高中化學實驗教學的目標任務和方法路徑

摘要：基于“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)及其學業(yè)質量要求，系統(tǒng)整體規(guī)劃高中化學實驗教學主要任務目標。一是實驗基本知識技能掌握目標，可通過建構基礎實驗認知模型和強化模型應用教學予以達成；二是有關思想觀念思維方法形成目標，可通過加強實驗探究促進學科理解融合教學予以實現；三是關鍵能力素養(yǎng)發(fā)展目標，可通過變革實驗活動形式、設計實驗組織邏輯和開展主題綜合實驗予以發(fā)展。關鍵詞：化學實驗；高中化學；目標任務；方法路徑化學實驗教學是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的重要活動［1］。對近年有關實驗教學研究成果分析發(fā)現［2～5］，實驗教學比較缺乏系統(tǒng)規(guī)劃，沒有關于實驗目標任務及方法策略研究。整體規(guī)劃高中化學實驗教學任務，優(yōu)化實驗教學方法路徑具有現實意義。從核心素養(yǎng)分析，“科學探究與創(chuàng)新意識”是高中化學實驗教學的終極目標，根據化學課程目標及科學探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)的細分要求［6］，化學實驗教學的主要任務目標應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圍繞物質性質反應、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。如物質性質研究、氣體制備、從溶液中獲得固體、分離提純檢驗分析物質等。實驗基本知識和操作技能是實驗的“物質基礎”，是實驗開展的基礎平臺。有研究指出［7］，實驗基本知識包括實驗所涉及的反應原理、實驗裝置、藥品選擇、產物檢驗、產物分離提純、變量識別和反應條件控制等。實驗基本技能包括各種儀器正確使用、裝置組裝調試及實驗操作規(guī)范等。對于實驗基本知識技能目標要求，可結合不同教材進行比較概括。參考“科學探究與創(chuàng)新意識”學業(yè)水平要求，對必修中9個必做實驗的知識技能目標建議如表1。1.2實現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，石棉網加熱，蒸汽加熱，表現了不同的加熱操作。掌握實驗知識技能的有效方法是建構知識組織模型并應用模型。實驗基本知識技能主要在必修中學習，掌握的方法路徑主要有兩個。一是建構5個基礎實驗認知模型。（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學習實現零散知識技能記憶的低階學習。（2）固液態(tài)物質除雜分離認知模型。以粗鹽提純?yōu)槔懻摻嫵s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。重點掌握冷卻結晶和蒸發(fā)結晶原理，實現對沉淀反應、過濾、洗滌、檢驗、干燥等知識結構化。（4）工藝技術思想認識模型（流程圖）。以侯德榜制堿為載體，理解現代工業(yè)技術“降本增效”核心思想，基于教材文本建構工藝流程認知模型，學習掌握流程表征形式的實驗知識技能。（5）簡單實驗方案設計思維模型。立足教材相關內容初步建構離子檢驗類、物質制備類以及變量控制類實驗方案設計思維模型，能用“定原理畫流程寫方案”思維程序進行簡單設計和表達輸出，實現基本知識技能綜合化應用。另一個方法路徑是在元素化合物知識學習過程中，加強以上5個認知模型應用教學。如氣體制備性質認知模型，可從CO2、O2制備實驗開始，在Cl2學習中實現模型初建，在C與濃H2SO4反應產物檢驗和性質探究中進行模型鞏固。再如從溶液中獲得固體實驗模型，在結晶教學時初次接觸建構，在侯德榜制堿產物分離中鞏固認識，到硫單元廢銅屑制膽礬中進行總結認識，再到綠礬、氯化鐵晶體制備中強化模型應用。通過5個實驗認知模型建構及其強化應用，可實現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。高中化學實驗教學應幫助學生形成重要思想觀念和思維方法。如基本的科學觀念科學思維和重要的化學思想方法等?？茖W的本質是證實證偽，實驗能夠反映科學的暫定性、經驗性、創(chuàng)造性、建構性本質［8］，對學生形成科學本質觀具有重要作用。實驗是重要科學實踐，實現知識理解同時形成思維方法。如在以實驗為基礎的探究教學中，學生通過觀察事實獲取信息，提出問題假設進行實驗證明和分析推理，經歷歸納比較抽象概括等思維活動，獲得結論形成概念認識，體驗了科學的思維方法?；镜目茖W觀念和思維方法形成是實驗教學的應有目標。此外，實驗教學要有助學生透過知識表面，助力學生理解化學規(guī)律原理，培養(yǎng)學生形成化學思想觀念和掌握化學思維方法。鈉鎂鋁生成氫氣實驗，隱含金屬活動性變化規(guī)律、位構相依原理、元素周期律等，都要在實驗教學中得到明示。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）和性質變化（微粒存在形式和微粒濃度影響氧化能力），促進學生形成變化觀念與平衡思想，深化“結構決定性質”思想理解，形成從微粒元素價態(tài)、微粒濃度改變和微粒結構嬗變的多重視角綜合分析性質變化的學科思想。2.2促進形成思想方法的教學策略核心素養(yǎng)的證據推理是一種科學思維方法，化學實驗為推理提供事實證據，有助于培養(yǎng)學生科學思維和科學方法?；瘜W知識原理是科學結論，實驗探究通過“假設創(chuàng)造”“假設檢驗”在事實證據與科學結論間建立邏輯關系，是學生獲取知識、解決問題和理解概念的深度思維訓練過程［9］。在教學中要對實驗賦能，建立起實驗探究與學科知識和思想方法的內在聯系，實現學科深度理解，形成學科思想和實驗的浸潤融合。具體策略方法是：變革傳統(tǒng)“實驗展示現象解釋”教學模式，按照“物質結構分析性質可能預測問題證據聯系”認知邏輯開展實驗教學，強化預測分析、證據推理和綜合判斷的思維訓練，在實驗中實現思想方法形成和思維訓練強化。如乙酸乙酯制備與性質實驗，傳統(tǒng)教學強調：（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）反應條件控制如水浴加熱目的方法、收集產物蒸氣的試劑選擇和方法，（3）產品分離提純過程的操作、現象和原因說明，（4）酯化反應中醇酸斷鍵方式說明和原子示蹤法了解，書寫有關化學反應方程式。傳統(tǒng)實驗教學注重實驗基本知識技能掌握和化學知識驗證學習，缺乏科學思維方法的訓練培養(yǎng)。如果依照“分析預測證據”認知邏輯進行該實驗教學，則可以結合結構決定性質思想、平衡思想和速率原理進行深度探究教學。一方面是根據C、H、O元素電負性大小和電子效應原理，判斷C2H5OH、CH3COOH分子中CO、OH的極性強弱，分析兩種物質化學反應的活性位點，預測分子間脫水斷鍵方式，這種斷鍵方式的實驗證據是原子示蹤法。探究酯化反應機制，揭示伯醇、仲醇、叔醇中CO、OH極性的微妙變化，說明酯化反應中醇失羥基酸失氫的斷鍵可能，強化基團影響和結構決定性質思想。另一方面是酯水解反應和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？討論不同介質體系對乙酸乙酯溶解及水解程度的影響，理解反應限度、平衡思想和速率原理在該實驗中的綜合應用，說明真實反應系統(tǒng)的復雜性，提升學生對物質、結構、性質及變化的理解水平。實驗必須具有思想方法視野才能實現教學的品格提升。3能力素養(yǎng)發(fā)展3.1實驗促進學生能力素養(yǎng)發(fā)展目標知識掌握和思想方法形成，最終都歸結為素養(yǎng)發(fā)展。實驗教學促進核心素養(yǎng)發(fā)展，重點思考3個內容。（1）基于實驗的宏觀現象事實的微觀解釋。實驗不僅是提供證據和經驗證明，也是科學解釋說明的對象。如有關銅元素組成物質的顏色變化事實，不同配體形成配合物的結構性質關系，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）基于實驗證據的理論假設模型建構。證據運用和科學推理是知識產生的基礎，實驗教學要為學生知識生產服務。如從多個晶體熔沸點硬度及熔融態(tài)導電事實出發(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［10］，讓學生經歷“事實分析猜想假說建模應用”過程實現知識生成。（3）基于實驗實現方法解決真實情境問題，培養(yǎng)學生科學創(chuàng)新意識和社會責任核心素養(yǎng)。素養(yǎng)發(fā)展的最終指向是實踐力，具體表現是解決實際問題。物質制備創(chuàng)造、污水凈化處理、環(huán)境修復工程和科技應用等，都是實驗發(fā)展能力素養(yǎng)的情境領域。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練掌握，注重化學知識內容的驗證記憶，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?！案鶕鉀Q問題需要提出探究課題”是科學探究創(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計。如鐵及其化合物性質實驗［12］，可設計為：以某抗貧血藥片是否含Fe2+為探索主線，以Fe2+、Fe3+檢驗和相互轉化為暗線，引導學生提出問題、設計方案、推測假設，開展實驗分析推理總結歸納，在掌握Fe2+、Fe3+檢驗和相互轉化知識基礎上，形成根據氧化還原反應原理研究物質性質的思想。具體問題：（1）如何檢驗藥片中是否含有Fe2+？滴入NaOH溶液為什么未出現應有現象？怎么改進才可檢出微量Fe2+？（2）向FeSO4溶液中滴加KSCN溶液出現淺紅色的原因？加入何類物質能使顏色變深？H2O2滴入顏色先變深后又褪色原因？如何實驗證明是此原因導致。（3）加入何類物質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。二是建構實驗組織設計邏輯的思維模型，促進實驗知識技能和思想觀念方法應用的結構化。孤立的零散個別實驗不能實現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，需要設計組織整體性綜合化實驗，進行實驗知識技能思想的結構化整合。綜合化整體性實驗組織設計的思維邏輯模型主要有3個：（1）物質制備類實驗。物質制備實驗思維的主邏輯是“原理路徑—方案設計—條件控制—產品獲得”，具體包括：原料選擇和反應路徑比較，實驗儀器裝置實驗方法，實驗條件控制及目的分析，產品分析和實驗優(yōu)化評價。（2）物質分析類實驗。按照“定性—定量—結構”思路建構實驗思維模型。定性分析：在物質組成與結構學習基礎上，預測性質猜想轉化可能，設計實驗進行驗證檢驗。定量分析：定量實驗獲取物質組成及含量關系，包括重量分析、容量分析，如熱重實驗、滴定實驗等。結構分析：物質微觀結構分析，如X射線衍射法等。（3）理論建構類實驗?；瘜W原理認知實驗的基本邏輯是“實驗呈現—關聯建?！Ｐ蛯嵶C”，在概念形成和理論建構過程中，實驗起到聯結事實經驗與科學原理的紐帶橋梁作用，促進學生認知從經驗感覺向客觀理性的跨越發(fā)展，同時也是檢驗認知結論和鞏固認知結果的重要方法。如勒夏特列原理學習過程中圍繞原理學習的實驗至關重要。三是積極開展情境化主題式實驗教學，在任務驅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習階段進行。具體做法是基于學生認知設計大主題情境化實驗任務，提高學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，設計多情境任務，引導學生從化學實驗思維視角探尋問題解決思路。在任務的背景敘述、問題呈現、信息給予等方面采用文字、流程、坐標、曲線等多樣化表達形式，在實驗方案設計、事實現象究因、問題解決的學術表達等多任務完成中，實現學生素養(yǎng)能力的全面培育。教學任務有：（1）實驗探究：鉻（VI）在不同pH溶液中的形式轉化及含量分數坐標曲線圖認識，同為鉻（VI）的不同形式鉻（VI）離子氧化性不同原因分析。（2）方案設計：根據探究結論和資料信息，結合有關化學原理，設計電解法和沉淀法處理廢水的實驗方案，編制有關作用機理、條件控制、原因分析和方案評價問題。（3）遷移評價：設計評價性任務。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）主要經過“吸附→反應→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。該評價任務重點發(fā)展學生信息能力和化學原理遷移應用能力。綜合式實驗主題教學有助于實現學生多方面的能力素養(yǎng)發(fā)展。參考文獻：［1］［5］中學化學實驗素養(yǎng)體系及其發(fā)展研究［J］.課程·教材·教法，2021，（6）：116～121.［2］中學化學實驗改進與創(chuàng)新設計的誤區(qū)及應然路徑［J］.化學教學，2020，（12）：67～72.［3］中學化學數字化實驗的發(fā)展與應用［J］.化學教學，2020，（2）：56～59.［4］利用延時攝影技術觀察鐵銅置換反應［J］.化學教