化學實驗組成要素的關系及其教學啟示

陳風雷

（江蘇省南通中學，江蘇 南通 226001）

實驗是學生學習化學的重要中介，在學科教學中有著其他教學手段無法替代的功能。正如《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱“2017 年版課程標準”）所指出的，“化學實驗是研究和學習物質及其變化的基本方法，是科學探究的一種重要途徑”。在討論如何更好地發揮實驗教學功能的語境下，梳理化學實驗的組成要素及其關系，是獲得對化學實驗教學有益啟示的獨特視角。

一、化學實驗的組成要素

化學實驗與其他科學實驗一樣，都是根據一定的目的，在人為控制的條件下，運用相關的儀器與設備，觀察和研究有關自然現象及其變化規律的社會實踐形式。所以，實驗都有“目的、方案、現象和結論”等核心要素，其中方案是獲取現象、形成結論、實現目的的關鍵部分，又由“儀器、藥品、條件和步驟”等幾個方面組成。［1］下面以蘇教版高中化學必修上冊教科書中銅與濃硫酸反應的演示實驗為例進行闡釋。

為了使SPP產生幾何相位，需要利用橫截面旋轉對稱的SPP波導.本文采用電介質內核——金屬包層波導結構[11]，如圖1所示.

為了實現探究濃硫酸與銅反應的性質這一實驗目的，教科書用圖1 和“將一小片銅片放入試管中，然后加入2 mL 濃硫酸”，按“裝置進行實驗”并“觀察實驗現象”等有關文字呈現實驗方案。在該實驗方案中，儀器有試管、鐵架臺、酒精燈等，藥品有銅片和濃硫酸，條件是加熱，步驟包括如圖組裝儀器、檢查裝置氣密性、添加相應藥品、用酒精燈加熱、將反應產生的氣體依次通入品紅和氫氧化鈉溶液等等。對應的實驗現象是“產生的氣體能使品紅溶液褪色”以及“銅與濃硫酸反應后的溶液呈藍色”。學生利用對二氧化硫和硫酸銅的性質，以及質量守恒定律和氧化還原反應規律的已有認知，根據實驗現象，并經過一定的推理，就能歸納出“在加熱的條件下，濃硫酸能與銅反應生成硫酸銅、二氧化硫和水”的結論，發現其中“濃硫酸能將銅氧化成硫酸銅，自身被還原成二氧化硫”以及“濃硫酸是氧化劑，銅是還原劑”的化學原理，從而實現實驗的預期目的。

本文將對高中物理課堂中的研究性教學展開討論和分析，通過結合自身的經驗以及其他學校的探究方式，深入的了解當前高中物理課堂教學中的改革.隨著教育體制改革的深入，很多學校都要求本校的學科教學方式進行轉變，教師作為知識的傳播者也同時擔任了課堂改革者的角色.教育模式的改觀能夠大幅提升教師和學生對學科的積極性，推動校園學習之風的建立.

圖1 蘇教版教科書中銅與濃硫酸反應的實驗裝置

由表2 可知，“H2O2具有不穩定性”和“酸性高錳酸鉀溶液能與草酸溶液反應”的物質性質，分別對應“產生氣體”和“溶液紫色褪為無色”兩種截然不同的實驗現象，但是在只改變溫度條件時，都有溫度高反應快、溫度低反應慢的表現，從而能揭示相同的化學反應原理。所以，在原理性實驗中，雖然也有與性質實驗類似的方案、現象和結論的對應關系，但是將物質性質作為結論是暫時性的，化學原理才是實驗的最終結論，該原理可以通過對物質性質對應現象的進一步概括提取出來。

二、化學實驗組成要素之間的關系

化學實驗有多種不同的分類角度和標準。有教師在進行化學實驗教學目標分類研究時，以實驗所涉學科基本任務，也就是實驗目的的不同為標準，把化學實驗分為性質實驗、原理性實驗、分離與純化實驗、制備實驗、分析實驗等幾種類型。［4］用該方法對2017年版課程標準中的18 個學生必做實驗進行分類，結果如表1。序號中的B 表示必修課程，X 表示選擇性必修課程（阿拉伯數字是原有的編號）。由表1 可知，高中化學課程中的學生必做實驗以性質實驗和原理性實驗為主，分別占27.8%和44.4%。為此，筆者擬以性質實驗和原理性實驗為對象，討論實驗諸要素之間的關系。

表1 2017 年版課程標準中學生必做實驗的分類

首先，要充分利用實驗教學手段。化學實驗是學生感知、理解和記憶的載體，具有強大的知識教學功能，同時是訓練學生思維使其獲得全面發展的重要平臺。其中，從實驗現象中提取物質性質或化學原理的過程，需要涉及比較、分類、抽象、概括、具體化和系統化等思維表現，以及概念、判斷、推理等思維形式；設計探究與驗證物質性質或化學原理等實驗方案，離不開思維的調控，以保障實驗方案的科學性、創新性和可行性；通過思維實驗讓有關的物質性質或化學原理按照實驗方案中的操作步驟，在人腦中加以呈現并預測相應的實驗現象又需要邏輯推理和想象能力。所以，化學教學要充分利用教科書安排的實驗，或根據具體教學內容和學生認知水平增設相關實驗，讓學生基于實驗開展學習活動，同時豐富他們對實驗的體驗和認識。

和祖父的想法一樣，我也不想成為什么“家”，因為作家與藝術家，既與才華和努力有關，也與時運有關，與命途有關，真正的成功者只是極少數。我們只要將愛好融入生命里，在其中得到樂趣，就是真正的價值所在。如果每一位寫作者或畫者都用真誠的心去寫，去畫，相信這個世界就會因為書寫、繪畫，而變得更加美好。我覺得，自己即使張羅著大小瑣碎事，也能享有趣味充實的生活，就已經是成功的人生，不必太在意世俗的眼光，把別人的框架，硬套在自己的身上。

表2 蘇教版教科書中探究溫度對化學反應速率影響的實驗

同樣是以探究濃硫酸與銅反應的性質為目的，可以從不同的角度思考產物檢驗和尾氣處理等有關問題，從而設計和選擇不同的實驗方案。有教師在比較人教版、滬科版、蘇教版等化學必修教科書，以及有關學科教學期刊載文中濃硫酸與銅反應實驗改進方案的基礎上，提出自己的改進意見，共涉及10 多種濃硫酸與銅反應的實驗方案。由于化學教學中的“科學知識在整個學科體系中是比較成熟和穩定的，相關的科學教學實驗，尤其是驗證性實驗的現象和結果應該是在可預測范圍之內的”。［2］所以這些不同的實驗方案，在用常規的化學方法檢驗反應產物中硫酸銅和二氧化硫時，對應的都是“反應后的溶液呈藍色”和“產生的氣體能使品紅溶液褪色”等特征現象，只是相關現象在裝置中出現的位置和形式有所不同。［3］也就是說，這些關于濃硫酸與銅反應的不同實驗有著目的、方案、現象和結論等相同的組成要素，雖然實驗方案有所不同，但都能得到相應的現象和結論，從而實現實驗的目的。

由于在化學實驗的組成要素中，思維是聯結實驗方案、現象和結論的重要紐帶，這就決定了實驗在培養學生思維能力方面有著其他途徑難以替代的獨特價值。為此，化學教學就要利用好思維在實驗中的紐帶作用，以獲取培養學生思維能力的更多機會。

圖2 化學實驗組成要素之間的關系

三、對化學教學的啟示

綜上，就高中化學學科以探究物質性質或化學原理為目的實驗而言，方案、現象和結論等要素之間的關系如圖2 所示。其中，實驗目的與實驗結論相對應，實驗方案是使物質性質或化學原理（實驗結論）以一定現象外顯的手段，根據物質性質或化學原理（實驗結論）設計的實驗方案具有多樣性的特點，當設計和選定實驗方案時，可以根據物質性質或化學原理（實驗結論）通過思維實驗預測其實驗現象，而觀察獲取的現象則是通過思維加工概括提取物質性質或化學原理形成結論實現目的的關鍵性事實材料。換言之，在高中化學學科以探究物質性質或化學原理為目的的實驗中，除了讓物質性質或化學原理外顯為實驗現象的過程，需要借助動作技能實施實驗方案以外，思維是聯結實驗方案、現象和結論的重要紐帶。

前文討論的濃硫酸與銅反應的實驗，屬于以探究物質性質為目的的實驗，同時是教科書中的演示實驗，還是學生必做實驗“B3 不同價態含硫物質的轉化”的重要組成部分。由于濃硫酸固有的性質決定它在加熱條件下能與銅反應生成硫酸銅、二氧化硫和水，所以無論設計怎樣的實驗方案來探究濃硫酸的這一性質，其特征現象都可以根據實驗方案和物質性質進行精準預測。即使在實驗中運用手持技術，使產生氣體或發生顏色變化等常規現象被有關曲線所替代，曲線的變化趨勢也可以根據物質性質及其量的改變進行預測。

下面再以“B6 化學反應速率的影響因素”為例討論原理性實驗的情況。由于濃度、溫度、催化劑等因素對化學反應速率影響的普遍性，以探究影響化學反應速率的因素為目的的實驗方案，可以選擇不同物質的性質實驗，只要在改變有關因素時能產生明顯相關的實驗現象，就符合實驗設計的要求。蘇教版高中化學必修下冊和選擇性必修1 化學反應原理教科書在探究影響化學反應速率的相同因素時，就選擇了不同物質的性質實驗，同時也對應不同的實驗現象。其中探究溫度對化學反應速率影響的實驗如表2。

其次，要注意優化實驗教學程序。化學學科不僅具有“以實驗為基礎”的基本特征，而且“具有以物質為中心的‘宏觀—微觀—符號’三重表征的獨特思維結構”，［5］實驗過程中所獲得的“宏觀”現象是化學“宏觀—微觀—符號”三重表征思維活動的起點，這也表明讓學生通過實驗認識物質性質、理解化學原理是化學教學的基本途徑。為了更好地促進學生基于實驗的“宏觀”現象，開展“宏觀—微觀—符號”結合的思維活動，教師要有意識地對實驗目的、方案、現象和結論等要素進行剖析，深度挖掘其中的思維成分，運用“情境→問題→實驗→討論”等教學程序，促進學生調動個人經驗和知識儲備積極參與認知的全過程，讓他們通過對實驗現象的思維加工等活動，在獲取有關化學知識的同時提升相應的思維能力。

第三，要深入挖掘實驗教學資源。有調查表明，“不同的實驗教學方式會帶來中學生思維發展過程中思維形式、思維內容和思維類型三個方面的差異”。為此，化學教學要注意利用豐富的實驗資源“均衡發展學生各類思維”。［6］除了真實的實驗情境或預料之外的實驗現象，能引起學生的真實探究與深度學習以外，一些以真實情境為基礎的實驗習題也是實驗教學的重要資源，指導學生結合這些實驗習題進行相應的“超越技術限制”的思維實驗，不僅能發揮化學實驗對其中物質性質和化學原理的探究與驗證功能，促進學生通過對性質實驗或原理性實驗中情境問題的解決，深入理解和掌握有關的物質性質和化學原理，同時能在調動學生思考“是什么”“怎么做”“為什么”等問題的過程中，使他們的分析、綜合與評價等高階思維能力得到同步鍛煉。

創新創業教育是高校主動應對市場經濟的需求、適應信息化下激烈的全球競爭而提出的重要舉措。2012年開始，我國經濟增速轉向中高速增長;第四次工業革命以互聯網、智能制造等創新型技術革新為主導，創新創業對經濟的貢獻力逐漸增強。據統計，每位在校本科生都有機會接受一次創業教育方面的培訓。［1］創新創業教育的目標，是通過創業教育教學，使學生掌握創業的基礎知識和基本理論，熟悉創業的基本流程和基本方法，了解創業的法律法規和相關政策，激發學生的創業意識，提高學生的社會責任感、創新精神和創業能力，促進學生創業就業和全面發展。

總之，思維能力是化學學科能力的核心，對學科能力的其他要素具有統攝作用。化學學科要重視實驗在教學中的廣泛運用，并注意提高實驗教學的思維含量，在發揮化學實驗德育、智育、美育以及勞動教育等功能的過程中，讓學生通過實驗諸要素之間的推演或轉換獲得思維能力的不斷進階，從而實現學科素養的全面提升。