依托實驗情境，助力學生科學探究與創新意識的發展

許嘉

【摘 要】科學探究與創新意識是中學化學核心素養的重要內容，化學實驗是引領學生學習化學知識，探究化學問題的重要渠道，亦能有助于培養學生探究精神和創新品質。借助于實驗情境，從問題發現、問題分析、問題解決中，實現實踐活動與認知的統一、科學過程與方法的統一，啟發學生的問題意識，增進化學證據意識與創新能力。

【關鍵詞】高中化學;實驗情境;科學品質;核心素養

高中化學課標強調，教師要善于培養學生從宏觀和微觀兩個層面辨識和探析化學現象，使之具備探究精神和創新的意識、科學的實驗態度與強烈的責任心等核心素養。對化學理論的學習，少不了化學實驗的驗證，通過構建實驗情境，激發學生的化學興趣，發散化學思維，從化學實踐活動中，發展科學探究與創新意識，增進學生化學素養的習得。從實驗活動組織與設計上，要引領學生掌握基本的儀器使用、藥品取用、架構實驗模型等基本能力，要從實驗認知與科學探究中發展問題意識、證據意識和創新精神。

一、加強實驗觀察與宏觀分析，獲取化學科學認知

科學探究與創新意識，作為指導學生化學實驗教學的重要思想，教師要激勵學生主動去觀察化學實驗，積極去動手獲取實驗事實，從實驗科學探究中去分析、判斷和推理，建立化學邏輯關系。化學學科離不開化學實驗，實驗情境的創設，便于學生從實驗觀察中獲取具體的事實、數據和證據，促進學生得出結論和觀點。在“鈉與水的反應”實驗中，我們通過科學實驗活動，讓學生從實踐中去增進科學認知。首先，鈉與水的反應實驗，其基本過程是：在燒杯中加入大約一半高度的蒸餾水，再滴入數滴酚酞試液;靜置后，用鑷子取綠豆大小金屬鈉，并利用濾紙吸干金屬鈉表面的煤油;最后，利用鑷子，小心將金屬鈉，放入燒杯的水中，然后觀察實驗現象。在整個實驗過程中，教師以旁站指導的方式，做好每一步的說明，并將安全置于第一位。關于“鈉與水的反應”，其實驗現象是重點。金屬鈉浮在水面上，這一現象說明了什么？我們回顧物質與液體密度的關系，分析其沉浮狀態，可以推測金屬鈉的密度，應該比水的密度小，才會浮在表面。金屬鈉在和水反應之后，熔化成閃亮的小球。從這一現象來看，物質在熔化中，需要吸熱，才能得到熔點。說明金屬鈉與水反應時，需要釋放熱使其達到熔點。再根據室溫條件下進行實驗，可以推測金屬鈉的熔點應該很低。金屬鈉在水面上四處漂動，回顧物質的運動需要有力的作用，金屬鈉在水面上，與水反應時所產生的氣體，才能推動其四處游動，說明鈉與水反應有氣體產生。根據“嘶嘶”聲，說明金屬鈉在與水反應時，因物質之間的摩擦而產生聲音，氣體可能與水分子之間激烈摩擦，產生“嘶嘶”聲。觀察滴有酚酞試液的水溶液，發生變色，說明溶液有堿性物質生成。對于金屬鈉與水之間，具有堿性的物質有氧化鈉、過氧化鈉和氫氧化鈉，氧化鈉、過氧化鈉都與水反應，生成氫氧化鈉，氫氧化鈉是堿性，說明金屬鈉與水反應，生成了氫氧化鈉。最終推理得出實驗結論：Na+H20→Na0H+H2。由此來看，除了讓學生參與實驗操作，還要結合實驗活動及現象，讓學生從宏觀現象中去獲得化學感性認識，并借助于抽象、分析、推理，將化學實驗轉化為化學認知。

二、注重實驗過程與方法銜接，獲取化學科學方法

在化學科學探究中，實驗過程的參與是必不可少的。通過參與實驗，從實驗中提出問題、引入猜想、制定實驗計劃、獲取實驗數據、推理和解釋實驗現象，得出實驗結論。在整個實驗過程中，學生需要結合實驗現象、實驗變量及條件，展開分析、比較、分類、歸納、抽象、判斷、推理，從而獲得科學實驗方法。在認識“分散系及其分類”時，引入硫酸銅溶液與氫氧化鐵膠體實驗，讓學生從實驗對比中認識丁達爾效應。當光束照射硫酸銅溶液時，沒有光亮通路，而照射過氧化鐵膠體時，卻出現光亮通路。為什么會出現這一現象？緣由是什么？由此引出分散系知識，根據分散質微粒尺度的差異性，劃分為膠體、溶液、濁液三類，從實驗對比中，讓學生推理得出科學結論。同樣，在二氧化硫漂白性實驗中，我們結合實驗過程，讓學生從中獲得科學的實驗方法。首先，提出問題，根據二氧化硫能夠讓品紅溶液褪色，說明二氧化硫具有漂白性。接著，請同學們猜想，二氧化硫與二氧化硫水溶液，兩者是誰具有漂白性？要想對二氧化硫與二氧化硫水溶液進行判斷，需要我們分別從有水和無水環境下，觀察二氧化硫與品紅之間的反應現象。具體過程如下：利用無水乙醇溶液放入品紅，再將干燥二氧化硫放入其中，來觀察品紅是否褪色。根據實驗現象，品紅并不褪色，由此可以推測，干燥二氧化硫，不具備漂白性。二氧化硫水溶液，具有漂白性。但問題產生：為什么二氧化硫水溶液具有漂白性？如何驗證該結論？首先，對二氧化硫水溶液進行分析，其成分較為復雜，有二氧化硫、亞硫酸，硫酸根離子、亞硫酸氫根離子、氫離子等。對于上述成分，哪一種具有漂白性？我們可以分別在將鹽酸、亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、亞硫酸分別滴入品紅溶液中，觀察實驗現象，收集相關證據。實驗發現，鹽酸、亞硫酸鈉滴入品紅溶液后，不褪色;亞硫酸氫鈉、亞硫酸滴入品紅溶液后，褪色。借此可以進行推理，對亞硫酸、亞硫酸氫根，可以讓品紅溶液褪色，也就是說，亞硫酸、亞硫酸氫根與品紅溶液發生反應后，而使其褪色。最后，通過拓展學習，查閱相關資料，對亞硫酸、亞硫酸氫根與品紅溶液生成無色的物質。由此，在問題提出、假設猜想、獲取證據、得出推論中，讓學生掌握科學的實驗方法。

三、從實驗中提出有價值問題，發展學生問題意識

在化學實驗情境中，問題的發現是關鍵。化學實驗探究，要關注學生發現有價值的問題，根據問題展開假設、驗證、推理，得出結論。胡適告誡廣大青年，要“時時尋一兩個值得研究的問題”;愛因斯坦曾說“提出一個問題，比解決一個問題更重要”。在化學領域，拉瓦錫提出燃燒的氧化學說，阿伏伽德羅提出分子假說，阿里尼烏斯提出電離說，玻爾提出原子結構模型等等，這些理論的提出，都是基于對化學實驗的敏銳觀察，從問題中去想象得來的。以電解水實驗為例，電解水實驗的教學功能有兩點，一是通過電解水，讓學生認識到水是由氫氣、氧氣構成的化合物;二是通過電解水實驗，得到氫氣與氧氣的體積比為2：1，推導出水分子中氫原子與氧原子為2：1。在實驗中，需要對氫氣、氧氣的體積進行測定，但在一般條件下，氫氣體積與氧氣體積比會大于2：1，為什么？藉由該問題，鼓勵學生展開探究。通過查閱資料，開展電解水實驗活動，就整個化學實驗反應條件、反應裝置及操作過程進行分析，推測造成氫氣體積與氧氣體積大于2：1的原因。在整個實驗中，電解水反應速率快慢，與電解質溶液中離子遷移速率、電解電壓、電極材質、電極間距、超電勢、溶液酸堿性等條件有關。要想推測其具體原因，需要對各個因素進行分析。在采用鉑電極、12%的氫氧化鈉溶液，15V電壓實驗條件下，電解實驗得出較快氫氧體積比2：1結果。由此，學生可以從化學本源分析中，通過類比、推理、變量控制、對比實驗等方式，探究具體的實驗方法。同樣，在鐵與水蒸氣的反應實驗探究中，存在一些問題。如氫氣產量偏低，實驗失敗率高。根據教材中實驗條件分析，原實驗是將鐵粉附著石棉絨上，石棉絨導熱性不強，反應溫度不足;現實驗，將鐵粉堆在一起，與水蒸氣反應，接觸面有限，鐵粉與水蒸氣無法充分接觸。由此，我們提出改進實驗方法。引入“鋼絲棉”，該物質導熱性好，且蓬松的特點，便于鐵粉與水蒸氣廣泛接觸;利用濕潤的面巾紙包裹鋼絲棉，置于試管，對試管進行加熱，產生氣體通過滴入洗潔精的溶液。借助于改進實驗方法，可以更好的獲取證據，對實驗結論得出科學解釋。

四、注重學生的證據意識培養，發展實驗創新能力

傅斯年提出：“有一份材料，說一份話，有十份材料，說十份話。沒有材料不說話”。對于所謂的“材料”，在科學領域就是“證據”。對于科學探究，要注重學生證據意識的培養，通過實驗得出哪些證據，這些證據包括實驗現象、實驗數據、實驗事實等內容。在高中化學實驗情境中，分析實驗條件，歸納實驗現象，推測實驗結論，需要學生學會收集、整理、加工和應用實驗證據，來獲得解釋實驗問題的學科素養。如“氯化鈉在水中導電性”實驗，我們通過設置“氯化鈉”導電裝置、“水”導電裝置、“氯化鈉加水”導電裝置，對其實驗現象進行對比，氯化鈉沒有自由移動的離子，所以不導電;水，沒有自由移動的離子，所以不導電;氯化鈉水溶液，有自由移動的離子，所以導電。同樣，科學實驗的本質是實踐創新，創新品質要貫穿于化學實驗教學目標及全過程。通過化學實驗體驗，讓學生參與實驗過程，積累實驗經驗，從實驗“異常現象”中激活認知沖突，生疑解惑，改進實驗方案，發展實驗創新能力。

總之，科學探究與創新意識，需要學生在化學實驗中，從基礎知識、基本技能的學習中，培養學生應有的必備品格和關鍵能力。如實驗儀器的辨識，實驗藥品性質、分類、存放方法，對實驗中藥品的取用、物質加熱、儀器裝置的連接、儀器的清洗等方法，都需要從實驗實踐中來鍛煉。教師要注重實驗情境的搭設，激活學生實驗主動性、參與性，讓學生從問題中啟發化學思維，從科學探究中發展創新精神，為落實化學學科素養創造條件。

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