學科核心素養視域下的中學化學實驗教學取向研究

黃恭福 鄒海龍

摘要：中學化學教學正經歷從“知識傳授”“能力培養”到“素養為本”教學價值觀的轉變和飛躍。化學實驗教學應立足于正確價值觀念、必備品格、關鍵能力三維一體的視角，聚焦關鍵能力發展、必備品格形成和正確價值觀念培育的取向。

關鍵詞：中學化學;化學學科核心素養;化學實驗教學;實驗教學取向

化學實驗在煉金術中萌芽，在醫藥、冶金工藝中成長，在波義耳、拉瓦錫實驗方法論指引下最終確立為科學。即使在理論和計算化學成為輔助化學家探索未知世界新工具的今天[1]，化學實驗仍然是化學認識的基礎和檢驗化學理論真理性的標準。中學化學新課程以發展化學學科核心素養為主旨[2]，化學實驗教學是踐行“素養為本”教學理念、轉變教學行為的學科教學關鍵領域。

1 開展學科核心素養視域下中學化學實驗教學研究的必要性

我國基礎教育界在廣泛開展國際比較研究的基礎上，明確提出了新時代“素養為本”的教學價值取向。開展學科核心素養視域下的中學化學實驗教學既是化學教學理論研究的需要，也是當前化學新課程教學實踐的迫切要求。

首先，《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱：新課標）確立了以發展學生化學學科核心素養為主旨的教學理念，要求緊緊圍繞這一主旨進一步優化教學過程、有效提高教育質量，發展素質教育，落實立德樹人根本任務。這充分說明學科核心素養視域下的化學教學是新時代、新課程、新教學的必然要求，是引領我國基礎教育課程改革發展方向的“教學指揮棒”。

其次，我國中學化學教學價值取向正經歷從“知識傳授”“能力培養”到“素養為本”的轉變和飛躍。為使“素養為本”教學理念真正落實在課堂，使它從一種教學理念、一種教學價值，轉化為師生自覺的教學行為，其重要教學策略是創設真實情境和設計驅動性問題，開展以化學實驗為主的多種探究活動、促進學生學習方式轉變、培養他們的創新精神和實踐能力。

三是，化學實驗作為化學學習特有的、重要的實踐活動，是落實“科學探究與創新意識”核心素養的重要途徑，具有不可替代的支撐作用。科學探究是進行科學解釋和發現、創造和應用的科學實踐活動，其本質是實踐創新;創新意識的培育和創新能力的發展只能在科學實踐活動的體驗中才能得以落實。化學實驗探究是科學探究在化學教學中的主要表現形式，它與科學探究的基本思路和過程是一致的。

吳星（2017）等學者研究認為：無論是從化學實驗研究的對象、過程還是結果分析，創新都是化學科學探究的重要特征[3]。因此，加強核心素養視域下的化學實驗教學研究有利于深化對“科學探究與創新意識”核心素養的培養。

四是，化學實驗教學為其他四項學科核心素養發展提供基礎支撐。課程標準明確指出：化學實驗對于全面發展學生的化學學科核心素養有著極為重要的作用。化學實驗作為科學實踐活動離不開科學認識活動的參與和指導，“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”是要求學生形成的化學學科思想和方法，需要依托“化學實驗”這種學科特有的實踐活動。化學實驗作為教的方法（實驗法）、學的方法（做實驗）和化學教學認識方法（實驗方法），是學生學習化學的重要認知工具，必然促進學生觀察方法、假說方法、科學抽象方法以及測量、記錄、條件控制、結果分析與處理等認識方法和技能的發展[4]。“科學態度與社會責任”是對化學學科價值取向的刻畫，不可能完全依靠傳統說教和簡單的師生對話發展，更需要有實踐活動的經歷、體驗。

不同學者也從不同角度和層面，揭示了化學實驗以“科學探究與創新意識”核心素養發展為重點，全面促進其他四項學科核心素養發展的功能價值。如陳進前（2019）提出的化學學科核心素養“基礎支撐與重點發展”互動模式，展示化學實驗教學對各核心素養發展的不同價值[5]。如圖1所示：化學實驗教學以“科學探究與創新意識”核心素養為重點發展目標，其他四個學科核心素養起“基礎支撐”作用。

王后雄（2018）則從思維、實踐、價值三個不同層面邏輯梳理化學學科核心素養的相互關系，科學探究與創新意識作為實踐層面核心素養需要思維層面核心素養的智力支撐，同時也生動、具體、形象展示價值層面的實然追求，如圖2所示[6]。

鄭長龍（2018）則從“實踐—認識—應用”的哲學認識高度，將化學實驗重點發展的“科學探究與創新意識”核心素養作為化學科學實踐活動的重要內容，進一步凸顯了其在化學核心素養發展中發揮的關鍵作用，如圖3[7]所示。

無論何種認識角度，都充分肯定了化學實驗在重點發展“科學探究與創新意識”核心素養的基礎上，對其他核心素養的發展起著支撐、協同、融合發展等不同功能。

2 學科核心素養視域下化學實驗教學取向

化學學科核心素養不是彼此孤立、靜態、割裂的五個具體條目的堆砌，而是相互聯系動態發展的系統，是學生正確價值觀念、必備品格和關鍵能力全面發展的綜合表現。化學實驗為學科核心素養的整體發展提供了學科特質的、獨有的、不可替代的學科實踐活動途徑。學科核心素養視域下的化學實驗教學是在正確價值觀念的指引下（體現社會價值），以關鍵能力為實踐手段（體現工具和技術價值），以必備品格為內在驅動力（體現個性心理品質價值），指向真實情境下問題解決的一種復雜的教學活動和學習活動。

化學實驗教學中既有動手操作活動也有動腦思維活動和心理活動;既有認識物質組成、結構、性質、轉化規律等智力活動，也有豐富的情感體驗和意志品質錘煉的非智力活動;既包括化學知識經驗的學習，也包括技能經驗的習得，更包括實驗觀念、思想甚至化學實驗文化的形成與培育。

顯然，化學實驗教學應在化學學科核心素養全面內涵發展的基礎上，注重從關鍵能力發展、必備品格形成和正確價值觀念培育，三個取向上創新化學實驗教學的指導思想和實施策略。

2.1 化學實驗教學應聚焦關鍵能力的發展取向

化學科學探究以化學實驗為重要實踐形式，化學實驗本質是科學實踐活動，離不開科學思維的理論指導。根據PTA（基本要素分析法）理論的觀點分析，核心素養視域下的化學實驗教學的關鍵能力包含科學思維能力和科學探究能力。

2.1.1 科學思維能力

化學實驗教學發展中具有化學學科特質的科學思維有：宏微結合、符號表征、變化平衡、證據推理、模型認知以及“實驗—歸納”等學科認識傳統等;此外還有比較與分類、分析與綜合、歸納與演繹、判斷與推理、外在與本質、科學假說、類比等重要思維方法。這些思維方法都蘊含著豐富的化學哲學以及形式邏輯和辯證邏輯思想，能在更高層面指導實驗探究活動，確保化學實驗能有更合理的方案、更科學的裝置、更適合的步驟、更全面的分析推理，最終得出更嚴謹的實驗結論。張嘉同認為，“實驗—歸納”是化學科學發展的認識傳統[8]，而歸納、演繹和類比是形式邏輯三種重要的推理形式，也是得出實驗結論的重要思維工具。化學科學思維中表現出的外在與本質、個性與共性、變化與平衡是辯證邏輯的重要內容;比較和分類是“穆勒五法”確定事物因果關聯求異法、求同法的思維基礎;分析與綜合更是蘊含著哲學“還原論”和“整體論”思想等。可見，化學實驗教學發展的科學思維能力是多層面、多角度、系統性的。

新課標要求：化學實驗教學要著力研究物質性質、探究反應規律，進行物質分離、檢驗和制備等不同類型化學實驗及探究活動的核心思路與基本方法。要針對不同實驗類型，探索與實驗內容（類型）相匹配的探究角度、活動程序，根據探究角度對問題本質的揭示程度，形成不同水平的認識方式（如宏觀—微觀、系統—孤立、定性—定量……），從而形成結構化的核心思路與學科基本方法。

根據不同的化學實驗內容和類型，“探究角度”有不同的內容和表現形式，有抽象概念、思維方法、結構化知識等，“活動程序（特征）”則是對不同實驗實施過程或實驗方法特征的描述和表征，具體如表1所示。

化學實驗核心思路與基本方法的發展與具體的實驗內容和實驗類型聯系密切。一是相同的實驗內容其探究角度不一定相同。如對物質性質的探究實驗，既可以選擇從物質類別視角設計實驗，也可以選擇從中心元素化合價差異的角度設計實驗探究，還可以從物質在溶液中的行為特征（如水解）進行實驗設計。能否選擇以及選擇的探究角度差異體現了學生認識方式的水平差異。如，選擇“物質類別”探究體現了認識物質的宏觀視角;選擇“化合價”差異探究體現了不同價態元素或微粒間變化的微觀視角;選擇“溶液中的離子行為（如水解）”探究體現了從宏觀、微觀、符號表征系統研究視角等。

案例1 SO2的性質專題復習教學片段

……

[教師]如何鑒別SO2和CO2氣體。

[學生]學生充分思考、討論、交流。

[師生]共同歸納、總結出多種鑒別SO2和CO2氣體的方法（所需的相關藥品或操作如下）。

（1）品紅溶液;（2） Ba（NO3）2、 HNO3;（3） H2S（aq）;（4）聞氣味;

（5） FeCl3（aq）;（6） Br2（aq）;（7） I2（aq）;（8）澄清石灰水;……

[教師]精講SO2的主要物理性質，并點撥利用氣體溶解性的差異也可鑒別兩種氣體。啟發學生對上述鑒別兩種氣體的方法進行分類，思考其鑒別的化學原理分別體現了SO2的哪些性質？

[學生]分組自主選擇桌面提供的相關藥品進行實驗探究，驗證實驗設計觀察實驗現象，體驗實驗過程。

[師生]歸納出體現SO2的性質包括：

（1） 酸性氧化物（物質類別角度）：與NaOH（aq）、澄清石灰水、CaO反應

（2） 氧化性（化合價視角）：與H2S（aq）反應

（3） 還原性（化合價視角）：與FeCl3（aq）、 Br2（aq）反應等

（4） 漂白性（物質特殊性視角）

[教師]歸納出研究物質性質的一般視角：物質類別視角（宏觀）、元素化合價視角（宏觀）、電子得失（微觀視角）、物質特殊性質視角等。

……

案例1中，教師利用學生熟悉的典型酸性氧化物CO2與SO2的鑒別引入，利用問題驅動啟發學生盡可能多地設計出鑒別SO2和CO2氣體的方法，再和學生一道梳理出學習物質性質的基本視角等。

二是不同實驗類別對于學生探究能力培養的價值不盡相同，如驗證性實驗主要是通過演繹加深對所學知識、原理的理解，探究性實驗主要是通過經驗歸納、分析推理得出化學知識和規律等，但這并不意味著驗證性實驗不能培養學生的探究能力，關鍵在于進行驗證性實驗設計的指導思想，是否將驗證性實驗作為探索知識規律的重要環節來看待。

案例2 向滴有酚酞試液的氫氧化鈉溶液中加入新制氯水溶液紅色褪去的實驗探究活動

[實驗教學方案]

（1） 教師演示實驗后，直接向學生解釋實驗現象的原因。

（2） 教師告訴學生實驗原理和結論后，由學生動手操作進行實驗驗證。

（3） 引導學生提出假設，并針對不同的假設設計實驗進行檢驗：紅色褪去的原因是新制氯水中和氫氧化鈉還是新制氯水氧化了酚酞等。

三是活動程序根據不同內容、目的有多種表現形式，并非僵化固定的。同一實驗類別可有多種活動程序。如有學者提出的探究實驗程序還有：“提出問題—假設—實驗—實驗現象觀察—分析—得出結論—歸納總結等”[9]。

四是從“實驗中量與質的關系視角”主要是認識和理解不同實驗方法（化學方法、儀器方法）、實驗手段的原理特點和應用范圍，深刻體會用于化學科學研究的現代實驗技術原理是利用了物質實體在光、電、磁等物理性質上的差異，而不是傳統化學實驗所依靠的物質實體間的化學反應。

從認識論和方法論角度，對不同類型實驗形成的探究角度、活動程序與認識方式就是一種認知模型，借助這種認知模型能加深對物質性質和變化的理解，提煉形成化學原理和規律，并用以指導其他實驗探究活動的開展。

2.1.2 科學探究能力

國內外關于科學探究主要有兩種觀點：一是科學探究是過程技能的集合;二是科學探究能力是科學思維和科學推理能力，各國對科學探究能力研究中有些側重第一種觀點，有些側重第二種觀點，有些是兩種觀點的融合。如美國科學促進會（AAAS）推出的SAPA課程，溫盛偉、邱寶蘭提出的包括“提出問題”等七個要素模型的科學探究能力評價量規[10]以及新課標對科學探究的描述等都屬于第一種觀點;徐睿（2012）提出的文獻探究能力和實驗探究能力[11]，劉東方（2018）的科學一般探究能力與探究角度、探究思路相融合的思想[12]屬于兩種觀點的融合等。

科學探究過程技能屬性體現了科學探究實踐活動各環節的邏輯關聯，為關涉范圍廣、開放程度大的化學問題解決提供了一種科學研究的工具框架。新課標將化學實驗重點發展的“科學探究與創新意識”核心素養劃分為4個不同水平并對其認知和行為進行了具體刻畫，屬于“輸入性”的學生核心素養發展要求;學業質量水平是根據學習后學生的實際表現刻畫核心素養的外顯行為，屬于“輸出性”的學生核心素養表現要求（鄭長龍，2018）[13]。根據“化學核心素養的水平劃分”和“學業質量水平”以及化學實驗教學的實踐經驗，化學實驗教學“科學探究過程技能”評價分析量表（見表2）對科學探究過程技能的各能力要素按照“水平1～水平4”的實際表現進行具體刻畫，本質屬于“輸出性”核心素養表現水平。這對化學實驗教學發展科學探究過程技能具有指導性、診斷性和發展性功能，具體如表2所示。

利用上述化學實驗教學“科學探究過程技能”評價分析量表，根據學生在實驗中的行為表現可診斷學生各能力要素現有水平，并作為關鍵能力進階提升教學策略的制定依據。

案例3 如實驗室儲存的硫化鈉晶體長期暴露在空氣中，可能會轉化為什么物質，請設計實驗進行證明。以“制定計劃”的“水平4”的行為表現為例分析（見表3）。

案例3中需要教師針對性地設計驅動問題、注重啟發引導，發展學生動態、聯系、多線性的實驗思維能力，合理選擇進階提升教學策略，從而有效發展科學探究能力要素的水平。從某種意義上看，化學實驗教學發展科學探究能力還能以問題解決的實驗探究活動形式進行。科學探究能力的發展與問題解決能力發展具有相互促進的特點[14]。

2.2 化學實驗教學應關注必備品格的形成取向

當前，世界各國或教育研究機構對核心素養的界定雖不盡相同，但總體上都是注重于“技能”或“能力”層面。我國核心素養不僅關注能力發展，還突出強調了必備品格的形成[15]。必備品格本質上是科學品格，體現了學科核心素養的人文性特征。

某種意義上關鍵能力和必備品格本質就是統一的整體，是化學學科素養發展的兩個方面，也是學科核心素養外顯的科學行為和內隱的科學品格的融合。關鍵能力和必備品格相互促進、相互完善。關鍵能力的發展既能有力促進學生必備品格的不斷完善，又離不開必備品格的引領，必備品格能支撐各關鍵能力在正確方向上發展，使能力發展具有方向感和可持續發展的動力。

如在化學實驗教學中，可以通過實驗技能訓練和實驗過程體驗，發展學生嚴謹、細致、求真的科學品格以及尊重、包容、團結等積極向上的個性心理品質等。還可以在實驗教學中融合化學史發展學生的必備品格，如氧氣的發現是化學領域里的一場深刻革命，它徹底推翻了錯誤的“燃素說”的束縛，使得化學向著正確方向快速發展。正如科學史家喬治·薩頓曾說：“無論科學可能變得多么抽象，它的起源和發展的本質卻是人性的”，這正揭示了科學本質的人文品格。

2.3 化學實驗教學應融合正確價值觀念的培育取向

化學實驗教學必須堅持“立德樹人”的育人方向，注重“社會主義核心價值觀”在化學實驗教學中的滲透，這是新課程“素養為本”教學的重要價值取向。正確價值觀念體現了學科核心素養育人的社會責任價值;必備品格體現了學科核心素養育人的科學態度價值;關鍵能力是學科核心素養發展學科價值的外在表現，三者融合共同集中承載和體現了化學學科核心素養發展的價值取向。

從“學科育人”的角度而言，化學實驗教學應堅持“贊賞化學、感激化學、熱愛化學”的價值觀念。正如周公度（2010）在《化學是什么》中所描述的那樣：化學是社會發展的推動者、化學是能源的開拓者、化學是材料的研制者、化學是環境的保護者、化學是美好生活的創造者、化學是新興產業的支撐者[16]。

學科核心素養視域下的中學化學實驗教學的關鍵能力取向、必備品格取向和正確價值觀念取向并非彼此割裂分離，而是以化學實驗的實踐活動為載體整體融合、協調發展的，即在關鍵能力的發展中有必備品格的訓練更有正確價值觀念的滲透。在化學實驗教學實踐中應根據不同實驗的特點，積極探索發展關鍵能力的有效策略，提煉形成必備品格的主要途徑，最終促使實現化學學科正確價值觀念“深入人心”的價值目標。

參考文獻：

[1]黃曉峰，曹同成，陳波. 計算化學——探索化學世界的羅盤[J]. 化學教學，2014，（3）：11～13+27.

[2]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.

[3]吳星. 對高中化學核心素養的認識[J]. 化學教學，2017，（5）：3～7.

[4]鄭長龍. 化學實驗教學新視野[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

[5]陳進前. 關于化學學科核心素養的三個建議[J]. 中學化學教學參考，2018，（17）：1～4.

[6]王后雄. 基于“素養為本”的高中化學學業水平考試命題研究[J]. 中國考試，2018，（1）：27～38.

[7][13]鄭長龍. 2017年版普通高中化學課程標準的重大變化及解析[J]. 化學教育（中英文），2018，39（9）：41～47.

[8]張嘉同. 化學—人文精神的韻味[M]. 長沙：湖南師范大學出版社，2000.

[9]吳敏. 基于“實驗—探究”的課堂教學設計[J]. 化學教育，2008，（7）：29～32.

[10]溫盛偉，邱寶蘭. 科學探究過程評價的實施策略[J]. 中國成人教育，2007，（21）：39～40.

[11]徐睿. 高中生化學科學探究能力測評研究[D]. 上海：華東師范大學碩士學位論文，2012.

[12]劉東方. 中學生科學探究能力表現及現狀測查[J]. 東北師大學報（哲學社會科學版），2018，（5）：178～184.

[14]楊濱. 培養學生問題解決能力的網絡“教學空間”應用模式研究[D]. 蘭州：西北師范大學碩士學位論文，2016.

[15]周衛東. 關注必備品格，提升核心素養[J]. 教育視界，2016，（24）：7～9.

[16]周公度. 化學是什么[M]. 北京：北京大學出版社，2011.