楊弢 朱志江

摘要： 基于“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)及其學(xué)業(yè)質(zhì)量要求，系統(tǒng)整體規(guī)劃高中化學(xué)實驗教學(xué)主要任務(wù)目標(biāo)。一是實驗基本知識技能掌握目標(biāo)，可通過建構(gòu)基礎(chǔ)實驗認知模型和強化模型應(yīng)用教學(xué)予以達成；二是有關(guān)思想觀念思維方法形成目標(biāo)，可通過加強實驗探究促進學(xué)科理解融合教學(xué)予以實現(xiàn)；三是關(guān)鍵能力素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)，可通過變革實驗活動形式、設(shè)計實驗組織邏輯和開展主題綜合實驗予以發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)實驗； 高中化學(xué)； 目標(biāo)任務(wù)； 方法路徑

文章編號： 10056629（2024）01003304

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

化學(xué)實驗教學(xué)是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要活動［1］。對近年有關(guān)實驗教學(xué)研究成果分析發(fā)現(xiàn)［2～5］，實驗教學(xué)比較缺乏系統(tǒng)規(guī)劃，沒有關(guān)于實驗?zāi)繕?biāo)任務(wù)及方法策略研究。整體規(guī)劃高中化學(xué)實驗教學(xué)任務(wù)，優(yōu)化實驗教學(xué)方法路徑具有現(xiàn)實意義。從核心素養(yǎng)分析，“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”是高中化學(xué)實驗教學(xué)的終極目標(biāo)，根據(jù)化學(xué)課程目標(biāo)及科學(xué)探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)的細分要求［6］，化學(xué)實驗教學(xué)的主要任務(wù)目標(biāo)應(yīng)該包括知識技能掌握、思想方法形成和能力素養(yǎng)發(fā)展三部分。

1 知識技能掌握

1.1 實驗知識技能的掌握目標(biāo)

圍繞物質(zhì)性質(zhì)反應(yīng)、制備、分離提純及檢測分析等實驗研究，需要很多實驗基本知識和操作技能。如物質(zhì)性質(zhì)研究、氣體制備、從溶液中獲得固體、分離提純檢驗分析物質(zhì)等。實驗基本知識和操作技能是實驗的“物質(zhì)基礎(chǔ)”，是實驗開展的基礎(chǔ)平臺。有研究指出［7］，實驗基本知識包括實驗所涉及的反應(yīng)原理、實驗裝置、藥品選擇、產(chǎn)物檢驗、產(chǎn)物分離提純、變量識別和反應(yīng)條件控制等。實驗基本技能包括各種儀器正確使用、裝置組裝調(diào)試及實驗操作規(guī)范等。對于實驗基本知識技能目標(biāo)要求，可結(jié)合不同教材進行比較概括。參考“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”學(xué)業(yè)水平要求，對必修中9個必做實驗的知識技能目標(biāo)建議如表1。

1.2 實現(xiàn)知識技能掌握的方法路徑

實驗基本知識技能從知識分類看屬于事實性知識和程序性知識，如氣體制備實驗中收集方法、驗滿驗純、除雜干燥和尾氣處理等。再如加熱，煅燒、灼燒、高溫、300～400℃加熱，各種浴法加熱，試管加熱，石棉網(wǎng)加熱，蒸汽加熱，表現(xiàn)了不同的加熱操作。掌握實驗知識技能的有效方法是建構(gòu)知識組織模型并應(yīng)用模型。

實驗基本知識技能主要在必修中學(xué)習(xí)，掌握的方法路徑主要有兩個。一是建構(gòu)5個基礎(chǔ)實驗認知模型。（1）實驗室氣體制備認知模型，包括氣體制備和性質(zhì)探究實驗。如通過Cl2制備及活性鐵粉制FeCl3實驗，培養(yǎng)“氣流”系統(tǒng)認知思維，通過高階思維模型建構(gòu)學(xué)習(xí)實現(xiàn)零散知識技能記憶的低階學(xué)習(xí)。（2）固液態(tài)物質(zhì)除雜分離認知模型。以粗鹽提純?yōu)槔懻摻?gòu)除雜流程認知模型，體會除雜實驗“流程化”表達，掌握除雜原理、試劑選擇、用量操作以及方案輸出（語言表達）等知識技能。（3）從溶液中獲取固體認知模型。重點掌握冷卻結(jié)晶和蒸發(fā)結(jié)晶原理，實現(xiàn)對沉淀反應(yīng)、過濾、洗滌、檢驗、干燥等知識結(jié)構(gòu)化。（4）工藝技術(shù)思想認識模型（流程圖）。以侯德榜制堿為載體，理解現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)“降本增效”核心思想，基于教材文本建構(gòu)工藝流程認知模型，學(xué)習(xí)掌握流程表征形式的實驗知識技能。（5）簡單實驗方案設(shè)計思維模型。立足教材相關(guān)內(nèi)容初步建構(gòu)離子檢驗類、物質(zhì)制備類以及變量控制類實驗方案設(shè)計思維模型，能用“定原理畫流程寫方案”思維程序進行簡單設(shè)計和表達輸出，實現(xiàn)基本知識技能綜合化應(yīng)用。另一個方法路徑是在元素化合物知識學(xué)習(xí)過程中，加強以上5個認知模型應(yīng)用教學(xué)。如氣體制備性質(zhì)認知模型，可從CO2、O2制備實驗開始，在Cl2學(xué)習(xí)中實現(xiàn)模型初建，在C與濃H2SO4反應(yīng)產(chǎn)物檢驗和性質(zhì)探究中進行模型鞏固。再如從溶液中獲得固體實驗?zāi)Ｐ?，在結(jié)晶教學(xué)時初次接觸建構(gòu)，在侯德榜制堿產(chǎn)物分離中鞏固認識，到硫單元廢銅屑制膽礬中進行總結(jié)認識，再到綠礬、氯化鐵晶體制備中強化模型應(yīng)用。通過5個實驗認知模型建構(gòu)及其強化應(yīng)用，可實現(xiàn)實驗基本知識技能的有效掌握。

2 思想方法形成

2.1 思想方法的形成目標(biāo)

思想觀念和思維方法屬于高級知識，指向認知技能認知策略等。高中化學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)幫助學(xué)生形成重要思想觀念和思維方法。如基本的科學(xué)觀念科學(xué)思維和重要的化學(xué)思想方法等。

科學(xué)的本質(zhì)是證實證偽，實驗?zāi)軌蚍从晨茖W(xué)的暫定性、經(jīng)驗性、創(chuàng)造性、建構(gòu)性本質(zhì)［8］，對學(xué)生形成科學(xué)本質(zhì)觀具有重要作用。實驗是重要科學(xué)實踐，實現(xiàn)知識理解同時形成思維方法。如在以實驗為基礎(chǔ)的探究教學(xué)中，學(xué)生通過觀察事實獲取信息，提出問題假設(shè)進行實驗證明和分析推理，經(jīng)歷歸納比較抽象概括等思維活動，獲得結(jié)論形成概念認識，體驗了科學(xué)的思維方法?；镜目茖W(xué)觀念和思維方法形成是實驗教學(xué)的應(yīng)有目標(biāo)。此外，實驗教學(xué)要有助學(xué)生透過知識表面，助力學(xué)生理解化學(xué)規(guī)律原理，培養(yǎng)學(xué)生形成化學(xué)思想觀念和掌握化學(xué)思維方法。鈉鎂鋁生成氫氣實驗，隱含金屬活動性變化規(guī)律、位構(gòu)相依原理、元素周期律等，都要在實驗教學(xué)中得到明示。再如，通過實驗探究六價鉻［Cr（VI）］在不同pH溶液中的存在形式（主要以HCrO-4、

Cr2O2-7、

CrO2-4）和性質(zhì)變化（微粒存在形式和微粒濃度影響氧化能力），促進學(xué)生形成變化觀念與平衡思想，深化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”思想理解，形成從微粒元素價態(tài)、微粒濃度改變和微粒結(jié)構(gòu)嬗變的多重視角綜合分析性質(zhì)變化的學(xué)科思想。

2.2 促進形成思想方法的教學(xué)策略

核心素養(yǎng)的證據(jù)推理是一種科學(xué)思維方法，化學(xué)實驗為推理提供事實證據(jù)，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)方法?；瘜W(xué)知識原理是科學(xué)結(jié)論，實驗探究通過“假設(shè)創(chuàng)造”“假設(shè)檢驗”在事實證據(jù)與科學(xué)結(jié)論間建立邏輯關(guān)系，是學(xué)生獲取知識、解決問題和理解概念的深度思維訓(xùn)練過程［9］。在教學(xué)中要對實驗賦能，建立起實驗探究與學(xué)科知識和思想方法的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)學(xué)科深度理解，形成學(xué)科思想和實驗的浸潤融合。

具體策略方法是：變革傳統(tǒng)“實驗展示現(xiàn)象解釋”教學(xué)模式，按照“物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析性質(zhì)可能預(yù)測問題證據(jù)聯(lián)系”認知邏輯開展實驗教學(xué)，強化預(yù)測分析、證據(jù)推理和綜合判斷的思維訓(xùn)練，在實驗中實現(xiàn)思想方法形成和思維訓(xùn)練強化。如乙酸乙酯制備與性質(zhì)實驗，傳統(tǒng)教學(xué)強調(diào)：（1）乙醇、濃硫酸和冰醋酸加料的順序方法和乙醇稍過量的原因說明，（2）反應(yīng)條件控制如水浴加熱目的方法、收集產(chǎn)物蒸氣的試劑選擇和方法，（3）產(chǎn)品分離提純過程的操作、現(xiàn)象和原因說明，（4）酯化反應(yīng)中醇酸斷鍵方式說明和原子示蹤法了解，書寫有關(guān)化學(xué)反應(yīng)方程式。傳統(tǒng)實驗教學(xué)注重實驗基本知識技能掌握和化學(xué)知識驗證學(xué)習(xí)，缺乏科學(xué)思維方法的訓(xùn)練培養(yǎng)。如果依照“分析預(yù)測證據(jù)”認知邏輯進行該實驗教學(xué)，則可以結(jié)合結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)思想、平衡思想和速率原理進行深度探究教學(xué)。一方面是根據(jù)C、 H、 O元素電負性大小和電子效應(yīng)原理，判斷C2H5OH、 CH3COOH分子中CO、 OH的極性強弱，分析兩種物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的活性位點，預(yù)測分子間脫水?dāng)噫I方式，這種斷鍵方式的實驗證據(jù)是原子示蹤法。探究酯化反應(yīng)機制，揭示伯醇、仲醇、叔醇中CO、 OH極性的微妙變化，說明酯化反應(yīng)中醇失羥基酸失氫的斷鍵可能，強化基團影響和結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)思想。另一方面是酯水解反應(yīng)和Na2CO3溶液的問題討論，如是否可以用蒸餾水吸收蒸氣分離產(chǎn)物？你是怎么想到要用飽和Na2CO3溶液的？能不能用NaOH溶液？飽和Na2CO3溶液具有較強堿性為什么不考慮乙酸乙酯的水解損失？為什么不能用稀的Na2CO3溶液？討論不同介質(zhì)體系對乙酸乙酯溶解及水解程度的影響，理解反應(yīng)限度、平衡思想和速率原理在該實驗中的綜合應(yīng)用，說明真實反應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，提升學(xué)生對物質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化的理解水平。實驗必須具有思想方法視野才能實現(xiàn)教學(xué)的品格提升。

3 能力素養(yǎng)發(fā)展

3.1 實驗促進學(xué)生能力素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)

知識掌握和思想方法形成，最終都歸結(jié)為素養(yǎng)發(fā)展。實驗教學(xué)促進核心素養(yǎng)發(fā)展，重點思考3個內(nèi)容。（1）基于實驗的宏觀現(xiàn)象事實的微觀解釋。實驗不僅是提供證據(jù)和經(jīng)驗證明，也是科學(xué)解釋說明的對象。如有關(guān)銅元素組成物質(zhì)的顏色變化事實，不同配體形成配合物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系，可用Cu2+核外電子排布、雜化軌道理論以及電子躍遷理論解釋，發(fā)展宏觀辨識與微觀探析素養(yǎng)。（2）基于實驗證據(jù)的理論假設(shè)模型建構(gòu)。證據(jù)運用和科學(xué)推理是知識產(chǎn)生的基礎(chǔ)，實驗教學(xué)要為學(xué)生知識生產(chǎn)服務(wù)。如從多個晶體熔沸點硬度及熔融態(tài)導(dǎo)電事實出發(fā)，通過物性分類歸納和猜想分析，選擇典型代表物NaCl為研究對象，對微粒間作用力進行理論假說和模型建構(gòu)［10］，讓學(xué)生經(jīng)歷“事實分析猜想假說建模應(yīng)用”過程實現(xiàn)知識生成。（3）基于實驗實現(xiàn)方法解決真實情境問題，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新意識和社會責(zé)任核心素養(yǎng)。素養(yǎng)發(fā)展的最終指向是實踐力，具體表現(xiàn)是解決實際問題。物質(zhì)制備創(chuàng)造、污水凈化處理、環(huán)境修復(fù)工程和科技應(yīng)用等，都是實驗發(fā)展能力素養(yǎng)的情境領(lǐng)域。

3.2 實驗促進能力素養(yǎng)發(fā)展的方法路徑

一是摒棄傳統(tǒng)操作驗證性實驗活動形式，設(shè)計注重思維能力培養(yǎng)的探究性實驗活動。照方抓藥式的操作實驗活動，注重實驗知識技能的訓(xùn)練掌握，注重化學(xué)知識內(nèi)容的驗證記憶，主要思維方式是驗證說明演繹，較少分析推理歸納，兩種思維后者更具能力素養(yǎng)發(fā)展品質(zhì)?！案鶕?jù)解決問題需要提出探究課題”是科學(xué)探究創(chuàng)新意識素養(yǎng)的高要求［11］，照單操作的實驗活動必須改變，主要途徑是對教材演示驗證性實驗進行二次設(shè)計。如鐵及其化合物性質(zhì)實驗［12］，可設(shè)計為：以某抗貧血藥片是否含F(xiàn)e2+為探索主線，以Fe2+、 Fe3+檢驗和相互轉(zhuǎn)化為暗線，引導(dǎo)學(xué)生提出問題、設(shè)計方案、推測假設(shè)，開展實驗分析推理總結(jié)歸納，在掌握Fe2+、 Fe3+檢驗和相互轉(zhuǎn)化知識基礎(chǔ)上，形成根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理研究物質(zhì)性質(zhì)的思想。具體問題：（1）如何檢驗藥片中是否含有Fe2+？滴入NaOH溶液為什么未出現(xiàn)應(yīng)有現(xiàn)象？怎么改進才可檢出微量Fe2+？（2）向FeSO4溶液中滴加KSCN溶液出現(xiàn)淺紅色的原因？加入何類物質(zhì)能使顏色變深？H2O2滴入顏色先變深后又褪色原因？如何實驗證明是此原因?qū)е?。?）加入何類物質(zhì)能使溶液血紅色變淺？（4）藥片與Vc同服可以增加藥效吸收，猜測可能原因。（5）實驗證明Vc具有還原性。

二是建構(gòu)實驗組織設(shè)計邏輯的思維模型，促進實驗知識技能和思想觀念方法應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化。孤立的零散個別實驗不能實現(xiàn)實驗知識和思想方法整合，實驗要成為能力素養(yǎng)的培育手段，需要設(shè)計組織整體性綜合化實驗，進行實驗知識技能思想的結(jié)構(gòu)化整合。綜合化整體性實驗組織設(shè)計的思維邏輯模型主要有3個：（1）物質(zhì)制備類實驗。物質(zhì)制備實驗思維的主邏輯是“原理路徑—方案設(shè)計—條件控制—產(chǎn)品獲得”，具體包括：原料選擇和反應(yīng)路徑比較，實驗儀器裝置實驗方法，實驗條件控制及目的分析，產(chǎn)品分析和實驗優(yōu)化評價。（2）物質(zhì)分析類實驗。按照“定性—定量—結(jié)構(gòu)”思路建構(gòu)實驗思維模型。定性分析：在物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，預(yù)測性質(zhì)猜想轉(zhuǎn)化可能，設(shè)計實驗進行驗證檢驗。定量分析：定量實驗獲取物質(zhì)組成及含量關(guān)系，包括重量分析、容量分析，如熱重實驗、滴定實驗等。結(jié)構(gòu)分析：物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)分析，如X射線衍射法等。（3）理論建構(gòu)類實驗?；瘜W(xué)原理認知實驗的基本邏輯是“實驗呈現(xiàn)—關(guān)聯(lián)建模—模型實證”，在概念形成和理論建構(gòu)過程中，實驗起到聯(lián)結(jié)事實經(jīng)驗與科學(xué)原理的紐帶橋梁作用，促進學(xué)生認知從經(jīng)驗感覺向客觀理性的跨越發(fā)展，同時也是檢驗認知結(jié)論和鞏固認知結(jié)果的重要方法。如勒夏特列原理學(xué)習(xí)過程中圍繞原理學(xué)習(xí)的實驗至關(guān)重要。

三是積極開展情境化主題式實驗教學(xué)，在任務(wù)驅(qū)動問題解決中提升能力素養(yǎng)。主題式情境化實驗可在高三復(fù)習(xí)階段進行。具體做法是基于學(xué)生認知設(shè)計大主題情境化實驗任務(wù)，提高學(xué)生從實驗視角分析問題解決問題的能力。如以含鉻（VI）工業(yè)廢水凈化處理為主題組織教學(xué)，設(shè)計多情境任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)實驗思維視角探尋問題解決思路。在任務(wù)的背景敘述、問題呈現(xiàn)、信息給予等方面采用文字、流程、坐標(biāo)、曲線等多樣化表達形式，在實驗方案設(shè)計、事實現(xiàn)象究因、問題解決的學(xué)術(shù)表達等多任務(wù)完成中，實現(xiàn)學(xué)生素養(yǎng)能力的全面培育。教學(xué)任務(wù)有：（1）實驗探究：鉻（VI）在不同pH溶液中的形式轉(zhuǎn)化及含量分數(shù)坐標(biāo)曲線圖認識，同為鉻（VI）的不同形式鉻（VI）離子氧化性不同原因分析。（2）方案設(shè)計：根據(jù)探究結(jié)論和資料信息，結(jié)合有關(guān)化學(xué)原理，設(shè)計電解法和沉淀法處理廢水的實驗方案，編制有關(guān)作用機理、條件控制、原因分析和方案評價問題。（3）遷移評價：設(shè)計評價性任務(wù)。如，納米FeS可去除水中微量六價鉻［Cr（VI）］。在pH=4～7的水溶液中，納米FeS顆粒表面帶正電荷，Cr（VI）主要以HCrO-4、 Cr2O2-7、 CrO2-4形式存在，納米FeS去除水中Cr（VI）主要經(jīng)過“吸附→反應(yīng)→沉淀”的過程。在pH=4～7溶液中，pH越大FeS去除水中Cr（VI）的速率越慢的原因分析。該評價任務(wù)重點發(fā)展學(xué)生信息能力和化學(xué)原理遷移應(yīng)用能力。綜合式實驗主題教學(xué)有助于實現(xiàn)學(xué)生多方面的能力素養(yǎng)發(fā)展。

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