高中化學實驗單元教學的實踐與探索

王朝暉 張經朝

摘? ?要：依據新課標，開發基于大概念統領的高中化學實驗課程《高中化學實驗項目式學習》。采用“大單元”組織教學內容；開發基于真實情境的實驗項目；以大概念統領實驗內容；設計一系列基于真實情境的項目式實驗教學活動，從而有效提升學生化學實驗素養，實現創新人才的培養。

關鍵詞：高中化學；學科大概念；校本實驗；項目式教學

1? 課程變革呼喚實驗教學的創新

實驗是化學學科的基石，實驗教學不僅是教師傳授知識的重要途徑，也是培養學生科學思維的重要載體，還是化學學科育人的重要渠道。《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》明確指出：實驗教學作為教學內容的重要組成部分，是實現創新人才培養的重要途經^{[ 1 ]}。在高中化學課標（修訂版）中明確要求教師在教學活動中要開展多種形式的實驗探究活動，設計的實驗教學活動要能貼近生活與社會實際。設計的實驗教學活動要能夠充分調動學生學習化學的熱情，激發學生主動參與學習，幫助學生實現學習方式的轉變，在教學中有效促進學生創新精神和實踐能力的提升，實現核心素養的培養目標^{[ 2 ]}。

目前高中化學實驗教學中存在的問題有：（1）沒有真正重視化學實驗的育人價值。在認知層面上，絕大多數化學教師對實驗教學的重要性都是認可的，但在教學實踐層面，很多教師就“知行不一”了，存在用 “看實驗視頻”、 “講實驗題”代替“做實驗”，學生缺乏親身體驗實驗的經歷，使得學生無法有效地通過實驗獲取知識，培養能力。（2） 教材中的實驗側重于對知識的建構。由于教材編寫的系統性和完整性，使得教材中化學實驗更多是服務于教材對知識體系的總體要求，導致教材中的實驗缺乏對實驗內容、學生的實驗能力進行系統規劃，從而導致學生缺乏系統實驗訓練，無法形成完整的實驗能力。（3）學生缺乏解決真實問題的體驗。教材實驗是穿插在知識的認識中，存在分布零散、綜合程度不足，操作比較單一的問題，對于提升學生的創新思維和實踐能力顯然是不足的^{[ 3 ]}。

解決以上高中化學實驗教學中存在的問題，實現新課標提出的“探索大單元教學，積極開展主題化、項目式學習的綜合性教學活動”的要求，同時兼顧課時矛盾，減輕教師壓力和學生的課業負擔，我們經過多年實踐提出建設基于學科大概念的項目式實驗課程體系，編寫了《高中化學實驗項目式學習》做為現行出版教材的重要補充。《高中化學實驗項目式學習》充分發揮實驗教學的育人功能，實現學科核心素養的落地，力求建設成高中階段能有效培養學生實驗素養的一門特色課程。

2? 《高中化學實驗項目式學習》課程體系的建構

2.1? 采用“大單元”組織教學內容

以學科大概念為核心使化學知識結構化是學生化學學科核心素養形成和發展的重要途徑。課題組在進行實證案例研究時，發現“大單元、大概念、整體式”的實驗教學設計更有利于學生實驗思維的建構與培育。我們以高中化學課標（修訂版）的《實驗化學》模塊的4個主題為基礎構建四個大單元。分別為“基礎實驗”“化學原理探究”“化工生產過程模擬”“STSE（科學·技術·社會·環境）綜合實驗”。主要包括以下幾個方面內容：“基礎實驗”側重培養學生化學實驗研究方法和重要操作。實驗內容包括掌握重要的無機物和有機物的制備方法，熟悉物質的分離與提純、物質的檢測，通過實驗認識解決這些類型的實驗任務的一般思路和常用方法，掌握必需的實驗操作技能；“化學原理探究”是從化學核心概念或基本原理中挖掘值得探究的問題，側重探究化學反應變化的規律和條件。通過實驗加深學生對化學概念、原理的學科理解，使學生掌握化學實驗設計的一般思路和方法；“化工生產過程模擬”是對經典的化工生產過程進行模擬，培養學生學會從多角度思考問題，在實驗中體會“綠色化學”的重要性，學會從工程的視角系統思考問題，關注人與自然的可持續發展；“STSE（科學·技術·社會·環境）綜合實驗”是圍繞社會熱點和身邊的化學開展綜合實驗項目，旨在培養學生從多學科視角綜合分析解決實際問題的能力，實現跨學科融合。上述內容在發展學生動手能力同時突出對學生實驗探究能力的培養，在學生掌握科學探究的一般過程與方法的基礎上，建立解決真實、復雜情境下的實驗問題的角度、思路與方法，促進學生高階思維能力的發展。

基于上述思考，課題組精選實驗項目整合成了四個單元，編排的實驗內容符合學科內在邏輯，也符合學生“循序漸進”的認知順序。每一單元下包含若干實驗項目（表1）。

2.2? 開發基于真實情境的實驗項目

為使“素養為本”教學理念真正落實在課堂，最有效的教學策略是創設真實情境和設計驅動性問題。目前，項目式教學是公認的最具有核心素養融合發展效力的教學方式，教師可以通過開發真實而有意義的實驗素材，充分發掘真實情境的作用，讓學生在真實情境中運用化學學科思維進行思考和學習，培養他們的科學思想和思維方法；進而促進學生學習方式轉變和化學實驗素養的提升；利用任務驅動，創設問題讓學生有更多自主面對和解決真實問題的機會，培養他們的探究精神和創新意識，鍛煉學生高階思維能力。依照這個思路在課程標準的引領下，《高中化學實驗項目式學習》中的實驗項目取材于真實的生產、生活情境。通過圍繞若干主題的一系列基于真實情境的實驗微項目的研究和開發，重點突出課程內容和學習方式的優化，將“通過實驗學化學”的思想貫穿其中，體現化學實驗在學科育人中的重要地位。有指向生產、生活中常見物質的制備，如肥皂的制備、硫酸亞鐵銨晶體的制備；有的與環境檢測有關，如水中溶解氧的測定；有的與人體健康有關，如含碘鹽的檢驗、補鐵劑中含鐵量的測定。通過這些具體的學習任務的設定，旨在培養學生“通過實驗解決實際問題”的意識和能力。

2.3? 以學科大概念統領實驗內容

大概念作為學科的核心概念，對學科概念起著統攝作用。大概念可以進一步分解成次級大概念、子概念，并與其它學科概念間共同形成網絡結構，目前普遍認為圍繞學科大概念組織教學有助于促進學生對學科知識的深層理解與遷移 ^{[ 4 ]}。實驗教學中如何抓住實驗體系三要素的核心——化學體系，對其中包含的核心概念進行解構，運用單元教學的方法發展學生的實驗素養是值得研究的。實踐中我們對每個實驗項目通過對其所蘊含的學科大概念及知識層級解構，使得知識結構化，通過典型的實驗現象啟迪學生的思維，引導學生推理和歸納加深對化學原理的理解，避免學生實驗時“照方抓藥”的現象。如“肥皂的制備”的實驗中對“實驗三要素”和“物質組成決定物質性質”的兩個核心概念進行解構（詳見圖1），有利于加深學生的學科理解。同時每個實驗項目設有拓展實驗作為教學中學生自主選擇的內容，是該實驗項目的基本原理與設計思路在新實驗中的拓展與延伸，可供學生進一步運用本項目的研究思路和方法去解決新的實驗問題，培養學生的遷移應用能力和發散思維。將化學實驗素養的培養貫通于各個主題中，編寫中遵循學生的認知發展規律，切實發揮實驗在化學學科育人中的重要作用。

3? 具體實踐案例

如何在具體的實驗項目設計中滲透上述構思，實現學生實驗素養的提升，下面以“化工生產過程模擬”單元中的“肥皂的制備及其原理”為例展開介紹^{[ 5 ]}。

3.1? 項目開發的依據

在高中化學課標（修訂版） “烴及其衍生物的性質與應用” 的教學活動建議中要求，對“油脂的皂化反應與肥皂的洗滌作用”進行實驗探究。肥皂在日常生活中應用廣泛，如何制備以及去污原理的探究易激發學生的學習熱情，自己動手制得肥皂有助于滿足學生的體驗性和獲得感，對制備過程及去污效果的探究可以增強學生的學習積極性和學科理解，基于此開發了這個實驗項目。

3.2 肥皂的制備

“肥皂的制備”所蘊含的學科大概念及知識層級解構（見圖1）

在“化學實驗體系三要素”大概念統領下，通過對“肥皂的制備”蘊含的實驗三要素的解構，使得具體的實驗原理、實驗操作結構化，具體的知識、操作和注意事項有機融合，教學過程中教師教學目標更加清晰，使學生每步操作知其然更知其所以然，這樣更加有利于教學評價。同樣在“物質的組成結構決定物質的性質”化學學科大概念統領下，對本節涉及的有機物知識進行解構，引導學生從微觀結構視角分析乙醇、食鹽的作用和棕櫚油和花生油的結構，探尋肥皂去污的基本原理，培養學生學會透過具體的實驗現象，分析、揭示、歸納化學現象、原理背后的客觀規律。以學科大概念為統領來學習化學實驗內容，有利于突出化學知識的整體性，將碎片化知識結構化、系統化、具體化，有利于學生更加深入理解學科本質，有利于實驗教學評價。

3.3? 肥皂的制備及其原理

“肥皂的制備及其原理”教學學生思維能力的進階（見圖2）

教學過程中通過3個相對獨立但又遞進的活動任務實現對學生實驗能力的養成和素養的提升。任務一基于理想條件下通過油脂水解條件的探究培養學生實驗設計能力和變量控制的思想。任務二通過實際制備中乙醇及食鹽的作用，引導學生深入分析物質溶解性和氫鍵的關系，學會從微觀結構更為本質地理解物質的用途，進而學會推廣應用到其它物質制備過程中，這過程中培養學生應用實踐能力和微觀探析和模型認知素養。任務三通過基于真實情境中的工業制備，引導學生多角度思考分析實際問題，發展學生的高階思維能力，同時提升學生分析預測和歸納論證能力，提升創新意識。

3? 小結

《高中化學實驗項目式學習》課程的開發和使用達到了以下的效果：（1）增強了學生的體驗性，學生在真實的實驗情境中，體驗問題解決過程。（2）培養了學生的動手能力，帶領學生回到實驗室進行實操性訓練，增強學生的動手能力。（3）增進學生的學科理解，通過大概念統領教學內容，探究化學反應變化的規律，加深學生對化學學科的理解。（4）提升學生的創新能力，通過真實情境下復雜問題的解決以及拓展實驗，使得學生知識的遷移應用能力得以提升。實踐過程中的部分案例以說播課和現場課的形式，在2021年中國化學會第十五屆全國基礎教育化學新課程實施成果交流大會上展示，得到大會專家同行的廣泛好評。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部. 教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見[Z] .教基〔2019〕16號.

［2］ 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

［3］ 孫佳林，鄭長龍. 中學化學實驗教學發展歷程回顧及啟示 （下）［J］.化學教育，2018（15）：44-48.

［4］ 金鑫．科學大概念教學的緣起、價值及實踐途徑[J]．教學與管理，2019（8）：8-10．

［5］ 韓曉，王朝暉.基于學科大概念的化學實驗教學：以“肥皂制備”為例[J].中學理科園地，2022（6）：27-29.

福建省2021年度中青年教師教育科研項目（基礎教育研究專項）課題：學科大概念視域下的化學實驗單元整體教學研究（JSZJ21044）研究成果