验法 科学实验： 是在生产发展的基础上分化和发展起来的一种社会实践形式，也就是在科学 认识活动中运用实践方法的一种科学实践活动。是有目的、有步骤地通过控制或模拟自然现 象来认识自然事物和规律的一种感性活动。 化学科学实验（化学实验） ： 就是根据化学实验目的，实验者运用实验仪器、设备及装 置等物质手段，在人为的实验条件下，改变化学实验对象的状态或性质，从而获得各种化学 科学事实(即化学实验事实)的一种科学实践活动。 化学教学实验： 化学教学中教师或学生根据一定的化学教学目的，运用一定的化学实验 仪器、设备和装置等物质手段，在人为的实验条件下，改变实验对象的状态和性质, 从而获 得各种化学实验事实，达到化学教学目的的一种教学实践活动。在化学教育教学研究领域， 人们也经常采用实验的方法来开展教育教学研究活动，并称之为“化学教育实验” 或“化 学教学实验” 化学实验教学： 教师将化学实验置于一定的化学教学情景下，为实现一定的化学教学目 的而开展的一系列教学活动。 化学实验教学是化学教学的重要组成部分， 化学实验教学的设计要服从和服务于化学教 学的总体安排。 实验方法： 科学认识活动中感性阶段的一种重要认识方法，它着重从认识方法论的层面 来回答如何进行化学实验的问题。如“实验条件的控制”方法是其中最重要的方法之一，是 将影响实验结果的诸条件中的一个条件作为可变，其他条件保持不变，探究此条件的变化对 实验结果的影响，以便找出最佳实验条件的一种科学方法。 实验法： 化学教学中经常使用的一种重要的教学方法，它着重从教学方法论的层面来回 答如何进行化学实验的问题。 6-2 化学实验的构成及过程 6-2-1 化学实验的构成 1 实验者 化学实验的诸要素中，化学实验者起着决定和支配的作用 。 在化学实验的动态运行过程中，实验课题的选择与确立、实验构思与设计、实验手段的 选取、实验技术的确定、每步实验操作中的实验条件的控制、实验信息的收集、实验结果的 分析与处理以及最后作出实验的结论，始终受着实验者的理论思维的支配，全过程的每一环 节和步骤无不体现着实验者的主体作用。 从化学科学研究的角度看，化学实验者是指具有一定的化学科学知识和相关科学知识水 平的、 能使用从事化学实验的科学仪器等工具进行操作的、 会运用科学方法和科学思维方法， 以探索物质在原子、分子水平上的运动变化规律为基本任务的科学劳动者。 化学教学中的实验者可以是化学教师 (指演示实验) ，也可以是学生 (指学生实验)。 化学教学中的实验是为了实现化学教学目标，完成化学教学目的而设计和安排的。这些实验 在提高学生的科学素质和培养人才方面起着重要作用。 但是它们并不要求学生去探索人类未 知的科学事实，不要求对人类认识有什么创新和贡献，这与化学实验研究中的实验者是不同 的。 2 实验对象 化学实验对象：自然对象、人工对象、人造对象 化学实验内容：物质的制备（合成） ，物质的分离与提纯；物质的表征（检验、鉴别与 签定） 3、实验手段： 实验者发挥主体性，控制和认识实验对象的重要工具。 6-2-2 化学实验的过程 （一）实验准备阶段 1 化学实验课题： 化学实验课题就是为了实现某个特定的化学实验目的所需要研究和解决的一个或一组 化学实验问题。 化学实验问题，是指化学实验主体在某个给定的化学实验中的当前状态与所要达到的目 标状态之间存在的差距。 化学实验问题要具有探究价值(重点讨论) 2 化学实验设计 类型 原则 实验方案 实 验 者 实 验 手 段 实 验 对 象 操 纵 实 验 现象 控制 实 验 现象 化学实验设计是指在实施化学实验之前，依据一定的实验目的和要求，运用有关的化学 知识和技能，对实验的仪器、装置、步骤和方法等在头脑中所进行的一种规划 类型： 原则： 科学性、绿色化、可行性、安全性 化学实验方案 实验课题 实验目的 实验原理 实验用品（药品、仪器、装置设备）及规格 实验装置图、实验步骤和操作方法 注意事项 实验现象及结果处理 实验讨论及交流 （以下两个问题由师范生根据相关实验课程的经验和知识 分组讨论） （二）实验实施阶段（根据相关实验课程的知识 分组讨论） 1 实验条件的控制 2 实验观察 3 实验记录 （三）实验结果的处理阶段 1 化学用语化 2 表格化 3 线图化 6-3 化学实验教学的基本理论 化学实验的功能，3 个方面： 具有深刻的认识论意义 对科学的世界观和方法论的形成具有深刻影响 ?对于培养各种能力和养成良好的学风是一种最佳途径 6.3.1 化学实验的认识论、方法论和教学论功能 1.化学实验的认识论功能 （1）化学实验是引发化学教学问题，提出化学教学认识问题的重要途径之一 案例：化学反应前后物质的质量又没有变化呢？ 当前状态： 物质再发生化学变化时， 生成了新物质， 也就是物质的“质”发生了变化 （已 有的知识） 目标状态：参加化学反应的各物质的质量总和，等于反应后生成的各物质的质量总和， 即“质量守恒定律”（未知的知识） 因此，“化学反应前后物质的质量又没有变化”这一化学教学认识问题是联系“当前状 态”与“目标状态”的桥梁和纽带。 （2）化学实验能为学生认识化学科学知识提供化学实验事实 （3）化学实验能为学生检验化学理论、验证化学假说提供化学实验事实 案例：通过化学实验验证化学假说：对“铁生锈原因的探究” A、提出问题：铁为什么会生锈？ B、提出假设 原因 1：与空气中的氧气接触 原因 2：与空气中的水蒸气接触 原因 3：与空气中的氧气和水蒸气共同接触 C、对假设进行推理和判断 如果是原因 1，那么，铁能够和空气中的氧气发生化学反应； 如果是原因 2，那么，铁能够和常温状态的水发生化学反应； 如果是原因 3，那么，铁能够和空气和常温状态的水 同时发生化学反应。 D、实验验证 实验 1：取一支试管，用酒精等烘干，向其中放入一根铁钉，然后用橡皮塞塞紧试管口， 使铁钉只与干燥的空气接触。 实验 2：取一支试管，向其中放入一根铁钉，注入刚煮沸过的蒸馏水至浸没铁钉，然后 在水面上注入一层植物油，使铁钉只与水接触。 实验 3：取一支试管，向其中放入一根铁钉，然后注入蒸馏水，不要浸没铁钉，使铁钉 同时与空气和水接触。 E、结论 2.化学实验的方法论功能 通过化学实验可以让学生经历科学实验的一般过程，学习科学方法，是落实科学素养的 “过程与方法”目标的重要手段。 实验方法论中包含很多具体的实验方法：如：测定、实验条件的控制、实验观察、 实验纪录、实验数据的表格化和线图化处理等。 案例 硝酸钾溶解度曲线的绘制。 测定溶解度：测定硝酸钾在 0℃、20 ℃ 、40 ℃ 、60 ℃ 、80 ℃ 、100 ℃时的溶解 度。 绘制溶解度曲线：以物质的溶解度为纵坐标，以温度为横坐标，在坐标纸上找出不同温 度下相应的点，再用光滑的曲线将这些点连接起来。 这是一个典型的对学生进行“过程与方法”培养的案例。这里运用了“测定”、“实验 条件的控制”、“纪录”、“表格化处理”和“线图化处理”等实验方法。 通过进行这样一些探究性的活动，可以使学生体验科学的过程，认识和掌握实验方法。 3.化学实验的教学论功能 （1）化学实验能够激发学生的化学学习兴趣 感知、操作、探究、创造兴趣 （2）化学实验能够创设生动活泼的化学教学情景 （3）实验探究是转变学生学习方式和发展科学探究能力的重要途径 学习方式：学生在完成学习任务时所经常采用的较为稳定的学习策略。如背诵、听讲、 记忆、实验、参观、做作业、练习、阅读、讨论、交流、查阅、调查等，都是具体的学习方 式。 化学新课程强调“以科学探究为主的多样化的学习方式”，要求实现从“读化学”、 “听化学”向“做化学”、“探究化学”的转变，这对于培养学生的创新精神和实践能力， 落实培养科学素养目标具有重要意义。 实验探究是一种基于实验的探究活动。 实验探究是针对一定的问题展开的活动。 实验探究是一种逻辑和想像相融合的活动。 实验探究是一种以科学证据为基础的活动。 实验探究是一种综合运用所学的化学科学知识与化学实验技能、科学过程和科学方法来 开展的一种活动，并且在这一活动中，学生要秉持科学观念、要具有良好的科学态度和科学 精神，要客观求实和避免偏见。 （4）化学实验是落实“情感态度与价值观”目标的重要手段 在化学新课程中，化学实验的教育教学功能有了新的发展，需要我们根据化学课程的基 本理念和“以实验为基础”含义的变化，重新进行认识。 从认识论角度看，化学实验能引发化学教学认识，是提出化学教学认识问题的重要途径 之一，它能为学生认识化学科学知识、检验化学理论、验证化学假说提供化学实验事实。 从方法论角度看，化学实验具有重要的方法论功能，是落实科学素养的“过程和方法” 目标的重要手段。 从教学论角度看，化学实验具有动机功能，可以激发学生的化学学习兴趣；作为科学探 究的主要表现形式的实验探究，对于转变学生的学习方式，发展他们的科学探究能力，具有 其他教学形式和手段所不可代替的作用；同时，化学实验还是落实化学教学中“情感态度与 价值观”目标的重要手段之一。 总之，从化学新课程实施的角度来说，化学实验教育教学功能的核心，是提高学生的科 学素养的主要途径之一。 6.3.2 化学实验探究教学模式 1 化学实验探究教学的指导思想 ⑴以实验为基础 ⑵强调学生的主动性 ⑶强调教学的探究性 ⑷强调知识与技能的掌握、过程与方法的学习、情感态度与价值观的形成在实验探究 过程的统一 2 化学实验探究教学的两种模式 化学实验探究教学模式Ι（图 6-5 P173） 科学抽象是指在人的思维中，排除认识对象的非本质属性，抽取其共同的本质属性的一 种科学方法。科学抽象的进行，需要运用比较、分类、归纳和概括等逻辑方法。可分为表征 性抽象和原理性抽象两种类型。 表征性抽象是在一定的实验事实的基础上，对物质及其变化的特征和规律性所进行的一 种科学抽象。原理性抽象是根据一定的实验事实，在表征性抽象的基础上，对物质的本质及 其变化规律所进行的一种深层抽象。它同表征性抽象不同，是在原子结构、元素周期律和分 子结构的水平上，对物质的本质及其变化规律的认识 表征性抽象例子：由盐酸、硫酸、磷酸等能使石蕊试纸变红，进行科学抽象，得出酸能 使紫色石蕊试纸变红。 原理性抽象例子：盐酸能与金属、金属氧化物、碱等物质反应，得出氢离子是盐酸性质 的根本结构原因。 化学实验探究教学模式Ⅱ（图 6-6 P176） 案例： 乙醇分子结构式的确定 (1)提出问题。乙醇分子具有怎样的结构？ (2)收集实验事实和理论。 ①分子式：C 2H6O。 ②化合价：C、H、O 的化合价分别为+4、+1、-2 价。 (3)提出假设。 根据乙醇的分子式和碳、氢、氧的化合价，可以写出乙醇分子的两种可能结构式 : CH3-CH2-OH CH3-O-CH3 (4)对假设进行推理和判断。 如果是结构(Ⅰ)，那么，1mol 乙醇能产生 2.5mol 或 0.5mol 氢气。如果是结 构(Ⅱ)，那么，1mol 乙醇能产生 3mol 氢气。 (5)实验检验。 测定和记录一定量的乙醇与金属钠反应所生成的氢气的体积。经计算， 1mol 乙醇大约能产生 0.5mol 的氢气。 (6)得出结论。 乙醇分子的结构式是结构(Ⅰ)，而不是结构(Ⅱ)。 (7)应用(略)。 3 化学实验探究教学的教学策略 (1)通过具体事例,使学生认识实验探究对于化学科学研究和化学学习的重要性。 (2)采用多种形式和手段,为学生创设生动活泼的实验探究教学情景。 (3)紧密结合教学内容特点，引导学生在实验探究中学，学实验探究方法。 6-4 化学实验及其教学改革 6.4.1 化学实验改革 传统化学实验内容存在的问题： 化学实验的学术化倾向严重 过分孤立的强调化学实验操作技能的训练 实验内容脱离学生的生活实际和社会实际 过分注重实验的认知结果，忽视学生的过程性体验 实验内容的设计留给学生主动探究的空间很少 1 化学教学内容改革： （ 1） 化学实验的生活化 选取学生身边的化学物质作为实验药品 选取生活和社会中的化学现象作为实验内容 选取与化学有关的社会为题作为实验内容 （ 2）化学实验的趣味化 趣味实验 家庭小实验 2 化学实验设计改革 化学实验的探究式（见本章第 3 节） 化学实验的绿色化 ： A 化学实验的绿色化设计 绿色化学的 12 条原则 1、防治污染优于污染形成后处理。 2、设计合成方法时应最大限度的使所用的全部材料均转化到最终产品中。 3、尽可能使反应中使用和生成的物质对人类和环境无毒或毒性很小。 4、设计化学产品时应尽量保持其功效而降低其毒性。 5、尽量不用辅助剂，需要使用时应采用无毒物质。 6、能量使用应最小，并应考虑其对环境和经济的影响，合成方法应在常温常压下操作。 7、最大限度的使用可再生原料。 8、尽量避免不必要的衍生步骤。 9、催化试剂优于化学计量试剂。 10、化学品应设计成使用后容易降解为无害物质的类型。 11、分析方法应能真正实现在线监测，在有害物质生成前加以控制。 12、化工生产过程中各种物质的选择和使用，应使化学事故的隐患最小。 B 微型化学实验： 100%的原子利用率，是绿色化学设计所追求的理想目标 特点： 1、 节省实验经费 2、操作安全、污染小 3、节省实验时间 4、激发学生的化学实验兴趣 C 化学实验的清洁化 1、 进行密闭实验，对反应产生的气体、液体和固体设法予以收集和处理，避免敞 口操作 2、无法进行密闭操作时，加强回收、通风或其他防护措施 3、尽量不用毒性较大的物质、易造成污染的物质等 4、有效实施保护和消害处理措施 5、加强物质的利用和消除处理，建立责任制度 3 化学实验陈述方式改革 以人性化的实验探究情境导入实验 以人性化的称谓陈述实验内容 见案例 20 教材 P185 6.4.2 化学实验教学改革 1、 关于 “以实验为基础 ”中 “实验 ”的含义 2、关于对化学实验技能训练的认识问题 3、关于演示实验和学生实验的分类问题 4、关于验证性实验问题 5、关于实验的过程与结果的关系问题 6、关于化学实验研究方法的问题 结合自己的需求，考虑中学生的需要，分组讨论