谈初中化学“科学探究”方法与解题能力的培养

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谈初中化学“科学探究”方法与解题能力的培养
 
化学是一门以实验为基础的自然科学。理化生学科的核心素养都少不了“科学探究”的方法与技能。新的课改教材里，将实验作为探究活动的一种活动形式，配合思考与分析，培养学生科学探究的方法和技能。并在第一单元（新教材、人教版）就设计了“对蜡烛及燃烧的探究”及“对人体吸入的空气和呼出气体的探究”两个实验，每一个章节后，都有适量的活动与探究，可见新的课改教材，有较强的突出“探究式”实验教学的理念，然而要让学生完全掌握“科学探究”的方法技能及解题能力并非容易的事情。
其实，从进入初中阶段初一生物、初二物理再到初三化学都开展注重“科学探究”方法与能力的培养，但这仍然是学科素养和“科学素养”的一大难题。由于初三化学只是学习化学的启蒙阶段，所以新课改教材中以探究为目的实验都只是体现探究的某一过程。如实验现象的探索、实验结果的探索、实验方案的探索等，并不要求学生从开始就掌握“全程探究”。
但作为化学教师能引导学生进行探究性学习、设计探究性实验，让学生了解及逐步掌握这种完整的探究性实验的学习方法，提升解答（解决）实验探究中的问题能力，培养学生科学素养是应当的职责。那么就初中阶段如何对学生实施“实验探究”教学，培养学生科学探究的方法和提升解题能力呢？我的经验是：在实施过程中充分遵循新教材实验改革的理念，把“科学探究” 法化整为零，分步强化训练（因为考题，也只会对某个或某几个环节的内容设计提出考题），在适合的时机、适合的内容时进行适度整合，总复习时进行适当训练，最终使学生掌握科学探究的方法，提高该类习题的解题能力。
一、强化发现“问题”、提出“问题”训练；
强化“问题”的训练，达到学生养成细观察、勤动脑、善提问的习惯。可由老师提出“问题”，如：硫粉在氧气瓶中燃烧（用排水法收集的氧气）为什么会观察到大量的“白雾”？（与书上的“无色、有刺激性气味的气体”不同）等等。也可由老师设计一定的实验，让学生在观察中提出问题。如：①蜡烛燃烧为什么有时会有黑烟？有时又没有黑烟呢？②铁丝在氧气中燃烧，溅落下的黑色固体是纯净的Fe3O4吗？③氢氧化钠固体敞放在空气中一段时间后是否完全变质？变成什么物质？④催化剂在反应前后的性质和质量都不改变，那么在反应过程中是否改变？等等，这些问题都是值得探究的问题。
在教学过程中，有意地留出让学生发现问题，并提出问题的空间，训练学生严谨的科学态度，认真观察、认真思考、善于发现问题并提出问题。培养学生细观察、勤动脑、多提问、善提问的习惯。
二、对提出的问题进行预想、假设，并引导学生对假设进行分析讨论，培养学生分析、思维判断能力和逻辑推理能力
1、把提出的问题交给学生，让学生进行预想和假设，只要引导学生动了脑、开了口，同一个问题，就会有多种预想和假设。如：
① 我在探究物理变化与化学变化的过程中选用了老教材中加热碱式碳酸铜的实验，学到后面时再回过头来让学生对生成的产物进行提问，学生就能提出：黑色物质是氧化铜还是碳？有的还提出是不是二氧化锰？
②铁丝在氧气中燃烧后溅落在瓶底的黑色物，有的认为是Fe3O4；有的认为可能还含有未燃的铁；也有猜测含有碳的等等。每个学生对自己的猜想都有自己的理由依据，但不可能理由和依据是充分的，预想和假设都是合理的。
2、引导学生对假设进行分析讨论，培养思维判断能力和逻辑推理能力。
引导学生对各种预想进行分析讨论是非常重要的。“讨论”就是寻求支持“预想”和“假设”的理论依据，通过“讨论”可以克服学生草率或盲目地选择某种预想的倾向，并淘汰那些理由依据不充分、欠科学、不可靠的“预想”，而得到一个或几个较统一的“预想”。如：上述的假设中，通过学生的各抒己见，便发现加热碱式碳酸铜[Cu2(OH)2CO3]后的黑色物不可能是MnO2、因反应物中无Mn元素，也不可能是氧化铜与碳的混合物，因2CuO+C  2Cu+CO2↑。又能起到对学基础知识、基本原理的复习巩固作用，还能培养学生的思维判断能力、逻辑推理能力和语言表达能力，也就增强了解题能力。
三、多引导学生设计和评价实验方案
1、要验证自己的“假设”就要进行实验，那么就要设计实验方案。对于初学化学的学生，开始进行实验设计训练不能要求太高、太复杂，先必须布置简单的实验，要让绝大多数学生，甚至所有学生都能设计实验出自己的方案，增强他们的信心，使学生觉得设计实验方案并不难。
如：教材中“对人体吸入的空气和呼出气体的探究”，虽然我把它改为师生共同探究活动，但要求学生设计探究方案并引导分析方案的可行性后才能进行试验，否则就会变成教师包办的演示实验，达不到培养探究能力的效果。只有到了学生掌握了一定的基础知识和基本技能后，才能训练稍为复杂一点的实验设计方案。如：对二氧化碳制取的研究，就必须以制取氧气的装置为基础展开设计，因为让学生自己选择器材、药品，设计步骤和方法，必须具备一定的基础理论知识和基本技能，根据不同的学生有不同的思维方式，设计出的实验方案也才会多样性。
2、引导学生对不同的方案进行评价，复习巩固基础知识，提高实验设计能力。对学生设计的实验方案，主要是引导学生从以下四个方面进行评价：
①实验方案的科学性：科学性是化学实验方案设计的首要原则，所谓科学性是指实验原理，实验操作先后顺序和方法，应该正确。
②实验方案的可行性：即实验设计应切实可行，所选用的化学药品、仪器设备和反应条件等是否为普通常用，能否得到满足。
③实验方案的安全性：设计的实验要尽量避免使用有毒药品（除非要不可，如探究一氧化碳性质）和具有一定危险性的实验操作，防止危险事故（如爆炸、中毒等）及防止污染环境。
④实验方案的简约性：设计的实验应尽可能地简单易行，应采用简单的实验装置，较少的实验步骤，较少的药品量，能在较短的时间内完成。
这些要求在学生进行设计之前，就告知学生，既是对学生的提醒，也是对设计思路和评价方案作出导向。
只要老师经常引导学生按上述四个方面进行分析评价实验方案，学生就会学会对自己设计的实验方案进行自我评价和相互评价，而获得较科学的实验方案，我常用以下实例引导学生进行分析和评价：
例1：现有四瓶无色气体，分别是O2、CO2、CO、空气，要学生设计出最简单的鉴别方案：开始绝大部分同学当然都是用燃着的木条进行检验。用到的器材有火柴（或打火机）、酒精灯、木条，有的还用到了澄清石灰水，但通过讨论评价后，最终得出只要火柴即可。只要用划燃的火柴去直接检验，既简单，又节约了酒精燃料。
例2：现有三瓶无色溶液，它们是石灰水、氢氧化钠和稀盐酸要同学们设计出鉴别方案。
通过归纳，得出主要的两种方案：
方案一：
澄清石灰水：Ca(OH)2                稀盐酸             出现浑浊
                                                             Ca(OH)2
氢氧化钠：NaOH      酸碱指剂      NaOH    通入CO2   无现象
                                                             NaOH
稀盐酸：HCl                        Ca(OH)2
方案二：
  Ca(OH)2                                    有沉淀产生     Ca(OH)2
  NaOH     滴加Na2CO3液      无现象          NaOH
HCl                           有气泡产生      HCl
 

虽两种方法都可行，但通过讨论评价，大家一致认为方案二更科学。从对上述两个实例的评价，学生就理解了实验方案的“简约性”。
例3：现要制取一定量的硫酸铜，通过查资料可用两种方法。

  △ 
方法一：Cu+2H2SO4(浓)  ====  CuSO4+SO2↑+2H2O


  △ 
方法二：2Cu+O2  ====  2CuO    CuO+H2SO4 ====  CuSO4+H2O

让学生讨论评价哪种方法更好；开始时既有认为：“方法一”要好，也有同学认为“方法二”好，但最终通过讨论评价，还是认为方法二好，主要观点是：1、稀硫酸比浓硫酸的腐蚀性弱，使用稀硫酸的危险度比浓硫酸的小；2、从反应方程式可知，要得到相同质量的CuSO4，方法二比方法一消耗的硫酸要少；3、方法一生成物有SO2，如果不处理吸收会污染空气，如果进行吸收处理，则装置要比方法二复杂，且用到的药品会增多。从评价中看出学生考虑到了“安全性”、“简约性”及“环境污染”。
再引导学生对CO还原氧化铁的实验方案及尾气处理进行分析评价。强化学生从科学性、可行性、安全性、简约性四个方面综合评价实验方案的训练，提高学生的素质和能力，既使以后遇到较为复杂的实验方案设计，也能设计得较为合理，或力求设计得最合理、最科学，作为学生总是想自己的方案是最佳的，能被同学和老师采纳，这样既让学生学会了评价和设计方法，提高了素质和能力，又激发了学生的创新欲望。
四、实验验证并进一步提高学生操作动手能力
按学生设计的实验方案进行实验，既能提高学生实验操作能力，又能对预想和假设进行验证。此时的实验可认为是验证性实验，但与教材中的“验证性实验”是不同的，因教材中的验证性实验，只要你严格按照教材中的要求去做，就一定能得到要验证的结果，而这里的“实验”是根据学生自己的预想和假设，设计的实验，其结果与假设和预想可能相吻合，也可能不相吻合。那么，对出现的与预想不相符的实验现象和问题，还要重新进行思考和分析，进行再次探究。
五、适时、适度整合训练
我常常在学习第六单元 《二氧化碳和一氧化碳》的第二课时——一氧化碳时对“实验探究”的全过程初次进行整合训练觉得效果较好：
1、提出问题：
一氧化碳具有哪些化学性质？
2、进行假设：
（1）能燃烧或能助燃；
（2）不能燃烧也不能助燃；、
（3）能使澄清的石灰水变浑浊
（4）不能使澄清的石灰水变浑浊
（5）一氧化碳有还原性
（6）一氧化碳无还原性
……
学生为什么提出，也主要只提出这些问题，因为，只有这些问题是建立在学生对前面的氧气、氢气、尤其是碳单质和二氧化碳性质的基础之上的，他们只会与他们的性质作对比的提出（老师只需提前准备几瓶密封在锥形瓶中的一氧化碳展示给学生即可）。
3、实验方案的设计（我常常只要求学生设计对（1）（2）（3）（4）条猜想的验证进行实验设计）
    探究假设（1）（2）的实验方案：打开锥形瓶塞，用燃着的木条或火柴迅速伸入瓶口，观察气体能否着火燃烧或木条燃得更旺还是熄灭。
探究假设（3）（4）的实验方案：方案一、打开锥形瓶橡胶塞迅速倒入少量澄清石灰水，震荡观察；方案二、用注射器向锥形瓶中注射少量澄清石灰水，震荡观察；
……
4、引导分析：
     探究猜想（3）（4）的实验方案二比方案一更科学，并且经学生讨论评价和交流后，还会有学生提出先探究（3）（4），然后探究（1）（2），只要打开并点火已注入了澄清石灰水的一氧化碳锥形瓶（因为可同时验证燃烧的生成物是二氧化碳），教学过程更科学严谨。
5、进行实验
一氧化碳虽有毒性但由于密度与氮气的相同（与空气非常接近），所以打开锥形瓶的橡胶塞时一氧化碳不会马上逸出，按照设计的实验方案进行实验，然后根据实验现象，分析得出探究结论。
6、结论：
（1）一氧化碳具有可燃性（燃烧时火焰呈蓝色，生成能使澄清石灰水变浑浊的二氧化碳气体。）
（2）一氧化碳不能使澄清石灰水变浑浊。
注：该课时对一氧化碳是否具有还原性的实验设计可由老师完成，也可引导学生进行设计。
在后面探究金属的活动性及进行总复习阶段再不断进行整合训练，如：盛装氢氧化钠溶液的试剂瓶瓶口的白色固体成分是什么物质？
然后由学生纷纷提出假设 → 学生讨论假设是否成立→  根据假设设计实验  →评价并确立实验方案  → 进行实验 →  得出结论。最终达到初步掌握“科学探究”的方法，为高中化学实施探究性学习打下坚实基础。
六、对探究过程中的新问题再次进行实验探究
再次进行探究，有的甚至要反复多次，让学生也尝试到科学探究的复杂性、曲折性。但经过“失败实验”又经过“失败→成功”，对学生的震憾力非常深刻、持久。在这一过程中，学生不仅会获得更多的化学知识，又能培养能力，还能促进身心发展，培养良好的意志、品质和实事求是、勇于探索的精神。如：在进入总复习时，复习到盐的性质及金属活动性顺序时，进行拓展性知识探究——对金属钠投入硫酸铜溶液中的实验现象进行预想和假设，并设计实验方案验证，最终的实验结果与学生预想的“有红色固体物质析出”完全不相符合，而观察到的现象是：钠浮在蓝色的液面上，熔成小球，四处游动，并发出“嘶嘶”的响声，有时钠球还会着火燃烧，溶液中产生蓝色沉淀，钠球燃烧时还有少量黑色沉淀产生。此时老师便要引导学生对出现的现象再进行思考分析：知道氢氧化钠与硫酸铜溶液反应会出现氢氧化铜蓝色沉淀，那么这里的蓝色沉淀是否为氢氧化铜呢？如果是，又是怎样形成的呢？少量的黑色物质又是什么呢？只要老师引导从反应物中的成分：钠、硫酸铜、水等进行分析，会有学生根据“氢氧化钠与硫酸铜溶液反应生成蓝色的氢氧化铜沉淀”。而猜测“可能是钠先与水反应生成氢氧化钠，然后是氢氧化钠与硫酸铜反应所致”。于是再设计一个看钠能否与水反应，反应后的水溶液是否会使酚酞变红的实验进行验证，结果与预想相吻合，学生由失败到新的成功，脸上显示的自豪，简直无法形容，然后老师补充一点加热氢氧化铜固体会生成黑色的氧化铜和水（该实验我常常在上物理变化与化学变化时就已涉及到，只要回过头来讲解即可），那么溶液中出现少量黑色固体可能是氧化铜……最终获得新知识。
通过最后这样的探究性实验，对学生对待科学的严谨态度是一种良好的教育，对学生所学知识的运用是一种飞跃，为以后的学习也打下基础和伏笔。同时对前面分步强化的“探究性实验法”的几个程序得到了整合。也使学生初步尝试到了运用这种方法进行科学探究的“甜头”。
这种分步训练，适度整合的“探究实验”教学法，不仅降低了教学难度，让学生逐步学会“科学探究”的方法，也绝对能应对针对于“科学探究”的各个环节所设计的习题（真正提升解题能力）。同时使老师的化学教学也充分体现了“教为主导，学为主体”的教学原则。遵循了学生的思维和认识规律，能极大的调动全体学生的学习热情和积极性，提高和巩固基础知识，激发求知欲望和创新欲望。培养科学探究能力和态度，树立科学世界观，获得科学探究的学习方法与解决问题的能力。