基于化学史的实验改进与教学研究–以“氯气及氯的化合物”为例开题报告

1. 研究目的与意义

任何事物都不是一蹴而就的，从人类学会使用火起，就开始了最早的化学实践活动。上世纪80年代，国际科学教育改革复兴了科学史、科学哲学和科学社会学(history, philosophy and sociology of science, 缩写hps)运动，这一新型的理科教学模式要求把相关内容融入科学课堂，以此为手段促进学生探索科学的本质。从那时起，科学史教育就慢慢开始受到教育者们的广泛关注，越来越多的教师认识到科学史在科学教学中的价值并尝试在课堂中融入科学史教育。化学史正是科学史的一个重要分支，其中蕴含了丰富的教育资源和重要的教育价值，是落实与培养学生化学核心素养的重要途径与有效手段，如何将化学史巧妙地融入课堂教学，发挥其应有的思政价值是当下化学教育的热门议题。化学的发展历经几千年的历史，化学史承载着化学研究的思想，是科学探究史的重要组成部分，是不断发展的知识体系，化学史教育在化学教学中有着不可忽视的作用，在培养学生的化学学科情感价值观上发挥着不可替代的作用，学习化学史有助于我们更好地理解现今化学科学的发展脉络，以及更好地评估化学学科在各个领域应用的功效。
众所周知的是，化学是一门以实验为基础的学科，实验探究是培养、发展学生思维的重要途径，将化学史与实验探究融合，在教学实践中有着奇妙的效果。因此，在教学时，将化学史与实验探究相融合很有必要。实验是化学学科的重要组成部分，人们在提到化学学科时往往第一反应就是有实验、很有趣的一门学科。化学实验让化学知识不仅局限于课本、让化学教学不仅局限于教室，运用好化学实验还能很好地帮助学生获得直观的视觉体验、收获感性认识，加深对书本上理性知识的理解，充分调动多个感官学习这一门有趣的学科，激发学生的学习兴趣，引导学生形成严谨的科学思维。
“宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任”这五大化学学科核心素养是在《普通高中化学课程标准(2017版)》中首次提出的。在2017年新课标提出以及2019年新教材投入应用后，化学教育者们越来越重视在教学过程中渗透化学学科核心素养，而化学史可以为这一需求提供丰富且有趣的素材，引导学生深入了解科学探究的过程，促进学生形成良好的思维习惯。
将化学史融入课堂是一个有效拓宽学生视野并提高学生的核心素养的方法。化学史反映了化学原理发展的过程，能够帮助学生充分理解化学知识。但很多教师在教学过程中只注重实验探究，仅仅将化学史片段作为课前导入的趣味小故事用两三句带过。以“氯气及氯的化合物”一课为例，教师大多只介绍是舍勒发现了氯气，用这个典故做课前导入，学生对氯及其化合物的发展史没有清晰的认识。实际上氯及其化合物的发展在化学史上经历了艰辛和曲折的过程，二战中的毒气战惨绝人寰，其原理正是使用了氯气，以此为例可以引导学生以史为鉴，培养学生的人文关怀，蕴藏着大量的育人素材。本文将以氯及其化合物的发展史为主线设计教学，融入科学探究，进行实验改进，带领学生重走科学家探索真理的曲折历程，感受科学发展的艰辛，培养学生的核心素养，突显化学史的育人价值。
本文基于2019版苏教版高中化学必修一教材所蕴含的化学史知识进行文献调研和分析，探索发挥化学史思政价值的意义和方式。以《氯气及氯的化合物》为代表，挖掘本课时所蕴含的化学史料以及对应的教学知识点，培养学生在遇到困难时毫不畏惧、勇于探索的精神以及坚持不懈的毅力。在实验探究部分进行创新改进，将氯气的制取与性质检验装置一体化，既避免了氯气储存泄露的烦恼，保证了课堂演示实验的安全性，又减轻了教师的教学负担，通过演示实验起到了直观的教学效果，调动学生学习的积极性，鼓励学生通过现有知识储备完成创新型实验设计，在收获解决难题的成就感时更加热爱化学，事半功倍。同时制取实验选用生活中常见的药品和装置，实验成本低，贴近生活实际，启发学生思考化学与生活的关系，培养学生的科学探究精神，增强学生的社会责任感。最后，对《氯气及氯的化合物》一课进行了教案改写，以化学史为教学切口引入知识点，以创新实验落实学生对化学探究的核心素养，收获了良好的教学效果。
本文的研究目的与意义主要有以下几点：
(1) 通过阅读国内外关于化学史教学应用的相关文献，探讨在中学课堂融入化学史教学对学生化学核心素养的增进效果，探讨如何以化学史为桥梁，促进学生对科学本质的理解；
(2) 研究制取氯气的不同方式，寻找最适合在课堂上演示操作的方法，通过氯气发生与性质检验一体化的设计，将氯气对学生的危害降到最小，接近于零，实现在课堂上进行氯气实验演示的可能性；
(3) 选择同时具有化学史素材和实验探究的课时，优化教学设计。本文选用2019年苏教版必修一《氯气及氯的化合物》的第一和第二课时，基于化学史对学生进行化学核心素养的培养，发挥化学史的思政价值，同时基于课本原有实验方案进行实验改进和创新，符合实验微型化、绿色化原则，提供可应用于实际教学的一点思路参考，为加强培养学生的创新精神和科学探究意识而努力。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：
1. 化学史与实验探究巧妙融合：通过实验的创新设计与探究，以氯及其化合物的发展史为主线，设计蕴含发现科学本质的探究活动，理解每一步实验设计的目的和原理，引导学生认识科学方法和探究步骤对建构科学理论的意义和作用，重视对探究结果发现过程的分析与评价。
2. 实验的可行性与安全性：苏教版高中化学教材“氯气及氯的化合物”一节中，按书本进行实验的话，制取实验与性质实验是割裂开来的，由于氯气是有毒气体，所以笔者在中学进行教育实习时，发现老师们在上有关课时的时候都只进行氯气使有色布条褪色的实验，其余仅通过播放实验视频或者口头描述现象的教学手段带过，课堂效果并不直观。追本溯源，老师们不进行氯气相关实验的主要原因是担心氯气泄漏影响人体健康以及原料不易得，故笔者以此为突破口，将实验改进为制取与性质检验一体化，并且全程在封闭体系内进行，最后直接将氯气通入饱和氢氧化钠溶液进行尾气处理，从而避免了氯气泄漏的问题，确保了实验在课堂上的可行性与安全性。
3. 实验环保化与创新化：将制取与性质检验设计为一体化实验，避免了有毒气体氯气的泄漏，通过氢氧化钠溶液进行尾气吸收处理从而避免环境污染，实现了实验的环保化与创新化
4. 实验的生活化与微型化：联系生活实际，以生活常见的洁厕灵与84消毒液为制取氯气的原料，结合时事新闻，向同学展示生活中处处有化学的事例以及学好化学的重要性。将化学试剂用量调整，在确保实验现象清晰的前提下避免原料的浪费。

预期目标：
1. 以化学史为本课程切入口，引导学生在前人探索和书本实验的基础上，思考氯气的制取与性质检验实验如何改进可以更加简便直观，激发学生思考。
2. 创新、优化出新的氯气制取与检验实验一体化的实验装置和操作步骤，达到实验微型化、实验环保化与创新化的目标，保证了课堂演示实验的安全性与趣味性。
3. 践行绿色化学、环保化学概念，整个实验体系是封闭的，最后直接用氢氧化钠饱和溶液来吸收有毒氯气，保证实验对人体无伤害。
4. 根据课程标准，设计出有教学意义的实验教参。
5. 完成新的教学设计，在此基础上形成论文。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：
1. 查阅文献，了解关于氯及其化合物的发展历史。
2. 熟悉、研究、分析原教材关于氯气制取与性质检验实验的教学过程。
3. 查阅文献和相关教材，学习氯气制取与检验实验一体化装置的优化方法和步骤。
4. 明确优缺点，选择原实验方案改进的角度和方法，并判断方案可行性。
5. 根据方案，进行教学设计，设置教学步骤，书写实验教案。
6. 反思总结，考量教学过程、实验方案教学效果，完成论文。
研究步骤：
1. 理解现行中学化学的课程标准，明确标准对学生关于氯及其化合物的知识水平、技能方法和情感态度价值观的要求。
2. 根据一般教学过程，了解“氯气及氯的化合物”一课的内容，梳理知识重点和难点，明确改进方向。
3. 分析实际教学和教材中存在的问题，结合教学需求，思考存在的问题和可改进的方面。
4. 搜集中外文献，深入学习对氯及其化合物探究实验已有的改进角度和方法。
5. 分析教材中实验步骤的优缺点，从实验仪器生活化、药品剂量微量化、实验效果显著化、实验过程简便化的角度对实验仪器、药品、操作步骤、观察方法进行实验方案的改进。
6. 梳理关于氯及其化合物制取与性质检验实验的文献调研内容，探究文献综述中实验仍然可能存在的问题。
7. 在现有文献中实验方案的基础上，进行新的实验教学设计。
8. 整合实验方案和教学设计，书写关于氯气及氯的化合物制取与性质实验的最终改进方案，完成论文。

4. 参考文献

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5. 计划与进度安排

1、2024年12月19日－2024年3月12日 接受毕业论文任务书，查阅参考文献，完成开题报告。

2、2024年3月13日－4月23日 完成英文科技论文的翻译任务，进行化学史料的收集，运用到教学设计中，对于选定的实验进行相应的改进，实验工作完成近一半，接受中期检查。