提升化學教師實驗素養的路徑思考

陸燕海 任雪明

摘要： 基于評比形式、試題內容和教學啟示的視角，對一次化學實驗技能大賽的基礎知識筆試、實驗現場操作、創新實驗展評等環節展開了具體的介紹與分析，探討了當前中學化學實驗教學中普遍存在的一些問題與不良傾向，并指出夯實實驗基礎、錘煉操作技藝、樹立創新意識是一線教師提升實驗素養的有效路徑。

關鍵詞： 實驗素養; 基礎知識; 實驗操作; 創新意識; 化學教學

文章編號： 1005-6629（2019）8-0015-06 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

浙江省高中理科（化學）教師實驗技能大賽是一項激發全省化學教師實驗教學創新的連續性賽事，由浙江省教育技術中心、浙江省教育廳教研室、浙江省科技館和浙江教育出版集團聯合主辦。大賽分初賽和決賽兩個階段。2018年11月8日至9日，由全省各區市推薦的11名化學教師在學軍中學紫金港校區參加了決賽，超過200多名教師觀摩了創新實驗展示。本次決賽共設置了“基礎知識筆試”“實驗操作比賽”和“創新實驗設計”三個環節，其中“基礎知識筆試”占20%，“實驗操作比賽”占60%，“創新實驗設計”占20%。

本文擬結合具體的比賽試題與案例，從實驗技能決賽的三個環節角度加以反思和探討，以期能歸納出中學化學教師實驗素養提升的有效路徑。

1 ?基礎知識——應試范圍較扎實，拓展思考顯不足

1.1 ?測試方式

化學實驗基礎知識包括化學實驗儀器的識別與使用、化學實驗原理與基本操作、化學實驗安全與事故處理、化學實驗方案的設計評價與結果分析等。大賽設置實驗基礎知識的考查環節，意在檢測選手們對化學實驗基本內容的掌握程度，評價選手的化學實驗分析能力與方案設計水平，從而引導廣大一線教師重視化學實驗教學，深入思考研究實驗，不斷提升實驗素養和學術能力。本次決賽考查實驗基礎知識采用筆試的形式，共設置了8個問題（含5個選擇題和3個填空型簡答題），滿分20分，要求所有選手同時進行比賽，30min內獨立完成。

1.2 ?試題分析

筆試部分試題大致可分成選考要求型和拓展衍生型兩大類。

例1 ?CoCl2·6H2O是實驗室常用試劑，該固體藥品顏色更接近于（ ? ?）。

A. 紅色

B. 黃色

C. 藍色

D. 綠色

參考答案： A

例2 ?下列有關實驗基本操作的說法中，不正確的是（ ? ?）。

A. 采用直接加熱蒸餾的方法不能有效分離碘單質和CCl4

B. 相同條件下，乙烯通入酸性KMnO4溶液并使之褪色的速率較乙炔更快

C. 實驗室用KClO3和MnO2制氧氣，將混合物充分研磨有助于提高產氣速率

D. 溶質溶解度越大、溶液濃度越低、溶劑蒸發和溶液降溫越慢，都有利于大顆粒晶體制備

參考答案： C

例3 ?實驗室用氨氣還原氧化銅的方法測定銅的近似原子量，反應的化學方程式為： 2NH3+3CuO△N2+3Cu+3H2O。通過測定反應物CuO的質量（m1）和生成物H2O的質量（m2）可以進行計算，結合下列儀器設計簡單的實驗方案并回答相關問題。

A

B

C

D

（1） 儀器連接的順序（用字母編號表示，儀器可重復使用）為 ? ? ? ?。

（2） 下列情況將使測定結果偏小的是 ? ? ? ?。

A. CuO未全部還原為銅

B. CuO受潮

C. CuO中混有Cu

參考答案： （1）BCACD;（2）B

以上都屬于選考要求型的實驗筆試題，這些內容都在浙江省高中化學選考考試要求的范疇，只要教師平時在扎扎實實地開展實驗教學[1]，完成課標要求的必做實驗，一般都能駕輕就熟。因此，作為各地區佼佼者的選手們而言，總體表現優異、得分率高。

例4 ?以下分析純試劑能作為基準物質直接用于配制標準溶液的是（ ? ?）。

A. NaOH

B. NaHCO3

C. FeSO4·7H2O

D. H2C2O4·2H2O

參考答案： D

例5 ?數字化傳感器已在省內中學化學實驗室廣泛使用。室溫下，某同學使用壓強傳感器通過針筒瞬間擴體（縮體）來研究壓強對2NO2N2O4平衡移動的影響。圖A是NO2在t1、 t2時分別擴體、縮體時的壓強曲線，圖B為同等條件下分別壓縮等量NO2和空氣時的壓強曲線。已知： 實驗者進行變壓操作約耗時0.1s，而從變壓到2NO2N2O4重新平衡約需5×10-5s。

A

B

該同學分析后認為圖A峰a、 b的出現成因不應該是平衡移動。你認為最可能的原因是 ? ? ? ? ? ?。試設計簡單實驗加以證明： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

參考答案： （1）快速擴體或縮體操作時針筒內氣體溫度明顯改變;（2）使用溫度傳感器測定快速擴體或縮體操作后體系溫度的變化曲線，并與圖A進行對照（其他合理解釋也可給分）

例4、例5可歸屬于不在浙江省選考要求范圍內的拓展衍生型試題。例4考查基準物質的選擇，源自蘇教版《實驗化學》（選修）教材拓展課題6-1，雖不是選考考試的范疇，但對于化學教師而言則是必修課和基本功，絕不能因為不要求而束之高閣、視而不見。例5以數字化傳感器探究中學化學實驗問題為素材，需要選手對新儀器、新設備、新方法在化學中的應用有所關注并具備有關傳感器使用的基本認知，重點著眼于選手學科視野、質疑精神、探究能力和化學實驗問題的思考深度等的考查。這類試題參賽者的得分率總體上不是很理想，全省11位代表中僅2位選手對例5的解釋尚可。

1.3 ?教學啟示

如果教師對化學實驗的理解程度只囿于教材與課標要求，僅僅停留在一般高中生的認知層面，那么在教學過程中就很容易釀成“老高中生教新高中生”的悲劇。教師要想以身示范，教給學生一碗水，自己就先得具備一桶水，甚至一缸水、一池水、一江水。因此，教師有必要始終保持一種不斷吸納的姿態，除了對高中化學課標要求部分的必備實驗基礎知識做到了然于心外，還要多多注重高考不作要求的拓展實驗相關必修課的修煉。只有不斷擴大學科視野，強化研究意識，夯實實驗基礎，增進深度理解，才能促進教師自身實驗素養的全面提升。

2 ?實驗操作——思維與操作流暢，規范與行動背離

2.1 ?測試方式

化學實驗基本操作是開展化學教學與研究的基石，是教師動手實踐、教學創新必備的基本技能。通過舉辦教師實驗技能大賽，重點考查選手對實驗操作的規范性、熟練性的掌握程度，意在提高教師基礎化學實驗的操作技能，提升教師綜合實驗設計、分析、動手能力和實驗教學的整體水平。為此，評比時在確保現象明顯、結果準確的基礎上，主要關注教師實驗操作規范、熟練、美觀。從具體內容看，本次實驗操作決賽環節共設置了3個實戰題（含2個定性和1個定量操作題），試題內容源于教材但略作調整，每題滿分20分，共計60分。所有選手同時進行比賽，在規定時間內依次完成相應實驗。

2.2 ?試題分析

例6 ?利用限定藥品和儀器，完成淀粉的水解并定性檢測產物葡萄糖（要求20min內完成實驗）

藥品： 水溶性淀粉、98.3%濃H2SO4、粗銅絲（20cm）、 20% NaOH溶液、pH試紙、蒸餾水

儀器： 小試管（×4）、200mL燒杯（×2）、滴管（×2）、玻璃棒、表面皿、鑷子、三腳架、石棉網、酒精燈、火柴、藥匙、試管夾、試管架

該題源于必修教材實驗[2]，主要考查教師對水浴加熱下淀粉水解操作要領的掌握與熟練程度。提供試劑中只有粗銅絲，缺少了CuSO4溶液，需要選手現場自制，選手可自行選擇銅與H2SO4反應，抑或采用銅絲空氣氧化并H2SO4溶解的方法。整個實驗大致可分解成熱水浴準備、淀粉水解、CuSO4制取、堿性Cu（OH）2濁液制備、葡萄糖的檢驗等步驟。由于給定的時間較少，要求教師能對上述操作出合理的規劃和統籌。

從比賽情況看，參賽教師大多對這一實驗的實施步驟了然于心，操作習慣良好，操作過程也較為流暢，能在規定時間內完成并展示磚紅色沉淀的檢測現象。出現的主要問題有： （1）個別選手對未直接提供熱水的現狀估計不足。先制CuSO4和堿性Cu（OH）2濁液，到熱水浴準備階段嚴重耗時，導致后續操作就略顯倉促、狼狽。（2）操作的應變能力不足。如在制備常量CuSO4試劑用于實驗時，用空氣氧化并酸溶的方法時必須要反復多次操作，在加熱前預先將銅絲進行螺旋化處理可加快反應速率，有效減少操作次數，但實驗比賽過程中這樣的變通并不多見。

例7 ?制備氫—氧燃料電池（要求在15min內完成實驗，放電時間不得少于3min）

藥品： 蒸餾水、0.1mol·L-1稀鹽酸、0.1mol·L-1 NaOH溶液

儀器： 25V學生電源、導線若干（帶鱷魚夾）、靈敏電流計、石墨電極（×4）、酒精燈、火柴、50mL小燒杯（×4）、試管夾、坩堝鉗、海綿（10cm×6cm）、小剪刀、橡皮筋若干、橡膠手套

氫氧燃料電池的制作在蘇教版《化學2》必修教材雖有涉及，但與之相比本題在藥品與儀器的選擇上卻不盡相同，因此更考驗參賽教師利用已有條件進行方案設計與創新的能力。操作步驟上，一般要經歷石墨棒淬火、組裝裝置、電解NaOH溶液、原電池放電等過程。

從實驗結果看，最終成功展示氫氧燃料電池放電使靈敏電流計指針偏轉3min以上，所有參賽教師一般都不在話下。但從方案設計、實驗操作等細節看，選手們各自的表現就顯得有些良莠不齊了。

如有幾位選手將提供的4根石墨電極分成兩組，直接用整片海綿按“∞”形包裹，并用牛皮筋捆扎后能自然固定于小燒杯中，實驗時先將其中兩根帶鱷魚夾的導線連接直流電源，電解一定時間后斷開，即可將另外兩根導線連接靈敏電流計。這樣的設計，不但簡化了海綿片的剪裁、電極的夾持固定、電解池到原電池轉換的連接等操作，在有效隔離出陰極區和陽極區的同時，也增加了石墨電極上H2、 O2的附載，實驗整體干凈利索、省時省力、現象與效果還更明顯。與之對照，個別選手出現的問題主要集中在： （1）實驗謀劃缺乏。如包裹石墨電極時，未提前比對和規劃需要裁剪的海綿片大小，導致裁出的尺寸大小不匹配。（2）操作規范不足。如對石墨棒淬火處理時用試管夾夾持而不用坩堝鉗，電解時為避免兩極直接接觸而使用手持式固定等。

例8 ?定量測定維C片中維生素C的百分含量。已知每片維生素C片中含維生素C約0.1g，因樣品溶解較慢，建議研細后實驗（限定25min內完成，只要求測一組數據）

原理： 在弱酸性溶液中，維生素C（Mr=176.1g·mol-1）可將I2還原為I-。

（維生素C）+I2

（脫氫維生素C）+2HI

藥品： 維C片、蒸餾水、淀粉溶液、0.0100mol·L-1碘水標準溶液、1mol·L-1稀鹽酸

儀器： 電子天平（精確到0.001g，帶稱量紙）、100mL容量瓶、玻璃棒、滴管、50mL小燒杯、200mL燒杯、50mL滴定管（帶夾持裝置）、250mL錐形瓶、25mL移液管、洗耳球、洗瓶、鑷子、藥匙、研缽

該題取自蘇教版《實驗化學》選修教材拓展課題6-2[3]，雖不屬于浙江省高考考查范圍，卻是整體性考查參賽教師實驗統籌能力、系統思維和操作素養的很好素材。要求教師在分析氧化還原反應定量關系基礎上，根據所給實驗儀器型號大致確定維C片的用量，對本實驗從準備、實施、結果處理等作好通盤考量。從實驗內容上看，該課題囊括了電子天平和滴定管等儀器的使用、固體的研磨與稱量、一定物質的量濃度溶液的配制、移液操作、氧化還原滴定、指示劑終點判斷、數據的記錄與處理等，可算是集中學化學實驗基礎與操作之大成。

從賽場表現來看，在如此短的時間內絕大多數參賽教師仍能做到泰然自若、有條不紊地完成全部考查項目，顯示了良好的心理素質和過硬的實驗素養，實驗過程嫻熟、操作習慣良好。但也暴露出一些問題，主要在于對實驗體系缺少整體性的思維認識，不習慣在實驗系統下全局審視和理解具體的實驗細節，這從選手們對維C片研磨與稱量先后關系的問題處理上可見一斑。正確的做法是先將維C片研磨粉碎，再稱量一定質量的粉末用于后續操作。而絕大多數的教師則是直接稱量1或2片維C片的質量，再研碎待用，這樣的選擇也直接誘發了個別教師后續對研缽和研杵上粘附的白色粉末用蒸餾水洗滌回收的不當操作。

2.3 ?教學啟示

在長期的應試教育環境中，對化學實驗習題的過度操練與片面解析會將原本完整的化學實驗系統肢解得面目全非，導致一線教師常常會孤立地、碎片化地看待化學儀器、操作名稱、實驗現象等細節內容，而忽視了在系統思維下對實驗細節內容的深度理解與整體把握;常常是通過畫實驗、說過程、背方法等機械記憶的方式來鞏固化學實驗操作的規范性要求，而忽視了做實驗過程中的操作實踐對規范養成的強化與矯正功能。因此，教師要重視“做實驗”的教學價值，在系統思維引領下審視和謀劃實驗，用自己一系列實實在在的實驗活動來錘煉操作技藝，扭轉實驗教學中明顯的“應試化”傾向，使理論規范與操作行動的“兩張皮”有機統一。

3 ?創新實驗——實驗思考有深度，方案設計較新穎

3.1 ?評比方式

創新實驗的內容一般要包括實驗背景、實驗原理、實驗裝置、操作步驟、實驗現象、研究結論、成敗關鍵以及設計特色等。通過教師創新實驗的展示，有助于激發教師的創新思維，提升教師的創新能力，并在實驗教學中以教師創新示范帶動和促進學生創新實踐活動的開展。此次創新實驗環節總分為20分。由參賽選手自主確定研究課題，選材限于高中化學教學范圍，要求每位選手在各自案例中能重點說清解決了什么問題、怎么解決問題、有何創新和亮點，并錄制成實驗微視頻后網絡提交評審。

3.2 ?案例評價

參賽的方案總體上水平較高。從課題選擇角度看，主要集中在中學化學疑難實驗的改進和疑難問題的研究。透過這些鮮活的案例，不但展示出選手們在化學實驗教學中的獨特研究和生動進展，也讓我們看到了當下化學實驗研究創新的一些基本特點與走向。

（1） 多元化的器材選擇： 使實驗設計貼近生活。

臺州一中劉堅老師在改進鹵代烴水解反應實驗時，用針筒吸取、混合KOH水溶液和CH3CH2Br，在可控溫度加熱壺的熱水浴中實驗（中途振蕩針筒便捷，有助于加速反應），并選擇生活用的酒精檢測儀檢測產物乙醇，收獲了很好的實驗效果。因此，教師在實驗教學時要有心地對生活器材合理收集、巧妙選擇、簡單加工并嘗試應用，讓化學實驗的現象更明顯、操作更簡便、更加安全、環保、有生活味。

（2） 精確化的條件控制： 讓演示效果得以保證。

化學反應過程中，如果不能控制好最佳反應條件，不但會降低目標產物的產率，增加副反應的發生，影響實驗的觀察效果，甚至還可能引起環境與安全等問題。因此，探索實驗發生的精確化條件并加以有效控制，引導化學反應朝著需要的方向發展，一直以來都是中學化學實驗教學研究與創新的重要方向和目標。如嘉興五高張雅韻老師對Fe（OH）2制備實驗從無氧環境創設、NaOH和FeSO4溶液最佳濃度等視角進行了條件探索，給出了非常具體而有操作性的優化方案： 小試管中加入6mol·L-1 NaOH溶液和少量還原鐵粉（用以去除堿溶液中的溶解氧），加少量苯液封，用磁鐵吸引住鐵粉并移至溶液中上部（在保持還原性環境同時可減少對產物顏色觀察的干擾），再按圖1擠入少量0.5mol·L-1 FeSO4溶液。通過這種精確化實驗條件的控制，常規的試管實驗變得簡約而不簡單，得到的Fe（OH）2沉淀能保持白色10min以上，充分保證了實驗演示的效果。

（3） 數字化的技術應用： 從片面認識走向深刻。

隨著現代信息技術在中學教學領域的深入推廣，相較于傳統的化學實驗教學，數字化技術下的實驗研究與創新有其獨特的優越性，演繹了別樣的精彩。利用傳感器等數字化實驗手段，實現了

化學實驗從傳統到現代、從定性到定量、從靜態到動態的轉變[4]，在實時、直觀、量化地展示化學反應變量過程中能進一步矯正教師對化學實驗問題的片面認識，幫助學生解決化學實驗疑難，促進學生深刻理解化學學科本質。如教材以KI與少量FeCl3的反應來說明限度問題，實際上在檢驗Fe3+實驗前務必保證已達平衡。寧波北侖中學王杰老師對此展開研究，通過傳感器測定了反應進程中的電導率變化，實證了KI與FeCl3反應的平衡建立一般需要耗時約80s，并據此給出優化后的實驗操作方案，很好地矯正了大家對該實驗的固有認知，彌補了思維上的邏輯漏洞。

3.3 ?教學啟示

樹立實驗創新意識、培養實驗創新能力、開展實驗創新活動應該成為一線教師不斷提升化學實驗素養的重要內容和有效路徑。當前，化學實驗創新呈現出生活化、微型化、數字化、綠色化、綜合化等發展特點，但總體原則仍然在于解決化學實驗教學中存在的疑難問題，認識和優化好那些難以成功、理解不透、現象不明、操作繁瑣、污染嚴重、安全隱患等不足的實驗。因此，針對教材內的一些實驗方案，還需要教師自覺地運用批判性思維開展有深度的思考，在實施實證化活動中逐步萌發、凝結出一些具有創新性的化學實驗設計，扎扎實實在質疑、實踐和反思中不斷提升自己的化學實驗素養。

4 ?結語

化學實驗能為學生經歷知識產生的過程創設意義情境，能為學生掌握實驗操作的技能搭建訓練平臺，能為促進學生核心素養的養成提供發展契機。一次化學實驗技能大賽，讓我們欣喜地感受到潛存于廣大基層化學教師中的強大的創新潛力;同時，也讓我們真切地看到了當前中學實驗教學中還存在的一些普遍性問題，如對高考范圍外的實驗視野比較狹隘、對操作規范的認識與具體的實踐表現間存在背離、對實驗體系的整體性思維認識有待加強等。因此，要持續提升化學教師的實驗素養依然任重而道遠，這需要成為、也應當成為我們每一個化學教師的行為自覺和修煉目標。

參考文獻：

[1][3]王祖浩， 王程杰. 普通高中化學課程標準實驗教科書·實驗化學（選修）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2010.

[2]王祖浩主編. 普通高中化學課程標準實驗教科書·化學2（必修）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2008.

[4]趙華. 原創走向實證： 中學化學實驗創新實踐研究[M]. 上海： 上海教育出版社， 2018.