1新課標高中化學教材〔人教版〕

科學探究典型案例研究夏建華安徽省教育科學研究所中學特級教師【發現問題】

請根據下事實,思考可能是什么外界條件影響了化學反響速率？①蠟燭在氧氣中燃燒比在空氣中燃燒更加劇烈。②用氯酸鉀制取氧氣時，參加二氧化錳能在相同時間內收集到更多的氧氣。③用鐵礦石煉鐵時，要把鐵礦石粉碎。案例1：化學反響的速率和限度〔第2課時〕【提出假設】影響化學反響速率的外界條件可能有：濃度固體外表積催化劑溫度等推斷【設計方案】

請根據以下試劑設計實驗方案，驗證你的假設：藥品：濃鹽酸、稀鹽酸、塊狀石灰石、粉末狀石灰石、鎂條、雙氧水、二氧化錳、氯化鐵溶液(雙氧水分解的催化劑，比ＭnO2的催化作用要緩和)。儀器：試管、酒精燈、燒杯、石棉網等假設：濃度、溫度、催化劑和固體外表積濃度：1、濃、稀鹽酸和石灰石〔固+液〕2、濃、稀鹽酸和鎂條〔固+液〕3、濃、稀雙氧水和二氧化錳〔固+液〕4、濃、稀雙氧水和氯化鐵溶液〔液+液〕5、鎂條和氧氣和空氣〔固+氣〕6、濃、稀鹽酸和二氧化錳〔固+液〕設計實驗實驗原理：濃度〔六種方案三種不同狀態〕固體外表積〔創新：鎂條剪成細絲和鎂條比較〕實驗操作：定性：單組實驗、等組實驗〔控制變量〕定量：以實驗為核心的科學探究的第一個要素是“假設〞;第一項原那么是“假設驗證〞原那么。

三個步驟:第一步提出假設,即依據發現的事實材料和的科學原理,通過創造性思維,提出初步假定;第二步作出預期(或推斷),即依據提出的假設,進行推理,得出假定性的結論;第三步驗證假設,即依據假設和預期,設計實驗方案,進行實驗驗證。結果,假設或被否認,或被修正,或被證實。如果假設得到證實,預期得以實現,那么假設(假說)轉化為科學理論,故假設是科學開展的根本形式。啟迪：1、假設

以實驗核心的科學探究的第二個要素是“變量〞;第二項原那么是“變量〞原那么。

變量,亦稱因子,指實驗操縱控制的特定因素或條件。按性質不同,通常有以下兩類4種變量:

1自變量與因變量。自變量,指實驗中由實驗者所操縱、給定的因素或條件。因變量,指實驗中由于實驗變量而引起的變化和結果。通常,實驗變量是原因,反響變量是結果,二者具有因果關系。實驗的目的即在于捕獲解釋這種前因后果。

2控制變量與干擾變量。控制變量,指實驗中除實驗變量以外的影響實驗變化和結果的因素或條件。干擾變量,指實驗中由于控制變量所引起的變化和結果。顯然,干擾變量會對反響變量起干擾作用2、變量以實驗為核心的科學探究的第三個要素是“控制〞;第三項原那么是“平衡控制〞原那么。

控制,是處理實驗中變量關系的又一準那么,指實驗要嚴格地操縱自變量,以獲取因變量;與此同時,還要嚴格地均衡控制變量,以消除干擾變量。一句話,通過實驗控制,盡量消除實驗誤差,以取得較為精確的實驗結果。

如果說“變量〞原那么,主要是對實驗變量與反響變量的控制而言,而這里的“平衡控制〞原那么,那么主要是對無關變量與額外變量的控制而說的。意思是說,實驗中的無關變量的因素條件,很難防止,只有設法平衡和抵消它們的影響。

常用的方法有:

1單組實驗法。

2等組實驗法。

3輪組實驗法。3、控制。過程方法的教育要有針對性的指導，但是學生對過程的體驗，包括因未知而產生的困惑、挫折或失敗時的懊喪和反思、以及獲得成功時的喜悅與經驗，那么更為重要。新教材中配有相關的欄目和活動內容。一個可以作為探究性實驗的案例影響碳酸鈣和鹽酸反響速率的外表積因素1。應當如何確定CaCO3和鹽酸的用量〔化學計量關系的應用〕2。如何大致地估算出試樣的外表積之比〔較難，但有挑戰性〕3。實驗數據的可重現性〔結論不確定性的原因之一〕4。實驗得出的反響速率和試樣外表積的比例關系〔非常有趣〕5。實驗中可能忽略了的其他方面問題：鈉燃燒時為什么有黑色物質生成？案例2鈉燃燒提出猜測：1、可能與坩堝有關2、可能與鈉外表的煤油有關3、可能與空氣中二氧化碳有關4、可能是鈉中含有雜質5、……設計實驗方案：略學生質疑：沒有必要設計這么多的實驗方案。通過對猜測的認真排查和做出種種的解釋進行提煉總結，提出合理的假設進行實驗〔為什么先出現白色物質后變為淡黃色？〕啟迪：科學精神；問題意識；猜測與假設是科學思維的一種形式，猜測是學生接觸到問題后，根據學生已有的知識經驗在強烈的好奇心驅使下進行的演繹、歸納、類比及推理為一體而得出結論的一種發散思維，假設是在猜測的根底上經過一系列的觀察、實驗、分析、比較、歸納等邏輯推理排除掉一些不可能的猜測而得到的較為科學的推論。合理的猜測是知識與能力的綜合表達，是一種追根問底、勇于探究并開拓求知領域的創新意識的表達。因此，在猜測環節中，充分發揮學生主體性，使學生積極主動地提出盡量多的猜測與可能，讓學生的思維常常處于一種非常活潑的、發散的狀態。假設比猜測更具有合理性，在假設環節，指導學生通過對猜測的認真排查和做出種種的解釋進行提煉總結，從而作出合理的假設。要注意培養學生的邏輯聚合思維能力。在科學探究中，提出合理的猜測與假設除了給探究活動指明方向外，還可以充分開展學生的創造性思維，培養學生的創造能力，使學生養成良好的科學素養。〔1〕中學生主要采取類比、觀察與實驗、直覺與想像、溯因推斷以及歸納與演繹等策略提出猜測與假設，其中前三種策略使用頻率最高，而且不少學生在同一問題中同時使用多種策略提出猜測與假設。〔2〕學生的成績影響猜測與假設的質量和數量，其中成績優秀的學生大多能通過適當的分析思考，提出較為合理的猜測與假設；而成績較差的學生提出猜測與假設的數量、質量均較差。〔3〕在真實問題情境中，大多數學生能通過“猜測與反駁〞過程優化自己的猜測與假設，他們通過實驗、觀察以及主試的追問，能從不同角度進行分析、思考，提出猜測與假設，并能質疑自己猜測的科學性和合理性，能放棄不合理的猜測與假設，或修正、補充自己的猜測與假設，從而提出較為科學合理的猜測與假設。〔4〕中學生提出的猜測與假設存在淺薄性、片面性和模糊性等缺陷。〔5〕先入為主，錯誤觀念干擾、不恰當類比、認知結構不合理、不注意隱蔽因素、缺乏發散思維能力等因素影響中學生進行猜測與假設。16案例3實驗現象：用鑷子夾住一小塊鋁箔，在酒精燈上加熱，輕輕晃動，觀察現象鋁箔熔化，但熔化的鋁并不滴落①鋁熔點較低(660℃)②鋁箔的外表有一層氧化膜③

氧化鋁的熔點較高實驗1：鋁片與稀硫酸反響觀察現象：幾乎沒有氣泡提出問題1：金屬活動順序表中氫以前的金屬都能和酸反響，為什么鋁不能？猜測與假設：可能是鋁外表生成了氧化膜設計實驗：用砂紙打磨鋁的外表后再和稀硫酸反響案例4：金屬與酸和水的反響〔必修1第三章第1節〕19

開始較長時間后2.0mol/LHCl酸反響時間少量氣泡較多氣泡幾乎沒有氣泡實驗2：鋁片和鹽酸、硫酸的反響1.0mol/LH2SO4提出問題2：為什么鋁片加到[H+]相同的鹽酸、硫酸溶液中短時間內現象不同？猜測與假設：可能與氯離子有關？設計實驗：20控制變量：鋁片和以下試劑的反響組別酸(2mL)添加物質(約1g)一段時間后反應現象11.0mol/LH2SO4NaCl21.0mol/LH2SO4Na2SO4產生氣泡幾乎無氣泡HCl中的Cl－可以破壞鋁外表的致密氧化膜，使H＋與Al接觸反響生成H2〔機理？六點研究〕解釋：在其中加氯化鋇溶液，產生氣泡，能說明是硫酸根離子存在導致鋁不和稀硫酸反響嗎？氯化物和硫酸鹽的溶解性比較實驗鋅和1mol/L鹽酸、61mol/L鹽酸反響鋅在0.1mol/L鹽酸和0.1mol/L硫酸中的超電勢〔硫酸大于鹽酸〕鋁盒腐蝕前蘇聯的“拉氧〞假設固液反響分五步進行〔擴散－吸附－反響－脫附－擴散〕提出問題3：鋁和鹽酸反響過程中為什么有暗黑色物質出現？猜測與假設：1、可能與鋁的聚集狀態有關2、可能與鋁中含有雜質有關3、可能是鐵的化合物，理由是溶液過段時間后，經檢驗含Fe3+4、生成了一種黑色物質5、……〔不僅僅是鋁，其它金屬也有〕啟迪：在課堂上一個個有難度但又是可以獲得解決、足以引發探究的問題，能激發學生的求知欲望，促使學生開展探究活動。

23實驗探究：過氧化鈉與水反響〔必修1第三章第2節一、鈉的重要化合物〕實驗現象：猜測與假設：產生氣體，反響放熱推測產物可能是O2

NaOH案例5提出問題：生成物可能是什么？設計實驗：略提出問題：為什么參加酚酞后溶液先變紅后褪色？可能的原因實驗驗證實驗現象結論猜測與假設：褪色的原因冷卻不復原溫度過高堿濃度過高氧氣氧化取0.1mol/LNaOH溶液，滴加酚酞，向其中通入氧氣不褪色褪色反響中生成的H2O2氧化取0.1mol/LNaOH溶液，滴加酚酞，向其中滴加H2O2溶液＋－－稀釋不復原－設計實驗：控制變量這種設計得出的結論可靠嗎？問題在哪？案例6:苯酚苯酚與氫氧化鈉溶液反響苯酚鈉溶液中參加鹽酸現象：有的有沉淀，有的沒有沉淀問題：為什么會出現此現象？學生提出猜測和假設：1、原溶液中氫氧化鈉過量2、反響放熱3、參加酸過多4、鹽酸濃度小了5、酸變質了吧？6、。。。。。。幾個科學探究案例引發引發的思考：1.科學探究與化學知識的關系學生科學探究能力的提高和對探究理解的加深，不會也不可能脫離化學知識孤立進行，而是要以他們所掌握的知識為根底去探索未知事物。科學知識是科學方法的根底，科學方法是科學知識的脈絡，二者密不可分，科學知識在探究中不可或缺，要防止形式主義的科學方法或科學過程訓練。科學探究可以是對核心知識的探究，也可以是對非核心知識的探究。既是學習方法，又是學習內容科學探究的課題可大可小，要素可多可少，層次可高可低，時間可長可短科學探究有三個方面的含義：作為學習內容的探究；作為學習方式的探究；作為教學指導思想的探究。〔如2007年四省高考〕水平提出問題猜想與假設制定計劃收集證據解釋與結論反思與評價1

教師教師教師學生學生-教師教師-學生2學生-教師

教師-學生教師-學生學生學生學生3學生-教師學生-教師學生-教師

學生學生學生-教師4學生學生-教師

學生學生學生學生5學生學生學生學生學生學生科學探究水平

2.科學探究與實驗和動手的關系“學習科學是個能動的過程〞，然而實驗或動手活動不一定是能動的，能動的學習也不一定非要實驗或動手，能動與否關鍵在于學生是否積極參與學習過程。“只動手不動腦的科學活動無法到達探究的目的，探究需要明確假設，需要運用判斷思維和邏輯思維，需要考慮可能的其他解釋。〞科學探究實際上既重視動手活動，又強調動腦活動。科學探究對教師提出以下要求:重視學生在觀察中的思考，對探究結果的預測，對后續探究活動的方案，考慮變量的選擇和控制，對獲得的數據進行分析整理，在與同伴的討論中相互質疑和評價，反思自己的假設，考慮可能的其他解釋，最終得出結論和報告等。因此，探究不一定非要動手，動手學習也并非總是探究。3.科學探究呼喚教師的創造性教學一提科學探究，人們往往認為僅指學生的探究活動，而無視對教師的探究要求，以為教師只是掌握某個探究教學模式便可進行，這實際上是一種錯誤認識。教師需要對課堂的探究要素進行精心的預設，還需要對課堂生成的探究要素進行及時的引導。老師需要不斷提升自己的專業水平，需要對自己教學工作的不斷探究。教學即探究，教師即科學研究者。23、〔11分〕某混合金屬粉末，除鋁處還含有鐵、銅中的一種或兩種，所含金屬的量都在5%以上。請設計合理實驗探究該混合物金屬粉末中鐵、銅元素的存在。僅限選擇的儀器和試劑：燒杯、試管、玻璃棒、量筒、容量瓶、滴管、藥匙；1mol/L硫酸、2mol/L硝酸、2mol/LNaOH溶液、20%KSCN溶液。完成以下實驗探究過程：〔1〕提出假設：假設1該混合金屬粉末中除鋁外還含有元素；假設2該混合金屬粉末中除鋁外還含有元素；假設1該混合金屬粉末中除鋁外還含有Fe、Cu元素；〔2〕設計實驗方案基于假設3，設計出實驗方案〔不要在答題卡上作答〕。〔3〕實驗過程根據〔2〕的實驗方案，表達實驗操作、預期現象和結論。【提示】Ⅰ．在答題卡上按以下方式作答，注意前后內容對應；Ⅱ．注意文字簡潔，確保不超過答題卡空間。3132編號實驗操作預期現象和結論①用藥匙取少許樣品，加入試管A中，再用滴管取過量NaOH溶液并滴加到試管A中，充分反應后，靜置，棄去上層清液，剩余固體備用樣品部分溶解，并有氣體放出②往試管A的剩余固體中加過量稀硫酸，充分反應后，靜置。取上層清液于試管B中，剩余固體備用固體部分溶解，并有氣體放出，溶液呈淺綠色，可能含鐵③往試管B中加入少許稀硝酸，再滴加KSCN溶液溶液先變黃色，加KSCN后顯血紅色，結合②可知，一定含鐵④往②剩余固體中加入稀硝酸，再滴加NaOH溶液固體溶解，有無色刺激性氣體產生并很快變成紅棕色，溶液顯藍色，加NaOH溶液后有藍色沉淀產生，一定含銅。33此題具有開放性與探究性，著重考查學生提出假設與實驗設計能力。通過提出假設設計實驗方案

進行實驗現象和結論

的形式，強化學生對科學探究的過程的理解，同時考察實驗步驟中的具體要求，表達了新課程倡導的改變學生學習方式的要求。在填寫“實驗操作〞與“預期現象與結論〞中，表達了開放性和探究性的考查；熟悉科學探究的學生解答此題可以說輕車熟路。34實驗序號金屬質量/g金屬狀態c(H2SO4)/mol·L－1V(H2SO4)/mL溶液溫度/℃金屬消失的時間/s反應前反應后10.10絲0.550203450020.10粉末0.55020355030.10絲0.750203625040.10絲0.850203520050.10粉末0.85020362560.10絲1.050203512570.10絲1.05035505080.10絲1.150203410090.10絲1(2007年高考海南化學卷)(9分)下表是稀硫酸與某金屬反響的實驗數據：分析上述數據，答復以下問題：(1)實驗4和5說明，________________________

對反響速率有影響，___________反響速率越快，能說明同一規律的實驗還有_________(填實驗序號)；(2)僅說明反響物濃度對反響速率產生影響的實驗有_______________(填實驗序號)；(3)本實驗中影響反響速率的其他因素還有_____________，其實驗序號是___________。(4)實驗中的所有反響，反響前后溶液的溫度變化值(約15℃)相近，推測其原因：_____________________________________________________。［答案］(1)固體反響物的外表積；外表積越大；1和2。(2)1、3、4、6、8；或2和5。(3)反響溫度；6和7，8和9。(4)可能是硫酸過量，金屬全反響，放出的熱量相等，所以使等體積溶液的溫度升高值相近。3536得分0百分比11.4得分0.51.01.52.02.53.0百分比3.853.222.603.563.245.12得分3.54.04.55.05.56.0百分比9.0516.210.97.246.786.64