國際中學化學實驗教學研究綜述

畢吉利 孫凡

摘要：對2000～2020年間國際上有關中學化學實驗的相關研究進行分析，發現國際上聚焦化學實驗學科本體研究，關注技術倫理視域下實驗教學的價值觀念和規范意識，強調實驗教學方式的探究性和技術性變革，倡導多元化的教學評價目標和課程體系建設，提倡實驗教學與學生生活實踐和生產工藝相結合。對我國中學化學實驗教學研究的啟示在于要加強對實驗教學的價值認識，選取反映時代特色的實驗內容，倡導實驗探究教學的實施，創設多元化的實驗評價體系。

關鍵詞：化學實驗；國際比較；文獻分析；教學應用

文章編號：10056629（2023）12001906

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出化學教學應充分認識化學實驗的獨特價值，提倡以化學實驗為主的多形式探究活動，發展學生的核心素養^［1］。《義務教育化學課程標準（2022年版）》指出教師應高度重視化學實驗和化學實驗教學，充分發揮實驗教學的育人功能^［2］。

為了把握中學化學實驗教學研究趨勢，本文運用文獻分析法，以數據庫Web of Science（以下簡稱WOS）為檢索來源，對近20年該數據庫收錄的關于中學化學實驗教學相關文獻進行分析，從宏觀和微觀兩個層面梳理國際化學實驗教學研究脈絡和發展趨勢，以期展現該領域研究特點，為加強和改進中學化學實驗教學提供必要參考和借鑒。

1 數據來源及研究方法

以WOS數據庫為文獻來源，“high school or introductory” “laboratory instruction or experiment”和“chemistry”為主題詞，2000～2020年為時間條件進行檢索，共829篇文獻，通過進一步閱讀文章摘要對檢索結果進行二次篩選，篩選出集中反映“中學化學實驗教學”的文獻作為研究對象進行綜述，以探索20年來中學化學實驗教學的研究主題、發展脈絡和前沿熱點。

2 研究現狀分析

2.1 關注化學實驗學科本體

化學實驗學科本體即以化學實驗知識為載體，通過系統性地整合化學實驗方法和手段，以實現學科本質理解的過程^［3］，主要包含以下內容：

第一，化學實驗知識本體，聚焦從傳統的課本知識講授向引入化學前沿知識以拓展學生知識面轉變。如Erdal等通過海藻酸鈉在不同鹽溶液中的狀態實驗和高吸水性聚合物水含量測試實驗，向13～16歲的學生介紹了生活中常見的聚合物及其性能，幫助學生更詳細地了解聚合物的相關應用及價值，減少學生對化學物質分類可能出現的迷思^［4］；楊軍等受到可再生環保燃料“生物柴油”的啟發，以生物柴油的生產為情境，讓學生在實驗探究中理解酯交換反應的原理并分析產物在密度和溶解度方面出現的差異^［5］。

第二，化學實驗方法本體，強調從實驗操作技能的訓練向關注學生設計實驗方案的能力轉變。如Smith鼓勵學生以小組為單位探究某溶液中離子的類型和濃度，為學生提供電導率傳感器等儀器，培養學生自行設計探究方案，分析實驗數據，推導實驗結論的能力^［6］；Connor教授團隊在課前向學生介紹了色譜法分離混合物的原理及實驗設備的操作注意事項，隨后讓學生通過觀察芳香族混合物的物理狀態，從定性的角度提出有關混合物組成的假設，設計相應的驗證流程，最后結合之前的猜想與氣相色譜儀得到的數據分析混合物的組分^［7］。

第三，化學實驗應用本體，關注化學實驗的理論考察向真實生活情景中解決實際問題的認知策略和應用能力轉變。Merry教授團隊基于環糊精金屬框架能夠吸收CO₂的特性，引導學生根據CO₂性質設計實驗，通過定性的角度來評估所合成的環糊精金屬框架的質量，為學生在二氧化碳治理問題上提供更多實驗思路^［8］；Tan教授團隊提出了一個名為“電化學設計”的實踐設計活動，讓學生通過應用之前所學的有關電化學原理的相關知識，自主設計能使6個二極管發光的電化學器件，在檢查學生知識內化程度的同時培養學生的發散思維和創造精神^［9］。

2.2 關注技術倫理視域下的實驗教學

技術倫理視域下的實驗教學強調從自然與社會、邏輯與歷史、理性與感性相融合的角度解釋化學實驗的人本價值與功能，進而實現實驗教學的育人目標，主要表現在以下方面：

第一，開發綠色化學實驗，增強學生可持續發展意識。如Gupta等利用回收的細菌培養基作為紫外線熒光墨水，進行防偽和定性蛋白質實驗^［10］，讓學生認識到實驗室冗余材料的潛在價值，以及節約資源和保護環境的重要性；Henri等從化學與環境保護、能源與可持續發展等視角設計了19個化學實驗課程主題，并針對高中和大學預科學生設計編寫了《綠色化學實驗室手冊》^［11］；Batti等通過開發一種無毒環保涂料的簡易制作方法^［12］，指導學生從黑莓、菠菜等常見的食品中提取色素分子，進而提高學生環境保護意識。

第二，關注化學實驗之“善”，培養學生倫理規范意識。如Hayes等通過設計“危險桶項目”的實驗教學案例，引導學生從化學品制造商的角度認識工業廢棄物處理的一般流程、注意事項、基本原則和操作方法，從而加深學生對化學危害品處理過程的認識和理解^［13］；Juntunen采用生命周期分析的方法將社會性科學問題融入化學實驗教學，設計和開發了產品生命周期評價項目^［14］，引導學生從科學、生態、經濟和倫理等方面認識日常消費品的材料選擇和應用價值，增強學生化學論證及生態環境分析能力；LaLonde等提出將社會公正主題納入到有機化學課程，通過實驗討論關鍵化合物的歷史及其社會影響，讓學生參與到化學相關的社會決策當中，加深學生對化學社會化功能的認識和理解^［15］。

2.3 注重實驗教學方式變革

化學實驗教學方式的轉變既是化學教育改革的核心問題，也是提升學科育人功能的重要環節，已有研究主要從以下方面展開討論：

第一，從驗證性實驗教學轉向探索性實驗教學。如有學者基于ADI教學、PBL教學、5E學習環等方式為學生實驗過程提供指導，通過“做中學”理念進行教學，使學生在實驗探究過程中獲得新知識。Sylman等介紹了一種控釋藥物輸送系統的探究實驗，用食用色素作為“藥品”、明膠作為“控釋系統”、菠蘿蛋白酶模擬人體富含酶的環境，引導學生提出關于明膠和菠蘿蛋白酶濃度對藥物釋放影響的假設，從而自主設計實驗方案，來驗證提出的假設^［16］；Prilliman以測量鹽水溶液密度的實驗為案例，通過對比探究、組間討論的形式幫助學生理解錯誤和誤差的關系與區別^［17］。

第二，從傳統教學媒體轉向多元化教具的開發和應用。在實驗教學過程中，合理使用教具可有效降低學生理解化學反應機理、把握化學反應本質的難度。如Donna等用透明的U型塑料真空管將兩個玻璃滴定管相連接，制作了一個用于測量氣體體積在不同溫度下隨壓力變化的實驗裝置。如此一來，使實驗現象更加直觀的同時，擺脫了已有裝置對汞的依賴，使學生能在更安全的環境中開展實驗^［18］；Seng Set等基于Kohlraush電橋原理制作了電導率儀，讓學生能夠自己組裝并測量電解質溶液的電導率，在降低實驗資源成本的同時增加了學生動手實踐的機會^［19］；Nusret等開發了一個包含30張任務卡的圖片游戲，其中任務卡上呈現了化學實驗儀器的相關信息，如名稱、功能、用途、使用方法等，引導學生描述卡片信息，并完成卡片和實物配對，進而加深學生對實驗儀器的認識和理解^［20］。

第三，從線下實驗教學轉向線上虛擬實驗教學。Winkelmann等進行了小規模的“第二人生”3D虛擬實驗室的實證研究，發現參與活動的學生對化學實驗操作的興趣明顯提高，且能夠在更短的時間內完成實驗，減少學生學習化學的恐懼^［21］；Odwyer等開發了“有機化學在行動”程序，從實驗中師生需求和功能的角度設計了課程資源包，通過線上線下相結合的方式提高了學生在有機化學學習過程中的參與度和獲得感^［22］；Patrick等為打破學生實驗的時空局限，開發并設計了Lablessons網站，其可視化模擬功能可隨時隨地為學生提供實驗環境和條件，從而使學生感受到實驗就在身邊^［23］。

2.4 提倡多元化的評價方式

實驗教學評價是衡量化學實驗實施效果的方式和手段，也是推動實驗教學改革的重要依據和標準。已有研究主要關注以下方面：

第一，聚焦多維實驗教學評價目標，重視學生實驗素養發展。Milenkovic等基于認知負荷理論設計了兩級多項知識測試題，研究基于多層次知識模型進行的課堂教學如何影響學生在實驗中腦力投入的情況^［24］，發現明確告知學生實驗變化中“宏—微—符”三層次知識間的關系，能有效提高學生對實驗過程中物質變化的理解；Basso等通過采用游戲“線索”中Scarlet謀殺案的情境設計，讓學生參與六種不同的實驗室體驗活動，發現積極的活動體驗對提高學生化學學習的自我效能感和興趣有顯著效果^［25］。

第二，關注過程性評價，創新多角度實驗課程評價方式。Carla采用講述故事的方式描述實驗過程，通過學生對故事描述的作圖情況評估學生在實驗中對重點關注內容的思維傾向，據此調控實驗教學的方式方法，評價學生學習效率^［26］；Ghani等采用概念圖策略評估學生進行電解實驗后對于概念的掌握程度和高階思維的發展狀況，關注學生在實驗活動中思維和理解能力的變化^［27］?？梢姡^程性的評價方式和方法可以準確地評估學生的認知狀態和思維過程，從而為教師有效調整實驗教學提供必要參考和借鑒。

2.5 倡導實驗教學的生活化

國際化學實驗教學改革強調實驗過程中科學、技術、數學、工程方面知識的聯系和運用，關注化學實驗的生活化和情境化特點。反觀傳統實驗教學過程中，較多關注實驗的程序化操作和系統性運行，較少涉及化學知識與社會、技術及環境間的聯系^［28］，造成實驗的“技術壁壘”和“價值真空”，割裂了化學實驗和個體生活世界的必然聯系?；诖爽F象，學者們普遍關注以下方面：

第一，鼓勵開展家庭實驗，培養學生創新精神。Jodye等設計了判斷物質酸堿性實驗、氫氧化物溶解實驗、晶體生長等實驗，讓學生可以在家中自己進行，以培養學生合理選取生活中的實驗替代物的能力和實驗創新的能力^［29］；Easdon設計了提取和氧化醛的實驗、糖果中的色素擴散實驗及糖類水解反應最佳溫度探究實驗，給學生提供了能在生活替代環境中學習選修課程相關知識的機會^［30］。

第二，選取生活化的實驗內容，使學生學習“有用的化學”。Kahl將蒸餾分離溶液的實驗與環境工程設計相結合，引導學生自主設計水純化系統并進行測試，增加學生對工程設計過程的理解和感悟，使其在生活化的情境中塑造和形成創造性思維和品格^［31］；Kakisako設計了觀察水樣品、家用洗衣粉的發泡水、半定量測定水溶液中鈣離子濃度等實驗探究環節，以學生生活中隨處可見的化學物質作為實驗試劑，引導學生理解所學知識的同時明白其對于處理生活實際問題的價值^［32］。

第三，從趣味出發，維持學生實驗探究熱情。Bayline基于糖果的制作與性質開發了一系列趣味實驗，包括觀察糖果在親水膠體作用下的膨脹效果、溫度對糖果晶體的形成與影響等實驗，以此引導學生了解和體會食品中的化學知識價值^［33］；Kuntzleman使用熒光棒設計了一系列主題實驗，包括探究熒光棒發光過程中能量的變化、物質間的反應機理及熒光產生的規律及特征，以生活素材為載體由淺入深，使學生深切感受到化學變化的神奇^［34］。

3 研究啟示

3.1 加強對實驗教學的價值認識

國際上對于中學化學實驗教學的相關研究總體呈上升趨勢，但在實踐中教師對化學實驗教學的價值認識還需要進一步加強?？v觀化學科學的發展軌跡，幾乎每一個科學概念與原理的發現都離不開化學實驗，盡管理論化學的發展為研究者們認識物質世界提供了視角，但仍需要化學實驗進行驗證。此外，經合組織關于核心素養研究報告的公布，進一步推動國際上以素養為核心的課程改革，“實驗化學”也首次以獨立的課程形式出現在高中化學課程之中。但有研究調查發現，“實驗課程”的開課率普遍較低，在實際教學中常存在教師以演示實驗代替學生實驗的現象，從而出現研究和實踐兩張皮的情況^［35］。因此，只有當教師真正認識到實驗不可替代的價值，才能將實驗有效落實在教學中。

3.2 選取反映時代特色的實驗內容

分析與比較國際中學化學實驗教學的發展規律和特征，發現目前實驗教學的內容已超越了傳統化學實驗的知識結構與框架，呈現出知識技能與實際應用相統一、傳統教具與技術賦能相融合、趣味化與科普性相滲透的特點。這也為教師開展實驗教學帶來了更多挑戰，因此，在實驗教學前，教師應基于學科大概念的體系框架，有效地整合教學資源，加強自身對知識的理解，選取反映時代特色的實驗內容；在實驗教學過程中，采用通俗易懂的語言，將生硬晦澀的理論知識傳授給學生，幫助學生在真實的問題情境中理解化學變化的反應機理和基本規律。在常規教學之外，教師還可以為學生提供能夠在生活中進行的替代實驗和趣味實驗，以科普講解、學術沙龍等形式開展，激發學生化學學習興趣。

3.3 倡導實驗探究教學的實施

現今實驗探究教學已經成為了中學化學教學的主要方式，同時帶動了教學策略、方法、表征等方面的全面“躍遷”。探究教學關注對化學現象或問題的探索和分析，提倡學生通過合乎邏輯和規范的實驗操作揭示化學概念或原理的內在機制，進而通過歸納和抽象概括的方式“創造知識”?；诖?，教師首先要正確理解“驗證”和“探究”的關系，認同實驗探究的價值，在保證學生主體地位的基礎上，引導學生完成實驗探究的全過程，防止出現“探”而不“究”的現象。其次，實驗探究重視過程性，離不開貫穿始終的教學情境引領。教師要做到跨學科資源融合，設計多樣化的實驗探究任務，培養學生實驗探究能力。最后，在新課程理念的指導下，堅持以人為本的實驗教學，加強師生、生生互動交流，讓學生在更開放和包容的環境中感受化學的魅力。

3.4 創設多元化的實驗評價體系

大量研究者將化學學科核心素養作為教學的評價指標，但實驗教學大多只是評價過程中的一個方面。當務之急是構建具有針對性的實驗教學評價指標，從而有效判斷實驗教學目標的達成情況。首先，要以發展學生化學實驗素養為導向，形成具有本土特色的評價標準。雖然國內外對于發展學生核心素養框架的理解不盡相同，但在開發具體的測評工具時，可以借鑒國際上公認的評價指標，結合地域特點，創建符合本土特征的評價指標體系。其次，化學實驗對學生的發展影響是全方位、多角度的，鑒于此，教師可以采用質性和量化相結合的方式進行評價，從而更加細致地觀察學生的發展變化和成長規律。最后，實驗教學的評價核心在于幫助學生提高認知水平、發展可遷移的實驗技能和培養創新思維能力，因此只有教師理解“實驗知識”、“實驗能力”和“實驗素養”間的關系，才能合理分析評價結果，幫助學生發展實驗知識與技能，拓展實驗認知與思維，涵養實驗情意與認同，真正從學科本質視角促進學生化學學科核心素養的達成。

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