基于“科學探究與創新意識”的高中化學實驗教學策略研究

李剛

課程標準明確了以發展化學學科核心素養為主旨的基本理念，重視開展“素養為本”的實驗教學，倡導真實問題情境的創設，開展以化學實驗為主的多種探究活動，培養學生的創新精神和實踐能力。發展學生的化學學科核心素養，要求教師要積極開展“素養為本”的課堂教學實踐，主動探索以化學實驗為基礎的有效課堂教學模式和策略。

一、基于解決實際問題的探究實驗教學

科學探究與問題解決能力的發展是學生核心素養培育的必備品格之一。檢驗學生能力的主要方式就是在實際環境中解決實際問題。問題解決型教學是將問題解決作為教學的主要目的和手段，其基本環節包括：提出問題—尋找解決途徑—做出解答—遷移應用。它是在建構主義理論框架下形成的，強調學生知識構建的過程。這種教學模式對于調動學生學習興趣、培養學生問題意識等具有很好的效果。而化學實驗著重培育學生的實驗探究能力，學生在掌握了基本的化學概念、理論知識、具備一定實際操作能力的基礎上，通過對所提出的問題進行實驗方案設計、實驗操作。

例如，對大多數學生因胃痛而吃的胃藥有效成分的探究。由于胃酸（鹽酸）過多而引起的胃痛，醫生提供的藥片中含有的抗酸劑主要有氫氧化鋁與碳酸氫鈉兩種成分，教師請學生根據所學知識設計與實施探究方案，確定樣品藥中的主要成分哪個是氫氧化鋁，哪個是碳酸氫鈉，比較哪一種治療效果更好。

在此探究活動中，學生在已知信息和所學知識的基礎上，確定探究目的：（1）藥品的有效成分分別是什么？（2）比較氫氧化鋁與碳酸氫鈉兩種有效成分與鹽酸的反應效果哪種更好，繼而設計鹽酸與兩種藥品主要成分的定量實驗方案。探究目的（1）的設計方案：取適量鹽酸和任意一種藥品進行反應，反應中有氣泡產生的藥品主要成分為碳酸氫鈉，沒有氣泡產生的則為氫氧化鋁。探究目的（2）的設計方案：取一定量的鹽酸分別與氫氧化鋁、碳酸氫鈉反應，比較兩種藥品消耗量的多少。由于藥品有效成分含量比較小，操作過程可以采用比較精準的滴定方法。

探究活動中學生運用已有的知識，解決生活實際中的問題，形成學以致用的教學目的。整個探究過程鍛煉了學生的高階思維能力，如分析、解釋、論證、說明、評價等，也培養了學生以科學家的角度看待問題，在已有數據基礎上帶著對未知的疑問一步一步分析信息，最終達到解決問題、做出合理決策的習慣。同時，通過實踐探究活動，學生實際動手操作能力得到鍛煉提升。

二、基于真實情境化背景的探究實驗教學

真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要方式，為學生化學學科核心素養提供了真實的表現機會。

例如，進行“苯酚”知識教學時，教師可以給學生展示苯酚軟膏使用說明書，在藥物相互作用說明里提到“不能與堿性藥物并用”，據此提出“苯酚具有酸性”的猜測，并在此基礎上，再進一步提出疑問：（1）苯酚是不是酸？（2）是強酸性還是弱酸性？（3）如果是弱酸性，酸性比碳酸強還是弱？然后設置實驗情境并引導學生設計探究實驗，再由實驗現象進行分析推理。

探究一：用紫色石蕊試液和pH試紙檢測苯酚溶液pH。

探究二：大小相同的鎂條分別與等量的苯酚溶液和蒸餾水反應，比較反應速率。

探究三：適量苯酚濁液分別與NaOH溶液、Na2CO3溶液、NaHCO3溶液反應，根據反應現象推測結論。

探究四：在與NaOH溶液反應后的澄清液中通入CO2，根據現象推導結論。

教師通過設計四個實驗探究情境，一步一步驅動學生突破常規思維，改習慣性的單一認知為復雜的多維度認知，將學生思維推向縱深處。這個探究過程既培養了學生的知識遷移能力和科學探究意識，也豐富了其認知角度，提升了思維能力。

三、基于任務問題驅動化學核心素養的探究實驗教學

任務驅動教學法（Task Based Learning）是建立在建構主義教學理論基礎上的一種教學方法，是建構理論在教育教學中的一種具體應用。教學理念是以學生為中心，教師將教學內容轉化為需要完成的任務，教學活動即為完成任務的過程。探究過程的環節：情境創設，提出任務;理論分析，制訂方案;實驗探究，歸納結論;交流討論，任務評價;反思總結，改進提高。學生在完成任務的動機驅動下，在合作探究的學習過程中，確定完成任務的方法，通過任務的完成達成“知識和能力”的教學目標，促使學生化學核心素養的培育。

例如，在學習鐵的重要化合物FeO知識時，教材上并沒有過多關于FeO性質的內容，教師對這塊內容的處理大多數都是基于證據推理和模型認知的化學思維，引導學生根據元素化合價的特征推測FeO可能具有的化學性質，學生根據已知的氧化還原反應理論很容易確定含有正2價鐵的化合物既具有氧化性也具有還原性。教師在學生已經得到初步結論的基礎上提出：鐵和水蒸氣可以反應，那么FeO能否表現出和鐵相似的性質與水蒸氣反應呢？其判定依據是什么？如何證明？學生小組合作分析討論，得出氧化亞鐵（FeO）與水蒸氣反應的可行性分析要點：（1）FeO可以和H2O（g）發生反應;（2）反應裝置可以采用鐵和水蒸氣反應的儀器裝置;（3）通過驗證反應產物有H2產生就可以得到肯定結論。然后在教師的組織下按照實驗設計方案進行實驗探究，實驗探究結束后，完成交流討論、任務評價，再進行反思總結和改進提高兩個環節。在反思過程中，教師又提出另一個問題：除了H2外，另外的產物從可能的角度看應該有Fe3O4和 Fe2O3兩種，能否從理論和實驗的角度分別加以證明呢？教師引導學生首先在理論層面進行分析。

依據鐵元素守恒，可能發生的反應方程式（實驗時控制反應溫度為800℃）。

H2O（g）+3FeO=Fe3O4+H2（1）

H2O（g）+2FeO=Fe2O3+H2（2）

依據熱力學判據，∠H<0，S<0，反應低溫自發，一般情況下為可逆反應。由G=-RTlnK，代入相關熱力學數據，計算得出在800℃時，K（1）、K（2）均大于105，且K（1）≥K（2）。

據此，多數學生都預測以發生反應（1）為主反應，同時推測在800℃時，Fe3O4比Fe2O3穩定。

關于實驗探究驗證任務，留給學生進一步通過小組合作進行完成。通過任務驅動的方式，將學習內容和探究實驗相結合，既能激發學生的學習興趣，又能加深學生對知識的理解，學習的過程更加突出思維方法的培養。具體的問題解決任務，促使學生查閱資料、設計方案、實驗探究等。在問題解決過程中，學生的化學學科核心素養得到了提升。

四、基于促進學習進階視域的探究實驗教學

關于學習進階的研究在我國還處在很有限的范圍內，對于學習進階的實驗探究更少之又少。美國國家研究理事會將學習進階定義為“在較大時間跨度內，學生學習和研究某一主題時，對學生連貫且逐漸深入的思維方式的描述”。我國較早研究學習進階的北京師范大學劉恩山教授對其定義是：對學生在各學段學習同一主題的概念時所遵循的連貫的、典型的學習路徑的描述。學習進階包括五個方面的內容：終點目標、發展變量、成就表現、學習水平和評價。學習進階是基于假設、實證檢測、重新修正、實證測評的多重循環過程。科學探究是基于問題，通過證據、解釋、交流、評價一系列活動，得出結論的過程。從科學探究的載體來看，可以分為實驗型探究、調查型探究和討論型探究。

可以嘗試在實驗探究中融入學習進階理論，把實驗劃分為由低到高的學習進階階段，在學習進階過程中激發學生的創新思維和探究能力，提升實驗教學的質量，最終達到培養學生核心素養的目標。

例如，基于學習進階的“不同電極材料電解氯化鈉溶液的產物變化”探究實驗教學設計結合學生已經完成的知識內容，確定學習進階的階段表現水平（見表1）和探究實驗流程。最后，結合數據綜合分析得到初步結論。

發展學生的化學學科核心素養，要求教師積極開展“素養為本”的課堂教學實踐，主動探索“素養為本”的有效課堂教學模式和策略。實驗探究活動最具化學特色且對培育學生“科學探究和創新意識”素養有著至關重要的作用，教師應根據學生實際情況和教學條件，實施相對應的實驗教學策略，在引導學生進行實驗探究和實驗設計時，要把實驗探究的教學實效放在首位，把握好實驗探究的度，真正發揮實驗探究教學對學生思維啟迪和能力提升的作用，落實化學學科核心素養的培育。

本文系2019年度河北省教育科學研究“十三五”規劃課題“基于科學探究與創新意識素養的高中化學實驗教學策略研究”（課題編號：1904181）的研究成果。

（作者單位：河北省秦皇島市實驗中學）

責任編輯：李莎

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