中學化學中的實驗與思維

李嵐

摘要： 實驗是化學思維的重要基礎。化學實驗思維是關于化學實驗目的、原理、過程、現(xiàn)象和結果的思維活動，是化學學科核心素養(yǎng)的重要成分。化學實驗思維系統(tǒng)是由目的思維、原理思維、操作（包括觀察）思維，以及現(xiàn)象思維、評價思維、應急決策思維和綜合思維等要素構成的復雜系統(tǒng)。基本原理思維是化學實驗思維的核心。實驗設計及實施是養(yǎng)成化學實驗思維的重要環(huán)節(jié)。提高學生的化學實驗思維水平需要改進課程、教材和評價。

關鍵詞： 化學思維; 化學實驗思維; 化學實驗思維系統(tǒng); 中學化學

文章編號： 10056629（2019）1000803 ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ?文獻標識碼： B

1 實驗是化學思維的重要基礎

思維是人腦借助于內隱或外顯的語言或動作、表象表現(xiàn)出的對現(xiàn)實事物的間接的、概括的加工形式和反映過程，它反映一類事物共同的、本質的屬性和事物間內在的、必然的聯(lián)系，是人類認識世界、改造世界的最重要的工具。化學思維是關于物質（實物材料）組成、結構、性質、變化和相互聯(lián)系的思維，是化學的靈魂，也是化學學習最重要的內容[1]。要開展化學思維必須具備有關事物的豐富的感知覺材料，而實驗正是提供這些材料的最有效的來源。因此，實驗是化學思維的重要基礎。化學科學的形成和發(fā)展歷史生動地證明了化學思維和實驗的密切聯(lián)系。例如：

元素是化學最基本和最重要的概念，沒有科學的元素概念就沒有化學科學。中國古代和古希臘的先賢雖然早就分別臆測水、火、木、金、土和火、土、水、氣是組成萬物的“元素”，由于沒有實驗事實支持，它們不可能導致化學科學的建立。直到17世紀下半葉，波義耳（Robert Boyle， 1627～1691，英）通過實驗發(fā)現(xiàn)有些物質“用一般方法不能再分解為更簡單的某些實物”，指出“元素應當是某些不由任何其他物質所構成的原始的和簡單的物質或完全純凈的物質”，從而為化學元素作了一個樸實的定義，“把化學確立為科學”。

道爾頓（John Dalton， 1766～1844，英）提出原子論，是以他對空氣組成、混合氣體擴散和分壓問題的實驗研究為基礎的。他推論空氣是由大小、重量都不同的原子組成，從而使思維進入微觀領域。他用原子的化合與化分來解釋、說明各種化學現(xiàn)象和各種化學定律之間的內在聯(lián)系，成功地抓住了化學的核心和本質問題;又進一步用原子思維對當時人們了解的、彼此孤立的各種化學變化資料進行綜合、整理，經(jīng)過不斷完善，最終形成說明化學現(xiàn)象的統(tǒng)一理論，“給整個科學創(chuàng)造一個中心”，開啟了“化學中的新時代”[2][3][4]。

分子概念的提出也離不開實驗： 蓋·呂薩克（GayLussac J L， 1778～1850，法）等人綜合多個實驗結果作出結論： 各種氣體在彼此起化學作用時常以簡單的體積比相結合;在同溫同壓下，相同體積的不同氣體，無論是單質還是化合物，都含有相同數(shù)目的原子（他和道爾頓一樣，把各種元素的“簡單原子”跟化合物的“復雜原子”統(tǒng)稱為“原子”）。但道爾頓認為，不同物質的原子大小一定不同，因此在相同容積內不同物質不可能含有相同數(shù)目的原子，堅決反對蓋·呂薩克的結論。為了解決蓋·呂薩克和道爾頓的爭論，阿伏伽德羅（Ameldeo Avogadro， 1776～1856，意）以蓋·呂薩克的實驗為基礎，進行合理的假設與推理，引入分子概念，圓滿地解決了這個爭論，也使化學對物質的理性認識上升到新的層次。

物質的結構是化學的核心問題。化學家們對物質結構的認識，是建立在最初為解釋種種實驗現(xiàn)象而提出的同分異構、原子價、碳四價學說以及碳鏈、基團概念、立體化學模型等認識基礎上的。沒有有關的實驗，就不能形成對物質結構的認識，也沒有物質結構認識的深入和發(fā)展。

質量守恒定律、質量作用定律、化學平衡原理、催化作用原理，等等，關于化學反應的認識無一不是建立在實驗基礎之上的。

上述史實說明，沒有實驗提供思維材料，就沒有對物質組成、結構、性質和變化的思維，也就沒有對物質組成、結構、性質和變化的認識。

還必須指出，實驗不僅是獲得化學思維材料的主要來源，也是對化學思維進行檢驗、發(fā)展的重要手段。

總之，實驗是人類化學思維的重要基礎。

2 做好化學實驗需要思維

要做好化學實驗必須積極地開展化學實驗思維，沒有化學實驗思維的實驗過程充其量不過是照方抓藥的過程，不可能做好化學實驗。

化學實驗思維是化學思維的重要組成部分，其中既有抽象思維成分，又有實驗操作（動作）思維成分。

化學實驗思維水平是化學學科核心素養(yǎng)的重要成分。化學教學要關注學生的化學實驗思維，化學實驗教學尤其要注意逐步提高學生的化學實驗思維水平。

2.1 化學實驗思維系統(tǒng)的分析

人類的化學思維離不開實驗，化學實驗也離不開思維。要說清這個問題，需要對化學實驗思維作深入的分析。

教學中的化學實驗是人們創(chuàng)造或者控制一定的條件，使實驗物質（試劑）發(fā)生純化、強化和典型化的化學變化，以便組織學生的觀察、思考、討論等學習活動，從而達到一定教學目的的實踐活動，是由實驗試劑、實驗原理、實驗條件、實驗裝置、操作方案、實驗結果以及實驗主體（實驗者）等要素構成的復雜系統(tǒng)。實驗結果是各要素協(xié)同作用下系統(tǒng)運行的產物。

對于中學化學實驗來說，其系統(tǒng)要素除了實驗原理和實驗物質（試劑）、實驗條件、實驗裝置、實驗操作、實驗結果以及實驗主體（教師或學生）之外，還有觀察主體（學生）。操作主體跟觀察主體常常是分離的，這是中學化學實驗系統(tǒng)跟一般的化學實驗系統(tǒng)的顯著區(qū)別。中學化學實驗系統(tǒng)的各要素都要受教學對象——中學生的特點和中學的實驗條件所制約。這種復雜關系可用下圖示意[5]：

化學實驗思維是關于化學實驗的目的、原理、過程（包括方法及運作）、現(xiàn)象和結果的思維活動。與化學實驗系統(tǒng)對應，化學實驗思維也是一個復雜的系統(tǒng)。為了化學實驗系統(tǒng)有效地運行（即做好實驗），實驗者需要通過目的思維來明確實驗的目的，通過原理思維來明確實驗的化學原理、裝置原理、操作原理，明確實驗的預期現(xiàn)象和結果，需要通過過程思維來確定實驗的過程、方法和運作，需要對發(fā)生的現(xiàn)象和結果進行判斷、評價，以及時地采取有效的應對措施，即進行觀察思維（現(xiàn)象思維）、應急決策思維和結果處理思維，還需要對整個實驗方案和實際過程進行綜合思維。可見，化學實驗思維系統(tǒng)是由目的思維、原理思維、操作（包括觀察）思維，以及現(xiàn)象思維、評價思維、應急決策思維和綜合思維等多種要素構成的復雜系統(tǒng)。

2.2 基本原理是化學實驗思維的核心

在化學實驗思維系統(tǒng)的諸要素中，包括化學反應原理、裝置原理和操作原理在內的原理思維決定著實驗目的能否有效實現(xiàn)，也決定著實驗的現(xiàn)象、過程和結果，因而是整個實驗思維系統(tǒng)的核心。掌握實驗原理的基本規(guī)律，有效地、創(chuàng)造性地開展原理思維，是實驗思維取得成效的關鍵。

3 養(yǎng)成化學實驗思維的重要環(huán)節(jié)

科學實驗能促進學生手腦并用、全面發(fā)展，有利于人才，特別是創(chuàng)造性人才的成長。實驗思維是科學實驗的核心，而良好的實驗思維是我國基礎教育中比較薄弱的一塊。要改變這個現(xiàn)狀，需要物理、化學和生物學科等協(xié)同做出努力。

為了提高學生的化學實驗思維素養(yǎng)，需要讓他們在化學實驗思維指導下進行化學實驗的設計與實施訓練，需要引導他們適時地進行小結、提升。

3.1 在化學實驗思維指導下進行實驗設計

實驗設計在化學的研究和學習中具有重要的作用。早在18世紀后半葉燃素說流行之時，拉瓦錫（AntoineLaurent de Lavoisier， 1743～1794，法）為了證實自己對燃素說的懷疑，特別設計實驗來推翻燃素說并提出科學的燃燒理論，促進了邏輯思維在化學認識活動中的應用。基于化學事實概括元素概念的成功以及化學邏輯思維的需要，刺激化學家們通過化學實驗來獲取更多、更有力的實驗事實，促使他們運用邏輯思維指導實驗設計、改進實驗、提高實驗的科學水平，不但為具有學科特點的化學實驗思維方式的形成奠定了最初的基礎，也使實驗設計由此逐步成為化學研究與化學學習中的重要工作。

中學化學實驗設計的內容包括實驗目的與教學目標設計、實驗原理設計、實驗試劑選擇與加工、實驗裝置設計、實驗操作和觀測方案制訂以及實驗及教學效果評價設計等方面。在中學化學實驗教學中，應該有計劃、分步驟地對各方面的設計進行思維訓練。

在思維訓練中應注意有效的思維策略的滲透、評價和總結、強化。例如，在目標設計中滲透綜合策略、缺點排除策略、系統(tǒng)測定策略;在實驗原理設計中滲透原理物化策略、組合策略、強化或弱化策略、漸進策略、簡化策略、變換輸出策略、技術模擬策略、技術置換策略、綜合策略等[6]。

3.2 實驗思維化，在化學實驗思維指導下實施實驗方案

實驗實施不但可以強化對實驗設計的體驗，還可以發(fā)現(xiàn)設計中的疏漏，有利于進一步完善實驗設計、強化設計思維。

在實踐中，學生常常會因為趕時間出現(xiàn)方案實施與實驗思維脫鉤現(xiàn)象，或者出現(xiàn)實施疏漏現(xiàn)象。對此，教師應加強指導、加強管理。

3.3 改進、完善教材

跟知識傳授比較，現(xiàn)有教材忽略實驗訓練，特別是化學實驗思維的訓練，不利于化學實驗思維的養(yǎng)育，也是造成目前化學實驗教學滑坡的重要原因之一。為改變這種現(xiàn)狀，我們課題組通過研究和實踐形成了下列有效方案：

（1） 比對不同版本教材，就實驗的思路、目標、學生活動方式以及欄目設置、編排次序等選擇最佳的實驗方案，或者整合成最佳實驗方案，供教師授課演示或學生分組實驗;

（2） 增加實驗中主要步驟的思維活動要求;

（3） 設計單元實驗教學，適當增加實驗設計任務，對學生能力的培養(yǎng)目標，實驗設計的創(chuàng)新性、開放性等，逐步提高要求，優(yōu)化、提升學生化學實驗的思維品質;

（4） 習題實驗化。把部分習題改編成實驗習題，增加學生設計實驗、開展實驗思維活動的機會。

3.4 積極開展實驗思維教學及評價研究

要積極地推動把實驗思維教學納入課程標準，納入學業(yè)質量標準，納入教材，納入教學活動之中，重視發(fā)揮實驗習題在培養(yǎng)學生實驗思維方面的作用。同時，要注意發(fā)揮教學評價的積極作用，把對實驗思維水平的評價納入化學學習評價體系。

參考文獻：

[1]吳俊明. 化學思維引論[J]. 化學教學， 2018， （6）： 3.

[2]《化學發(fā)展簡史》編寫組編著.化學發(fā)展簡史[M]. 北京： 科學出版社， 1980.

[3]趙匡華編著. 化學通史[M]. 北京： 高等教育出版社， 1990.

[4]恩格斯. 于光遠等譯編. 自然辯證法[M]. 北京： 人民出版社， 1984： 28， 275.

[5][6]吳俊明. 中學化學實驗研究導論[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 1997.