中學化學實驗教學中發展科學探究與創新意識核心素養的初步思考

黃恭福 鄒海龍

關鍵詞：化學實驗;核心素養;基本認識;基本態度

自上世紀90年代以來，科學普遍被理解為基于證據的解釋，探究是獲取證據重要的實踐活動。科學探究是人們獲取科學知識、認識客觀世界的重要途徑，它既是中學化學的學習內容和目標，也是一種重要的學習方式。創新意識是思想觀念層面的動機與情感，是一種求新、求變、求異的意識。

科學探究與創新意識是化學學科5項核心素養之一，它從實踐層面激勵學生勇于創新，全面準確理解科學探究與創新意識核心素養，對于發展學生科學探究能力和創新精神有著重要的作用。本文從“基本認識、基本態度、基礎知識、基本技能”的角度，對發展學生的科學探究與創新意識核心素養（以下簡稱：核心素養）進行了反思與研究。

一、基本認識和基本態度

在中學化學實驗教學中要引導學生樹立對“科學探究與創新意識”的基本認識，形成對該核心素養的基本態度，以廣泛凝聚共識，促進核心素養培養的落地，這也是發展該核心素養的認識基礎。

1.科學探究是實踐活動和認識活動的統一

科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動，化學學科中的科學實踐活動主要通過觀察與實驗獲取事實、數據和證據;科學探究還需要科學認識活動對獲取的證據進行分析、判斷和推理，并建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系，因此科學探究是科學實踐活動和科學認識活動的統一。

案例1.鈉與水反應的實驗探究（片段）

（節選自湖南省長沙市長郡中學吳佳怡2019年全省賽課執教的《鈉與水的反應》）

【科學實踐活動】

（1）在燒杯中加入約一半高度的蒸餾水，滴人2-3滴酚酞試液;

（2）用鑷子取一塊綠豆大的金屬鈉（用濾紙吸干表面煤油）;

（3）將金屬鈉放入上述燒杯中觀察實驗現象。

【科學認識活動】

在《鈉與水反應的實驗探究（片段）》的活動過程中，僅依靠實驗操作、實踐活動、觀察辨識等是無法揭示鈉與水反應的實質的，需要在對宏觀現象進行科學觀察獲取感性認識的基礎上形成基本事實，并對獲取的事實進行分析、概括、抽象、推理，轉化為事實證據，在“科學實踐和科學認識”交替作用下最終揭示出實驗現象的本質原因，以及鈉與水反應的物質變化和能量轉化的本質（表1）。

2.科學探究是科學過程與科學方法的統一

科學探究的過程大致包括：提出問題、猜想與假設、制定計劃、進行實驗、收集證據、解釋與結論、反思與評價、表達與交流等;科學方法包括比較、分類、類比、歸納、抽象以及分析、判斷和推理（歸納、演繹、統計），也還包括變量控制、模型方法等。科學探究過程中融合著上述科學方法的應用、科學方法在科學過程中得以發展和提升。

如在學習分散系及其分類的知識時，通過演示“硫酸銅溶液”與“氫氧化鐵膠體”的丁達爾效應實驗，發現并提出問題：為何只有當光束通過氫氧化鐵膠體時才會出現一條光亮的通路，而通過硫酸銅溶液時卻沒有，引出對分散質微粒大小的比較，進而對分散系按分散質微粒尺度的差異分為膠體、溶液、濁液等。在對這一知識的探究學習過程中，融合了比較、分類、歸納、推理等科學方法，做到了過程與方法的統一和融合。

案例2.實驗探究S02的漂白性（片段）

（節選自湖南省邵陽隆回一中陽葵2019年全省賽課執教的《二氧化硫的漂白性》）

【科學過程】

提出問題：S02使品紅水溶液褪色，說明S02具有漂白性。

猜想與假設：是二氧化硫還是二氧化硫水溶液使化學教與學2020年第7期溶液褪色？

【科學方法】

控制變量：使S02分別在有水和無水環境下與品紅混合。

【科學過程】

實驗設計：將干燥的S02通入品紅的無水乙醇溶液。

收集證據：品紅的無水乙醇溶液始終不褪色。

【科學方法】

證據推理：干燥的S02不具有漂白性，S02的水溶液才具有漂白性。

【科學過程】

提出問題：S02的水溶液具有漂白性的原因是什么？

【科學方法】

分析推理：S02水溶液的成分復雜，具有HzS03、S02、HSOf、S032-、H+等。

【科學過程】

猜想與假設：可能是上述微粒中的某種粒子使得S02水溶液具有漂白性。

實驗設計：分別向品紅水溶液中滴入提供上述微粒的溶液，如HCl、Na2S03、NaHS03、亞硫酸等。

實驗實施：分別向品紅水溶液中滴入：鹽酸、亞硫酸鈉溶液、亞硫酸氫鈉溶液、亞硫酸溶液。

收集證據：觀察現象，收集相關證據：鹽酸、亞硫酸鈉不能使品紅溶液褪色;亞硫酸氫鈉、亞硫酸使品紅溶液褪色。

【科學方法】

分析推理：含有H2S03、HS03-的溶液可使品紅溶液褪色。

解釋結論：可能是H2S03、HS03-能與品紅發生反應使其褪色。

【科學過程】

查閱資料：H2S03、HsO3可與品紅分子化合生成不穩定的無色物質。

上述“實驗探究S02漂白性”活動，我們可以認識到：在科學探究提出問題、猜想假設、獲取證據等過程中，都滲透和融合了比較、類比、變量控制、分析推理等科學方法，顯然，科學探究活動是科學過程與科學方法的統一。

3.科學探究要有問題意識

中學化學實驗活動中要引導學生深刻認識到問題是科學探究的起點，因此要在生產、生活和實驗活動中發現和提出有探究價值的問題，并依據問題進行合理假設，依據假設設計實驗計劃和方案進行實驗探究。著名學者胡適就曾告誡青年學子保持求知欲望的藥方之一就是“時時尋一兩個值得研究的問題”，愛因斯坦也曾說：“提出一個問題比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許只是一個數學上或實驗上的技巧而已。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度看舊問題，卻需要創造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。”可見，問題意識是培養和發展學生思維能力、想象力的重要途徑。如，拉瓦錫提出的燃燒的氧化學說、阿伏伽德羅的分子假說、阿里尼烏斯的電離學說、玻爾的原子結構模型等，都是從實驗中敏銳捕捉和分析問題開始的。

案例3.電解水實驗條件的探究

電解水實驗是中學化學的經典實驗，其教學功能主要體現在以下兩點：一是通過電解水可以得到氫氣和氧氣的事實證明水不是一種元素而是由氫、氧組成的化合物;二是通過所得氫氣和氧氣體積比為2：1推導出水分子中氫原子和氧原子之比為2：1。因此實驗必須要能成功檢出產生氣體為氫氣和氧氣，且兩者的體積比為2：1。

【提出問題】電解水實驗中，一般條件下V（H2）：V（02）>2：1，哪些因素會影響產生氣體的體積比呢？

【分析問題】通過查閱資料、實驗探究、分析歸納發現反應原理、反應條件、反應裝置以及操作過程均能對最終結果產生影響。電解水的反應速率快慢與電解質溶液中離子遷移速率，電解電壓、電極材質、電極間距、超電勢、溶液的酸堿性等有關。

【解決問題】通過對影響因素的逐個分析和探究，采用鉑電極、12%的氫氧化鈉溶液、15V電壓等條件下進行水的電解實驗可以較為快速得到體積比為2：1的氫氣和氧氣。

電解水實驗條件的探究過程，充分體現了在科學實踐過程中注重對問題進行分析，從學科本源的視角，找出產生問題的本質原因，再利用分析、推理、類比、變量控制、試驗、對比實驗等方法逐個尋求解決某個問題的具體方法。

案例4.鐵與水蒸氣反應實驗探究

鐵與水蒸氣反應是“人教版化學1”教材中的演示實驗，使用了還原鐵粉與水蒸氣反應，但在教師實驗中發現諸多問題。

【發現問題】氫氣產量極低，實驗失敗率較高。

【分析問題】舊教材實驗將鐵粉附著在石棉絨上，由于石棉絨導熱性不好，鐵粉達不到反應溫度，難以反應;現行教材將鐵粉堆在一起與水蒸氣反應，鐵粉與水蒸氣接觸面積有限，大多數水蒸氣未與鐵粉接觸反應即逸出了試管。

【解決問題】使用一種含鐵物質，能與水蒸氣充分接觸，又要具有很好的導熱性便于提升反應溫度，經搜索發現一種叫做“鋼絲棉”的物質很適合。“鋼絲棉”主要成分與還原鐵粉類似且蓬松、導熱性好。使用濕潤的面巾紙部分包住“鋼絲棉”后放人試管中，用酒精燈直接加熱試管中的“鋼絲棉”，將產生的氣體通入滴有洗潔精的溶液中。

實驗裝置如下所示：

裝置圖1中，粗銅絲中部折成一個u形彎抵住鋼絲棉防止其滑動，粗銅絲末端折一個環緊扣在試管中以固定整個鋼絲棉，如圖所示進行相關操作即可。

上述案例說明，在進行實驗探究過程中要根據探究目的不斷挖掘問題、顯性化問題，從而達到發現“真問題”的目的，通過發現的“真問題”進行資料收集與分析、實驗設計與實施、證據獲取與解釋等過程，完成解決問題的最終目標。

4.科學探究要有證據意識

大學問家傅斯年所說的：有一份材料說一份話，有十份材料說十份話，沒有材料不說話，這里的材料就是證據。科學的本質就是基于證據的解釋，認識到科學探究是提供證據的重要途徑和方式，該途徑獲取的直接證據包括實驗現象、實驗事實、實驗數據等。科學探究就是要運用獲取的現象、事實和數據等經驗性證據，經歷抽象、分析、推理的理性認識活動，達到解釋相關問題的目的。因此，培養學生科學探究過程中收集、整理、加工、應用證據進行解釋的能力對發展學科核心素養至關重要。

案例5.氯化鈉在水中的導電性實驗

在上述“氯化鈉在水中的導電性實驗”案例中，通過對3個對比實驗現象的分析，遵循“現象一結論一觀點”的邏輯推理過程，得到了氯化鈉溶于水與水作用產生了自由移動離子從而導電的結論（表2）。

5.科學探究要有創新意識

科學探究的本質是實踐創新，實踐創新使得在此過程中不同學生的操作體驗、活動感受、自我反思均各不相同。正是這種實踐過程和體驗的差異，促使學生在“正常實踐”中能有效發現“異常現象”（與學生認知沖突的現象），面對“異常現象”積極質疑，從而對探究進行反思、優化和完善，以此體現出實踐創新的價值。

如，用1.0mol/L的氫氧化鈉溶液滴定加有酚酞試液的鹽酸溶液，當最后一滴氫氧化鈉溶液滴入后溶液由無色變為紅色，振蕩后紅色不消失，即為達到了滴定終點，這是描述的正常實驗現象。有學生在親自實踐操作中發現：當鹽酸溶液變紅后1分鐘，溶液又變為了無色的“異常現象”，對該現象的科學解釋就是學生在科學探究實踐中創新意識的體現。

二、基礎知識與基本技能

發展科學探究與創新意識核心素養要加強實驗基礎知識與基本技能的學習理解和實踐訓練，這是開展實驗探究活動的基礎和保證。實驗基礎知識涉及實驗室規則、實驗安全與環保、實驗工作習慣、實驗儀器的辨認及其作用與功能、實驗藥品的性質、分類、保存與使用等;實驗基本技能包括藥品取用、物質加熱、儀器裝置連接、玻璃儀器洗滌等。具體而言，在中學階段要熟練掌握以下實驗的基本技能：

1.能進行藥品的取用、簡單儀器的使用和連接、加熱等基本的實驗操作

藥品的取用包括固體、液體藥品的取用，氣體的收集（如排水、排氣、塑料袋法以及注射器吸氣法）等。使用的簡單儀器主要包括加熱儀器及用品（酒精燈、酒精噴燈、防風罩、水浴、油浴和沙浴）;可加熱儀器（直接加熱、隔石棉網加熱）;計量儀器主要包括質量度量儀器（天平）、液體體積度量儀器（量筒、容量瓶、滴定管）、溫度、酸堿性測量儀器（溫度計、pH計）等;反應器（如錐形瓶、試管、燒杯、試劑瓶、三頸燒瓶、圓底燒瓶等）;試劑添加儀器及其他（長頸漏斗、分液漏斗、漏斗、蒸發皿、表面皿）等。儀器連接主要是要遵循連接的基本原則：從下到上，從左到右，膠管和橡膠塞連接玻璃儀器。裝置撤除應遵循從右到左（如將末端導管從液體中撤除），從上到下;先降溫再停保護氣，先撤右側熱源再撤左側熱源等。此外，還需掌握加熱操作（如先均勻加熱后集中加熱、外焰加熱）、氣密性檢查（如微熱法、液差法）、漏液檢查等。

2.能在教師指導下根據實驗需要選擇實驗藥品和儀器，并能安全操作，能運用簡單的裝置和方法制取某些物質

形成從實驗目的選擇實驗原理、實驗原理確定實驗藥品、實驗藥品及實驗條件選擇實驗裝置、實驗裝置及反應特點確定實驗操作等基本思路。因此藥品狀態和性質以及反應的條件決定了實驗儀器的選擇。

中學階段主要涉及固固加熱制氣體（如加熱高錳酸鉀制氧氣）、固液加熱制氣體（如實驗室制HCl）、液液加熱（如乙酸乙酯的制備、石油的分餾、蒸餾水的制取）、固液混合不加熱（如雙氧水制氧氣、實驗室制二氧化碳、濃氨水與石灰石制氨）、固液不加熱隨開隨用型（啟普發生器、簡易啟普發生器等）。

根據不同的實驗原理和實驗類型，實驗裝置的構成特點不同，如氣體制取實驗裝置由“發生裝置→除雜裝置→干燥裝置→收集”中的2個或多個組成，在干燥裝置的選擇中，若是固體干燥劑選擇u型管或球型干燥管、若是液體干燥劑選擇洗氣瓶等。

此外，根據實驗需要還會涉及防倒吸裝置（如倒扣的漏斗、球型管、安全瓶等）;防堵塞安全裝置（試管口棉花團、橡膠管連接的恒壓式等）;防污染的安全裝置（燃燒式、吸收式、收集式等）。

3.初步學會溶液配制

中學階段僅有的2個定量實驗是一定溶質質量分數的溶液和一定物質的量濃度溶液的配制，都要經過“計算、稱量、溶解、移液、稀釋或定容”等步驟。操作中應注意的是洗滌液應全部轉入配制的溶液中，量筒量取的液體一次性全部加入到燒杯中;使用膠頭滴管定容后的溶液應及時轉入試劑瓶中保存等。

4.初步學會物質的檢驗

物質的檢驗大致包括物質的鑒定、鑒別和推斷。鑒定即確認，即確定樣品是什么，是指用化學方法來確定未知物質的組成，檢驗出陰陽離子或組成元素。鑒別即區別，將不同樣品區別開，是用一定的物理或化學方法把兩種或兩種以上已知物質一一區別開。如不用任何試劑加以鑒別、只用一種試劑予以鑒別、任選試劑鑒別等。推斷是通過已知實驗事實，根據性質一定存在或不存在、可能存在哪些固體或離子或氣體等，若為定性層面，只需確定存在（不存在）什么，若為定量層面，還需確定各成分的物質的量。

5.初步學會物質分離、提純

物質的分離是將混合物中各組分分離開來，獲得幾種純凈物的過程;物質的提純是將混合物中的雜質除去而得到目標物質的過程。如混合物分離的物理方法有以下三種類型，一是“固+固”混合物采用加熱（升華法）、加水（重結晶、過濾法）及特殊方法（如磁性分離Fe和FeS）;二是“固+液”混合物采用萃取法、蒸發結晶法或過濾法;三是“液+液”混合物采用蒸餾法或分液法等;“氣+氣”混合物采用降溫液化法等。

在中學化學實驗教學中引導學生對核心素養形成正確的基本認識和基本態度，熟練掌握化學實驗基礎知識和基本技能，是我們進一步發展科學探究與創新意識核心素養的關鍵，需要在教學中以務實的態度落實。