基于化學學科核心素養培養的探究實驗教學

彭毅

【摘 要】初中化學老師在教學中培養學生的化學學科素養，通過實驗帶領學生進行探究，觀察實驗結果的方法，同學積極參與思考、討論和實驗，能有效鍛煉和提升學生的合作學習能力，培養學生的創新意識和創新能力，對于中學化學的教學具有很好的促進作用。

【關鍵詞】探究實驗;學科核心素養;教學

2017版普通高中化學課程標準明確提出，高中化學課程以發展學生的化學學科核心素養為主旨。初中化學老師理應順應學科素養發展的要求，在教學中著力于對學生化學學科素養的培養。通過教師引導學生基于基礎的化學實驗進行探究和拓展，無疑對提升學生科學探究和創新意識這一學科素養大有裨益。

2018年蘇州市初三化學實驗操作考查的實驗題目之一是探究“碳酸氫鈉、碳酸鈉分別與稀鹽酸的反應”，實驗考查的內容和步驟為：用鑰匙的柄端分別取少量碳酸氫鈉、碳酸鈉粉末加到2支試管底部，再各倒入約1ml稀鹽酸，振蕩片刻，對比觀察現象。該實驗題目涉及到的實驗是一個基礎的化學實驗，實驗題目主要是考查學生基本實驗操作技能的掌握情況。筆者基于該實驗帶領學生進行了適度的探究，收到了良好的教學效果。

一、引導學生挖掘實驗中蘊藏的問題資源，培養學生發現和提出問題的能力

能發現和提出有探究價值的問題是科學探究素養的重要方面。愛因斯坦曾經說過：提出一個問題比解決一個問題更重要。所以，我們在進行實驗教學時要敏銳地抓住可以利用的教學資源，引導學生主動對實驗的原理、過程或結果中可能蘊藏的問題進行挖掘和探究，從而培養學生發現和提出問題的能力。

上述實驗中，學生可以清楚地觀察到碳酸氫鈉、碳酸鈉與稀鹽酸都能進行劇烈的反應。在此基礎上，筆者引導學生去挖掘關于這個實驗是否還有需要研究的問題。同學們經過思考和交流，提出了這兩個反應哪個更加快速？這個反應速度的快慢是否能通過實驗加以研究？反應速度的快慢受到哪些因素的影響？等一系列問題。

通過這個教學過程，學生認識到在觀察和分析實驗時不能僅僅停留在描述實驗現象這個水平上，還可以對實驗的過程和結果進行深層次的研究。這樣不僅學生的問題意識能得到培養，發現和提出問題的能力也能得到鍛煉和提升。

二、安排學生進行實驗方案設計，培養學生設計探究方案的能力

能從問題和假設出發，確定探究目的，設計探究方案也是科學探究素養的重要組成部分。在學生分析實驗提出問題后，教師就需要因勢利導組織他們設計并完善探究方案。教師通過將學生分為幾個探究小組，根據已經提出的問題設計實驗方案，并就實驗中每一步的操作要點和要求進行細化研究，能使自己設計的方案更具合理性和可操作性。

通過討論，同學們確立的探究問題是比較碳酸氫鈉、碳酸鈉與稀鹽酸反應的速率哪一個更快速。圍繞這個實驗探究的目的，學生根據自己所學習的知識，并經獨立思考和小組合作確定了基本的探究方法：通過控制單一變量來進行對比實驗。實驗的唯一自變量是反應物之一的種類不同，分別是碳酸氫鈉、碳酸鈉，另一種反應物鹽酸是相同的。從控制單一變量的要求來看，實驗條件是要保證除了碳酸氫鈉和碳酸鈉兩反應物不同外，其他條件都相同，包括碳酸氫鈉和碳酸鈉的量相同，固體顆粒粗細大小相同，鹽酸的濃度和量相同等等各種條件。

在確定總體實驗方案的基礎上，學生又對實驗中的一些具體問題進行了分析和探討。例如學生們研究了加入鹽酸的量多少合適？要保證加入的碳酸鈉和碳酸氫鈉完全反應，則應根據哪一種反應物來計算鹽酸的合適用量？選擇什么濃度范圍內的鹽酸濃度比較合適？運用什么辦法能比較直觀地觀察到實驗的結果？等等一系列問題。隨著這些細節問題的逐漸明晰，各學習小組就基本能夠形成比較合理的實驗探究方案。

學生通過對真實的有探究價值的問題的研究和分析，在自己的獨立思考和小組合作的基礎上，能夠提出一個比較完整而且合理的探究方案。學生通過參與和感悟這個過程，他們就能真切而具體地體會到構建探究方案的基本步驟和方法。古人說：“夫耳聞之，不如目見之;目見之，不如足踐之”，要提高學生設計探究方案的能力，培養學生科學探究的化學學科素養，就需要讓學生圍繞真實問題進行身體力行的實踐。

三、啟發學生圍繞實驗進行創新思考，培養學生的創新意識和創新能力

在當今世界，創新意識和創新能力越來越成為一個國家國際競爭力的決定因素。創新意識和創新能力就屬于化學學科核心素養的重要組成部分。我們在進行化學教學時要努力培養學生的創新意識和創新能力。在進行問題探究和實驗方案設計的過程中，學生可以圍繞需要研究的問題進行合理而多樣的創新性的思考和設計，從而達到培養學生創新意識和創新能力的教學目標。

學生在討論上述實驗方案的細節時，對于反應物碳酸鈉與碳酸氫鈉固體顆粒的大小和用量進行了分析。首先關于兩種反應物的用量，幾乎所有同學都認為只要碳酸鈉和碳酸氫鈉固體等質量就可以，于是我啟發同學思考下列問題：本實驗要研究的問題是什么？我們通過觀察什么現象來進行實驗結果的對比？等質量的碳酸鈉和碳酸氫鈉與足量的鹽酸完全反應產生的二氧化碳是否相等？同學們經過分析發現本實驗通過觀察單位時間內產生的氣體量來比較反應速率，而等質量的碳酸鈉和碳酸氫鈉與足量的鹽酸完全反應產生的氣體（二氧化碳）量是不同的，不利于比較。在此基礎上，我再啟發學生思考如何解決這一問題？學生們能夠分析出：由碳酸鈉和碳酸氫鈉與過量鹽酸反應能夠產生等量二氧化碳來確定碳酸鈉和碳酸氫鈉的應該用的質量或質量比。理論上假設與足量鹽酸都產生0.44g二氧化碳，則碳酸鈉應該用1.06g，碳酸氫鈉應該用0.84g，即碳酸鈉和碳酸氫鈉的質量比應該是106：84（即53：42）。由計算來看碳酸氫鈉所用質量比碳酸鈉的少，如果所用固體質量少在短時間內產生二氧化碳多，就更能說明碳酸氫鈉與鹽酸反應速率快。由于固體顆粒物的大小影響了反應物之間的接觸面積從而影響了反應速率，我向同學們提出如何使反應物的顆粒大小基本一致呢？學生討論方案多種多樣，最有代表的是：①手工挑選較大的、顆粒大小程度相同的兩種固體顆粒;②有同學想到都研磨成粉末狀;③極少數同學提出用粗一點的篩子先篩下固體顆粒，留在粗篩子上的固體棄用;再用稍細一點的篩子篩選粗篩子漏下的固體顆粒，取用留在細篩子上的固體顆粒（棄用細篩子漏下去的顆粒），這樣取用的固體顆粒就是能漏得下大一點的篩子而漏不下小一點篩子的顆粒，能基本保證固體顆粒粗細大小基本相同。

在這個教學過程中，教師通過啟發學生思考和討論，對反應物的用量進行深入地分析，破除了在對比實驗中反應物用量一定等質量這樣的思維定式，而是從產物量的角度來分析反應物的用量。對于固體反應物顆粒大小的研究，少數同學提出的上述第三種解決方案非常具有創造性。這樣的探究過程中無疑對于培養學生的創新意識和創新能力是具有很好的促進作用。

四、組織學生進行小組合作，培養學生在探究學習中的合作能力

合作學習是一種中重要的學習方式。學生能夠很好的參與合作學習，在合作學習中表現出很好的合作精神和合作能力也是作為人的重要的核心素養之一。在解決探究性問題時，這些探究性的問題往往具有一定的復雜性，從問題的提出、方案的設計、細節的考慮、到最終進行科學實驗并對實驗結果進行分析，可能還需要對探究過程中出現的新問題進行進一步的研究。這個復雜的學習和探究過程就需要教師組織學生建立學習小組通過相互合作的方式來推進。

學生在研究通過什么辦法來觀察實驗結果的時候，各學習小組展開了熱烈而充分的討論，每個學習小組都提出了各自的方案。有些小組通過合作探究提出同時用相同型號的氣球收集產生的氣體，看它們在相同時間內脹大的速率的方案。而通過這個方案來進行實驗的結果的對比，就需要兩組實驗同時進行，還需要有同學及時記錄實驗的結果。顯然這個實驗過程需要學習小組內的同學進行合理的分工和合作，保證實驗能夠順利進行。實驗中，同學們將等量的適宜濃度的鹽酸注入試管，將碳酸鈉和碳酸氫鈉顆粒放在相同的氣球中，然后通過小組同學的配合同時將碳酸鈉和碳酸氫鈉顆粒加入到鹽酸中，另外的同學負責記錄實驗結果和拍照。最后的實驗結果如下圖：

實驗的結果非常好的說明了相同條件下，碳酸氫鈉與鹽酸的反應速率更快，同學的探究實驗取得了成功。在該教學過程中，小組合作學習得到了比較好的體現，各學習小組的同學積極參與思考、討論和實驗，學生的合作學習能力得到了有效的鍛煉和提升。

化學是一門以實驗為基礎的學科。在初中化學教學中，我們會接觸到很多的實驗，如果我們初中化學教師都能做一個有心人，帶領學生圍繞一些具有探究價值的基礎性化學實驗展開適當的拓展和探究，引導學生提出問題、設計方案、適度創新、加強合作，就能為培養學生的化學學科素養提供了一條切實可行的路徑。