基于主题式教学和创新思维培养的实验教学研究

胡珺晶 张泽 尤菲

摘要：分析了“反应热的测量与计算”实际教学中存在的3个问题：重理论轻实践，实验教学环节的展开不充分，难以凸显学生的主体作用;单一、纯粹的知识性教学大多呈碎片化，内在逻辑性不强，难以凸显科学知识的意义及价值;简化的数据分析、重复的数字计算，难以让学生的创新思维得以培养。提出创设主题式情境进行实验教学，以期凸显学生的主体作用，培养学生的创新思维。呈现了“反应热的测量与计算”的教学实录，包括“选”薯片、“吃”薯片、“用”薯片等3个环节。通过本节课学生的学习表现分析了教学效果、存在的问题及教学改进的方向。

关键词：反应热的测量;主题式;创新思维;教学实录

文章编号：1008-0546（2021）02-0083-06 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.021

“科学探究与创新意识”是化学学科的核心素养之一。高中化学实验教学是培养该素养的重要平台。而“反应热的测量”作为高中化学实验教学的重要内容，却往往在“反应热的测量与计算”这课时教学设计中被弱化。笔者拟通过创设主题式情境进行实验教学初探，以期凸显学生的主体作用，培养学生的创新思维。

一、教学主题内容及教学现状分析

本节课的内容是高中化学苏教版选修教材《化学反应原理》专题1“化学反应与能量变化”第一单元“化学反应中的热效应”第2课时“反应热的测量与计算”。

本课时的主要内容包括：（1）介绍常见的获得化学反应热数据的方法;（2）以“中和热”的测定为例，让学生了解反应热测量的实验原理、实验装置、实验步骤等;（3）运用盖斯定律进行计算。

在检索到的教学设计中的教学思路具有如下共性：一方面，弱化反应热测量的实验教学，单一强调可能引起中和热测量误差的可能原因。另一方面，强化运用盖斯定律计算，着重凸显数据分析与计算。引导学生学会从多个繁杂的热化学方程式中，理清其之间的关系，结合各种数据计算，再运用类比、归纳等方法小结出此类试题的解题策略，借此培养学生获取及加工有效信息的能力。

存在3个问题值得关注：（1）重理论轻实践，实验教学环节的展开不充分，难以凸显学生的主体作用;（2）单一、纯粹的知识性教学大多呈碎片化，内在逻辑性不强，难以凸显科学知识的意义及价值，难以养成学生良好的思维习惯，难以提升学生优良的思维品质;（3）简化的数据分析、重复的数字计算，难以让学生体验科学探究的过程，难以让学生体会科学研究的复杂性，难以让学生的创新思维得以培养。

二、教学思想与创新点

（1）笔者经“中国知网”进行文献检索并结合生活经验发现，“反应热的测量”在工业生产上及日常生活中应用广泛。将与之相关的部分文献进行梳理（见表1），遴选合适的富有教育教学意义的素材，结合学生生活中熟悉的食品和话题创设主题式实验教学情境以期重建教学内容呈现的顺序、方式和侧重点，从而将零散的知识融合一体，增强其内在逻辑性、关联度，体现化学学科知识或思想的发展内涵。

（2）古语有云：“吾听吾忘，吾见吾记，吾做吾悟”。蒙台梭利也曾说过：“我听过，我就忘了;我看见，我就记得;我做过，我就理解。”这都说明亲身体验的重要性。化学实验的过程恰恰为学生提供了体验学习的可能性。同时，实验是化学学科的重要组成部分，其不仅是学生获取科学知识、培养创新意识、锻炼实践能力的主要方式，也是提升学生核心素养的重要途径。

在主题式实验教学中，创设实验情境、设置任务驱动、优化实验方案、规范实验意识。通过学生设计实验、动手实验、观察实验、改进实验等环节来增强学生的亲身体验，最大限度地让学生在自主探索中完成探究能力与创新意识的提升，发展学生的化学思维。

三、教学目标

（1）通过阅读资料卡，初步认识到“反应热的测量”在日常生活及化工生产中的广泛应用，提高对热化学方程式内涵的认识，理解热量、热值与燃烧热之间的关系。加深对科学本质的认识，感悟化学的学科价值。

（2）通过测量薯片燃烧热的实验，理解测量反应热的基本原理，初步学会反应热测量的实验方法。知道定量实验研究对化学发展的重要作用。

（3）通过对实验误差的分析与实验数据的处理，加深理解盖斯定律产生的意义，进一步认识到实验研究与理论形成之间的关系。

（4）通过设计实验、分组实验、改进实验等环节，加深学习体验，规范实验意识，提升探究能力，培养创新思维，形成科学精神。

四、教学流程

本节课设置问题驱动，创设以“薯片燃烧”为明线的主题式教学情境，分别以三个环节展开教学，教学流程如表2所示。

五、教学实录

[环节一]选”薯片

[师]展示图片--超市一角，在货物架上摆放各式薯片。

[师]同学们平时吃过薯片吗？你们知道超市里卖的薯片都有哪些品牌么？你們经常会选择哪一种？为什么？

[生]乐事。味道好。

[师]有没有同学不吃薯片？为什么？

[生]吃薯片会变胖。薯片是垃圾食品。

[PPT]在众多薯片品牌中，我们选择哪一种会更好？吃薯片真的会胖吗？薯片是垃圾食品吗？

[师]实物展示：乐事、可比克的薯片。提问：以咱们常买的两种品牌薯片为例，我们选哪种呢？

[PPT]提供资料卡：滋补类食品富含众多营养元素，能供给身体较多营养成分，对人体健康起重要作用。食品的热值因其化学组成、有机成分含量、种类等的不同而有所差异。食物进入机体后会发生化学物质能量释放过程，热值高的物质中化学物质总含量较高。食品的能量价值在一定程度上能从热值上反映出来，燃烧热值常用于衡量营养膳食能量的大小，也作为衡量食品品质的一个重要物理科学数据。

[师]读完资料卡，你能获取的關键信息是什么？

[生]燃烧热值是作为衡量食品品质的一个重要物理科学数据。

[师]那大家能不能设计一组实验，让食品“品质”显性化呢？

[生]交流讨论、汇报实验方案。

[生]实物投影：实验装置图（见图1）。

[师]请同学们开始实验，并及时记录实验现象。

[生]分组实验，汇报现象，得出结论：通过刚才的实验，我们发现，如果从燃烧产生的热效应来看食品品质的话，我们可以选择购买“乐事”。

设计意图：（1）还原真实的生活场景，取材学生日常熟悉的零食，结合直观明了的资料卡信息，让学生迅速融入课堂，轻易即可建立起反应热测量与薯片燃烧之间浅显联系的桥梁。（2）实验操作简单且成功率高，让学生获得成功的体验，调动了学生积极参与课堂的情绪，为后续实验教学的展开奠定基础。

[环节二]“吃”薯片

[师]提问：“薯片是垃圾食品吗？吃薯片会变胖吗？”

[PPT]资料卡：什么是热量？人体每时每刻都在消耗能量。这些能量是由食物中的产热营养素提供的。食物中能产生热量的营养素有蛋白质、脂肪和碳水化合物。它们经过氧化产生热量，供身体维持生命、生长发育和运动。

生物氧化是指有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳、水，并释放出大量能量的过程，主要为机体提供可利用的能量。生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本质上是相同的，遵循氧化还原反应的一般规律，所耗的氧量、最终产物和释放的能量均相同。因此，采用燃烧薯片的方法测定其热量。

热值指某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，是一种物质特定的性质，即不同燃料在燃烧过程中化学能转化为内能的本领大小。在食品化学中，热值是表示食物能量的指标，指1g食物在体内氧化时所放出的热量。

[PPT]教材9页，介绍标准燃烧热与热值的概念。

[PPT]测定原理：将待测样品放人测热器燃烧室中完全燃烧，并用水吸收释放的全部热量而使水温升高，在常温常压下，每1g水升高1℃需吸收4.184J热量，记录水的质量和水温的变化，就可以计算出样品释放的能量。此外，要用酒精燃烧做对比实验。固体燃料完全燃烧释放的热量的计算公式是：Q放=mq，式中Q放表示热量（J），q表示热值（J/kg），m表示固体燃料的质量（kg），有q=Q放/m（固体）;热能计算公式是：Q=c·△t·m，式中C是比热容，m是质量，△t是温度差。

[师]请大家讨论，依据所给的几段资料，以及桌上的实验器材，可以设计怎样的实验？实验过程中，需要测量哪些物理量？大家可以边讨论边尝试绘制观察量表，以便于实验过程中，记录数据。

[生]分组讨论选择装置（见图2），设计实验数据采集量表（见表3），同时达成共识，本实验取用50mL水，进行分组实验。

[师]实验数据如何处理？

[PPr]提供参考数据C=4.2x10³J·（kg·℃）。q酒精=2.9×10⁴kJ/kg;q碳=3.0×10⁴kJ/kg（摘自百度百科）。

[生]计算。汇报：实验一组计算结果为乐事薯片每30g的热量的标准值为684kj，故误差为56%。实验二组计算结果为乐事薯片每30g的热量的标准值为68410，故误差为52%。

[师]展示乐事薯片配料表。提问：对比配料表，实验结果出现了误差。请大家分析讨论，形成误差的原因可能是什么？

[生]装置热损失太大;燃烧不充分;温度计读数各人有误差;薯片初始质量太小;这种测量方法是基于食物完全氧化释放出的能量。由于食物中的能量营养素很多，不会被全部吸收，且消化率也各不相同，因此，消化吸收后在体内也不一定完全被氧化分解释放能量。

[师]能否在此基础上做改进呢？

[生]需要特殊材料减少热散失。

[师]展示图片淘宝上售卖的酚醛保温板。

[生]减小装置敞口范围。联想到以前的煤炉烧水--改进装置（见图3）。

[师]展示课前改用3片薯片DIS实验图（见图4、图5）。计算结果：Q薯片=q薯片×m标准值=642kJ

实验误差=6.1%，说明确实误差减小了，但是，还有没有更精确的测量仪器呢？

[PPT]资料卡：恒温氧弹式量热计。

[师]是不是所有物质的燃烧热都可以用氧弹计测量得到呢？以碳生成CO为例。

[生]不可以。

[师]为什么？怎么办？

[生]阅读教材，了解盖斯定律，完成教材7页例题。

设计意图：（1）教师为学生设置的分组实验任务，让学生在任务驱动下发挥主观能动性，选择装置、动手实验、分析数据、改进实验，从而有效培养学生的创新思维，强化证据意识，提升分析推理能力。（2）测量“薯片”燃烧热的主线清晰，知识间逻辑性强，借助改进实验引出量热计，继而让“盖斯定律”自然而然融入到学生原有的知识体系当中。使学生加深理解盖斯定律产生的意义，进一步认识到实验研究与理论形成之间的关系。（3）结合主题式教学情境，开发教材以外的实验，尽可能地创设实验条件，让学生在直观的感性现象中记忆、理解知识。学生在实验体验的基础上，感受科学发展的艰辛历程，进一步感悟化学学科的价值和意义。

[环节三]“用”薯片

[师]教材5-6页“拓展视野”。我们今天运用定量实验探究了薯片中的热量，知道薯片中含有的热量确实很高。据称，大量食用薯片，容易造成饱胀感，不仅影响正常进餐，而且妨碍身体对营养物质的吸收，破坏营养均衡。据教材介绍，若能量摄入过剩，则会在体内贮存起来。人体内能量的贮存形式是脂肪，脂肪在体内的异常堆积，会导致肥胖和机体不必要的负担，并可成为心血管疾病、某些癌症、糖尿病等疾病的诱发因素。因此，薯片要少吃，尝两片即可，吃多了会影响健康。当然，实在想尝几片，据今天的课堂实验结果，那就请选择“乐事”吧。当然，大家已经知道薯片燃烧放出的热量可以使一定量的水沸腾，那你还知道哪些用途吗？

[生]讨論、交流。是不是只要量够大，还可以自热米饭？自嗨锅？但是这个量怎么控制？

[师]这就还是回到了今天的课题，需要做定量实验。当然，“反应热的测量”可不仅仅局限在“薯片”上，在实际生产生活中，“反应热的测量”应用广泛。

[PPT]“反应热的测量”在能源、材料、食品等方面的应用（见表1）。

设计意图：“反应热的测量”的实验貌似不难理解与操作，但为何要学习这块内容，学生往往并不理解，或者说，学生对定量实验的兴趣往往不如定性实验。环节三的设计是为了让学生能够清晰的感受到定量实验在科研、生产、生活中的广泛应用，感悟到本节实验课的价值和意义。

六、教学效果与反思

1.巧立主题，凸显主体作用

与主题式教学相关的研究已较为系统，但基于主题式的实验教学尚不多见。本节课确定“反应热的测量”为教学重点，重组教学内容，并巧立“薯片”这一学生熟悉的素材作为教学主题的载体，创设了与“测量薯片燃烧热”相关的多实验真实情境，引导学生进行自主探究，凸显学生的主体作用，提高学生运用多学科知识提出、分析、解决问题的高阶思维品质。

2.自主探究，培养创新思维

创新思维，人类思维的高级形态。某些专家对创新思维的构成和维度进行了研究，提出，创新思维主要涵盖：聚合思维和发散思维、逻辑思维和直觉思维、创造思维和形象思维等。本节课不仅提供初中物理、大学实验、高中选修等多版本多种类教材以及多份文献资料，让学生通过阅读分析提取有效信息，进行加工重组，还布置任务卡，设置多个问题串，提出有效问题激发学生主动质疑，继而通过自主设计实验、动手实验、改进实验等环节或寻找证据证实猜想或寻求解决问题的方案。在这个过程中，培养了学生的创新思维，即学生学会以问题为中心，多方向、多角度辐射思考，突破已有知识经验局限，改变固有思维模式，实现对事物新认识，完成实践创新活动。

3.关注实验，增强个体体验

著名化学家戴安邦曾提出：“化学实验教学是实施全面化学教育的一种最有效的形式。”高中化学实验教学具有活动性、探究性、参与性等符合培养核心素养的教学要求，故不能在日常教学中重理论轻实践，一味压缩实验教学的比重和教学时间，而应深挖新课程理念下的化学实验课程内涵，提升学生的核心素养。本节课调整教学内容比例，关注实验教学过程，重视学科知识的真实情境化创设，提升知识之间的内在逻辑性。本节课从“日常会不会吃薯片？选择何种薯片？薯片是垃圾食品吗？”等设问开始，创设“薯片燃烧”主题实验情境，增强学生的个体体验，激发学生的学习兴趣，促进学生的学习方式转变，培养学生的创新精神及实践能力。