在實驗探究中培養學生的化學學科核心素養

李淑賢

(河南省扶溝縣高級中學 河南 扶溝 461300)

1.問題的提出

化學是以實驗為基礎的自然學科。2014年3月教育部印發《關于深化教育改革落實立德樹人根本任務的意見》，首次以文件形式提出了“構建學生發展核心素養體系”，隨后陸續發布了《中國學生發展核心素養》《普通高中化學課程標準(2017年版)》(以下簡稱課程標準)。課程標準雖然從內涵、目標和素養水平描述了化學學科核心素養，但教師仍面對如何將核心素養在教學中“落地”，核心素養視域下的化學實驗教學有何特點和要求。課程標準中素養4:“科學探究與創新意識”能根據教材中給出的問題設計簡單的實驗方案，完成實驗操作，觀察物質及其變化的現象，客觀地進行記錄，對實驗現象做出解釋，發現和提出需要進一步研究的問題。要求學生認識科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動；能發現和提出有探究價值的問題；能從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗，調查等方法進行探究；勤于實踐，善于合作，敢于質疑，勇于創新。“科學態度與社會責任”要求學生具有安全意識，逐步養成嚴謹求實的科學態度，具有理論聯系實際，尊重科學倫理道德，能依據“綠色化學”思想和科學倫理對某一個化學過程進行分析，權衡利弊，作出合理的決策；能針對某些化學工藝存在的各種問題，提出處理或解決問題的具體方案。

德國哲學家叔本華說：“記錄在紙上的思想就如同留在沙灘上的腳印，我們也許能看到他走過的路徑，但若想知道他在路上看到了什么東西，就必須用我們自己的眼睛。”這充分說明了科學實驗探究在實驗教學中的重要性和必要性。實驗探究可以成為全面發展學生化學學科核心素養的核心。在化學實驗教學中，通過實驗探究活動幫助學生建構科學知識，促進學生建立宏微觀念，認識物質變化，建構認知模型，培養化學思維模式，感受學科價值，全面發展學生的化學學科核心素養。吳星教授認為“科學探究和創新意識”處于化學學科核心素養的中心位置；“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”是化學科學探究的研究內容和思維視角；“證據推理與模型認知”是化學科學探究在情感態度和價值觀維度的重要成果。本文主要探究實驗教學中怎樣才能發揮科學探究的中心地位，輻射全面的學科核心素養。

2.采用主題式實驗探究教學活動，處理好教師的引導和學生的主導者之間的關系

教育家皮亞杰強調：“教師的工作不是教給學生什么，而是努力建構學生的知識結構。學生是實驗設計的主導者與核心，要遵循以學生發展為目的，激發學生的學習興趣，促進學生健康成長的原則。實驗設計內容要有利于學生形成正確的人生觀、價值觀，如環保意識、節能意識、熱愛自然、愛護生命的意識。實驗主題要能促使學生正確解釋和判斷社會生活中遇到的一些有關化學問題。設計的內容還要有利于提高學生的化學學科核心素養和審美能力，培養學生的團隊合作意識，增強學生適應社會的能力，促進學生身心健康的發展，提升學生的社會責任意識。而主題式實驗探究活動就是指以特定的化學內容為主題，以學生活動為主體，采取學科實踐活動形式，如觀察，實驗等形式，實現主題教學。主題式教學設計是以項目探究形式或問題解決形式統整書本知識與現實生活、生產和社會中的學科問題，以教學主題為樞紐，在系統內諸要素之間彼此聯系、相互作用與協調運用中，達成學習主體心理結構的完善與自我實現的整體教學設計。在主題式實驗探究活動中培養學生的化學學科核心素養。以膠體的制備的實驗探究過程為例：

在課前充分預習的基礎之上，各個小組的學生興致勃勃的準備展示賽的工作。已知：氯化鐵與蒸餾水在加熱條件下可制得氫氧化鐵膠體。如果讓你設計實驗制備氫氧化鐵膠體，你需要的反應物是？它們的量呢？誰多一點呢？為什么？反應條件是加熱，什么時候停止加熱？

請依據所提供的試劑和儀器，設計出制備方案，并實驗。

環節1：查閱資料，提出方案

方案1.向25ml蒸餾水中加入1～2ml飽和氯化鐵溶液

方案2.向25ml蒸餾水中加入5～6滴飽和氯化鐵溶液

方案3.將25ml蒸餾水煮沸，再加入5～6滴氯化鐵飽和溶液

方案4.將25ml蒸餾水煮沸，再加入1～2ml飽和氯化鐵溶液

環節2：用品準備，步驟設計

試劑：25mL蒸餾水 飽和氯化鐵溶液

儀器：酒精燈 小燒杯 膠頭滴管 玻璃棒 三腳架 石棉網 激光燈

小組 1.向25ml蒸餾水中加入1～2ml飽和氯化鐵溶液，邊加熱邊攪拌至得到具有丁達爾效應的氫氧化鐵膠體，停止加熱。

小組2.向25ml蒸餾水中加入5～6滴飽和氯化鐵溶液，邊加熱邊攪拌至得到具有丁達爾效應的氫氧化鐵膠體，停止加熱。

小組3.將25ml蒸餾水煮沸，再加入5～6滴氯化鐵飽和溶液，繼續煮沸至得到具有丁達爾效應的氫氧化鐵膠體，停止加熱。

小組4.將25ml蒸餾水煮沸，再加入1～2ml飽和氯化鐵溶液，邊加熱邊攪拌至得到具有丁達爾效應的氫氧化鐵膠體，停止加熱。

環節3：現場展示，現象分析

在展示賽現場，10分鐘左右完成了實驗。最后只有一個小組成功制備了氫氧化鐵膠體。并向大家說明了在實驗中水多一點，這樣更有利于氫氧化鐵粒子分散成膠體，否則，容易聚集成更大的顆粒而形成氫氧化鐵沉淀，最后利用丁達爾效應判斷，制的膠體后停止加熱。其他小組說明失敗的原因和得到的結果。

現象分析：結合大家的實驗，我們發現實驗成功的關鍵在于控制分散質粒子的大小，所以蒸餾水要相對較多；飽和氯化鐵不能太多，太多易形成沉淀，也不能太少，不足以形成膠體；加熱時間不能過長，煮沸過程也不能一直攪拌，這樣都易形成沉淀。

最后得出氫氧化鐵膠體的制備方案是：向25ml沸騰的蒸餾水中逐滴加入5～6滴氯化鐵飽和溶液，繼續煮沸至呈透明的紅褐色，停止加熱。

聯系生活實際，落地核心素養。膠體在我們的生活中有著廣泛的應用。豆腐、果凍，陶瓷，彩色玻璃、油漆等的制備都與膠體有關。

在充討論的基礎上授予小組3最佳設計獎。其他小組均授予最佳分工合作獎。最后，老師做總結性發言。評獎已經不重要，重要的是過程。大家在準備這次的活動過程中學習知識、發展智力，磨練素養，實現了玩中學，做中思、評中悟……

3.以實驗探究為基礎，將核心素養的發展滲透在教學目標中——以檢驗食品中的鐵元素為例

3.1 自主學習閱讀相關材料“生活中的化學”。

3.1.1 鐵元素的存在與作用。鐵是地球上分布最廣的金屬之一，在全部化學元素中居第四位，僅次于氧、硅、鋁。

對于人體來說鐵是不可缺少的微量元素。在十多種人體必需的微量元素中鐵無論在重要性上還是在數量上，都居于首位。成年人體內含有4～5克鐵，根據在體內的功能能狀態可分成功能性鐵和儲存鐵兩部分。功能性鐵存在于血紅蛋白、肌紅蛋白和一些酶中，約占體內總鐵量的70%。其余30%為儲存鐵，主要儲存在肝、脾和骨髓中。

鐵是合成血紅蛋白的主要原料之一。血紅蛋白的主要功能是把新鮮氧氣運送到各組織。鐵缺乏時不能合成足夠的血紅蛋白，造成缺鐵性貧血。鐵還是體內參與氧化還原反應的一些酶和電子傳遞體思維組成部分，如過氧化氫酶和細胞色素都含有鐵。

3.1.2 富含鐵元素的食品。動物血，肝臟，雞胗、大豆、黑木耳、芝麻醬、牛肉等都是富含血紅素鐵的食品。深綠葉蔬菜所含鐵雖不是血紅素鐵，但攝入量多，所以仍是我國人民膳食鐵的重要來源。

3.1.3 常用的三價鐵離子的檢驗方法。

(1)苯酚檢驗法。鐵離子與苯酚反應，可生成顯紫色的絡離子(絡合物)。

(2)硫氰化物鑒別方法。取溶液少量，滴入可溶性KSCN溶液變紅色的是鐵離子溶液，因為生成了顯紅色的絡合物。

(3)堿鑒別方法。加入氫氧化鈉、氨水或氫氧化鉀等堿性溶液后有紅褐色沉淀生成，并檢測開始沉淀和沉淀完全時的pH，發現從開始沉淀到沉淀完全時溶液的pH常溫下為2.7～3.7的是鐵離子。

(4)亞鐵氰化鉀溶液法(黃血鹽溶液法)。鐵離子在酸性溶液中與亞鐵氰化鉀溶液生成藍色沉淀，稱為普魯士藍。

3.2 研究目的。

3.2.1 基于實驗的科學探究。鐵是人體必需的微量元素。食用富含鐵元素的食品，可以補充人體所需的鐵元素。通過化學實驗的方法檢驗食品中的鐵元素。體驗科學實驗探究的一般過程和化學知識在實際中的應用，進而達到培養學生化學學科核心素養的目的。

3.2.2 宏觀辨識與微觀分析。通過鐵原子和離子結構的分析，深入理解鐵及其化合物的物理性質和化學性質。

3.2.3 變化觀念與平衡思想。運用氧化氧化還原反應理論和化學平衡分析鐵元素及其化合物的相互轉化。

3.2.4 證據推理與模型認知。構建鐵及其化合物轉化關系模型，運用模型解決化學問題。

3.2.5 科學精神與社會責任。創設問題的真實情境，了解鐵及其化合物的重要應用，感受化學在生活中的重要價值，建立化學使生活更美好的觀點。

3.3 研究任務。菠菜、芹菜、黑木耳、蛋黃和動物內臟等食品中富含鐵元素。以“菠菜中的鐵元素的檢驗”為例，也可選擇其他食品進行研究。

3.3.1 根據所學知識，引導學生自主設計實驗方案，運用模型解決化學問題。

根據學校的實驗條件，確定制備和檢驗試驗樣品的實驗步驟，準備實驗所需的儀器和用品等。

實驗儀器：研缽、燒杯、剪刀、漏斗、玻璃棒、試管、滴管、濾紙。

實驗藥品：菠菜、蒸餾水、稀硝酸、KSCN溶液。

3.3.2 進行實驗。根據實驗方案進行實驗，檢驗食品中是否含有鐵元素。

3.3.3 可供參考的方案。取新鮮的菠菜，將菠菜剪碎后放在研缽中研磨，然后倒入燒杯中，加入蒸餾水攪拌，將上述濁液過濾作為試驗樣品。引導學生在量的把握上探究出原因。

取少許試驗樣品加入試管中，然后加入稀硝酸(稀硝酸具有氧化性)，再滴加幾滴KSCN溶液，振蕩，觀察現象。KSCN溶液作為本實驗的指示劑，判斷食品中是否含有鐵元素。

3.3.4 結論與思考。

(1)觀察到溶液變紅色，證明菠菜中含有鐵元素。

(2)在實驗中由于菠菜汁顏色，所以對實驗現象的觀察有一定的影響，想一想怎么可以改進這實驗？

提示可以先將菠菜燒成灰，再溶解，過濾進行實驗。

(3)實驗中加入稀硝酸的目的是什么？

稀硝酸具有氧化性，先將菠菜汁里的鐵元素變成三價鐵離子，從而進行檢驗。

3.4 討論實驗結果，撰寫研究報告，并分析成功失敗的經驗。培養學生的科學精神和社會責任意識。

本實驗教學分析：教師通過引導學生探究一系列實驗情境中的現象，讓學生推理可能的生成物，認識氧化還原反應是鐵元素不同價態物質變化的本質原因，進而構建鐵三角模型。以問題鏈的形式。引導學生獨立思考，合作交流，師生共同探討，極大的激發了學生的學習熱情和學習興趣，突出學生在學習活動中的主體地位，發展了學生“證據推理與模型認知”等核心素養。實驗是化學學科的特點，基于核心素養合理設計教學可以促進學生學科核心素養的發展。

4.實驗探究活動中教學的設計——單元教學設計

由于化學學科核心素養的內涵包括學科觀念、學科思維、學科實踐和學科價值取向等，這些素養目標不可能在一節課中完成，需要通過若干課時的教學積累，經歷持續建構和穩步上升的過程才能達成。因此教師在進行教學設計時，需要從傳統的“課時主義”轉向“單元教學”，從傳統的“課時教學設計”轉向“單元教學設計”。

教師進行單元教學設計時，必須正確把握整個學段的教學內容厘清前后學段知識之間的聯系，了解本學段學生的特點，依據教材單元分析確定學科核心素養發展的重點。在此前提下，打破教材的局限，對教材單元學習內容，突出課程內容的主線以及知識之間的相互聯系，研究課時教學范式案例，培養學生的化學學科觀念、學科思維和科學精神。基于單元教學的化學教學設計能夠促使教師站在更高層次上思考設計教學內容，有利于教師從關注知識轉向關注學科核心素養。

在設計教學時，先要圍繞一個引人矚目的問題組織教學，這個問題要與學生生活實踐相關，能引起學生的學習興趣；其次教師要給學生更高層次的實踐提供框架；最后設計一個最終活動。

5.在實驗探究活動中重在課堂建構

實驗探究過程主要遵循目標導入——創設問題情境，引導探究——探究發現——證據推推理，建構認知模型——問題解決——總結反思，拓展應用——教學評價等模式。

在教學過程中，要創造協作互動環境，尊重學生觀點，根據學生觀點進行交流討論，觀點的正確或全面與否不是課堂的重點，重點是關注學生的推理過程及思維發展。師生要相互尊重，彼此交流，強調學生的參與體驗度。教師要能認識到自身知識的局限性，避免成為課堂上的權威者。

在教學過程中教師要充分發揮支架作用，引導者作用。在學生遇到挫折與障礙時，給學生提供合適的學習支架；當學生不能提出解決方案或表明立場時，教師要設計方案，引導學生思考討論，從而保證教學活動的有序推進。

6.“素養為本”的實驗探究教學評價

化學日常學習評價不能游離于化學教與學之外，應與化學教與學活動有機融合在一起。該教師緊緊圍繞發展學生化學學科核心素養這一主旨，注重教學目標與評價目標、學習任務與評價任務、學習方式與評價任務、學習方式與評價方式的整體性、一致性設計，通過學生在實驗探究、小組討論、方案設計等活動中的表現，運用提問、點評等方式對學生的學習質量和化學學科核心素養的發展水平給與準確的把握，并給出進一步深化的建議，充分發揮了化學日常學習評價的診斷與發展功能。

化學實驗教學評價要堅持全員評價、全程評價、全面評價、全局評價的基本原則，科學制定實驗評價目標。堅持“教—學—評”一體化的評價策略就是要使實驗探究教學活動、學習和評價圍繞共同的目標開展，在實驗探究教學活動中以目標為導向設計評價任務和實驗活動，依據課程標準內容要求確定“該學”什么；依據化學學科素養水平和教材知識結構確定“能教”什么；依據學生實際情況確定“能學”什么，實驗目標的制定要具體化、細化，有利于在教學實踐中操作和評價。

愛因斯坦說，“教育就是人們遺忘了所有學校灌輸的知識后，仍能留存的東西。”如果站在化學教育教學的角度，其中“能留存的東西”就是一種思想方法或者叫做思維模式。實驗是化學學科的特點，教師不能只重理論知識的傳授，更重要的是要引導學生進行實驗探究，培養學生的思維模型。在實驗探究活動中實驗現象的觀察與解釋、實驗結果的分析與推理、實驗方案的設計與實施中，不僅能充分調動學生頭腦中已有的知識解決問題，還能在解決問題的過程中，全面提升學生的化學學科核心素養。實驗結束后，通過批閱學生撰寫的研究報告，不僅可以看出學生收獲了什么知識，更能看出學生體驗到學習知識的方法，以及科學的態度和強大的社會責任感。任何一個人掌握很多的具體知識都是不可能的，也是不必要的。將教學重心從讓學生掌握具體知識轉向素養的發展，是教學的重中之重。因為那些關鍵能力和必備的品格，才是學生發展之本，受用終身。

7.化學教師應該培養學科核心素養的實驗教學觀

建立以發展學生基本閱讀理解為目的的體驗式學習的概念，將體驗式學習視為學生學習的方法之一，而不是將訓練學生獲得知識和技能的教學方法放在主要位置。必須為發展基本閱讀理解這個教學方式有所付出，驗證性實驗應該是基于學生認知水平不同層次的驗證性實驗，而單一的實驗對高中化學教材的價值似乎不太理想，側重于研究素養的提升和研究技能的進步，實踐學習要求學生體驗以基礎組織為重點的科學探究過程，融合學科思維和學科概念，極大地提高學生對化學的理解。在研究性實驗中，教師在充分了解學生的基礎上設計任務，通過循序漸進的教學方式更好的引導學生獲取知識，在學生發展中發揮主導作用。對培養學生的創新思維起到重要作用。

8.利用化學實驗進行情景創設

化學實驗教學的關鍵是用科學研究解決問題，在化學實驗教學中，重點是利用化學實驗來讓學生更好的理解化學知識，讓化學知識更加形象化。把問題放在社會生產和生活的背景下，應該重視知識的實踐性，應該堅持在研究活動中將社會問題、工業和科學知識聯系起來，并鼓勵每個學生積極利用化學知識解決生活中的實際事件，使學生的科學研究變得有意義，促進學生在閱讀中理解社會責任的意義，在學校化學教育中，要在“科學活動”的實踐中逐步提高終身學習的意識和能力，重點關注環境教育實驗綠色化。