基于實驗內(nèi)容要素分析的化學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計

史靖華+鄭光黔+邢焰

摘要：以“催化劑對反應(yīng)速率的影響”為例，對基于實驗內(nèi)容要素分析的化學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計進(jìn)行了教學(xué)研究。其設(shè)計模式的總體思路是將教材中的實驗內(nèi)容按問題要素、本體要素、知識要素、方法與技能要素、態(tài)度要素等五要素進(jìn)行分析、豐富，并設(shè)計探究式實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，然后將分析、豐富后的內(nèi)容有機整合到探究式實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中。設(shè)計過程主要有要素分析、確定目標(biāo)、過程設(shè)計、內(nèi)容整合等四個環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)實驗；教學(xué)設(shè)計；催化劑；反應(yīng)速率

文章編號：1005–6629（2015）2–0040–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

化學(xué)實驗不但是驗證化學(xué)理論或假設(shè)的一種科學(xué)研究手段[1]，也是學(xué)生獲得化學(xué)知識、掌握相關(guān)化學(xué)實驗技能的學(xué)習(xí)方法[2]。王磊等[3]認(rèn)為，新課程改革所倡導(dǎo)的實驗內(nèi)容具有更加廣泛和豐富的內(nèi)涵，應(yīng)該包括問題要素、本體要素、知識要素、方法與技能要素、態(tài)度要素等五個要素。這五個要素不但涵蓋了實驗原理、實驗技能和實驗儀器等傳統(tǒng)三要素觀點的內(nèi)容，同時也反映了化學(xué)實驗教學(xué)在知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等方面的要求。

在教材中，有關(guān)實驗的編排往往只是對操作過程及現(xiàn)象觀察進(jìn)行描述，沒有完整地呈現(xiàn)實驗內(nèi)容的全部要素。如果完全按教材編排的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，常常會使得某些內(nèi)容被忽視，實驗的教學(xué)功能也會弱化為理論教學(xué)的輔助手段，難以真正落實“使學(xué)生體驗科學(xué)研究的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強化科學(xué)探究意識，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力”[4]的基本理念。因此，教學(xué)過程中，需進(jìn)一步分析實驗內(nèi)容要素，合理設(shè)計實驗教學(xué)，充分發(fā)揮化學(xué)實驗的教育教學(xué)功能，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的。

1 實驗教學(xué)設(shè)計模式

基于實驗內(nèi)容要素分析的實驗教學(xué)設(shè)計，強調(diào)較全面地呈現(xiàn)實驗教學(xué)內(nèi)容，不但要幫助學(xué)生獲得化學(xué)知識，也要幫助學(xué)生學(xué)會化學(xué)實驗技能，提高科學(xué)探究能力、化學(xué)實驗?zāi)芰Α嵺`能力，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。其總體思路是將教材中的實驗內(nèi)容按問題要素、本體要素、知識要素、方法與技能要素、態(tài)度要素等五要素進(jìn)行分析、豐富，并設(shè)計探究式實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，將分析并豐富后的內(nèi)容有機整合到探究式實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中（見圖1）。

在該設(shè)計模式的要素分析中，問題要素是指實驗要解決的問題、揭示的規(guī)律或提供的事實；本體要素是實驗的物質(zhì)條件，包括實驗條件、實驗藥品、儀器設(shè)備等；知識要素是指實驗原理、實驗步驟、實驗對象和實驗手段等方面的知識；方法與技能要素是指《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對“化學(xué)實驗基礎(chǔ)”活動與探究建議中的有關(guān)實證研究方法、實驗操作技能、實驗條件控制、數(shù)據(jù)的定量處理、模型和假說等科學(xué)方法和技能方面的內(nèi)容；態(tài)度要素主要指實驗安全意識、綠色意識、環(huán)保意識，以及對實驗的認(rèn)知和態(tài)度等。從這五個要素來分析實驗教學(xué)內(nèi)容組成，能全面地呈現(xiàn)實驗教學(xué)的內(nèi)容；同樣，基于這些內(nèi)容，確定的教學(xué)目標(biāo)能夠關(guān)注到知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等方面，從而避免內(nèi)容缺失和教學(xué)功能弱化。

2 實驗教學(xué)設(shè)計過程

在教學(xué)中，我們按基于實驗內(nèi)容要素分析的實驗教學(xué)設(shè)計模式進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計和實踐，取得良好效果。現(xiàn)以人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教材《化學(xué)2》（2007年第3版）第二章實驗2-6“催化劑對反應(yīng)速率的影響”為案例（以下稱實驗2-6），來說明該實驗教學(xué)的設(shè)計過程。

該實驗在教材中的陳述為“在3支大小相同的試管中各裝入2～3mL約5%的H2O2溶液，再向其中2支試管中分別加入MnO2粉末、1～2滴1 mol/L FeCl3溶液。對比觀察現(xiàn)象”。

在教學(xué)中，我們將其作為演示實驗進(jìn)行教學(xué)。

2.1 要素分析

從實驗內(nèi)容的五個要素分析實驗教學(xué)內(nèi)容的組成，其目的是完整呈現(xiàn)實驗教學(xué)的全部內(nèi)容。

2.1.1 問題要素分析

問題要素是實驗內(nèi)容的核心要素，實驗只有圍繞要解決的問題，才具有探究性和目的性。教材中部分實驗課題明確提出了要探究的“問題”，這個“問題”也即是該實驗的問題要素。而對于一些沒有提出明確探究問題的實驗課題，通過分析該實驗的意圖及其在教學(xué)內(nèi)容體系中的價值，也可以提煉出該實驗的問題要素。

案例 實驗2-6的陳述中并沒有明確提出問題，但從教材前后內(nèi)容來看，實驗主要是探究有哪些因素能夠影響化學(xué)反應(yīng)速率，意圖是通過該實驗得出催化劑能夠影響化學(xué)反應(yīng)速率這一結(jié)論，因此我們將該實驗的問題要素確定為“MnO2、FeCl3對H2O2的分解速率有什么影響？”。

2.1.2 本體要素分析

本體要素是實驗的物質(zhì)條件。分析實驗內(nèi)容的本體要素，就是要從教材陳述的實驗過程中提煉出完成該實驗所需的所有藥品、器皿、儀器設(shè)備及其數(shù)量，特別是教材中沒有明確寫出、但又是必需的器皿等。

案例 實驗2-6中，本體要素除了包括MnO2粉末、1 mol/L FeCl3 10mL（滴瓶裝）、5%的H2O2 50mL（新配制）、清潔的試管3支外，還包括教材沒有寫明的塑料透明試管架、藥匙、紙槽等。

2.1.3 知識要素分析

知識要素既是解決問題的必備基礎(chǔ)，也是實驗教學(xué)目標(biāo)的具體體現(xiàn)。因此，要考慮兩個層面，一是實驗前學(xué)生應(yīng)具備的知識基礎(chǔ)，二是完成實驗后學(xué)生應(yīng)獲得哪些新的知識。知識要素的分析，具體從實驗原理、實驗步驟，以及有關(guān)實驗對象、實驗手段的知識，實驗后獲得的結(jié)論等方面進(jìn)行。

案例 實驗2-6中，實驗前學(xué)生應(yīng)具備的知識：H2O2水溶液俗稱雙氧水，有毒，有腐蝕性，是強氧化劑；H2O2水溶液在一定條件下可分解為水及氧氣，并產(chǎn)生氣泡，氣泡越多表明分解速度越快。實驗后學(xué)生獲得的知識：MnO2、FeCl3起催化劑作用，能加快H2O2的分解；催化劑能夠影響化學(xué)反應(yīng)速率。

2.1.4 方法與技能要素、態(tài)度要素分析

方法與技能要素、態(tài)度要素在教材中往往沒有直接呈現(xiàn)出來，需要鉆研課程標(biāo)準(zhǔn)、領(lǐng)會課程理念和設(shè)計思路，并從整體上把握教材編寫意圖和各模塊、章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)，才能很好地分析。方法與技能要素方面，除了物質(zhì)的檢驗、分離、提純和溶液配制等化學(xué)實驗基本方法和操作技能外，還包括實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)的定量處理等實證研究方法和技能方面的內(nèi)容，以達(dá)到對學(xué)生探究能力、實驗?zāi)芰Φ鹊呐囵B(yǎng)。態(tài)度要素方面，應(yīng)根據(jù)實驗課題的知識要素、方法與技能要素等方面的內(nèi)容，分析提煉安全、環(huán)保、綠色意識培養(yǎng)，以及良好的實驗工作習(xí)慣培養(yǎng)等的內(nèi)容。

案例 實驗2-6，除了鞏固藥品取用技能（MnO2粉末取用、FeCl3液體取用）外，還有簡單對比實驗的設(shè)計、實驗條件控制等的技能。H2O2有毒性和腐蝕性，因而教學(xué)需進(jìn)行學(xué)生安全意識、環(huán)保意識的強化。

2.2 目標(biāo)確定

從要素分析來看，實驗教學(xué)內(nèi)容包括了知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀等三個方面，因此教學(xué)目標(biāo)的確定應(yīng)有針對性地在這三個方面進(jìn)行體現(xiàn)。但是化學(xué)實驗的類型多樣，不同具體實驗課題的要素組成、教學(xué)側(cè)重點有所不同，因此在重視體現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)完整性的基礎(chǔ)上，也應(yīng)根據(jù)具體實驗課題在教學(xué)內(nèi)容體系中的地位和價值，突出該實驗課題核心教學(xué)目標(biāo)。

案例 實驗2-6，教材的意圖主要是通過該實驗來說明催化劑能夠影響化學(xué)反應(yīng)速率，因此該實驗最為核心的教學(xué)目標(biāo)是幫助學(xué)生獲得這一基礎(chǔ)知識。根據(jù)這個思路，結(jié)合要素分析結(jié)果，我們將實驗2-6的教學(xué)目標(biāo)確定為：

認(rèn)知性學(xué)習(xí)目標(biāo)：知道MnO2、FeCl3起催化劑作用，認(rèn)識到催化劑能夠影響化學(xué)反應(yīng)速率。

技能性學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)會簡單對比實驗的設(shè)計；鞏固試管實驗操作技能。

體驗性學(xué)習(xí)目標(biāo)：通過探究活動進(jìn)一步培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力；了解H2O2的毒性和腐蝕性，進(jìn)一步培養(yǎng)安全意識、環(huán)保意識；規(guī)范操作，進(jìn)一步形成良好的實驗工作習(xí)慣。

2.3 過程設(shè)計

化學(xué)課程改革中，大力倡導(dǎo)以科學(xué)探究為主的多樣化的教學(xué)方式，實驗教學(xué)過程無疑采用探究式教學(xué)過程最為恰當(dāng)。一般來說，探究式實驗教學(xué)過程分為提出問題、建立假設(shè)、實驗設(shè)計、收集證據(jù)和解釋與結(jié)論五個環(huán)節(jié)，王磊等[5]從師生在不 同探究環(huán)節(jié)中所占活動主體的程度不同將探究式教學(xué)劃分為五個不同的水平，從水平一到水平五，教師的作用越來越小，學(xué)生的自主性越來越大。

案例 對于實驗2-6，我們作為演示實驗進(jìn)行教學(xué)。但作為一個具有研究性質(zhì)的實驗，仍然可采取探究式教學(xué)過程設(shè)計，具體環(huán)節(jié)見圖2。

2.4 內(nèi)容整合

在要素分析、目標(biāo)確定的基礎(chǔ)上，根據(jù)過程設(shè)計，將實驗教學(xué)內(nèi)容具體組成成分有機整合到各個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，設(shè)計出教學(xué)事件和流程。

2.4.1 提出問題

提出問題就是要明確實驗探究的問題、揭示的規(guī)律或提供的事實。這些問題、規(guī)律或事實應(yīng)對應(yīng)于實驗內(nèi)容的問題要素。因此，在提出問題環(huán)節(jié)，要通過創(chuàng)設(shè)情景呈現(xiàn)實驗內(nèi)容的問題要素，引發(fā)學(xué)生思考、激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣，引導(dǎo)學(xué)生圍繞問題要素開展實驗探究學(xué)習(xí)，使實驗教學(xué)具有探究性和目的性。

案例 實驗2-6，實驗前教師提問：“MnO2、FeCl3對H2O2的分解速率有什么影響？”此問題與實驗的問題要素相同。

2.4.2 建立假設(shè)

教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)已有的知識和經(jīng)驗分析提出的問題，討論實驗的可能結(jié)果，作出猜想或假設(shè)。實驗的可能結(jié)果及假設(shè)的具體內(nèi)容涉及實驗內(nèi)容中的知識要素，即完成實驗后學(xué)生應(yīng)獲得的新知識。因此，在這一環(huán)節(jié)，將實驗后學(xué)生應(yīng)獲得的新知識這一知識要素通過假設(shè)的形式呈現(xiàn)。

案例 實驗2-6，提出實驗假設(shè)：MnO2、FeCl3可以加快H2O2的分解。此假設(shè)針對研究問題，體現(xiàn)知識要素。

2.4.3 實驗設(shè)計

實驗設(shè)計即設(shè)計實驗方案，教師要引導(dǎo)學(xué)生初步學(xué)會設(shè)計實驗方案，幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)探究能力。在這一環(huán)節(jié)中，要有計劃地融入方法與技能要素中的實驗設(shè)計方法，介紹自變量、因變量、實驗組、對照組等概念，幫助學(xué)生理清實驗的設(shè)計思路，引導(dǎo)學(xué)生一起設(shè)計實驗方案來探究提出的問題、驗證假設(shè)。

案例 實驗2-6中，可體現(xiàn)實驗技能中的對比實驗設(shè)計要素，通過對比實驗來驗證提出的假設(shè)。引導(dǎo)學(xué)生一起設(shè)計該實驗：自變量為MnO2、FeCl3；因變量為H2O2的分解速率；以加MnO2、FeCl3試管為實驗組，以不加MnO2、FeCl3為對照組，通過實驗觀察哪支試管中H2O2的分解速率快。

2.4.4 收集證據(jù)（開展實驗）

實驗準(zhǔn)備是實驗內(nèi)容本體要素，如實驗藥品、儀器設(shè)備的呈現(xiàn)過程，同時也是針對這些本體要素的知識要素、態(tài)度要素的教學(xué)環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)中，要求對實驗藥品、儀器設(shè)備等進(jìn)行展示、介紹，針對某些實驗藥品、儀器設(shè)備的知識進(jìn)行提問回顧或講解，幫助學(xué)生獲得在實驗前應(yīng)具備的知識基礎(chǔ)；同時，針對有毒、有腐蝕性、易燃、易爆實驗藥品，進(jìn)行安全教育，培養(yǎng)學(xué)生安全意識、環(huán)保意識。

案例 實驗2-6，實驗演示前，教師逐一展示MnO2粉末、FeCl3溶液（滴瓶裝）、H2O2溶液（新配制）、清潔的試管，并重點講解H2O2水溶液在一定條件下可分解為水及氧氣，產(chǎn)生氣泡，氣泡越多表明分解速度越快；同時強調(diào)H2O2水溶液的毒性、腐蝕性，培養(yǎng)安全意識、環(huán)保意識。

實驗演示是實驗內(nèi)容的方法與技能要素、態(tài)度要素等綜合呈現(xiàn)的過程，在這一過程中要講解實驗步驟、實驗操作技能、實驗條件控制，同時要規(guī)范示范，培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗工作習(xí)慣。演示實驗常常采用邊講解邊演示的教學(xué)形式。

案例 實驗2-6中，演示實驗時講解MnO2粉末取用技能、FeCl3液體取用技能。

實驗結(jié)果觀察是實驗收集證據(jù)的環(huán)節(jié)，也是整合實驗內(nèi)容的方法與技能要素的重要一環(huán)，在這一環(huán)節(jié)中要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會觀察、收集同假設(shè)有關(guān)的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。

案例 實驗2-6中，引導(dǎo)學(xué)生在相同條件、同一時間下對比觀察3支試管產(chǎn)生氣體的速度。

2.4.5 解釋與結(jié)論

將觀察、收集到的實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、討論，得出事實證據(jù)與假設(shè)之間的關(guān)系。這一環(huán)節(jié)也是實驗內(nèi)容的方法與技能要素的重要呈現(xiàn)過程，要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會比較、分類、歸納、概括等方法，得到最后的結(jié)論，并通過正確方法表達(dá)實驗結(jié)果。

案例 實驗2-6中，對比3支試管中產(chǎn)生氣泡的速度，說明MnO2、FeCl3起催化劑作用，能加快 H2O2的分解，得到催化劑能夠影響化學(xué)反應(yīng)速率的結(jié)論。

總之，基于實驗內(nèi)容要素分析來理清實驗內(nèi)容組成，合理設(shè)計教學(xué)過程，是提高實驗教學(xué)效率、充分發(fā)揮化學(xué)實驗的教育教學(xué)功能的一個有效途徑。但是，實際上高中化學(xué)實驗的類型多樣，有學(xué)生實驗、演示實驗，有探究實驗、設(shè)計實驗、對比實驗、觀察實驗等類型，由于不同類型實驗的教學(xué)目標(biāo)側(cè)重點有所不同，因此具體實驗課題的內(nèi)容組成要素上也有所差異，教學(xué)實踐中還應(yīng)根據(jù)實際情況作靈活應(yīng)用。

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