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学生手做实验 科学探究 化学教学探究的本质和特征  

2011-07-22 09:42:11|  分类: 学科类化学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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课堂上学生不能亲自动手做实验,就无法开展科学探究吗

              ——谈化学教学中科学探究的本质和特征

内容提要:按目前多数学校的化学实验条件,不能满足每节课全体学生都动手进行实验探究。这是否就等于无法进行探究式教学呢?剖析科学探究的内涵、分析化学教学中科学探究的本质特征,可以看出,学生不亲自动手实验,同样可进行探究式学习,教师若不能把握科学探究的要义,即使节节进行分组实验,实施的也不一定是探究式教学。

关键词:化学教学   科学探究

   

在新课程实施的过程中,有的老师认为,在化学课堂中实施探究式教学就是把过去的演示实验改为学生分组实验,让学生尽可能多地去亲自动手操作,去按课本的实验步骤进行实验,从而达到对知识的良好掌握。于是教师备课和授课的主要精力放在了药品、仪器的准备,实验过程的组织,实验环节的统一等问题上。甚至,为了使全班每一组的实验都能在课内顺利完成,教师还提前补充课本对实验的陈述,使每一步操作都具体详细,在课本要求同学自己设计实验方案时,教师还给出可行的方案建议,指出可能导致实验失败的操作、设计。这样下来,全班同学都能顺利地完成实验,既节约时间又避免了实验中可能出现的问题。对于教师来说,既让每一位同学都亲自动手参与了实验活动,又顺利地完成了教学任务。

但是,目前多数学校的实验条件较差,实验室空间、实验器材不能满足学生每一节课都进行分组实验,于是,一些老师就认为这样的教学条件无法开展探究式教学活动,学生也就无法进行科学探究。因此老师又回到自己一边做实验一边讲,让学生观察并记录现象、结论,甚至用“讲解+图示”代替仪器和药品的“口授实验”又重新派上了用场。

上述问题的存在是教师对探究式教学的认识存在偏差,没有正确理解学生科学探究活动的内涵和本质,没有全面认识化学课堂中的探究式教学。

那么,什么是科学探究?探究式教学的内涵又是什么呢?

科学探究一词有两种含义,一是指科学家们用以研究自然界并基于此种研究获得的证据提出种种解释的多种不同途径。二是指是学生们用以获取知识、领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法而进行的各种活动。我们在此所谈的科学探究当然指的是上述表述中的后一种涵义。

在这里,科学家们所进行的探索人类未知的探究活动和学生们在学习中所进行的探究活动用同一术语来表述,是因为这两类活动有很多的相似之处。

首先它们都基于探究者对自然的好奇,这是人的天性。当面临新的境遇时,无论是大人还是孩子,都要试图确定正在发生着什么,为什么会发生这些,以后会怎样。学生在学习活动中只有产生了这种疑问,才会从内心激发起探究的欲望;

其次,当面临要探究的问题时,无论是科学家还是学生在心理上的疑难处境是相似的,问题的答案对于他们来说都是未知的,尽管科学家要解决的问题可能全人类都还不知道其因果,而学生们要解决的问题多数是他人(如老师)已知的,但不论对科学家还是学生来说,这种心理处境是相似的;

还有,解决问题的程序也大体相当。由于这两类探究活动在本质上都属于问题解决过程,所以它们有大体相同的程序过程。心理学认为,问题解决大体要经过“理解和表征问题”、“寻求解答的方案”、“执行计划或尝试某种解决方案”、“对结果进行检验”四个阶段,这两类科学探究活动往往包含有共同的提出问题、提出假说、设计方案、收集证据、解释与结论、交流与评价等要素。

第四,它们都以获取新知为目的,科学家的探究是为了理解自然、认识自然,使人类获得新知,同学们的探究是为了学习自己不知道的知识和方法,使自己获得新知。

化学教学中的科学探究与化学家们的科学探究又不完全一样。前已述及,同学们探究的问题,其结论往往是人类已知的,问题本身是经过教师筛选、优化了的,探究过程中往往能得到老师的指导,特别是在决定探究成败的关键环节或探究遇到困难难以向前进行时,教师的点拨常能使活动获得突破。而科学家们的探究过程常常是在迷茫中进行的,科学家在探究中,难以有像学生们探究中的老师那样一位“先知者”帮助。

综合来看,化学教学中的科学探究活动有如下特点:

1.同学们是围绕化学问题展开探究活动的。

在化学课堂上,同学们探究的问题是针对与化学有关的自然环境、社会生活或化学学科本身的事件等提出的,具有鲜活的现实意义。问题要与《化学课程标准》规定的学习内容或概念相联系,并且能够引发同学们进行思考、辩论、收集事实和证据,从而进一步应用科学方法得出结论。一句话,问题要具有科学性。在课堂上,一个有难度但又能让人尝到果实、足以引发探究的问题,能最大限度地激发学生的求知欲望,并能引出另一些需探究的问题。

2.同学们为了解释问题、得出结论而有意识地去获取证据。

为了回答或解决化学问题,同学们设计方案,通过实验、资料查阅、走访调查等形式获取数据和科学事实。化学实验是收集证据的最常见形式,一个设计良好的实验能揭示科学问题所牵涉的事实真相,同学们通过自己的观察、记录积累起要解释和回答问题所需的证据。但化学实验不是获取证据的唯一途径,同学们在课堂讨论中相互提供自己已有经验中能作为证据的事件、事实甚至数据,或查阅手头的资料,利用前人的研究成果等等,这些共同指向同一科学问题的事实,都可作为探究的证据。

3.同学们根据事实和证据对问题进行解释。

同学们收集证据、积累数据,这本身并不是探究活动的目的,而用这些证据对问题进行解释、获取结论才是探究的目的。要回答或解决科学问题,需要同学们对收集到的证据用科学方法进行加工、整理和处理,揭示“事实——假设——问题”间的关系,同学们积累的事实证据可能证明他原来所作的假设是正确的,也可能证明其是错误的,从而对科学问题做出解释。在化学问题的探究中,常用的科学方法有:比较、分类、图像化、表格化、化学用语化、模型化、概括、推理、归纳等。这是探究活动的高级思维阶段,往往是探究获得突破,同学们的认知迅速获得提升的关键。

4.同学们通过与他人(包括老师)的解释进行比较,来评价自己所作解释得合理性,进一步完善自己的解释。

评价解释,并且对解释进行修正,甚至抛弃,是科学探究活动的重要特征之一。评价解释时,同学们常要提出这样的问题:所获取的证据是否能充分支持提出的解释?证据是否存在偶然性,是否受到无关变量的影响?这个解释是否足以回答提出的问题?解释推理过程是否存在某些偏见或缺陷?从这些证据中是否还能推出与这个解释不一致的其它解释?化学现象的出现必定受到实验条件的影响,所以检查证据的可靠性以及证据与解释是否存在必然联系,这是化学探究活动所必需的。事实上,在化学课堂的探究过程中,面对同一科学问题,学生个体或小组都会产生自己的解释,这些相同或不相同的解释为同学们评价自己的解释奠定了基础、提供了方便。

5.同学们要交流和论证他们所提出的解释。

在课堂上,同学们向小组或全班公布他们对化学问题的解释,使别的同学有机会就这些解释提出疑问、审查证据的可靠性、挑剔逻辑推理过程、指出解释中有悖于事实证据的地方,或者就相同的化学现象提出不同的解释。同学者间相互讨论自己对问题的解释,能够引发新的问题,有助于学生将实验事实、已有的化学知识和他们所提出的解释这三者之间更紧密地联系起来。最终学生能解决彼此观点中的矛盾,或进行进一步的探究,对化学及其研究方法产生新的认识,认知结构获得扩展。

综合以上论述可以看出,化学课堂中的探究式教学,其核心是学生围绕化学问题展开探究活动,是同学们在问题的驱使下,利用证据对问题进行解释,从而使自己的认识获得提高、认知获得发展的高级思维活动过程。证据的获得常常通过化学实验来完成,但也可采用其它的方式,如辩论、查阅资料、上网查询等,这与问题本身的内容、性质有关。通过实验获取证据的探究活动,可以每一位同学都各自使用一套仪器,自己动手,完成“假设——实验——整理加工事实”的过程,也可几个同学一组,甚至当条件不充分时,全班共同使用一套仪器和试剂,因为学生是否进行了探究式学习,不在于其是否动手进行了实验,而在于其是否围绕化学问题展开了探究活动,特别是思维活动。

当然,化学课堂上,实验越集中,学生在探究中所受到的限制越多,其在探究中的主动性、参与性和情感的投入会受到影响,但这不等于说,不通过实验获取证据的探究,或全班集中使用一套器材、集中观察一组实验的探究就一定是低效的甚至不能被称作科学探究。相反,即使每位同学都单独使用一套器材、独自进行实验活动,如果缺少化学问题驱使下的,从假设到证据,再到解释、交流的一系列思维活动,仅仅是按照已知的实验步骤,被动进行操作、记录,则其根本就与探究式教学不沾边,其作用最多只是帮助学生记忆化学结论、锻炼动手操作能力,长期在这种实验方式下学习的同学,其对化学实验的兴趣会慢慢减弱,甚至成为学生学习的新负担。

下例中,全班同学共用一套装置,对“雷雨发庄稼的科学道理”进行了深入的探究,同学们不仅经历了一次较为完整的科学探究活动,而且还学到了氮及其化合物性质的知识。

案例:探究“雷雨发庄稼”的科学道理

[教师创设情景]我们河北省是一个农业大省,我也知道我们班一部分同学来自农村,一定对这样的情景非常熟悉:

[播放视频]雷雨及雷雨中的庄稼、雷雨后的庄稼。

[教师陈述]农民有句谚语“雷雨发庄稼” ,流传几千年的谚语一定有它的科学道理。今天我们就要用学过的知识来探究这句谚语中所蕴涵的科学道理。

[字  幕]探究“雷雨发庄稼”的科学道理。

[教师引导] 先请同学们推测它可能有什么科学道理呢?请大家考虑,可以相互讨论。

[字   幕] 推测“雷雨发庄稼”可能的科学道理。

[学生讨论] ……

[教师引导] 哪位同学谈谈自己的观点?

[学 生 1] 是雷雨后产生了庄稼所需要的养料,可能是含氮元素的物质,因为庄稼需施氮肥。

[学 生 2] 含氮元素的物质是雷雨诱发生成的,在放电的条件下,氮和氧生成NO2。

[学 生 3] 我认为是N2和O2在放电的条件下先生成NO,NO和O2反应生成NO2

[教师引导] 大家需注意看现在是雷雨天,除了打雷、闪电外还有雨水。这位同学你有什么补充吗?

[学 生4] 可能是生成的NO2溶于水,生成HNO3和NO,HNO3降到土壤中,与土壤中的某成分反应生成硝酸盐,硝酸盐中含氮元素。N元素是植物生长所需的营养元素,所以这可能是雷雨发庄稼的原因。

     教师在同学们陈述自己的看法的过程中,在黑板上一一将同学们的观点作了简要记录。

[教师引导] 还有补充吗?其他同学还有不同观点吗?

[教师陈述]这仅仅是我们的推测,不一定是真的,还不一定是科学道理,必须通过科学实验来验证。下面请同学们设计实验方案证明我们的推测是否正确,可以讨论。

[同学讨论]……

[教师插入] 同学们,我知道大家遇到的最大困难就是无法在今天教室的环境中打雷下雨,怎么办?

 [师生对白]

天为什么会电闪雷鸣?

有云,

有云就能电闪雷鸣吗?

云相互摩擦产生电。

我们今天教室里也有电,如果我们想办法将教室中电的两极相互靠近,再加足够高的电压也一定能击穿空气产生放电。那我们就需要一个装置。

   [教师展示实验装置并介绍] 我给大家准备好了一个装置,这是两个电极,下面是线圈,接通电源,两极能产生5万伏的高压击穿空气而放电。

我这里有两个塑料瓶,瓶内空气的主要成分是N2和O2。把其中一个塑料瓶连在两极上,密封好。接通电源,大家注意看,这就是模拟的电闪雷鸣。

装置内产生电火花,呲呲作响。

[教师引导] 在电闪雷鸣的过程中,请同学们再思考,怎么用实验来证明这个装置中确实发生了推测中的反应呢?

我们每位同学手中都有一张探究工作卡,请把设计的方案写在工作卡上,可小组讨论,选代表发言。

[学生讨论]……

[教师引导] 哪组给大家介绍你们的方案?

[ 组  1  ] 收集生成的气体于试管中,若观察到红棕色气体,就证明有NO2,把试管倒置于水槽中,红棕色气体颜色变浅,再向试管中加紫色石蕊试液,变红则证明有HNO3生成。

[ 组  2  ]我认为生成的是NO,把NO收集于试管中,再向试管中通O2,产生的红棕色气体就是NO2,把试管倒置于水槽中,红棕色褪去,拿出试管向试管中加水,石蕊变红,证明是HNO3。

[教师引导] 其他组还有不同的方案吗?

      分析大家的思路,第一组是先收集NO2气体于试管中,观察红棕色,再加水,再取所得液体检验其酸性。第二组不同的就是先通O2。

   教师关掉电源,取下塑料瓶用胶布粘住2个小孔,然后举起两个塑料瓶进行对比。

[教师提问]大家比较这两个塑料瓶,它们有什么区别吗?

[ 学  生 ]有,有红棕色气体生成。

[教师引导] 还需将瓶内气体收集在试管中吗?还用不用再通入O2?

[ 学  生 ] 不用。


放电


[教师引导]因为瓶内就有O2。这种气体是NO2,红棕色的。精确的科学实验证明,N2和O2在放电的条件下直接化合生成无色、不溶于水的NO气体。NO在常温下很容易与空气中的O2再化合,生成红棕色、有刺激性气味的NO2气体,NO、NO2都有毒,是大气污染物。

 [教师板书]  N2 + O2 ====== 2NO  ,    2NO  +  O2 ====  2NO2  

[教师引导] 刚才只是模拟闪电,还没有“下雨”,怎么办?

[学生]加水

教师请一位同学进行操作。打开瓶盖,向瓶内加入少量的水,振荡。又用蓝色石蕊试纸检验所得液体,试纸变红。

[教师引导]所得液体呈酸性就能证明生成的一定是HNO3吗?会不会是盐酸?会不会是硫酸?

[学生]不会,因为瓶内没有氯元素,也没有硫元素。

[教师板书] 3NO2 + 2H2O === 2HNO3 + NO

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