在實驗評析和改進中培養學生的批判質疑和創新能力

陳允任

摘要：批判質疑和創新能力是科學精神的重要組成部分，也是高中化學學科核心素養之一，批判質疑和創新能力的培養必將成為新一輪課程改革的重要目標并加以落實。文章探討在高中化學教學中如何充分挖掘教材中的素材資源培養學生批判質疑和創新意識，以人教版高中化學教材“鈉與氯氣反應”實驗的評析及創新設計教學為例，通過學生分析評價、體驗課本實驗現場，鼓勵學生大膽質疑原實驗方案的不足，并運用所學的知識創新設計“鈉與氯氣反應”實驗，促進學生批判質疑和創新能力的發展，培育學生的科學精神。

關鍵詞：科學精神;批判質疑;實驗評析;創新設計

文章編號：1008-0546（2019）03-0078-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.03.024

一、問題的提出

1.基于學生發展核心素養的探討

2016年9月中國學生發展核心素養研究成果正式發布，指出：科學精神主要是指學生在學習、理解、運用科學知識和技能等方面所形成的價值標準、思維方式和行為表現。具體包括“理性思維、批判質疑、勇于探究”等基本要點，這一操作性的解釋是我們對科學精神進行理解的文本基礎，也是指導一線教師將宏觀教育理念與具體教育教學實踐相結合的關鍵環節。然而，在具體實施的過程中，這三大“基本要點”究竟應該如何在實際教學過程中培養？需要深入探討與研究。本文對科學精神培養的討論采用《中國學生發展核心素養》的描述和界定，即理性思維、批判質疑、勇于探究，并基于人教版高中化學教材“科學探究”欄目教學素材資源功能和價值的挖掘，探討如何在高中化學教育中培養學生科學精神。

2.基于目前高中化學教學的現狀

科學精神培養是科學教育的核心目標之一，新修訂的《普通高中化學課程標準（2017年版）》將“科學精神和社會責任”作為高中化學學科核心素養的五個維度之一，科學精神的培養必將成為未來化學課程改革的重要目標并加以落實。但是，在長期的高中化學教育教學實踐中，不難發現，科學精神的培養，尤其是批判質疑素養的培養，在高中化學課程和教學中是嚴重缺失的。筆者以化學學科為例，通過檢索中國知網、維普網等國內學術論文數據庫，發現目前已有較多的研究者和一線教師對“科學探究”課堂的教學設計和教學策略進行論述，但關于培養學生“理性思維”和“批判質疑”的相關教學實踐的研究論文不多。綜觀目前學校里的教學現狀，普遍存在過多的強調教師、教材的“權威”的思想，它不但束縛了學生的思維的發展，制約了學生的批判、創新能力的發展，也影響到學生綜合素質的提高。因此，糾正教學中“權威”思想的影響，打破思維定勢，對學生的科學精神的培養有著特殊意義。

3.基于高中教材化學實驗素材資源的挖掘

科學精神的培養需要基于高中化學課程標準明確的目標規定、內容要求、教材編寫中豐富的素材資源和教師創造性的實踐才能實現。在高中化學教材中，通常有普通實驗（演示或分組）、科學探究實驗兩大類，無論是哪種類型實驗的教學，基本上是按教材給定的實驗方案進行，其實驗結果往往是已經知曉的，缺乏創新意識，學生積極性不強。在教學過程中，發現教材安排的實驗中有的很難利用已有的實驗條件在課堂上完成，而且大部分都是一些驗證性實驗，使學生感到枯燥乏味失去學習的興趣，不僅如些，常規的化學實驗課堂往往是由老師先進行演示，學生再重復老師的步驟，考查的是看學生是否能在不出錯的情況下完成此類實驗。所以，我認為改進實驗方案，能使實驗教學與探究學習融合起來，進一步充分發揮實驗的探究功能，使學生對實驗保持持久的探究興趣和創造興趣，進一步激發學生的創新精神和實踐能力。

二、“鈉與氯氣反應”教學的設計與實施

1.教材內容的評析與整合

人教版、魯科版和蘇教版分別在必修1和必修2氧化還原和離子鍵的內容中均以“鈉與氯氣反應”為例，揭示氧化還原反應的本質，從微觀的角度認識電子轉移與氧化還原反應的關系，以及分析離子鍵的形成，體現活潑金屬與活潑非金屬化合形成離子化合物的過程。

鈉與氯氣反應在中學化學教學中是一個很重要的反應，在學習氧化還原和離子鍵時，無論是教材還是教師課堂教學必以此反應作為例子來分析。人教版必修2還設計了“鈉與氯氣反應”的實驗，由于該實驗存在一定的污染，在實際教學中很少教師會做這個實驗。

（1）教材演示實驗設計

①人教版高中化學必修2中第一章第三節P21實驗1-2介紹了“鈉與氯氣反應”實驗：

取一塊綠豆大的金屬鈉（切去氧化層），用濾紙吸凈煤油，放在石棉網上，用酒精燈微熱。待鈉熔成球狀時，將盛有氯氣的集氣瓶迅速倒扣在鈉的上方（圖1），觀察現象。

②魯科版高中化學必修1中第二章第3節P50圖2-3-4金屬鈉在氯氣中燃燒（圖2）。

（2）教材演示實驗設計的不足

①將盛有氯氣的集氣瓶倒扣住熔成球狀的鈉塊過程中，會有較多的氯氣泄漏，并且在把握倒扣的時機和操作上有一定的難度。

②由于實驗裝置沒有密封，在反應過程中放出大量的熱使氯氣大量泄漏，造成環境污染。

③由于實驗存在對環境較大的污染和一定的安全隱患，在課堂教學中不宜分組實驗，一般在通風櫥中演示實驗，全體同學難以觀察清楚實驗現象。

④氯氣的用量較大，增加了制備氯氣的量和消耗的藥品，同時也增加了氯氣對環境的污染。

⑤鈉和氯氣都是很活潑的金屬和非金屬的代表，理論上它倆很容易反應，但本實驗中卻需要把鈉加熱至熔化，這與原理上分析鈉和氯氣很容易反應有些沖突。

2.教學活動、設計意圖和素養目標的提出

筆者整合本課時教學內容之間的內在聯系，基于學習進階理論和化學探究教學設計系統，為學生設計了一定開放性的10個進階任務及學習小結的綜合性總任務，關注學生學習過程的發展方向、路徑設計和每個階段的具體素養要求（表1）。

三、“鈉與氯氣反應”實驗的創新設計及效果

1.創新實驗方案

取一支硬質玻璃試管（25mL）收集滿干燥的氯氣（圖3），取一塊綠豆大小、已經切掉表面氧化層的金屬鈉，用小刀壓扁;然后拔開裝氯氣試管的膠塞，迅速把鈉塊投入其中，塞上膠塞（圖4）。

2.創新實驗設計的實驗效果

可以看到，鈉塊表面很快有白煙慢慢冒出（圖5），接著就燃燒起來，產生黃色火焰（圖6、7），燃燒完后，試管內壁附著一層白色的固體（圖8）

3.創新實驗設計的優點

首先，本實驗是在常溫條件下進行，更能反映鈉和氯氣作為活潑金屬與活潑非金屬的化學性質特點;其次，實驗中鈉和氯氣的用量少，實驗裝置、操作簡單，實驗過程中氯氣泄漏量少，對環境污染少;還有實驗現象明顯，可近距離觀察，既可以教師課堂演示實驗，也可以是學生自行實驗。

四、教學效果與啟示

1.教學效果與分析

本課程以鈉與氯氣反應實驗為載體，通過復習兩種典型的活潑金屬鈉和非金屬氯的原子結構，判斷鈉和氯氣之間在常溫下就可能反應，但教材的實驗是需要加熱，利用這個認知沖突，鼓勵學生大膽質疑，并通過觀察教材的實驗操作過程中氯氣泄漏對環境的影響，激發他們改進實驗的欲望。借助這一實驗課程教學的開展，促進學生科學精神的發展，尤其是在探究過程中促進學生思維的發展，培養學生尊重事實、認真嚴謹、敢于批判質疑的科學態度，引導學生對本實驗進行創新設計，最后設計出具有“操作簡單，現象明顯，體現本質，環保安全”特點的創新實驗，使實驗既能用于教師課堂演示，亦可用于學生分組探究。

2.教學啟示與展望

國家教育部已將“科學精神”作為學生發展核心素養重要組成要素之一，也是高中化學學科核心素養的重要內容，作為一線高中化學教師，應該著力加強自身對科學精神的認識和理解，強化自身科學精神教育的責任意識，充分挖掘高中化學教材中素材資源，引領學生參與化學實驗的改進和設計，通過改進實驗方案、優化實驗方法、設計實驗裝置、研制實驗用品等，通過靈活多樣的形式或途徑，幫助學生感知、領悟、體驗科學精神的核心要義，在化學教學的細節中培養學生的理性思維、批判質疑和勇于創新的科學精神。