化學教科書學生實驗的選編與呈現探討

王云生

摘要：學生實驗是中學化學課程的重要組成部分。隨著基礎教育課程改革的進展，教科書選編學生實驗的主旨、內容和呈現方式也有所變化。分析研究中學教科書學生實驗的設置、編寫與呈現的特點，研究存在的問題，有助于提高學生實驗教學質量。

關鍵詞：中學化學教科書; 學生實驗編寫; 化學實驗教學

文章編號：10056629（2021）11003106

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

研究、改進化學教科書學生實驗的設置、選編和呈現方式，為中學師生提供化學實驗教與學的指導和范例，是提高中學化學教學質量不可忽視的問題。

1 我國中學化學教科書“學生實驗”設置和選編現狀

我國中學化學教科書學生實驗的編寫，有很好的傳統，在課程改革后，也有了許多創新，但還存在一些不足。

1.1 學生實驗的設置

2001年新課程開始實施前，我國各種版本的化學教科書，都按照《中學化學教學大綱》規定，設置了與各部分知識同步學習的化學實驗內容。把化學實驗學習分為觀察教師的“演示實驗”與學生自己動手進行的“學生實驗”兩部分。“演示實驗”在教材正文中結合教學內容用“實驗××”欄目按序呈現，由教師做演示講解，指導學生了解實驗操作、觀察實驗現象，進行分析思考。“學生實驗”在教科書各章節末或全書后專門設置，要求學生在相關知識學習之后動手進行實驗。學生實驗包括“實驗作業”“實習作業”（“實驗習題”）和“選做實驗”。實驗作業、選做實驗，列出了實驗目的、實驗用品、實驗步驟、繪制了實驗裝置圖，學生可以按步動手完成。實習作業只說明實驗目的和應該通過實驗解答的課題，由學生單獨或者分組設計、動手完成[1]。1989年出版的首套義務教育化學課本還增加了“家庭小實驗”，此后編寫的高中課本也設置了家庭小實驗。

2001年第八次基礎教育課程改革啟動后，倡導以化學實驗為主要手段的科學探究學習，以提高學生發現、提出問題，分析解決問題的意識和能力。依據九年義務教育化學課程標準（實驗）和普通高中化學課程標準（實驗）編寫出版的九年義務教育化學教科書[2，3]、高中化學必修和選修模塊的教科書[4～6]（以下簡稱課標本），實驗的設置有了較大改變。不再單獨設置學生實驗，而是在課本正文中設置了“實驗××”、“探究”（或“實驗探究”“探究與活動”）、“觀察與思考”（或“觀察活動”）、“家庭小實驗”等欄目，用文字與圖表編寫與章節學習內容相關的化學實驗，突出了化學實驗的探究性，淡化了演示實驗與學生實驗的界限。教師可以依據教學要求和教學條件選擇進行演示或由學生動手實驗，可以把實驗和探究學習活動嵌入課堂教學中（通常稱為“邊教邊實驗”），也可以專門開設實驗課指導學生完成實驗。

2011年版的《義務教育化學課程標準》與2017年版《普通高中化學課程標準》頒布后，修訂的課標版教科書[7～9]（下文簡稱新課標本），化學實驗的設置和編寫基本延續了2001年、2007年課標（實驗）版教科書的模式，還分別按課程標準規定，設置了“學生需要完成的必做實驗”和“基礎的學生實驗”。初中編寫了至少要完成的8個基礎化學實驗，高中必修課程、選擇性必修課程三個模塊也編寫了9個學生必做實驗。不同版本的高中新課標本用“基礎實驗”“實驗活動”“活動·探究”等欄目中來設置學生必做實驗。有的版本把學生必做實驗嵌入有關章節的正文中，有的版本則在相關的章末單獨設置。有的版本多數學生實驗指導編寫模式延續大綱本的傳統模式，列出了實驗目的、實驗用品、實驗步驟（實驗過程）、問題討論（也有個別版本的少數實驗指導則相對簡單）。有的版本的初中教科書還在課本末了附有“學生實驗活動記錄和報告”[10]。

新課標本高中教科書，除了設置學生必做實驗外，還在正文中保留了原課標本“實驗××”“觀察與思考”“活動與探究”“探究”等欄目，編選了多種多樣的化學實驗活動。人教版、魯科版還設置了“研究與實踐”（人教版）、“微項目”（魯科版）欄目，指導學生開展具有項目式學習特征的實驗活動。人教版的新課標本[11]在五類實驗活動欄目下共編寫了54個課目的實驗活動。包括9項必做實驗、7項“研究與實踐”活動。各種版本教科書設計編寫了多樣化的實驗學習活動。但是由于沒有列為“學生必做實驗”，也沒有說明是“演示實驗”，還是供學生使用的“選做實驗”，在實際教學中由于種種原因，大多作為演示實驗或實驗視頻觀看活動。從數量上看，新課標本高中教科書中學生實驗絕對數與課時占比都比大綱版少。例如，1995年大綱版高中化學教科書（含必修、選修）共有27項學生實驗，2019年出版的人教版的新課標本化學教科書必修、選擇性必修教科書只設置了18項學生必做實驗。大綱本中編寫的關于元素化合物性質、變化的實驗隨著課標本學習內容的精簡減少了。化學反應原理、物質結構與性質、有機化學基礎三個模塊的學習內容深廣度都較大綱本有所增加，但學生實驗數量卻沒有增加。

1.2 學生實驗的內容與要求

中學化學課程化學實驗教學的內容，一是側重于化學實驗基礎知識、實驗基本操作技能和實驗方法的學習;二是側重于運用化學實驗手段學習、理解、掌握有關物質及其變化的知識、化學原理知識。二者相輔相成，是提高中學生化學實驗能力、理解掌握化學核心基礎知識的重要手段。

我國50年代開始使用的各種版本的化學教科書，編選的學生實驗大都是使用試管和較為簡單的實驗裝置、運用簡單的實驗基本操作能完成的安全性較高的化學實驗。這些實驗大都是結合元素化合物知識和化學原理知識的學習進行的物質的表征實驗、制備合成實驗、分離提純實驗，印證和探究化學變化原理和規律的實驗。初中化學大綱本編寫了介紹化學實驗室、化學實驗儀器藥品、化學實驗規則和安全要求等知識和常用化學實驗基本操作的學生實驗。在附錄中列出了“中學化學實驗常用儀器圖”“中學化學實驗基本操作”“學生實驗規則和安全要求”[12]。總體來看，側重于學習化學實驗基礎知識、實驗基本技能、實驗安全的知識，而以學習和進行科學方法訓練為主題的學生實驗相對缺乏。新課標本高中教科書，在正文或附錄中增加了實驗安全教育的知識，某些化學品安全使用標識。有些版本在附錄中，編寫了實驗室突發事件應對措施和常見廢棄物處理方法。學生必做實驗中有關科學方法學習、訓練的內容仍然偏少。1995年版大綱本高中化學三冊一共編選了27個學生實驗（含5個選做實驗），僅有第一冊的實驗一（化學實驗基本操作）、實驗三（配制一定物質的量濃度的溶液）、實驗九（實驗習題，鞏固離子鑒別的實驗技能），第三冊的實驗二（中和滴定，學習中和滴定操作）、實驗七（實驗習題，培養實驗能力），選做實驗二（了解電解電鍍簡單操作）等側重于實驗技能、實驗方法的學習、訓練。新課標本高中教科書也只編選了9項側重于實驗方法、技能的學習訓練的學生實驗（包括配制一定物質的量濃度的溶液、用化學沉淀法去除粗鹽中的雜質離子、電鍍實驗、制作簡單的燃料電池、探究影響化學平衡移動的因素、強酸強堿的中和滴定、有機化合物中常見官能團的檢驗等）。要求學生設計、進行的必做實驗（類似于大綱版教科書的實驗習題）幾乎沒有。新課標本高中教科書在課文中設置了“方法導引”“思考與討論”“學科提煉”等欄目，對實驗方法、操作技能和安全問題做了說明和指導，但是這些論述難以幫助學生獲得科學方法的體驗。

1.3 學生實驗指導的編寫

大綱本在學生實驗指導編寫上，明確給出實驗目的、用品和操作步驟，并設置了問題和討論。所編寫的指導內容與相應的演示實驗的操作步驟、要求基本一致，有利于學生實驗操作的模仿，鞏固并加深對實驗原理的理解。但由于實驗方案（裝置、用品、操作步驟及其注意事項）都已經做了明確規定，學生只要依照實驗指導組裝實驗裝置、按照規定實驗步驟取用試劑、按步操作，填寫好實驗報告，很少或基本上不去思考如何依據實驗目的和原理，選擇實驗體系，設計合理的實驗步驟，如何通過實驗探究解決問題，得出合理的結論。無形中，實驗的目的降低為依照實驗方案完成實驗操作，以加深對實驗現象的感知，印證化學原理。新課標本學生必做實驗的指導，大多數仍然沿襲上述模式，使必做實驗難以擺脫“照方抓藥”的弊病，不能引起學生的探究興趣。

近年來，中學化學實驗教學研究在運用現代實驗技術改進實驗教學方面有不少成果。例如，微型化學實驗、基于數字傳感器的化學實驗手持技術應用，模擬實驗等等。但是這些研究成果在教科書中引用不多。新課標本只在測定溶液pH實驗中引用了pH計，一些版本在中和滴定實驗中了介紹了基于數字傳感器的手持技術，鮮有新實驗技術的應用建議和指導。

2 學生實驗設置、選編與呈現的探討

2017年版高中化學課程標準對化學實驗學習提出了以下要求：“認識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。初步學會物質檢驗、分離、提純和溶液配制等化學實驗基礎知識和基本技能。學習研究物質性質，探究反應規律，進行物質分離、檢驗和制備等不同類型化學實驗及探究活動的核心思路與基本方法”“樹立安全意識和環保意識”“形成良好的實驗工作習慣”，“養成科學態度，增強合作探究意識，形成獨立思考、敢于質疑和勇于創新的精神”。同時，課程標準還對以化學實驗為主要手段的科學探究學習活動也提出了明確的要求：“了解科學探究過程包括提出問題和假設、設計方案、實施實驗、獲取證據、分析解釋和建構模型、形成結論及交流評價等核心要素。理解從問題和假設出發確定研究目的、依據研究目的設計方案、基于證據進行分析和推理等對于科學探究的重要性。[13]”

課程標準對實驗學習的要求，全面反映了化學實驗在化學教育中的地位、作用和價值，對于提高化學教育的質量起了推動和促進作用。依據課程標準的要求，審視化學教科書學生實驗的編寫，思考研究學生實驗的設置、實驗學習時序與學習目標要求的確定、學生實驗指導的編寫、科學方法與實驗技能訓練的要求與設計，是提高實驗教學質量的重要問題。

2.1 學生實驗的設置

從培養學生探究實驗能力或是應對高考選拔的要求看，高中化學課程有必要適當增加學生必做實驗，特別是探究性實驗。全體高中生必須修習的必修課程，學習的要求較為基礎，課時偏緊，不必也難以增加學生實驗的課時和比例。三個模塊的選擇性必修課程化學學習的深廣度提高了，學習課時增多了（是必修課程課時的1.5倍）。學生必做實驗的數量應有所提高，并適當增加基于探究課題的必做實驗（或實驗習題）。是否可以將教科書編寫的其他實驗活動，作為學生選做實驗？近幾年來，高考化學實驗試題中命制了不少優秀的探究實驗試題，但得分率都不理想。若要求動手完成這些實驗，多數學生一定感到更為困難。

2.2 學生實驗學習時序、學習目標和要求的確定

隨著課程改革和課堂教學改革的發展，演示實驗（教師動手演示或運用視頻展現）功能和運用的研究有了較大的進展。但是，學生實驗的編寫、呈現研究不多。例如，在學生實驗學習安排的時序上、實驗目的和學習要求的定位上，尤其實驗能力水平的定位上，不同版本的教科書還存在較大差異，存在一些值得研究和改進的問題。如何依據課程目標中學習內容的要求與學生的心理發展水平與學習基礎，確定學生實驗的學習目的（學習要求）、實驗類型（或側重于實驗方法、技能學習訓練，或側重于化學理論知識的驗證、探究，或設計進行探究性實驗）、設計和編寫實驗指導、評價學習目標和要求的達成度等等問題都有待進一步的研究。

以必修課程學生必做實驗“鐵及其化合物的性質”為例，三種版本教科書的學習要求、編寫與呈現方式存在一定差距。該實驗屬于認識、研究物質性質變化的定性實驗。實驗的學習不僅僅是為了通過實驗展現物質變化的現象、通過觀察物質變化的現象認識物質的性質與一定條件下能發生的變化，還要求體會、學習如何依據實驗目的，確定選用什么樣的實驗體系（實驗對象，包括選用什么物質、使之發生什么樣的變化，實驗的環境條件），使用哪些儀器裝置、設計科學的實驗步驟、以安全有序地進行實驗，能順利地觀察到變化的現象。人教版把該實驗列在第1冊第3章“鐵 金屬材料”章末的“實驗活動”中，實驗目的定位于“認識鐵及其化合物的重要性質、學會鐵離子的檢驗方法、認識可通過氧化還原反應實現含有不同價態元素物質間的相互轉化”。側重于通過實驗驗證理論知識，加深對所學知識的理解、鞏固。實驗指導引領學生按步驟進行5項實驗，認識、復習鐵單質的還原性，印證三價鐵鹽的氧化性，認識亞鐵鹽、鐵鹽溶液與某些具有還原性（或氧化性）物質的氧化、還原反應，對比亞鐵鹽、鐵鹽溶液與KSCN溶液的作用[14]。蘇教版把實驗安排在第2冊專題9“探究鐵及其化合物的轉化”單元的學習過程中，引導學生進行3項對比實驗，運用氧化還原反應的知識分析、推斷鐵單質、亞鐵鹽與鐵鹽的還原性或氧化性，認識檢驗三價鐵離子的原理[15]。魯科版則把實驗安排在第1冊第3章“物質的性質與轉化”“鐵的多樣性”一節中（在學習氧化還原反應知識之后）。實驗目的定位于以硫酸亞鐵、氯化鐵為例，通過實驗，自主探究亞鐵鹽與鐵鹽的性質。先要求學生依據兩種化合物的組成、鐵元素的價態預測它們的性質，再選用實驗方法、試劑進行實驗，驗證所做的預測、總結鐵鹽亞鐵鹽的性質特點[16]。三種版本教科書的學習時序的安排、實驗目的和要求定位、實驗指導的編寫，哪種更科學、合理，更符合學生的認識規律，更有利于達成實驗目標？

再如，三種版本新課標本在必修課程學生必做實驗“配制一定物質的量濃度的溶液”學習要求的定位與學習指導上也有較大差異。人教版把實驗編排在“物質的量濃度”概念、容量瓶使用知識的講解與演示實驗之后，依照實驗目的、實驗用品、實驗步驟、問題討論四個條目編寫實驗指導，指導學生模仿演示實驗的步驟完成兩項溶液配制實驗（分別用NaCl固體、NaCl溶液來配制）[17]。蘇教版把該實驗作為“物質的量濃度”學習過程中的實踐活動，在簡要說明配制的關鍵點（使用容量瓶，以準確控制溶液的最終體積）、容量瓶及其使用方法之后，不再設置演示實驗，直接利用圖文配合的實驗指導，指導學生依照5個實驗步驟，用Na2CO3固體配制溶液[18]。魯科版則是用“配制一定物質的量濃度溶液”的實驗作為教學前的學習任務，要求學生依據提供的實驗用品，有關容量瓶及其使用方法、實驗步驟與配制實驗應注意事項的說明，思考3道有關實驗的思考題完成實驗任務。在學生完成實驗的基礎上，再講解“物質的量濃度”的概念[19]。雖然三種版本都把“認識、建構或加深對物質的量濃度概念的認識”“練習容量瓶的使用方法”作為實驗的要求，都體現了學生實驗在幫助建構化學概念、習得實驗技能的作用。但是，有的編寫模式與傳統模式更接近，重點放在深化對概念的理解、進行實驗技能的訓練。有的設計則以實驗創設學習情境，通過嘗試實驗，獲得體驗，為概念的形成做準備。

“配制一定物質的量濃度的溶液”實驗學習的關鍵點在于幫助學生認識物質的量溶液是以單位體積溶液中含有的溶質的物質的量來表示溶液在量上的組成。一定物質的量濃度溶液的配制不同于一定質量分數溶液的配制，要計量、控制所配制溶液的體積。要依據配制溶液濃度精確度要求，使用具有相應精確度的溶液體積計量容器，選擇使用與計量容器精密度相適應的固體溶質質量（或液體溶質/濃溶液的體積）的計量儀器。配制有較高精確度的一定物質的量濃度的溶液，要配套使用容量瓶和分析天平（或移液管），操作要確保計量準確性，避免可能產生的誤差。在濃度精確度要求不高的情況下，可以用量筒計量所需溶劑（水）的容積，使用托盤天平（或量筒）計量所需固體（或液體）溶質。我國高中化學教科書把該實驗的學習要求定位于了解、練習容量瓶的使用，同時受到中學實驗條件的限制，只能使用托盤天平（或量筒）計量固體溶質（或液態溶質）。在教學中，應該注意讓學生了解這種“穿西裝趿拖鞋”，使用精度不相匹配的計量儀器的配制方法存在的問題和緣由。避免學生錯誤地認為，配制一定物質的量的溶液一定要使用容量瓶控制溶液體積，可以使用托盤天平稱量固體溶質。2020年高考化學全國卷Ⅰ卷命制的一道配制用于進行原電池實驗的0.10mol·L-1 FeSO4溶液的試題，不少學生都未能從配制溶液的用途和濃度要求去理解為什么配制操作不必使用容量瓶，可以使用燒杯、量筒和托盤天平。

在學生實驗學習的時序上，學生實驗是與相關的化學知識、概念原理的同步，并在相關的理論學習和演示實驗后進行。課程改革后，為了發揮實驗在創設學習問題情境和探究學習的作用，提高實驗的探究性，一些學生實驗提前到在相關的理論知識學習之前或學習過程中進行，有的把學生實驗融入相關知識的教學過程中，類似于大綱版教科書教學中的“邊教邊實驗”（隨堂實驗）。學習時序改變，學生實驗要求的定位、實驗指導的編寫也應做相應的變革。上述三種版本教科書兩個實驗課題的編寫與呈現的分析，說明還要在如何改變的問題上做進一步的討論和研究。

傳統的學生實驗指導的編寫呈現方式有一定格式，如列出實驗目的、實驗用品、實驗步驟和問題討論;要求實驗前先依據實驗指導寫好預習報告，在實驗過程中填寫實驗報告中的實驗現象，實驗后填寫實驗結論，完成思考討論問題。把學生實驗與知識的學習過程融合的情況下，學生實驗指導就難以沿用傳統寫法，需要相應的簡化，也難以強調做實驗預習、實驗報告的書寫。蘇教版高中必修課程的學生必做實驗“二氧化硫的性質”實驗指導的編寫[20]就是一例。該實驗指導形式上類似大綱本的演示實驗，只說明實驗內容、實驗現象觀察和實驗結論的填寫。這種變革是否會削弱學生實驗學習所要達到的預期效果？對于不要求綜合運用化學知識和實驗方法來解決一個具體化學問題（如制備合成實驗、分析測定某種物質的成分、分析提純多組分混合物等等）的實驗，只是單純作為實驗技能學習訓練，或者只是通過簡單的試管實驗來觀察物質性質和變化定位現象，是否一定要以實驗報告書寫模式為樣本來編寫學生實驗指導？對于培養學生靈活運用化學理論知識和實驗方法，分析解決實際問題的學生實驗（相當于大綱本的實驗習題），還需要由教科書編寫實驗指導嗎？如果需要，該怎么編寫？這些問題也需要研究。

2.3 學生實驗中科學方法、實驗技能訓練的要求與設計

當前，化學實驗方法、實驗技術迅猛發展，現行課程標準和教科書中學生實驗中有關化學實驗方法知識、實驗技能學習、訓練的實驗課題的比例小，要求的廣度不足，難以滿足達成課程標準學習要求的需要。增強、更新中學化學實驗基礎知識、技能、方法的學習或訓練是幫助未來公民適應社會發展的需要。同時，可以為化學教學中探究學習活動、項目式學習活動打好基礎，減小實施的難度。

例如，下列實驗方法和技能的學習、訓練需要加強： 實驗現象的觀察、分辨，判斷事物關鍵變化現象的能力的培養;實驗中自變量和因變量關系的分析;控制變量方法及其運用;證據收集，數據的測量、呈現和處理技能;實驗數據可靠性、準確性，測量儀器與實驗方法的準確度、精密度等知識的學習;測量誤差的分析，測量異常結果處理的技能;實驗環境、條件和實驗樣本量對實驗結果可靠性分析的方法;探究實驗的設計合理性、可行性的分析;實驗結論的反思，實驗事實和結論對社會可能的影響的分析等。

參考文獻：

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