高中化學創新實驗中提高學生科學素養的實踐研究

　　摘要：針對化學實驗中蘊含著許多科學素養的教育內容，從三個方面闡述了化學創新實驗教學與科學素養提升的關系，結合實例，提出了提高學生科學素養的化學實驗教學策略。
　　關鍵詞：創新實驗；科學素養；化學實驗教學；科學DIY實驗
　　文章編號：1005–6629(2012)7–0049–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
　　科學素養是化學學科最重要的德育點之一，它包含著科學本質精神的眾多層面。2011年，我校建成的化學創新實驗室為科學素養的培養搭建了一個嶄新而又重要的平臺。筆者結合多年的教學經驗，在高中化學實驗的創新教學中，如何提高學生的科學素養方面進行了一些實踐和思考。
　　1 緣起
　　據調查，在目前的化學實驗教學中，出現幾個新的“多與少”：視頻動畫實驗多，現場動手操作實驗少；照本照做實驗多，大膽創新實驗少；驗證性實驗多，探究性和應用性實驗少；這些“多與少”直接導致的結果是：學生對化學實驗的好奇心逐漸缺失。長久以往，會使學生對科學實驗的本質理解出現偏差，科學素養就會明顯下降。作為高中化學教育工作者，如何在“以學生為本，一切為了學生的發展”育人理念指引下，根據學校學生實際情況，在化學創新實驗教學中努力提高學生的科學素質，是我們必須面對的重大課題。
　　2 化學創新實驗與科學素養的提升
　　對于科學素養的基本標準，目前國際上通行的闡釋為：一是對科學知識達到基本理解與應用的程度；二是對科學研究的過程和方法達到基本的了解程度；三是對科學、技術、社會的相互關系達到基本的了解程度[1]?？梢姡茖W素養的核心內容是科學知識，科學過程與方法，科學態度與價值觀。而化學課程對提高學生的科學素養、促進學生全面素質發展有著不可替代的作用[2]。
　　在化學教學中，化學實驗對于學生知識的獲得、技能的培養、科學方法的學習和科學態度的形成起著重要的作用。與一般的化學實驗相比，化學創新實驗的特點可概括為：新穎性、探究性、環保性和趣味性[3]。從中學教學的角度來講，化學實驗的創新點主要體現為：實驗本身的創新，包括實驗反應條件、實驗裝置、實驗方案等的創新；實驗教學的創新，體現在實驗教學的設計、實施與評價等方面；從學生認知角度來講，實驗理解方式的創新，表現在學生個體對實驗現象的敏銳性、實驗結果的理解力等；實驗行為的創新，體現在學生主導下的實驗設計與實驗過程等。
　　化學創新實驗的研究與發掘，必須突破陳規，勤于探究和思考，勇于提出疑問，并借助實驗手段來解決問題?？梢?，中學教師積極創設化學創新實驗平臺，是提升學生科學素養的有效途徑和方法。同樣，一個具有良好科學素養的學生，對化學實驗會有濃厚的鉆研興趣，對化學學科的理解會更深刻與寬厚?？傊瘜W實驗教學與科學素養培養，在一定程度上是“你中有我、我中有你”。
　　下面，從三個方面闡述化學創新實驗與科學素養提升的關系。
　　2.1 化學創新實驗是科學知識綜合應用的最佳平臺
　　通過化學創新實驗，不但使學生掌握和鞏固更多的課堂知識，擴大了知識面，而且拓展了學生的思維，讓學生深切地感受到了知識的實用性。因此，化學創新實驗是科學知識綜合應用的最佳平臺。
　　例如，在復習二氧化硫的性質時，一般的教師只用化學反應方程式來復習它的還原性、氧化性、漂白性。我們針對理科拓展選修的同學，設計了不同的實驗：用小針筒為容器來制備二氧化硫，并進行系列性質實驗，簡單又環保；用點滴板和大培養皿設置一個小型氣室，制備二氧化硫并進行性質鑒定。這樣的創新實驗，讓學生對化學學科知識的掌握與應用得心應手，難以忘懷。
　　2.2 化學創新實驗教學是科學思維方法培養的有效途徑
　　實驗是培養學生技能和智能的過程。傳統的教學方法對于化學實驗大多是“葫蘆畫瓢”，而未能充分發揮學生的主觀能動性。要真正培養學生創造質疑、勇于探索，即使對那些早已成為定論的事物，也要從不同角度和側面進行重新審視，以不斷完善和發展。在創新實驗活動的參與中，學生通過專家報告、查閱資料、自主實驗，使他們的科學探究方法和科學思維方式得到不斷地啟迪與完善。
　　例如：在講解金屬活動性順序時，設計鈉與水、鉀與水反應的對比實驗。首先教師示范鉀與水反應實驗，然后讓學生提出鈉與水反應的假設，并由學生自愿上來演示。在這個過程中，教師引導，學生觀察，體驗并討論形成科學的列表法，比較兩者的異同，根據結果分析活動性的順序，最后鼓勵學生提出其他疑問，進行大膽預測并動手實驗。如學生問為什么兩者現象有所不同？如何進一步證明產物？若把鈉放入硫酸銅溶液中能否把銅置換出來，等等。通過這樣的實驗，誘發、拓寬、深化學生所獲得化學知識，并能及時、主動、積極地把所學到的知識轉化為解決實際問題的能力，使學生對學科思維更加系統化、靈活化和創新化。
　　2.3 化學創新實驗是科學精神培養的主陣地
　　科學精神是科學所具有的優秀傳統，是科學賴以生存發展的生命線。它的內涵十分豐富，主要為：科學的本質觀、科學真理的實踐觀、獨立精神與和諧創造觀。
　　背離科學精神，必然會釀成悲劇。“為什么有的人會相信有包治百病的靈丹妙藥？”“為什么會出現蘇丹紅事件？”“為什么會出現三聚氰胺事件？”這些悲劇的發生，一些專業人員缺乏最起碼的科學精神，不能不說是一個重要的原因。目前，社會上有些人對化學的印象不太好，提到化學就想到腐蝕、爆炸、有毒、污染環境，作為中學化學教師在教學中必須讓學生懂得化學的真正價值：它是為人類造福的科學，給人類帶來進步，帶來現代文明，同時也讓學生懂得化學物質的兩面性。
　　例如：講苯酚性質的時候，展示五官科醫院專配的苯酚滴耳液，讓學生充分理解物質的兩面性。又如，在氫氧化鈉與酚酞的顯色反應實驗中，有意識采用不同濃度的氫氧化鈉溶液，讓學生根據事實來陳述現象，如有變紅的，有變紅又褪色的，從而培養學生求真的科學精神。
　　創新實驗的開發過程本身也是一個科學研究的求真過程，在此過程中幫助學生掌握科學的研究方法，培養嚴謹的科學態度，樹立正確的科學價值觀和科學的本質觀，不做與科學精神相違背的愚昧的事情。
　　3 提高學生科學素養的化學實驗教學策略3.1 常態實驗教學創新化
　　常態的化學實驗主要包括教師演示實驗和學生實驗兩部分。這些實驗是以教師講解，學生觀察和動手為主。為改變“照方抓藥”式的傳統做法，筆者在實驗教學中，潛心挖掘每一個實驗的創新點，探索替代實驗和微型綠色實驗，巧妙運用多種現代技術資源，更大限度達到實驗教學的目的。
　　例如：乙醇的催化氧化實驗；教材上用銅絲、酒精燈與試管等儀器進行操作，比較適合做學生實驗。筆者在課堂教學時，改用粗的螺旋型銅絲擱在裝有無水酒精的大燒杯中，點燃酒精，放在講臺上，教師走到學生中間，與學生一起觀察非常明顯的“忽明忽暗”的實驗現象。這樣的改進，更具操作性與可觀性，而且師生可以交流，能傾聽學生的反映，并能不時地引發學生思考“為什么自動變化？”“為什么燒過的銅絲表面會有不同的顏色”等。
　　又如：2011年上海高考化學卷第6題，是關于物質分離的幾種實驗裝置的選擇題，讓學生有些為難。主要原因是：平時教學時所用的碘升華實驗裝置是封密性的“T”型管，這是從環保角度而設計的一種新的裝置；而B選項的碘升華實驗裝置，是老教材通行的實驗裝置，學生感到十分的陌生。這說明教師在平時的實驗教學時，不應純粹為一個概念或原理而做驗證性實驗。如果教師把創新的基礎加以分解與應用，采用科學比較的方法，對實驗進行深入的探究，甚至補充一些最基礎的實驗，加以溯源和啟迪，學生不至于感到為難，這樣做也是一種科學探究和教學創新的策略。
　　要真正做到常態化學實驗教學的創新化和系列化，需要備課組和教研組教師們的集體智慧，協同開發化學創新實驗，這樣才能更好地完善學生科學素質培養的體系。
　　3.2 拓展實驗探究開放化
　　開放性是科學探究的一個重要特征，包含選擇探究問題的開放性、探究過程的開放性和探究結果的開放性。而增強化學實驗內容的開放性，讓學生放眼課本外，到生活中尋找、發現問題并進行科學探究活動，是通過化學實驗培養科學探究能力的關鍵。2007年，我校編著了《拓展實驗（供學生選做）》，內容都是一些與生活密切相關的系列拓展實驗，作為學生開展開放性實驗的素材。
　　例如：84消毒液的漂白、消毒效果的探究，二附中小池塘的水質定性分析等等，在學校實驗室，家庭小作坊，都可以進行開放性的探究。在這個過程中，學生學會了用化學視角觀察生活，還可以進一步發現問題、提出假設、設計新的實驗等進行科學探究活動。另外，在開放實驗過程中，學生還可以發現其他一些研究價值和實用價值課題，教師可以幫助或指導學生完成小課題研究。近幾年的科技創新活動中，與化學相關的學生課題研究取得了較好的成績。
　　通過實踐表明，化學實驗教學只有貼近生活、貼近社會，向生活和社會開放，才能使學生真正感受到化學對生活、對社會的價值，從而增強學生的探究欲望，發揮學生探究的主動性。
　　案例1 加碘食鹽中碘元素的檢驗[4]（由筆者設計）
　　[問題提出]
　　市場上有許多種加碘食鹽，市售“碘鹽”是不是真的含有碘？如果是，碘的存在形式又是怎樣的呢？為什么國家規定有些地方必需食用含碘鹽？日常生活中食用的加碘鹽是否合格？帶著這些問題，學生不妨做個探究實驗。
　　[知識背景]
　　碘單質能使淀粉變藍，但碘離子不能使淀粉變藍，所以，碘與淀粉的顯色反應可以定性檢驗碘單質的存在，從而證明碘元素的存在。對于碘元素所組成的不同物質的檢驗方法如下：
　?、賳钨|：用淀粉溶液可直接檢驗食鹽中是否有碘單質。
　?、诘饣铮哼x擇如高錳酸鉀、重鉻酸鉀、碘酸鉀等氧化劑，然后用淀粉溶液檢驗是否有碘單質生成。并可用碘化鉀溶液與氧化劑反應后，滴加淀粉溶液，作對比實驗。
　?、鄣馑嵛铮哼x擇如亞硫酸鈉、硫代硫酸鈉、碘離子、亞鐵離子等還原劑，然后用淀粉溶液檢驗是否有碘單質生成。并可用碘酸鉀溶液與還原劑反應后，滴加淀粉溶液，作對比實驗。
　　[實驗過程]
　　一、實驗用品：（略）
　　二、操作步驟：
　　實驗1：檢驗加碘食鹽中是否含碘單質
　　觀察市售加碘食鹽，取少量加碘食鹽置于表面皿中，滴加淀粉溶液，觀察實驗現象。
　　實驗2：檢驗加碘食鹽中是否含碘化物
　?。?）取兩藥匙加碘食鹽置于表面皿中，滴幾滴稀硫酸酸化，后滴加2滴高錳酸鉀溶液，再滴2滴淀粉溶液，觀察實驗現象。
　　（2）用重鉻酸鉀和碘酸鉀溶液代替高錳酸鉀溶液，重復步驟（1）的操作，觀察實驗現象。
　　實驗3：檢驗加碘食鹽中是否含碘酸鹽
　?。?）取兩藥匙加碘食鹽置于表面皿中，滴幾滴稀硫酸，后滴加2滴亞硫酸鈉溶液，再滴2滴淀粉溶液，觀察實驗現象。
　?。?）用硫代硫酸鈉溶液代替亞硫酸鈉溶液，重復步驟（1）的操作，觀察實驗現象。
　?。?）用氯化亞鐵溶液和鹽酸代替，重復步驟（1）的操作。若氣溫偏低時，稍作加熱，觀察實驗現象。
　　建議：用純凈的NaCl作對照實驗。
　　[結果分析]
　　1.實驗現象
　?。?）加碘食鹽白色潔凈，無紫黑色固體；加熱無紫紅色的煙；淀粉溶液沒有變色。
　?。?）往加碘食鹽中加入氧化劑后加淀粉溶液，沒有顯藍色，見表1。
　　表1 加碘食鹽和不同氧化劑混合后加淀粉的顯色情況
　　
　?。?）往加碘食鹽中加入還原劑后加淀粉溶液，顯藍色，見表2。
　　表2 加碘食鹽和不同還原劑混合后加淀粉的顯色情況
　　
　　2.實驗結論與解釋
　?。?）通過實驗觀察可知，加碘食鹽中肯定沒有碘單質存在。碘單質有毒，不能作為食品添加劑。
　?。?）由表1的結果可以推斷，加碘食鹽中沒有還原性的碘化物存在。
　　（3）由表2的結果可以推斷，加碘食鹽中含有氧化性的碘酸鹽。
　　結論：加碘食鹽中含有碘成分，并以碘酸鹽的形式存在。
　　[拓展和討論]（略）
　　3.3 科學DIY實驗趣味化
　　化學趣味實驗可以讓學生通過觀察生動、有趣的化學反應現象體驗到化學學科的奧秘，培養學習化學的興趣，從而激發科學探究的愿望。通過創設科學DIY（Do It Yourself 的縮寫，意思是自己動手做）系列活動，旨在培養同學們的動手能力，提升學生的科學素養。
　　我校自2008年推出第一期的“科學DIY實驗”以來，已有50多期，參與學生達2000多人，深受學生的歡迎。對于科學DIY實驗來說，最重要是將實驗設計趣味化和系列化，有足夠的吸引力，促使學生發自內心地投入此項活動中，并得到較多的收獲。
　　案例2 化學DIY實驗——可燃的“冰塊”（筆者為指導教師）
　　[問題提出]
　　廣告語：“你想知道‘冰’能燃燒嗎？”“你想做一個會點火的魔棒嗎？”在餐桌上，人們經常看到服務員點燃一種固體，作為加熱菜肴的熱源。它無色透明（也有彩色的）。這種固體怎么能點燃？更使人驚奇的是，人們可以不用火柴和打火機，只要用玻璃棒輕輕一點，‘冰塊’就立刻地燃燒起來。同學們往往對這樣的實驗有探究的興趣。
　　[知識背景]
　　這塊透明的固體其實是一種膠狀的固體酒精。
　　這根點火的“魔棒”，其實是涂了含有氧化性很強的七氧化二錳的棕色油狀液體。
　　[實驗過程]
　　一、實驗用品（略）
　　二、操作步驟
　　實驗1：“冰塊”的制作
　?。?）在燒杯中加入20 mL蒸餾水，再加入適量醋酸鈣，制備醋酸鈣飽和溶液。
　?。?）在大燒杯中加入80 mL酒精，再慢慢加入15 mL飽和醋酸鈣溶液，用玻璃棒不