淺談利用真實情境培養學生的化學實驗素養

江蘇省黃橋中學 何 燕

經常有老師抱怨高中化學教學的課時緊任務重，演示實驗和學生實驗都是蜻蜓點水般的完成，根本起不到培養學生化學實驗素養的效果。其實很多實驗都不是具有真實的情境的特點，都是經過篩選和理想化條件下的結果固定的實驗，更強調學生的操作正確和觀察仔細，能夠完成預設的任務，通過較好的效果來驗證既有的理論。學生往往失去主體意識，只求達到既定的目標，而對過程中的生成性的知識視而不見。

關于化學實驗素養的界定，傾向于范志鵬的觀點，他認為化學實驗素養屬于個人修養的范疇。化學實驗素養是個很寬泛的概念，只有在真實的情境中才能有針對性地發現化學實驗素養的不足，考試評價也是力求模擬真實的情境，選拔出化學實驗素養較好的學生。如果僅僅是通過紙筆訓練來提高學生應付考試評價的能力，那是不現實的也是不全面的，正所謂“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。

那么如何利用真實情境培養學生的化學實驗素養呢？結合自己的實踐談一些觀點，供大家分享。

一、通過項目化的開放性實驗有利于培養學生的化學實驗素養

項目化實驗是以一個獨立的整體的實驗為背景，讓學生用已有知識和技能，體驗解決真實問題的過程和方法，培養學生合作、反思、批判等能力的實驗方式。學生在整個過程中體驗了對問題的發現，尋找解決問題的原理，根據原理初步設計實驗，實驗設計的可行性分析及其改進，實驗計劃的擬定，實驗操作，處理實驗數據，驗證對問題的解決效果等步驟，有利于運用和拓展既有知識和技能去解決現實的問題。但還是有幾點是要注意的，項目化的開放性實驗對學生的要求較高，需要有一定的知識儲備和能力儲備，而且占用學生的時間較長，建議要安排合適的興趣小組，配備適當比例的指導老師，在一個相對集中的時間段完成。

二、利用身邊的易獲得的資源有利于培養學生的化學實驗素養

身邊的易獲得的資源指的是包含家庭中的、地方的及社區的知識，不僅僅是指環境和物體及各個生活上日常所見的人和事，它還包含了當地特有的文化、歷史、意識及價值觀。利用這些資源就是將本地的一些知識（包括但不限于歷史、文化）中的化學元素提取出來，融入到化學實驗的情境設計等方面。學生往往更容易從身邊的資源找到研究的切口，凝練出有價值的問題，通過研究這些身邊的問題讓學生體驗到愛家鄉愛化學的價值，激發學生產生繼承和發展家鄉文化和學科知識的意識，進而樹立正確的國家觀、民族觀、歷史觀、文化觀，從而達到了促進課程思政的效果。顯然這也是學生實驗素養的一部分，把對科學的興趣和對文化的興趣相融合，在科學探究的過程中實現了薪火相傳。當然需要注意的是越是身邊習以為常的事物及其變化，學生越容易以一種慣性思維去理解，其中可能會有一些非科學性的因素影響，此時教師就要注意對這些實驗設計和結論的科學性進行把關，及時糾正錯誤，確保研究的信度和效度。

三、利用數字化傳感器有利于發現實驗中的生成性的問題

真實的情境如果只是滿足于表面的觀察和測量，得到的信息量通常是極其有限的。通過對實驗進行改進和創新，利用傳感器等數字化進行實驗教學，化定性為定量，為學生創設思維的臺階，有效降低學習難度，對教學難點的突破一定會很有幫助。借助數字化傳感器能夠發現一些難于觀察到的變量的變化過程，并能夠使現象放大化和趨勢明顯化，并減少人工的勞動量，提高實驗的效率，采集數據可以瞬間完成也可以橫跨一個星期。熟練操作后，使用數字化傳感器的實驗成功率是很高的，誤差也會很小，增加了實驗的信度。對這種新型的實驗設備，對自己親手測出的數據和圖像，學生是很感興趣的，也樂于去等待一個漫長的結果，因為真相值得去等待。巧合的是這些學生們感興趣的數據和圖像現在正在成為考試評價的重要素材，學生在使用數字化傳感器中所發展的實驗素養在解讀這類素材時會大有裨益。另外借助數字化傳感器通常會發現很多“異常”的數據和圖像，這些所謂的“異常”中通常飽含著生成性問題吸引著人們去研究和解釋。解決這些生成性問題的時候，同時會大大刺激化學實驗素養的發展。學生在陌生的異于常規情境中發現問題解決問題的價值更大。當然數字化傳感器結構精密、價格不菲，學生在使用的時候需要教師的指導和幫助。在實驗過程中，教師指導學生利用熟悉的器材進行實驗設計，利用學生已有的生活經驗、感性認識等，通過分析、歸納、概括，將要解決的新問題遷移為已經解決的問題。這樣的實驗過程才能幫助提高學生的實驗素養。

四、利用真實情境設計實驗的幾個注意點

新課程標準倡導從四個方面發揮實驗的教學功能，而學生的實驗素養直接決定著實驗在化學學習中獨特價值的發揮。真實情境中的實驗往往具有開放性，結果是未知的和不確定的，因此教師在指導學生利用真實情境設計實驗時要注意以下幾個意識。

1.安全意識。

安全是化學實驗素養的第一要點，包含使用實驗儀器的安全、使用實驗藥品的安全、設計實驗裝置的安全、實驗過程中操作的安全、實驗廢棄物處置的安全等諸多方面。化學學科核心素養中的“科學態度與社會責任”開宗明義的強調“具有安全意識和嚴謹求實的科學態度”，教師要在確保安全的前提下引導學生通過實驗探索未知、追求真相。教師不僅要在一些明顯的安全隱患處制止學生實驗，而且要在一些隱藏的安全隱患處要有敏感的“危險”嗅覺。譬如容易爆燃或者達到爆炸極限的條件，容易引起中毒或引起癌變的材料如石棉等，這些都要避免學生接觸到，學生畢竟是非專業的人員，容易引起事故或潛在的傷害。一些現象比較劇烈的實驗也要避免學生單獨完成，防止學生受到驚嚇手足無措引發事故，指導教師最好陪同參與完成相關實驗。

2.變量控制意識。

影響化學實驗的因素除反應本身性質外，還有諸如濃度、溫度、壓強等外在因素。因此控制變量是化學實驗必須面對的問題，只有設計單個因素變量的改變而導致實驗結果的不同，才能增強實驗的說服力。“證據推理”是化學學科核心素養之一，學生在設計實驗時，不一定能考慮到對所有變量的控制，容易漏掉一些變量的影響，造成證據推理的不嚴密，指導老師要利用自己的專業知識，幫助學生避免漏掉考慮這些變量，造成無效的實驗，浪費學生的時間和精力。

3.節約意識。

節約意識是符合當前節能減排的大的方向的。化學實驗會耗費一些資源、時間和人工，并且多少會有一點污染排放，因此組織和計劃實驗要慎重和精細，盡量用少的實驗多出成果。在實驗用藥品的用量上宜少不宜多，盡量設計微型化實驗來實現研究目的。教師在指導實驗時就要嚴格設計用量取用藥品，不要隨便增加藥品用量，應加強教育使學生樹立起勤儉節約的意識；向學生講清過量使用藥品，不僅會造成資源浪費，而且會延長實驗時間，影響實驗效果，甚至導致實驗失敗。

下面用一個實例來說明這幾個意識的體現。人教版普通高中教科書《化學 選擇性必修1 化學反應原理》的第二章化學反應速率和化學平衡有個探究實驗《定性與定量研究影響化學反應速率的因素》其中的實驗探究II 內容如下：

通過實驗測定并比較下列化學反應的速率。

按圖2- 1 所示組裝實驗裝置。在錐形瓶內放入2g 鋅粒，通過分液漏斗加入40mL1mol/LH2SO4溶液，測量并記錄收集10mLH2所用時間。

圖2- 1 測定鋅與稀硫酸反應速率的裝置

如果用 4mol/LH2SO4溶液代替1mol/LH2SO4溶液重復上述實驗，所用時間會增加還是減少?請通過實驗驗證，并解釋原因。

將測定結果填入下表，計算并比較化學反應速率。

試劑 所用時間 反應速率 結論1 mol/LH2SO4 溶液4 mol/LH2SO4 溶液

這個實驗很多老師都是想當然的紙上談兵，講一講實驗就可以說明問題了，因為實驗結果不做也知道，濃度大的硫酸產生相同體積的氫氣所需的時間短。但是這只是理想的實驗結果。真實地完成這個實驗的情境其實并不是那么理想化的，是有很多培養學生化學實驗素養的發掘點的。

在指導學生完成這個實驗時，學生在操作這個實驗有這幾個難點：

（1）有關實驗設計使用注射器的問題。

本實驗用于收集H2的玻璃注射器并不是化學實驗室的必備儀器，市面上常見的 規 格 有2mL、5mL、10mL、20mL、30mL、50mL、100mL。該取用哪款規格的注射器呢？按照實驗設計，通過分液漏斗加入的硫酸體積就達到了40mL，意味著排開的空氣的體積就有40mL，再加上需要收集的氫氣的體積10mL，以及考慮收集冗余氣體的體積，玻璃注射器的規格就要取用100mL的才合適。進而帶來了一個問題，注射器的活塞是很重的，導致摩擦力很大，通過注射器接口的小孔進來的氫氣很難達到一定的壓強來推動活塞。推不動活塞，實驗也就難以成功了。這是一個真實的問題，只有進入真實的實驗情境才會遇到，考驗著學生的智慧和化學實驗素養。改進的方法是測量使用排水集氣法來收集10mL 氫氣所需時間或者使用氣壓傳感器來測量密閉反應容器中不同濃度硫酸與鋅粒反應產生的氣體壓強隨時間的變化。

（2）實驗的安全問題。

本實驗涉及到可燃氣體氫氣的收集，并且收集到的氣體并不是純凈的氫氣，而是混合有空氣的氫氣，容易達到爆炸極限。剩余的鋅粒和硫酸繼續反應會產生更多的氫氣（2g 鋅粒估計能產生5L 左右氫氣），并可能擴散到空氣中。如果沒有通風設備，實驗中以及實驗后處理階段都有可能因為操作不當等意外引起氫氣的爆炸。這同樣是一個真實的問題，解決不好是要出大問題的，而且沒有后悔藥吃。改進的辦法是在有通風櫥的地方進行實驗，或者把該實驗設計成微型實驗，或者像蘇教版選擇性必修1 里面設計測量用碳酸鈣和不同濃度稀鹽酸反應產生二氧化碳的速率。

（3）實驗的藥品的節約問題。

通過計算可知，2g 鋅粒完全反應需要1mol/L 硫酸31mL，需要4mol/L 硫酸7.7mL，硫酸都是過量的，而最終產生的氫氣達到5L 左右，而測量只需要起初的10mL氫氣，每個實驗又至少做三次取平均值，因此帶來了藥品的浪費問題。藥品是需要真金白銀的購買的，真實的情境中，節約意識應該融入到實驗的設計理念中，有助于提升學生的化學實驗素養。改進的方法是進行微型實驗，通過傳感器把實驗現象放大化。

（4）實驗的變量控制問題。

本實驗成功的關鍵就是變量控制，本實驗需要測量的是從反應開始到產生10mL氫氣所花的時間。要控制只有硫酸濃度的差異而其他變量都是一致的，理想的設計在真實的情境中總是狀況百出。本實驗氫氣的產生是伴隨著硫酸的注入同時發生的，產生10mL 氣體的時間的決定因素就不僅僅是硫酸的濃度了，其實還包括漏斗中硫酸的重力產生的壓強和硫酸通過漏斗注入的速度。很顯然濃度大的硫酸相同體積的質量會更大，產生的壓強會更大，但是濃度大的硫酸由于黏度大，注入的速度也會受到影響，由此導致測量到的收集氫氣的速率不僅僅與硫酸的濃度有關，分液漏斗中硫酸排出錐形瓶中空氣的速率也會影響收集氫氣的速率。這個變量控制問題不解決，這個實驗的結論就是有瑕疵的。

針對上面四個方面的問題，學生們各抒己見，充分發揮了主動能動性，查閱資料，借鑒了一些其他的實驗的設計，不斷嘗試不斷調整，我們發現了一套裝置比較簡便實現該實驗的目的。如圖所示。

該裝置采用Y形管、導管、水槽和50mL量筒進行實驗，使用1g 的鋅粒分別和10mL1mol/L 硫酸以及10mL4mol/L 硫酸反應，通過傾斜的方法使硫酸流入另一個支管與鋅粒反應，測量排水法收集10mL氫氣所需時間，實驗在通風櫥中進行。進過了改進，以上4 方面的問題得以解決，學生的實驗素養也得到了提升，這個例子很好地體現了真實情境中遇到問題往往是意想不到的，需要實驗的參與者開動腦筋，直面真問題，研究真化學，必然會有所收獲，使學生的實驗素養潛移默化中得到提升。

學生的實驗素養的提升并不是一蹴而就的，需要在實踐的點滴中不斷培養，而在真實情境中的實驗探究，給了學生發揮主觀能動性的機會，調動了學生學習和操作的積極性，只要設計得當，關注一些細節的處理，就一定能使學生的實驗素養得到長足的發展。