化學(xué)實驗組成要素的關(guān)系及其教學(xué)啟示

陳風(fēng)雷

（江蘇省南通中學(xué)，江蘇 南通 226001）

實驗是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的重要中介，在學(xué)科教學(xué)中有著其他教學(xué)手段無法替代的功能。正如《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱“2017 年版課程標(biāo)準”）所指出的，“化學(xué)實驗是研究和學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本方法，是科學(xué)探究的一種重要途徑”。在討論如何更好地發(fā)揮實驗教學(xué)功能的語境下，梳理化學(xué)實驗的組成要素及其關(guān)系，是獲得對化學(xué)實驗教學(xué)有益啟示的獨特視角。

一、化學(xué)實驗的組成要素

化學(xué)實驗與其他科學(xué)實驗一樣，都是根據(jù)一定的目的，在人為控制的條件下，運用相關(guān)的儀器與設(shè)備，觀察和研究有關(guān)自然現(xiàn)象及其變化規(guī)律的社會實踐形式。所以，實驗都有“目的、方案、現(xiàn)象和結(jié)論”等核心要素，其中方案是獲取現(xiàn)象、形成結(jié)論、實現(xiàn)目的的關(guān)鍵部分，又由“儀器、藥品、條件和步驟”等幾個方面組成。［1］下面以蘇教版高中化學(xué)必修上冊教科書中銅與濃硫酸反應(yīng)的演示實驗為例進行闡釋。

為了使SPP產(chǎn)生幾何相位，需要利用橫截面旋轉(zhuǎn)對稱的SPP波導(dǎo).本文采用電介質(zhì)內(nèi)核——金屬包層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[11]，如圖1所示.

為了實現(xiàn)探究濃硫酸與銅反應(yīng)的性質(zhì)這一實驗?zāi)康模炭茣脠D1 和“將一小片銅片放入試管中，然后加入2 mL 濃硫酸”，按“裝置進行實驗”并“觀察實驗現(xiàn)象”等有關(guān)文字呈現(xiàn)實驗方案。在該實驗方案中，儀器有試管、鐵架臺、酒精燈等，藥品有銅片和濃硫酸，條件是加熱，步驟包括如圖組裝儀器、檢查裝置氣密性、添加相應(yīng)藥品、用酒精燈加熱、將反應(yīng)產(chǎn)生的氣體依次通入品紅和氫氧化鈉溶液等等。對應(yīng)的實驗現(xiàn)象是“產(chǎn)生的氣體能使品紅溶液褪色”以及“銅與濃硫酸反應(yīng)后的溶液呈藍色”。學(xué)生利用對二氧化硫和硫酸銅的性質(zhì)，以及質(zhì)量守恒定律和氧化還原反應(yīng)規(guī)律的已有認知，根據(jù)實驗現(xiàn)象，并經(jīng)過一定的推理，就能歸納出“在加熱的條件下，濃硫酸能與銅反應(yīng)生成硫酸銅、二氧化硫和水”的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)其中“濃硫酸能將銅氧化成硫酸銅，自身被還原成二氧化硫”以及“濃硫酸是氧化劑，銅是還原劑”的化學(xué)原理，從而實現(xiàn)實驗的預(yù)期目的。

本文將對高中物理課堂中的研究性教學(xué)展開討論和分析，通過結(jié)合自身的經(jīng)驗以及其他學(xué)校的探究方式，深入的了解當(dāng)前高中物理課堂教學(xué)中的改革.隨著教育體制改革的深入，很多學(xué)校都要求本校的學(xué)科教學(xué)方式進行轉(zhuǎn)變，教師作為知識的傳播者也同時擔(dān)任了課堂改革者的角色.教育模式的改觀能夠大幅提升教師和學(xué)生對學(xué)科的積極性，推動校園學(xué)習(xí)之風(fēng)的建立.

圖1 蘇教版教科書中銅與濃硫酸反應(yīng)的實驗裝置

由表2 可知，“H2O2具有不穩(wěn)定性”和“酸性高錳酸鉀溶液能與草酸溶液反應(yīng)”的物質(zhì)性質(zhì)，分別對應(yīng)“產(chǎn)生氣體”和“溶液紫色褪為無色”兩種截然不同的實驗現(xiàn)象，但是在只改變溫度條件時，都有溫度高反應(yīng)快、溫度低反應(yīng)慢的表現(xiàn)，從而能揭示相同的化學(xué)反應(yīng)原理。所以，在原理性實驗中，雖然也有與性質(zhì)實驗類似的方案、現(xiàn)象和結(jié)論的對應(yīng)關(guān)系，但是將物質(zhì)性質(zhì)作為結(jié)論是暫時性的，化學(xué)原理才是實驗的最終結(jié)論，該原理可以通過對物質(zhì)性質(zhì)對應(yīng)現(xiàn)象的進一步概括提取出來。

二、化學(xué)實驗組成要素之間的關(guān)系

化學(xué)實驗有多種不同的分類角度和標(biāo)準。有教師在進行化學(xué)實驗教學(xué)目標(biāo)分類研究時，以實驗所涉學(xué)科基本任務(wù)，也就是實驗?zāi)康牡牟煌瑸闃?biāo)準，把化學(xué)實驗分為性質(zhì)實驗、原理性實驗、分離與純化實驗、制備實驗、分析實驗等幾種類型。［4］用該方法對2017年版課程標(biāo)準中的18 個學(xué)生必做實驗進行分類，結(jié)果如表1。序號中的B 表示必修課程，X 表示選擇性必修課程（阿拉伯?dāng)?shù)字是原有的編號）。由表1 可知，高中化學(xué)課程中的學(xué)生必做實驗以性質(zhì)實驗和原理性實驗為主，分別占27.8%和44.4%。為此，筆者擬以性質(zhì)實驗和原理性實驗為對象，討論實驗諸要素之間的關(guān)系。

表1 2017 年版課程標(biāo)準中學(xué)生必做實驗的分類

首先，要充分利用實驗教學(xué)手段。化學(xué)實驗是學(xué)生感知、理解和記憶的載體，具有強大的知識教學(xué)功能，同時是訓(xùn)練學(xué)生思維使其獲得全面發(fā)展的重要平臺。其中，從實驗現(xiàn)象中提取物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理的過程，需要涉及比較、分類、抽象、概括、具體化和系統(tǒng)化等思維表現(xiàn)，以及概念、判斷、推理等思維形式；設(shè)計探究與驗證物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理等實驗方案，離不開思維的調(diào)控，以保障實驗方案的科學(xué)性、創(chuàng)新性和可行性；通過思維實驗讓有關(guān)的物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理按照實驗方案中的操作步驟，在人腦中加以呈現(xiàn)并預(yù)測相應(yīng)的實驗現(xiàn)象又需要邏輯推理和想象能力。所以，化學(xué)教學(xué)要充分利用教科書安排的實驗，或根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生認知水平增設(shè)相關(guān)實驗，讓學(xué)生基于實驗開展學(xué)習(xí)活動，同時豐富他們對實驗的體驗和認識。

和祖父的想法一樣，我也不想成為什么“家”，因為作家與藝術(shù)家，既與才華和努力有關(guān)，也與時運有關(guān)，與命途有關(guān)，真正的成功者只是極少數(shù)。我們只要將愛好融入生命里，在其中得到樂趣，就是真正的價值所在。如果每一位寫作者或畫者都用真誠的心去寫，去畫，相信這個世界就會因為書寫、繪畫，而變得更加美好。我覺得，自己即使張羅著大小瑣碎事，也能享有趣味充實的生活，就已經(jīng)是成功的人生，不必太在意世俗的眼光，把別人的框架，硬套在自己的身上。

表2 蘇教版教科書中探究溫度對化學(xué)反應(yīng)速率影響的實驗

同樣是以探究濃硫酸與銅反應(yīng)的性質(zhì)為目的，可以從不同的角度思考產(chǎn)物檢驗和尾氣處理等有關(guān)問題，從而設(shè)計和選擇不同的實驗方案。有教師在比較人教版、滬科版、蘇教版等化學(xué)必修教科書，以及有關(guān)學(xué)科教學(xué)期刊載文中濃硫酸與銅反應(yīng)實驗改進方案的基礎(chǔ)上，提出自己的改進意見，共涉及10 多種濃硫酸與銅反應(yīng)的實驗方案。由于化學(xué)教學(xué)中的“科學(xué)知識在整個學(xué)科體系中是比較成熟和穩(wěn)定的，相關(guān)的科學(xué)教學(xué)實驗，尤其是驗證性實驗的現(xiàn)象和結(jié)果應(yīng)該是在可預(yù)測范圍之內(nèi)的”。［2］所以這些不同的實驗方案，在用常規(guī)的化學(xué)方法檢驗反應(yīng)產(chǎn)物中硫酸銅和二氧化硫時，對應(yīng)的都是“反應(yīng)后的溶液呈藍色”和“產(chǎn)生的氣體能使品紅溶液褪色”等特征現(xiàn)象，只是相關(guān)現(xiàn)象在裝置中出現(xiàn)的位置和形式有所不同。［3］也就是說，這些關(guān)于濃硫酸與銅反應(yīng)的不同實驗有著目的、方案、現(xiàn)象和結(jié)論等相同的組成要素，雖然實驗方案有所不同，但都能得到相應(yīng)的現(xiàn)象和結(jié)論，從而實現(xiàn)實驗的目的。

由于在化學(xué)實驗的組成要素中，思維是聯(lián)結(jié)實驗方案、現(xiàn)象和結(jié)論的重要紐帶，這就決定了實驗在培養(yǎng)學(xué)生思維能力方面有著其他途徑難以替代的獨特價值。為此，化學(xué)教學(xué)就要利用好思維在實驗中的紐帶作用，以獲取培養(yǎng)學(xué)生思維能力的更多機會。

圖2 化學(xué)實驗組成要素之間的關(guān)系

三、對化學(xué)教學(xué)的啟示

綜上，就高中化學(xué)學(xué)科以探究物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理為目的實驗而言，方案、現(xiàn)象和結(jié)論等要素之間的關(guān)系如圖2 所示。其中，實驗?zāi)康呐c實驗結(jié)論相對應(yīng)，實驗方案是使物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理（實驗結(jié)論）以一定現(xiàn)象外顯的手段，根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理（實驗結(jié)論）設(shè)計的實驗方案具有多樣性的特點，當(dāng)設(shè)計和選定實驗方案時，可以根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理（實驗結(jié)論）通過思維實驗預(yù)測其實驗現(xiàn)象，而觀察獲取的現(xiàn)象則是通過思維加工概括提取物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理形成結(jié)論實現(xiàn)目的的關(guān)鍵性事實材料。換言之，在高中化學(xué)學(xué)科以探究物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理為目的的實驗中，除了讓物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理外顯為實驗現(xiàn)象的過程，需要借助動作技能實施實驗方案以外，思維是聯(lián)結(jié)實驗方案、現(xiàn)象和結(jié)論的重要紐帶。

前文討論的濃硫酸與銅反應(yīng)的實驗，屬于以探究物質(zhì)性質(zhì)為目的的實驗，同時是教科書中的演示實驗，還是學(xué)生必做實驗“B3 不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”的重要組成部分。由于濃硫酸固有的性質(zhì)決定它在加熱條件下能與銅反應(yīng)生成硫酸銅、二氧化硫和水，所以無論設(shè)計怎樣的實驗方案來探究濃硫酸的這一性質(zhì)，其特征現(xiàn)象都可以根據(jù)實驗方案和物質(zhì)性質(zhì)進行精準預(yù)測。即使在實驗中運用手持技術(shù)，使產(chǎn)生氣體或發(fā)生顏色變化等常規(guī)現(xiàn)象被有關(guān)曲線所替代，曲線的變化趨勢也可以根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)及其量的改變進行預(yù)測。

下面再以“B6 化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”為例討論原理性實驗的情況。由于濃度、溫度、催化劑等因素對化學(xué)反應(yīng)速率影響的普遍性，以探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素為目的的實驗方案，可以選擇不同物質(zhì)的性質(zhì)實驗，只要在改變有關(guān)因素時能產(chǎn)生明顯相關(guān)的實驗現(xiàn)象，就符合實驗設(shè)計的要求。蘇教版高中化學(xué)必修下冊和選擇性必修1 化學(xué)反應(yīng)原理教科書在探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的相同因素時，就選擇了不同物質(zhì)的性質(zhì)實驗，同時也對應(yīng)不同的實驗現(xiàn)象。其中探究溫度對化學(xué)反應(yīng)速率影響的實驗如表2。

其次，要注意優(yōu)化實驗教學(xué)程序。化學(xué)學(xué)科不僅具有“以實驗為基礎(chǔ)”的基本特征，而且“具有以物質(zhì)為中心的‘宏觀—微觀—符號’三重表征的獨特思維結(jié)構(gòu)”，［5］實驗過程中所獲得的“宏觀”現(xiàn)象是化學(xué)“宏觀—微觀—符號”三重表征思維活動的起點，這也表明讓學(xué)生通過實驗認識物質(zhì)性質(zhì)、理解化學(xué)原理是化學(xué)教學(xué)的基本途徑。為了更好地促進學(xué)生基于實驗的“宏觀”現(xiàn)象，開展“宏觀—微觀—符號”結(jié)合的思維活動，教師要有意識地對實驗?zāi)康摹⒎桨浮F(xiàn)象和結(jié)論等要素進行剖析，深度挖掘其中的思維成分，運用“情境→問題→實驗→討論”等教學(xué)程序，促進學(xué)生調(diào)動個人經(jīng)驗和知識儲備積極參與認知的全過程，讓他們通過對實驗現(xiàn)象的思維加工等活動，在獲取有關(guān)化學(xué)知識的同時提升相應(yīng)的思維能力。

第三，要深入挖掘?qū)嶒灲虒W(xué)資源。有調(diào)查表明，“不同的實驗教學(xué)方式會帶來中學(xué)生思維發(fā)展過程中思維形式、思維內(nèi)容和思維類型三個方面的差異”。為此，化學(xué)教學(xué)要注意利用豐富的實驗資源“均衡發(fā)展學(xué)生各類思維”。［6］除了真實的實驗情境或預(yù)料之外的實驗現(xiàn)象，能引起學(xué)生的真實探究與深度學(xué)習(xí)以外，一些以真實情境為基礎(chǔ)的實驗習(xí)題也是實驗教學(xué)的重要資源，指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合這些實驗習(xí)題進行相應(yīng)的“超越技術(shù)限制”的思維實驗，不僅能發(fā)揮化學(xué)實驗對其中物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)原理的探究與驗證功能，促進學(xué)生通過對性質(zhì)實驗或原理性實驗中情境問題的解決，深入理解和掌握有關(guān)的物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)原理，同時能在調(diào)動學(xué)生思考“是什么”“怎么做”“為什么”等問題的過程中，使他們的分析、綜合與評價等高階思維能力得到同步鍛煉。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是高校主動應(yīng)對市場經(jīng)濟的需求、適應(yīng)信息化下激烈的全球競爭而提出的重要舉措。2012年開始，我國經(jīng)濟增速轉(zhuǎn)向中高速增長;第四次工業(yè)革命以互聯(lián)網(wǎng)、智能制造等創(chuàng)新型技術(shù)革新為主導(dǎo)，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)對經(jīng)濟的貢獻力逐漸增強。據(jù)統(tǒng)計，每位在校本科生都有機會接受一次創(chuàng)業(yè)教育方面的培訓(xùn)。［1］創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的目標(biāo)，是通過創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)，使學(xué)生掌握創(chuàng)業(yè)的基礎(chǔ)知識和基本理論，熟悉創(chuàng)業(yè)的基本流程和基本方法，了解創(chuàng)業(yè)的法律法規(guī)和相關(guān)政策，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)意識，提高學(xué)生的社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)能力，促進學(xué)生創(chuàng)業(yè)就業(yè)和全面發(fā)展。

總之，思維能力是化學(xué)學(xué)科能力的核心，對學(xué)科能力的其他要素具有統(tǒng)攝作用。化學(xué)學(xué)科要重視實驗在教學(xué)中的廣泛運用，并注意提高實驗教學(xué)的思維含量，在發(fā)揮化學(xué)實驗德育、智育、美育以及勞動教育等功能的過程中，讓學(xué)生通過實驗諸要素之間的推演或轉(zhuǎn)換獲得思維能力的不斷進階，從而實現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)的全面提升。