促進素養發展的項目式探究實驗教學
——以“海帶提碘”為例

福建省長汀第一中學(366300) 童文昭 李火木

福建省龍巖第一中學(364000) 鄒國華

1 問題的緣起

1.1 實驗教學的困境

化學實驗是促進學生“科學探究與創新意識”素養發展的重要載體。實驗于化學的重要性是由其學科屬性所決定的，實驗不但為化學科學的形成和發展提供科學事實，也為促進化學知識的應用，提高學生的非智力品質提供基礎材料?；瘜W實驗教學是化學教學的重要子系統，然而在過去很長一段時間內，教師在化學實驗教學的認識上存在著不小的誤區。尤其是在實驗室條件本身就較差的學校，在課時安排、教學進度等多種因素的影響下，化學實驗教學往往出現“理論上重視、行動上忽視”的狀況。再加上受過去實驗題型相對“定勢”的影響，使得在追求分數的“現實”中，“講實驗”成為許多教師對化學實驗教學的常態。

事實上，這些問題早在上一輪課改前就存在，并且為了解決這些問題，新課程改革做了諸多的努力。首先，把“培養學生的科學探究能力”作為提高學生科學素養的一項重要內容寫入課程標準。其次，教科書也做了以下改革：增加探索和研究性實驗；在驗證實驗中融入探索和研究的成分；將驗證性實驗作為探究活動的一種活動形式，配合思考與分析，以達到探究的目的。再次，從高考改革著手，課改以來高考化學對實驗的比重和能力要求可謂是逐年提高。然而，從現實中看，課改十多年來，這些問題并沒有得到明顯的改善。尤其是當許多教師在發現“學生是否進入實驗室親自動手實驗”與“實驗成績”并不具有顯著的相關性后，就又“堅定”地回歸到了老路——“高效”地“講實驗”。

1.2 對困境的思考

問題背后更深層次的原因與教師們對實驗教學的認識和定位有關。從教學的功能與價值角度分析，實驗教學的認識可分為三個層級：①知識層次，即認識到實驗是融知識與技能于一體的化學學科知識；②方法層次，即認識到實驗是化學科學研究的方法和手段；③意識層次，即認識到實驗是化學科學研究中的一種思維和意識。這三個層次對應著學生實驗素養的3個水平層級，如圖1所示。從這個角度分析，前面所述的“進實驗室”解決的亦只是實驗在“知識”層面的問題。這恰恰也是當前實驗教學存在的核心問題：如何擺脫僅從“知識”層面認識化學實驗教學的功能與價值，實現“方法”“意識”等更高層面的功能與價值。這顯然既不是教師在黑板上“講實驗”，也不是學生進實驗室“做實驗”能解決的問題，這是實驗教學中教師對實驗的價值和功能定位過淺的問題。

圖1 對實驗功能與價值的認識層級與表現

如何從方法、意識的角度提高學生的化學實驗素養？實際上，對許多教師而言，實驗教學的困難主要是“困”在教學效率上，“難”在教學方法上。相對而言，教師們表面上的訴求更多的是教學效率上的“困”。比如，不少教師反映，由于學生實驗動手能力不夠好，結果一節課辛辛苦苦地上下來，教學目標沒達成，還耽誤了教學進度。其實，對于教學效率上的“困”，在現代教學輔助手段的支持下比較容易解決。比如當前有不少教師采用微課和翻轉課堂的方式，讓學生先通過實驗微課認識實驗內容，再進行現場實驗教學，提高課堂效率。但是，對于實驗教學方法上的“難”，則需要對實驗教學的設計進行更深入的分析和思考，即如何通過實驗教學促進學生對實驗所蘊含的學科思維、學科價值等方面的思考，進而提高學生對化學實驗在方法、意識方面的進階式認識。

1.3 項目式教學對實驗教學的意義

由于化學實驗是一類特殊的教學內容，過程的理論性與實踐性、變量的復雜性與可控性、現象的可預測性與不確定性、結論的驗證性與探究性等，這些都決定了其教學具有一定的特殊性。項目式教學起源于杜威的“做中學”，是一種“以學生為主體、問題為起點、項目工作為主要環節，將知識獲得與知識應用相結合的探究型學習模式”，教學流程如圖2所示。倘若我們能將實驗教學內容與真實的生產、生活情境相結合，設計成科學探究項目，通過問題驅動，讓學生在完成項目工作的過程中，真實地體驗科學探究的方法與過程，那化學實驗教學也就不再是“知識”層次的驗證性、知識性實驗教學。這種將實驗內容問題化、實驗情境項目化的方式，不僅有助于提升學生應用化學實驗解決實際問題的實踐能力，還有利于促進學生對化學實驗的功能與價值的認識。

圖2 項目式教學流程

2 項目式探究實驗教學的設計與實施——以“海帶提碘”為例

2.1 項目分析

“海帶提碘”是高中化學新課程標準中規定的必修課程必做實驗“同周期、同主族性質的遞變”中的一部分內容。為豐富該實驗內容并使其與項目式教學的要求更吻合，將其設計成“海帶中碘的提取與含量測定”探究實驗項目。根據課程標準及項目實驗內容，將該項目教學目標設計如下：

(1)知識層面：體驗灼燒、溶解、過濾、萃取、分液等物質的分離及提純基本實驗操作，掌握元素周期律、氧化還原規律等在本項目中的應用。

(2)方法層面：結合已學相關知識，利用實驗的手段解決碘轉化、富集、分離、含量測定問題。

(3)意識層面：利用資料信息，設計碘的轉化、提取及測定實驗方案，完成探究實驗，并反思、評價實驗過程和實驗結果。

根據上述教學目標，確定如下教學內容；①從海帶中提取碘的實驗;②碘元素的定量分析實驗。

2.2 項目規劃

項目規劃的一般流程是：首先，根據項目的結構特征，將項目分解為若干個較小的項目任務，便于整體項目的完成，也為小組合作及項目評價提供便利；然后，根據各項目任務的主要內容，進行分析和討論，為要解決的任務設置1個驅動問題或問題鏈，便于學生聚焦于任務的解決；最后，根據前面分析討論的結果，為每個項目任務制定解決方案。項目規劃中，學生在教師的指導和幫助下完成團隊組建、項目分解、任務分析、方案制定、小組分工等工作。教師在協助學生的過程中“悄悄”把實驗知識“埋”在分解任務里，把實驗意識“藏”在驅動問題里，把實驗方法“引”進實驗方案里。具體規劃流程設計見表1。

表1 “海帶提碘”項目規劃及流程

2.3 項目實施

(1)項目情境

近年來，有傳聞沿海地區不需要再吃“加碘鹽”，以免攝入過量碘造成中毒。海帶既是常見的海產食品，也是工業制碘的重要原料。請以海帶為例，用化學實驗探究該傳聞是否科學。

(2)項目問題

測定海帶中的碘含量。(用于計算人體每日攝入超標碘所需食用的海帶量是否科學)

(3)項目規劃

組織引導學生利用所學過的知識討論和分析，得出測定含碘量的可行性方法，將項目分解為以下3個任務，并對前2個任務成立項目小組。

任務1：提取碘單質，測定含碘量驅動問題：海帶中碘元素以何形式存在？如何將海帶中的碘元素轉化為碘單質并進行富集？

學生：交流討論，匯報結論：清洗→燒灰→水溶→氯水氧化→CCl4萃取。

驅動問題：如何從CCl4中提取碘單質？

學生：蒸餾。

教師：蒸餾的操作過程比較復雜，是否有更簡便的方法實現碘的分離？

學習支架：“反萃取法”提取碘的原理。

①往I2的CCl4溶液中滴入NaOH溶液，至CCl4層不顯紫色(反應：3I2+6OH-=5I-+ IO3-+ 3H2O)；②用稀H2SO4酸化水層，重新生成I2(反應：5I-+ IO3-+ 6H+=3I2+ 3H2O)；③過濾得到碘單質。

學生活動：書寫實驗方案和操作步驟。

方案展示：展示各項目小組的方案，討論、評價。最后，教師展示參考方案，如圖3所示。

圖3 提取碘單質實驗方案

學生活動：按參考方案完成實驗操作。

觀察評價：教師觀察并記錄學生的實驗操作。

問題解決：計算海帶含碘量。

任務2：氧化還原法測定含碘量

驅動問題：海帶中碘元素以何形式存在？如何通過氧化還原的方式確定碘元素含量？

學生：海帶中的碘主要為I-，具有還原性，可以用氧化劑氧化，當恰好完全反應時，根據消耗的氧化劑計算I-的量。

教師：大家覺得這么做合理嗎？如果海帶中還有其他還原性物質怎么辦？

學生：改成先將I-氧化為I2，再選擇能與I2反應的物質與其反應，再根據所消耗的物質計算。

學習支架：“碘量法”是一種氧化還原滴定法，即以I2作為氧化劑，或以碘化物(如KI)作為還原劑進行滴定來測定物質含量。

教師：如何準確地知道上面的氧化還原反應恰好完全？

學習支架：指示劑、滴定裝置和使用方法。

學生活動：書寫實驗方案和操作步驟。

方案展示：展示各項目小組的方案，討論、評價。最后，教師展示參考方案。

教師：加入MnO2的作用是什么？

學生：使過量的氧化劑H2O2分解，以免殘留在濾液中與后續滴定時的標準液Na2S2O3反應，造成所得數據偏大。

學生活動：按參考方案完成實驗操作。

觀察評價：教師觀察并記錄學生的實驗操作。

問題解決：計算海帶含碘量。

就當前中國的現實情況而言，由于社區居家養老服務的投資種類多、期限長，單靠政府是難以完成這些項目的，因此，社區居家養老亟須引進PPP項目來緩解資金的不足。然而，現實過程中，隨著利率市場化的深入，許多金融機構不愿意為社區居家養老項目提供中長期貸款服務，再加上金融機構試圖規避中長期貸款的風險，不愿意為社區居家養老的PPP項目提供中長期融資。此外，即便一些金融機構對社區居家養老的PPP項目有一定的興趣，但由于法律制度的不健全以及政策的多變性，這些金融機構也不愿意冒風險發放貸款，導致社區居家養老PPP項目融資出現困難。

任務3：分析處理數據，解決問題

驅動問題：從實驗原理和過程分析，2個任務小組實驗方案哪個更優？

學生：第一個任務小組方案中需要用到氯水，對環境有污染。

教師：很好，那如果從實驗誤差角度分析，哪種方案測得的含碘量更準確？

學生活動：交流、分析和討論2種方案中可能會造成碘流失的實驗操作誤差。

學習支架：研究表明，采用灰化法從海帶中提取碘的實驗中，以下不當操作會導致碘元素流失：①用水洗滌海帶樣品；②灰化時間過長；③過濾時不用有機溶劑潤洗；④溶解海帶灰時煮沸；⑤氧化時pH控制不當；⑥選用氧化性過強的氧化劑。

問題解決：因為相對于重量法，滴定法中造成碘流失的操作更少，測定更準確。

學習支架：世界衛生組織制定的標準，成人每天理想的碘攝入量為150 μg。

問題解決：計算每日攝入過量碘所需的海帶重量，判斷傳聞是否科學。

3 反思與啟示

3.1 化學實驗項目化的困難與解決措施

一個化學實驗的項目化過程，其重點(也是難點)在于充分挖掘實驗的內涵和外延，將相關知識、方法、思維“埋”“藏”“引”進項目任務中。以本節課為例，如果僅以教材實驗“海帶提碘”為主題，那就很容易陷入實驗知識與技能的訓練過程，對方法與手段、意識與能力的發展提升程度有限。因此，本節課的項目化設計從實驗情境入手，將生活中“吃海帶會造成碘過量”的傳聞作為一個真實的待解決的問題，從而把實驗主題轉化為“測定海帶含碘量”。在知識技能上，既保留了教材要求的“海帶提碘”實驗，又拓展了氧化還原滴定的實驗；在方法手段上，既豐富了解決問題的實驗手段，又提高了實驗探究性；在思維意識上，促進了學生運用實驗思維分析和解決現實生活問題的意識發展。

項目式教學是以知識應用為核心的教學，是轉變學習方式的重要手段，也是促進學科知識素養化的途徑。因而，在探究實驗項目設計初始時，教師應著重思考：通過這個項目能讓學生在實驗知識與技能上有何收獲？在實驗方法與手段上有何提升？在實驗意識與能力上有何發展？在項目規劃和實施的過程中，通過精心設計有梯度的驅動問題，將學生的學習自主性和合作性充分調動起來。教師在恰當的時機，搭建學習支架，為學生完成項目任務提供理論和方法的指導，學生通過合作探究，進行問題的分析和解決，最終完成探究項目實驗。這對于實驗教學而言，不僅能促進學生對實驗整體的理解，也能推動學生對實驗的功能與價值的認識從知識到方法再到思維意識等更高層次的提升。

3.2 對化學實驗教學體系的啟示

實際教學中，“由于化學實驗體系三要素(物質體系或化學體系、儀器裝置和安全措施、實驗步驟和規范操作)中的第一要素往往源自教材，所以很多教師把側重點放在第二、三要素，弱化了作為實驗對象的第一要素：物質體系或化學體系。”這顯然不利于學生實驗思維和意識的形成與發展。這也要求我們在教學中，盡量對教材實驗進行升華，不能僅把化學實驗教學當成一項操作技能來訓練，需要充分挖掘教材實驗所蘊含的學科品質，通過真實的化學情境(項目式實驗教學只是承載真實情境的一種形式)，讓學生在學習這些實驗知識與技能的過程中認識到實驗還是認識物質世界的一種方法和手段，并在運用實驗的方法和手段去探索物質世界的過程中逐漸形成實驗的意識和思維品質，促進學生化學實驗素養、科學探究素養的發展。

總之，化學實驗教學體系作為一個“開放的復雜的巨系統”，教師、學生、實驗內容、教學方法、實驗設施等構成要素之間的相互作用形成了整個實驗教學體系。只有綜合考慮并發揮好這些要素間的協調性，才能真正實現實驗教學目標的達成，提升實驗在教學中的功能與價值。如果教師在教學中僅把實驗當作一種技能、一種手段，那么學生對實驗的認識也只會停在“技能與手段”的層面，無法提升到更高層次的思維，即“實驗意識”的形成與發展。所以說，教師對教學方法的選擇和對實驗的認識很大程度上影響著課堂實驗教學的最終效果。作為一名化學教育工作者，我們面對的不僅是高考，還有培養公民科學素養、發展學生核心素養的重大責任，這要求我們在實驗教學價值與功能的取向上應有更高層次的認識，在實驗教學理念和方法的選擇上應有更深刻的思考。