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【文章推荐】关于改进作业设计的看法和建议之二(宋心琦)

 天天行走 2016-01-14

关于改进作业设计的看法和建议之二
宋心琦
(清华大学化学系,北京 200234)


摘要:认为在作业设计中,一方面不能罔顾课程标准规定的基本要求;另一方面应当着眼于尽可能满足不同程度、兴趣与特长学生的学习要求。介绍了部分作业,并阐述了设计思想。
关键词:作业设计;中学化学;化学教学

在“关于改进作业设计的看法和建议之一”一文中,列举了几个在初等化学教学中曾经和现在仍然存在的问题,依据化学学科的特点和基本概念介绍了一些看法,供读者参考。其实中学化学中值得深究和探讨的问题远不止此,希望老师们提出更中肯、更切合课程要求和学生实际的问题,以丰富作业设计改革的内容和途径。

虽然在前文中曾经提到过学生在完成作业的过程中,具有更大的自由度,但是在完成作业的过程中能否产生新的学习兴趣,和作业本身能够覆盖的知识点的多少、能否获得更多有参考价值的新思路,以及有趣的
信息有关系,而这方面是以往的作业所欠缺的。能否在作业改革的工作中,把它作为一个积极可行的方面?

由于学生的兴趣、特长和思维方式方法不尽相同,在设计作业时,不可强求一律。一方面不能罔顾课程标准规定的基本要求,另一方面,应当着眼于尽可能满足不同程度、兴趣与特长学生的学习要求。建议按照不同难易程度分层次进行设计。除以复习和巩固课程基本要求为目标的作业之外,其余层次的作业应当允许学生选作或不做,或者只参加交流活动。难度较大或工作量较大的作业,应当鼓励学生组成小组来完成。

以下是近年来尝试编制的部分作业,以书面作业为主,包含少量其他形式的作业。希望能够起到抛砖引玉的作用。为了阐明基础水平作业改革的着眼点和可能起到的教育作用,分别做了一些简单的说明。

1 基础水平的作业和设计思路

题1 往水中加入化学式为NaCl、MgCl2、K2SO4和Al2(SO4)3 的四种盐,并形成均匀溶液。
(1)在进行逐一分离时,可能得到的盐是否仍然只有这四种?
(2)如果不止这四种,还会有哪些盐?请一一写出它们的化学式。(3)如果你认为得到的盐会比原来的四种更多,你的理论依据是什么?
(4)如果得到的盐的种类超出原来的四种,是否违背了质量守恒定律?

题目要点:盐类在水中完全电离成为离子,离子在水溶液中能够独立存在。多种盐的混合水溶液也是它们的组成离子的混合溶液。要求写出化学式,可考核学生对化合价的了解与应用情况。离子的种类和数量不变
时,组合方式的改变,不会改变物质的总质量,这是质量守恒定律在这个体系中依然遵守的原因。

题2 石灰石是一种重要的自然资源,
(1)请列出你所能够想到的用途。
(2)你所列举的用途中哪些是基于它的碱性?
(3)为什么石灰石对于建筑业非常重要?

题目要点:石灰石的应用有两个不同的层次,一个是石灰石本身,由于坚硬、稳定、资源丰富、开采容易,同时比较容易加工,所以常用作建筑材料。另一个是它在加热分解后得到的生石灰,也是重要的建筑材料。由于它吸水后生成的氢氧化钙或消石灰和泥沙等可以通过它起黏接作用,属于民用建筑常用的无机黏接剂,如配制三合土等。一般情况下用于内墙涂料。此外在污水处理、漂白粉制造中也要用到它。基于生石灰的吸湿性,家庭和实验室常用作吸湿剂,它的碱性还有杀菌的作用,灾区后处理时应用很广。在处理废气中的酸性气体时,如SO2、CO2、HCl 等,都会用到CaO 或Ca(OH)2。在炼铁和炼钢工业中,石灰石分解生成的CaO,因为具有碱性,用来和酸性的SiO2 造渣。为了减少煤燃烧时二氧化硫的排放,往煤粉中加石灰或石灰石粉,即所谓脱硫处理。这些都是石灰石常见的用途。

石灰石和石灰(包括生石灰和消石灰)都是学生经常接触的物质,让学生从化学物质的角度来重新认识它们,符合初中化学的要求。此题具有一定的开放性,可预定几条基本要求,超出后可以给奖励分。

题3 使生产不同产品的部分生产过程形成联产,不仅有利于降低产品的生产成本,有时也有利于某些废弃物的综合利用。所以人们常把具有这种关系的工厂尽可能地建在一起。请根据这种认识来分析下列几个实例
中能够实现联产的工艺过程各是什么?
(1)合成氨厂(产品为碳酸铵)与玻璃制造厂;后者为高耗能工业,SiO2 熔化炉中产生的大量CO2 气体及所携带的热量可以直接用来和氨、水生成碳酸氢铵和碳酸铵。
(2)石灰石采石场和炼铁厂;石灰石是炼铁的原料之一,炼铁高炉排放的废气,不仅温度很高,而且含有大量CO(称作高炉煤气),可以用来煅烧石灰石生产石灰。
(3)海水制盐场和氯碱化工厂。NaCl 是生产氯气、盐酸和烧碱的原料,此外盐卤中其他成分的提取所需NaOH、HCl 都可以就地取材,有时可以省去提纯、蒸发、结晶等过程。

题目要点:要求学生从优化生产流程的角度来思考问题。降低成本,变废为宝,合理利用资源的思维取向,有利于三维教育目标的落实。

题4 请解释为什么下列用品要用热固性塑料制
造?
(1)家用电源插座与插销;
(2)炒菜锅或电热水壶的手柄。
题5 请解释为什么在制造下列物品时经常选择塑料为原料?
(1)电话机;
(2)圆珠笔杆;
(3)玩具;
(4)行李袋或购物袋;
(5)低压水管。

题目要点:通过对现实生活中所用到的塑料在使用时所涉及的主要性质,检查对有关塑料的化学知识的了解情况。如塑料由于结构的不同,有热固性和热塑性之别。塑料的可塑性(包括铸塑、吹塑、模塑等成型方法)、绝缘性、不溶于水、易染色、强度和弹性可调、容易黏接或熔接等特性,有利于启发学生的发明、创新思维。

题6 煤本身不会爆炸,但是煤矿中的矿难多与坑道内发生爆炸有关。产生爆炸的主要原因是什么?

题目要点:煤不会爆炸,但是煤粉和煤裂解后产生的甲烷等气体和空气混合后,就有可能导致爆炸。这是学习煤的综合利用时应当想到的一个方面。科学为我们揭露的是事物的本质,利害取决于用途和对使用时环境等条件的把握。这才是对科学价值的正确认识。

题7 以塑料代替金属有利于节约资源。为什么在以下的几种情况下不能这样做?
(1)长跨度桥梁;
(2)输电塔;
(3)硬币;
(4)坦克外壳;
5)机车路轨。
题目要点:材料的选择和应用,取决于它们所具有的性质和所要承担的任务。从实际问题出发,可以把原理或原则具体化,也可以启发学生关心和观察实际生活中的事物,并把它们纳入自己的科学知识体系之中。
所以一些看来简单直观的问题,仍然含有丰富的教育元素。

题8 玻璃和纸是两种可以再生的资源。
(1)玻璃在回收和循环使用时,保持不变的“资源”组分是什么?
(2)纸在回收和再生时,是为了利用其中的什么组分?
(3)试分析对它们的回收和循环使用尚未达到高度重视的原因。

题目要点:这是把有关环境保护中的废物回收和利用,和化学结合的一道题。前者指SiO2,后者指木质纤维素。由于玻璃的制造是一个耗能工艺,造纸不仅消耗大量木材,而且生产过程会导致环境污染,所以这两
种废旧物资的回收利用意义很大。第(3)题是一道开放性问题,给学生一定思考和畅想的空间。

2~8 题均选自国外教材,我做了一点删改。主要是提供一种出题的新思路。作业的作用不应止于评价,应当还有启示学生学习和思考的作用。这是一个新的尝试,供参考。

2 可供学生选择试做的部分作业和设计思路
题9 如今,化学电源已经进入千家万户,成为可任意移动甚至随身携带的动力源。但是化学电源存在着三个基本问题,即输出电压较低、使用寿命较短和存放期(开路)有限,一直难以解决。这和化学电源所依据的物理化学原理有关。你对此有何看法,你认为将来有可能突破吗?
题10 当人们根据原电池原理,使用所谓牺牲阳极保护法对金属设备进行防止或减缓其腐蚀过程时,至少需要考虑三个方面的问题。即:作为牺牲阳极的材料,首先应当满足什么条件;对于像地下金属管道和海洋船舶这属,这是为什么?以及它们之间的距离将由什么来决定?
请设计用以检验或证实你的答案的实验。在你设计的实验的进行过程中,观察到哪些事先未能预料到的现象?它们都是合理的吗?
题11 请用三幅示意图来解释物质(包括它的固态、液态和气态)遇热膨胀,遇冷收缩的原因。(物质质点用小圆圈表示,如果是气态,放在密闭容器中;液态时放在烧杯中;固体物质放在瓷板上)你认为它们之间发生热胀冷缩的原因相同或不同的理由是什么?
题12 可溶性物质溶入溶剂并通过扩散形成均匀溶液的过程,是一种自发过程(这个过程的自发性在于物质溶解和扩散属于熵增过程,即ΔS > 0)。即不需要借助外力就可以自动进行的过程。它对于理解水质污染
和环境保护、微电子元件及电路老化、半导体掺杂等均有帮助。由于温度有助于这类过程,请回忆(或收集)与此相关的实际事例,以加深对科学知识和探究性学习的认识。

题13 在P 和V 一定的密闭容器中,有下列可逆反应存在:

aA(g)+bB(g) mM(g)+nN(g)

设平衡时浓度分别为: aM/V bM/V mM/V nM/V

如果在该反应达到平衡后,再往其中加入少量稀有气体(例如氦),试判断该反应平衡状态移动的方向。

题目要点:在大学化学和物理化学中有一些使得大多数学生感到困惑的习题,其实具有初等化学水平的中学生就可以获得正确答案。这是一道分析化学平衡移动方向的题目。按照道尔顿气体分压定律和恒温下“PV= 常数”的关系,我们可以把稀有气体加入反应器中的作用,看成是容器减少了由稀有气体在同一温度和压强下所占有的那部分体积。亦即可以把该可逆反应视为处于P+ΔP 或V-ΔV 的反应条件下。这时根据吕查德里原理就可以对平衡移动的方向做出正确的判断。由此可以看出,如果真正把握住基本原理,并不一定需要进行复杂的计算,就能够得出合理的结论。

题14 当你以为化学式为CH2XY 的有机化合物(X 和Y 为两种不同的官能团)会存在两种不同结构的同分异构体时,实验却证明实际上只存在一种唯一的结构。你将如何解开这个困惑?由此可以加深理解在学习化学时研究和了解物质的分子结构的重要性。

题15 人们在介绍凯库勒提出苯的环状结构学说时,过分强调他的启示来自一条蛇咬住自己的尾部后形成环状的梦。其实更重要的启示源自苯的化学组成C6H6无法用脂肪族的碳链结构来表示(当时有人用正三角锥体来表示苯的分子结构,似乎也可以解决上述问题)。能否由范特霍夫的碳的正四面体结构学说的实验依据为榜样,尝试利用同分异构体数目的差异来阐明凯库勒的苯环学说,使其具有更强的说服力?梦幻虽然和人们日常所思可能相关,也可能起到触发灵感的作用,但是不能作为科学发现的依据。

题16 混合物中的所有组分仍然保持着自身原有的基本组成和结构,亦即保持着它的基本性质。采用物理方法加以分离后,就可以证明这个结论。但是混合后所得到的物质体系会具有有别于各组分的新的性质,并不等于各组分性质之“和”。试从你所熟悉的事物中选择几个有说服力的混合物体系。通过解答这个问题,你对化学有了什么新的认识?
题17 请从已做过的几个实验和老师课堂演示过的实验中,选出能够代表4 类基本化学反应类型的实例。通过这个练习,试着从化学元素论和微粒论的角度来认识化学反应的特点。
题18 化学元素以单质形式存在时,仅仅根据它的外观(属于物理性质),有时仍然难以确定。往往需要进行化学性质的测定(属于化学性质),才能做出最可靠的结论。这是为什么?在生活中和化学学习过程中,遇到过类似的事例吗?

从上述事例看来,似乎物理性质对于识别化学元素不如化学性质来得重要,可是为什么道尔顿的原子量却是以化学元素的原子量为基础的,二者之间存在着矛盾吗?

参考文献:
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[5] Philip Ball. What Chemists Want to Know [ J]. Nature,2006,(442):500~502.
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