二次实验法在化学实验教学中的应用——以《从茶叶中提取咖啡因》一课为例，本文主要内容关键词为：咖啡因论文,为例论文,一课论文,茶叶论文,化学实验论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
二次实验法教学指的是教师针对学生在初次实验中发现的问题，引导学生进行重新设计和实施探索实验的教学[1]。这是基础教育课程改革的研究成果之一，对于鼓励学生自主探究，敢于质疑和挑战权威，培养学生批判性思维和创造性精神具有极其重要的作用。
一、二次实验法教学的教学程序
从以上的教学程序可以看出，二次实验法教学的核心是问题意识的形成与发展，强调将问题看成是学习的动力、起点与贯穿整个实验教学的主线。教师要善于将教学内容巧妙地转化为问题情境，激发学生的求异思维和质疑精神，引导学生将从初次实验中发现及生成的问题作为第二次实验探索的目标，大胆假设、积极创新、灵活设计程序，体验创造与追求真理的科学研究过程。
二、二次实验法教学的案例分析
二次实验不是传统的验证性实验和探究性实验的叠加，而是学生敢于将在认真观察教材实验现象时捕捉到的有疑问信息，以“为什么”、“怎么样”的问题形式明确表达出来，引起已知与未知、理论与实践、高层次与低层次之间的思维矛盾冲突，从而提炼出有价值的研究问题，作为第二次实验探究的主题。二次实验法是一种正在探索和发展中的教学方法，目前可供借鉴的模式、程序和案例还很少，还没有引起教育理论界和中学一线教师广泛的重视，本文以山东科技版高中化学课程标准实验教科书《实验化学（选修）》“从茶叶中提取咖啡因”一课为例，探讨如何运用二次实验法进行化学实验教学，以期为推进二次实验法在中学化学实验教学中的应用提供参考性的资料。
1.实验课题分析
本实验的教学目标是要求学生掌握从植物中提取和纯化某些成分的一般方法，学会设计实验方案并对方案合理性进行评价，提高合作意识和合作能力，养成务实、求真、严谨的科学态度。“从茶叶中提取咖啡因”是具有重要产业化价值和实用性的实验，其综合活动体现在不仅要用溶剂萃取和升华分离实验本体，而且对学生的设计及评价要求更高。以二次实验法进行教学，既重视初次实验基础知识和操作技能的掌握，更注重爱护学生的怀疑精神，鼓励其在尊重事实、坚持真理的前提下，展开想象，批判性地思考，力争有新的发现与创造。
2.实验教学过程
（1）课前准备，明确任务
教师在实验教学设计阶段就要对各小组学生的知识水平、兴趣趋向、性格差异、沟通能力与理解力等有较为全面的了解，预先布置学生查阅提取茶叶中有效成分的相关资料，搜集信息并学会筛选信息，了解学习目标及任务。对不同水平层次的学生教师可以提出不同的要求，较为优秀的学生可以根据“资料在线”以及搜集整理的信息自行设计实验方案，一般水平的学生只要求尝试着对教材的四种方案进行评价。
（2）创设情境，提出问题
教师以多媒体课件展示历史悠久、蜚声海内外的安溪铁观音茶的生长、加工及应用过程，激发学生热爱家乡的情感和自豪感。茶叶中含有多种成分，可做饮料或制作其他食品、药品的原料。通过之前主题1与主题2的学习，学生已经掌握了提取和分离物质的一般方法，但不同的成分有不同的提取方式。教师提出一系列的问题：如何从茶叶中提取出咖啡因以应用于食品和制药行业呢？如果你是食品检验员，你会如何检验茶叶的品质呢？从植物中提取物质的一般思路是什么？是否也适用于咖啡因的提取呢？从真实的生活情境切入教学的主题，层层设疑，给学生心理造成一种悬而未决又必须解决的求知状态，学生会感到兴趣盎然，从而激发起强烈的学习愿望和思维的活跃性，并由此拉开了本课序幕。
（3）展示方案，交流评价
各小组成员之间共享学习资源，兼容并取，互相探讨之后确定并展示设计的方案。教师引导学生围绕着方案的可行性、操作的简便性和过程的绿色化等方面，抓住实验设计的关键点，通过对问题“去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里”的思维加工，做出判断和推理，形成清晰的实验设计脉络与评价线索。学生对教材四种“设计实验方案”进行了初步的分析与评价，认为方案A与B利用的是水溶剂浸提法，方案C与D设计思路的实质是利用了咖啡因的升华法，这些实验方案仪器设备简单，方法步骤简便易行，符合中学生能力基础和中学实验设备条件，但不一定就是最优的实验方案。
（4）初次实验，发现问题
学生2～4人一组，按照该小组确定的实验方案，分工合作进行操作、观察、记录实验现象。例如，1～2个学生浸取、过滤，另外1～2个学生准备升华装置，既充分利用了课堂时间，又发扬了互助合作精神。教师要加强巡视，尽量多了解各层次学生的学习情况，对学生在操作过程中出现的技术性错误要及时纠正并给予正确示范，培养学生良好的操作习惯。教师要善于根据学生原有能力水平和观察到的具体情况，处理好“扶”与“放”的关系，充分发挥教师的主导作用。对于那些自我效能感比较弱的学生要多鼓励，要及时发现他们的闪光点，哪怕是极小的，也要给予肯定和表扬，让学生体验到成功的喜悦与乐趣，消除学生害怕失败的心理障碍。对学生认为有疑惑但不明确的、或者是视而不见实则有疑问的现象，教师要及时把握时机，提供发现问题的线索，在“无疑”之处设疑，诱导学生举一反三、融会贯通，发现并提出有研究价值的问题，为二次实验的展开作好铺垫。
经各小组讨论交流后归纳出以下几点问题：①各小组得到的咖啡因晶体形态不一，颜色有的是白色，有的是淡棕色；②各小组咖啡因提取率有所不同；③以水为溶剂得到的浸提液浓缩之后颜色较深，黏稠，不易结晶；④锥形瓶内有水汽生成，形成水雾或水滴，瓶内壁有结晶体，不易收集；⑤如何快速检测获得的咖啡因纯度？
（5）探求原因，设计方案
学起于思，思源于疑。当学生所观察到的实验现象与教材发生冲突时，学生已有的观念、知识结构受到挑战，教师不仅要鼓励学生运用化学语言具体、明确地表达出来，还要从学生认识特点和心理发展规律出发给予科学的学习方法指导，为全面分析问题提供暗示性的线索，开启智慧，使蕴藏于每个人身上的潜能与优势得到激扬与发展。各小组成员在鼓励、支撑性的课堂气氛里自由发表看法，在思维的碰撞中迸发出创造的火花。经过独立思考和小组激烈争论，学生设计并筛选出较为合理地解决问题的方案，归纳总结如下：①可能是提取到的咖啡因含有单宁酸与色素等杂质，建议先用水或其他低毒溶剂浸取，再用氯仿萃取咖啡因；或者可在滤液中加入碱性物质如碱石灰、碳酸钠等，然后再蒸干、焙炒、升华。②可能是样品处理、提取时间和温度控制不恰当，致使产品收率低；建议将茶叶尽量研细装入缝好的纱布包里，或直接使用袋泡茶浸提；比较不同浸提时间的咖啡因得率；通过调节酒精灯焰加热强度以达到对提取、浓缩、升华等不同阶段温度的控制。③植物浸提液较黏稠，用棉团过滤即可。④锥形瓶内的水雾或水滴，可能是咖啡因粗品没有完全干燥，建议升华之前先将溶液炒干。⑤采用教材方案4，直接升华法。
（6）自主探究，推导结论
第二次实验探究的主题是建立在初次实验的基础上，学生已初步掌握了分离与纯化茶叶中咖啡因的方法，获得了较为深刻的感性认识，并在实践过程中经历了发现问题→大胆质疑→分析问题→提出解决方案的再认识、再创造的过程，因此实验的可操作性强，成功率也会比较高，但要寻找假设与事实之间的关系，整个探究过程仍然会比初次实验更加复杂、更具有动态生成性。教师对学生探究过程的控制与指导至关重要，既要鼓励学生不迷信教材与教师的权威，勤于动脑，将自己的思维引向更深的层次，对实验现象和结果多问几个为什么；又要善于抓住良好的契机，为学生提供适当的指导和帮助，形成一个生动活泼、主动、富有个性又注重集体智慧的探究氛围。学生按照拟定的实验方案，规范操作、细致观察、认真记录，全面分析与讨论实验结果，明确本实验的关键点在于溶剂的选择（水或者氯仿）、温度的控制（提取、升华）、消除单宁酸的影响，得出以下结论：①以沸水为提取剂，再在滤液中加入碳酸钙使之与单宁酸生成不溶性的钙盐，易于分离和提纯咖啡因，而且提取液颜色较淡、稀薄透明。②咖啡因在氯仿中的溶解度没有沸水大，且该溶剂有毒性，以沸水为提取剂并重结晶纯化咖啡因，更易操作，更为安全，同时也大大缩短了提取时间。③提高提取率的具体方法包括：将固体物质研细以增加溶剂浸溶面积；提取与浓缩阶段用中等强度的火焰，避免因温度太高导致产品损失；焙干过程要不停地搅拌、翻炒；升华阶段要注意控制加热温度和升华时间，避免因温度太高或加热时间过长（超过15 min）使其他物质焦化、炭化造成产品不纯和损失[2]。
（7）综合评价，深化拓展
评价是二次实验法教学必不可少的一环，需要建立起一种能够激励和促进学生在知识、技能、思维、心理、观念态度和创新精神等方面协调发展的评价理念。教师在实验总结阶段要引导学生进行综合评价和自我反思。教师的综合评价注重以激励和剖析问题为主，既使得学生不至于茫然失措，逐步构建自己的元认知策略，又能够引导学生发现自己研究的不足，从他人身上反观自我，以自我为尺度评判他人，培养积极的自我体验与主动的自我调控能力，让学生从评价中反思自我，提高综合素质。
二次实验不是实验的结束，而是另一个实验的开始，学生在探究过程中发现一些感兴趣但来不及或者中学实验条件尚不具备，但很值得继续探讨的问题，可以进一步拓展延伸到课堂外，从定向探究转向了自由探究，加强课内和课外的联系，使研究结果能经受质疑和检验。例如，如何以简便易行的方法鉴定咖啡因？能不能设计出更加安全、高效、经济、环保的提取纯化咖啡因的方案？等等。
教师要督促学生课后撰写格式规范、术语精确、逻辑严密的实验报告，要体现出对化学知识的准确理解，对实验现象的正确判断和对实验数据的精确分析，学会积累研究成果，培养学生较强的成果意识，让学生认识到撰写科学研究报告是抽象概括能力的表现，是知识的凝练和提升过程，是思维成果的外化。
二次实验法教学不仅有助于培养学生勇于质疑、乐于探究的科学精神，而且可以锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，这与基础教育课程改革的出发点是相契合的。在化学实验教学中如何修正、完善与发展二次实验法，这为加强化学实验教学改革提出了新的研究课题。