中學化學實驗創新成果轉化的路徑探索

摘要：將實驗創新成果及時轉化到教學實踐中，實驗創新才有生機、活力，才能使成果發揮應有的育人價值。作者領銜的名師工作室團隊以省立項課題的研究為載體，探索了將實驗創新成果轉化為課堂教學情境素材、課堂探究教學內容、項目化學習的資源、校本選修課程內容和教師研訓活動內容等實踐路徑，以轉變學生的學習方式，發展學生學科實踐能力，提升化學教師實驗素養。

關鍵詞：實驗創新；成果轉化；路徑；核心素養

文章編號：1008-0546（2022）11-0078-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.017

實驗是化學學科的重要特征，在學科育人中具有獨特的教學價值。然而，無論哪種版本的高中化學教材中實驗或多或少存在著一些缺陷，影響著實驗的教學價值。筆者領銜的嘉興市名師工作室，以浙江省教研規劃課題“化學核心素養在實驗創新中的落地研究”為研究項目，經4年多的努力，改進或創新高中化學實驗數十個，其中有50余個實驗創新案例發表于《化學教學》《化學教與學》等專業刊物，與同行分享研究成果。實驗改進與創新的目的在于應用，以轉變學生的學習方式，探索化學學科育人的路徑和方法，發展學生化學學科核心素養。筆者結合名師工作室實際，探索總結了創新成果教學轉化的多元路徑，與同行交流，以期使實驗創新成果發揮更大作用。

一、轉化為課堂教學情境素材，促進學生在情境中學習

基于學生核心素養發展的教學，要求教師創設真實且富有價值的問題情境，并從中提煉出學科問題，讓學生在問題解決中探究化學知識，培養科學思維，訓練科學方法。工作室團隊將生活中的化學實驗教學資源，轉化為化學實驗案例，并應用于課堂實驗教學，實現生活中的化學與課堂知識的巧妙融合，幫助學生建構知識體系，形成用化學視角看待并解決生活問題的認識思路，彰顯化學學科價值，實現化學學科核心素養落地。

例如：在人教版化學（必修）第二冊第六章第二節“化學反應的速率與限度”教學中，運用T作室團隊研究成果“基于蘋果汁變色的化學反應速率影響因素實驗設計”[1]，加工改編成課堂教學情境素材，讓學生在實驗情境中探究學習。鮮榨的蘋果汁在空氣中放置一段時間顏色逐漸變深，原因是在多酚氧化酶的作用下，蘋果汁中含有的多酚被空氣氧化成有色的醌。通過控制變量的探究法，設計一個白變量（溫度、濃度、催化劑、接觸面積）變化引起應變量反應速率（蘋果汁變色速率）的變化。在實驗活動中，學生通過觀察、比較、分析、推理等認知活動，探究影響化學反應速率的內因和外因（濃度、溫度、催化劑、接觸面積），建立影響化學反應速率的認知模型，體現了“通過實驗學化學”的思想。

通過實驗操作與現象分析，學生理解了維生素C的作用原理，得出抑制蘋果汁變色的方法。通過查閱資料，發現工業生產蘋果汁所用方法與自己在實驗室探索出來的方法相同，學生激動萬分，體會到科學探究是進行科學解釋、發現、創造和應用的科學實踐活動。通過實驗方案設計與系列實踐活動，培養了學生尊重事實、善于合作、敢于質疑、勇于創新的品質，發展學生學科實踐能力。

二、轉化為課堂探究教學內容，培養學生科學探究能力

教學內容及策略的選擇影響著學生核心素養的發展。工作室團隊精心選擇、組織化學概念教學內容，應用POE策略突破概念教學難點。POE策略，即“預測—觀察—解釋”策略（Predict-Observe-Explain，縮寫為POE），這種策略要求學生在實驗前根據自己原有知識經驗預測實驗現象和結果，并說明理由，在實驗過程中觀察實驗現象，實驗結束后進一步解釋所觀察到的現象。

例如：人教版“化學反應原理”第三章第四節“沉淀溶解平衡”教學內容，教材通過定性實驗，以觀察為手段，實驗過程中沉淀的量的變化及顏色變化為證據，判斷沉淀溶解平衡的移動，實驗方法較為傳統，沒有研究溫度對難溶電解質沉淀溶解平衡及同離子效應的影響。工作室團隊創新研究思路，以難溶電解質電導率變化為切人口，通過電導率的變化，探究難溶電解質的平衡移動，形成了“測量難溶電解質溶解平衡的電導率實驗探究”[2]的研究成果。將研究成果應用于課堂教學（溶解平衡的同離子效應）如下：

【演示】取250mL蒸餾水、250 mL碘化鉛飽和溶液，分別注入兩只500 mL燒杯中。將兩只燒杯置于磁力攪拌器上，啟動攪拌。在兩只燒杯中分別插入電導率傳感器，實驗數據及圖像通過電腦投影到大屏幕上。

【設問】向這兩種液體中同時加入碘化鉀溶液后，溶液的電導率如何變化？溶液的電導率的增量哪個大？

【預測】

【學生甲】兩種溶液的電導率都增大，增加的幅度一樣。

【學生乙】兩種溶液的電導率都增大，但盛有碘化鉛飽和溶液的燒杯中，滴加等量碘化鉀溶液后，電導率增量要小一些。

【觀察】用移液槍每次滴人0.100mL的1.0mol·L-1的碘化鉀溶液，觀察兩組數據及變化，繪制電導率增量數據變化曲線（見圖1）。

【設問】滴人等量的碘化鉀溶液后，兩種溶液電導率增量不同，為什么？

【解釋】用碘化鉛的溶度積與該溶液中離子積的相對大小來判斷。滴人碘化鉀溶液后，c（I一）增大，Q=c（Pb2+）·c2（I-），導致Q>Ksp，平衡逆向（生成沉淀方向）移動，溶液變為亮黃色渾濁。因而，碘化鉛電離出來的碘離子、鉛離子濃度減小，飽和溶液電導率增量減小。

同理，研究碘化鉛懸濁液加蒸餾水稀釋過程中電導率變化，可推測難溶電解質沉淀溶解平衡的存在；研究碘化鉛懸濁液、飽和澄清液在升溫過程中電導率變化，可推測溫度對難溶電解質平衡移動（溶度積常數）的影響。

教學中將AB型沉淀改為AB2型沉淀，消除學生對非1：1型難溶電解質的陌生感，有利于建構不同類型沉淀的溶度積常數計算模型，且金黃色的碘化鉛溶液更能吸引學生興趣。通過數字化實驗，使實驗結果定量、實時、動態地展現出來，訓練學生宏一微一符一曲線“四重表征”思維，發展學生科學探究與創新意識等化學核心素養。

三、轉化為項目化學習的資源，發展學生學科實踐能力

項目化學習作為發展學生核心素養的重要課程和教學方法，越來越受到教育工作者的重視。根據達林一哈蒙德和克拉斯克等人的界定，它主要包含以下要素：真實的驅動性問題、學生在真實情境中對這個驅動性問題展開探究、經常用項目化小組的方式學習、學生運用各種工具和資源促進問題解決、最終產生可以公開發表的成果。[3]

以化學實驗創新成果為資源的項目化學習，其主要選題有：（1）教材實驗的再研究，如高錳酸鉀溶液氧化甲苯實驗的改進、銅與濃硝酸反應實驗的改進等；（2）創新實驗的開發，如化學反應速率影響因素的實驗研究——過氧化氫一魯米諾發光反應的應用等；（3）數字化實驗研究，如利用傳感器技術探究次氯酸催化分解反應等；（4）跨學科綜合實驗研究，如高錳酸鹽氧化脫氧核糖核苷酸（DNA單體）——一個模擬謀殺案破解的氧化還原反應實驗、基于STEAM理念的焰色試驗實驗裝置設計等；（5）新實驗技術的應用，如手機熱成像技術研究中和反應熱效應、鈉與水反應溫度變化等。

例如：人教版化學（必修）第二冊第七章第三節“乙醇與乙酸”教學中安排了酯化反應演示實驗，[4]實驗主要存在以下不足，有進一步改進的空間。（1）混合液加熱一段時間后，出現炭化變黑現象，同時還可能產生有毒氣體；（2）濃硫酸用量多（與乙酸的用量相同，均加入2 mL）且不能重復使用。基于上述問題，教師給予學生相關課外資料目錄，讓學生課外找資料閱讀，研究酯化反應機理，尋找能替代濃硫酸的新催化劑，最后確定了“以無機鹽為催化劑改進乙酸乙酯制備實驗的研究”[5]課題，論證了實驗設計方案。按研究進程及內容的關聯性，將該研究項目分解成3個遞進關系的子項目，子項目、研究過程及研究結果如表1所示。

最后，學生總結提煉，形成研究總報告，班內交流展示。

通過乙酸乙酯制備實驗改進的項目化學習，學生體驗了有機合成中需對反應機制的研究、催化劑的篩選與回收等一系列探究活動，認識到催化劑對化學科學研究的意義。項目化學習作為學科實踐的重要形式，學生在完成真實、具體的項目中，從被動學習走向主動學習，從簡單、機械地學習走向基于豐富實踐地學習，發展了化學學科實踐能力。

四、轉化為校本選修課程內容，促進了學生個性化發展

校本選修課程在學生多元發展、個性發展以及學校辦學特色形成等方面起著重要作用，隨著深化課改的推進，越來越受到教育行政部門和普通高中學校的重視。

在課程內容的選擇上，高一主要是教材實驗的再研究，驗證性實驗與探究性實驗并重，以及實驗基本操作的規范訓練，彌補現行教材的不足。高二年級選擇化學選修課的學生是高考選考化學的學生，他們通過高一一年的學習，已打好了較扎實的化學基礎，對化學學習有著較高的要求和期望，因而選修課程內容變化較大，以拓展實驗、創新實驗的研究為主；注重實驗方案的白行設計和科學研究方法的訓練，如控制變量法等；增加定量實驗，訓練學生定性、定量相結合的思維；增加實驗新技術的應用，如數字化實驗技術、熱成像儀等，培養學生創新思維，這些變化受到選課學生的普遍歡迎。

教學管理上，教務處統一公布選修課程方案，學生自主選課，走班上課，單人單桌實驗，以增加學生獨立思考與實驗操作機會。評價是教學的重要環節，其根本目的在于促進學生的發展。在化學選修課程的教學中，始終堅持“素養為本”的評價方向，采用以質性評價（活動表現評價、檔案袋評價、提問點評、課后練習等）為主、量化評價（紙筆測驗、實驗操作量化考核等）為輔的多樣化評價方式，評價形式上有學生白評、互評、教師評價。通過化學選修課程的開設，拓展學生知識面，促進學生個性發展，為學生多元發展提供了可能，立志報考化學化工類專業或與化學密切相關專業的學生明顯增加。

經多年教學實踐及修改完善，“我是化學家”“化學實驗創新研究”“數字化視域下的化學實驗探索”3門校本選修課程被評為嘉興市精品選修課程，“基于‘科學研究與創新意識的化學實驗創新設計”選修課程評為浙江省第九批普通高中推薦選修課程，面向全省推薦使用。教師通過開發與開設化學校本選修課程，增強了課程研究意識和課程開發能力，完善了自身的知識結構，促進了其專業發展。

五、轉化為教師研訓活動內容，引領區域化學教學改革

教師研訓活動是新課標、新教材背景下教師培訓的重要形式，解決了一線教師學科教學中的疑難問題，促進教師關鍵能力的提升。

名師工作室團隊將實驗創新案例、實驗教學成果分類整理成多個實驗教學創新范例講座，供教師研訓使用。如：化學教材實驗的再研究、化學實驗綠色化研究、數字化實驗的研究、實驗創新設計策略研究、基于核心素養發展的課堂實驗教學設計、實驗創新成果的教學轉化路徑研究等。這些創新成果的有效轉化，使高中化學實驗教學內容得到充實、更新，實驗研究方法呈現多樣化且富有時代特征，發展了學生的學科實踐能力和化學教師的實驗素養。

4年多來，在浙江省教育廳“百人千場”名師送教下鄉活動，河北省、山東省及內蒙古自治區教育廳教育裝備與管理中心組織的全省（區）初高中化學教師實驗培訓活動，浙江省高中化學教師90學時培訓及嘉興市高中化學教師全員培訓等活動中，工作室團隊先后作關于高中化學實驗教學創新范例方面的講座16次，開設含創新實驗教學設計的各類公開課、研討課、示范課數十節，轉變了教師實驗教學觀念，“通過實驗學化學”的價值追求獲得廣泛的共識，展示了實驗教學創新的路徑和方法，為一線教師進行實驗教學改革提供了可借鑒、可推廣的范例，成為嘉禾大地傳播新課程理念、創新實驗教學、開展教學研究、參與教師研訓等活動的中堅力量，引領著區域化學教學改革。

參考文獻

[1]沈坤華，于濤．創新化學實驗培養核心素養[J]．教育與裝備研究，2020，36（3）：20-24．

[2]顧仲良．測量難溶電解質溶解平衡的電導率實驗探究[J]．化學教學，2022（2）：67-71．

[3]張悅穎，夏雪梅．跨學科的項目化學習：“4+1”課程實踐手冊[M]．北京：教育科學出版社，2021：6．

[4]普通高中教科書（化學必修第二冊）[M]．北京：人民教育出版社，2019：80．

[5]沈坤華．對化學實驗改進與創新的思考——基于名師工作室研修的視角[J]．實驗教學與儀器，2020，37（7-8）：53-55．

*本文為浙江省2017年度教研規劃課題“化學核心素養在實驗創新中的落地研究”（課題編號：G17120）的階段性研究成果。