基于學科育人的高中化學實驗教學研究與實踐

黃恭福 鄒海龍 胡萍 左建高

摘要： 高中化學課程發展學生核心素養要精心設計與實施以實驗為主的科學探究活動。針對實驗教學的“短板弱項”，以課題研究為依托、以“教研訓一體化實踐模式”為推進范式，開展基于學科育人的高中化學實驗教學的研究與實踐，總結提出基于學生發展的實驗教學系列原則策略和基于學科核心素養導向的實驗教學取向，揭示了實驗教學的科學實踐本質意蘊。

關鍵詞： 學科育人; 實驗教學; 高中化學; 科學實踐

文章編號： 10056629（2022）09006406

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

2013～2021年間，湖南省教育科學研究院（以下簡稱湖南省教科院）依托省教育科學規劃資助課題，以“教研訓一體化實踐模式”為工作推進范式，持續八年聚焦“基于學科育人的高中化學實驗教學研究與實踐”，充分揭示實驗教學功能與獨特育人價值。本文在概述研究工作推進機制、實施現狀調研和文件政策要求的基礎上，基于高中化學實驗教學的價值理性，立足“學生發展、素養導向、實踐本質”三個層面進行具體闡述。

1 基于學科育人的高中化學實驗教學研究與實踐推進范式

2013年12月，湖南省教科院遴選30余所高中學校開展基于學科育人的高中化學實驗教學研究與實踐。研究方向由“基于學生發展的高中化學實驗教學策略”深化為“學科核心素養視域下實驗教學取向”，并凝練提出實驗教學的“科學實踐”本質。

從方法論而言，研究始終堅持問題導向和目標導向。問題導向正向設計： 基于學生發展確定高中化學實驗設計、呈現和評價的基本原則與策略;目標導向逆向設計： 基于實驗教學核心素養功能提煉素養導向的實驗教學取向。通過“雙向”研究實踐揭示實驗教學的科學本質。

從工作推進機制而言，創新構建并實施了“教研訓一體化實踐模式”（如圖1所示）。該模式將教師在教學中面臨的真實問題提煉轉化為研究課題，通過對課題的深入研究形成科學的解決策略，再將課題研究過程及成果轉化為教師培訓專題，為教師解決類似問題提供思路和方法，在“問題課題專題”的循環中不斷積累和傳播教學實踐智慧，從而大面積提高教師專業化水平[1]。基于學科育人的高中化學實驗教學的理論研究、成果提煉、模式推廣正是源自該實踐模式的應用[2]。

2 高中化學實驗教學的現狀及政策分析

2.1 高中化學實驗教學現狀調研

湖南省教科院選取不同地域、不同層次的普通高中學校進行實地調研訪談，內容涉及學生對化學實驗的態度與興趣、參與意識、實驗操作、實驗思維、創新意識以及實驗功能認識、實驗教學方式與評價等內容。調研顯示： 學生普遍對化學實驗充滿期待，渴望能親自動手實驗與探究，但學生在實驗活動中的實驗思維能力、創新意識與創新能力整體偏低，需要合理設計探究式、開放性、創新性實驗發展學生的高階思維能力。調研發現還存在以下主要問題： 一是多數教師的實驗教學具有隨意性，且形式單一、數量不夠，部分學校甚至以演示實驗或課件替代實驗教學內容，學生分組實驗和合作探究活動變得可有可無;二是不能科學有效地設計實驗探究活動，導致探究實驗教學有名無實，教學效率與質量偏低;三是實驗形式與功能匹配不盡合理;四是實驗教學評價機制不健全，無法對化學實驗教學進行有效評價與檢查落實。顯然，解決上述問題亟需采取“自上而下”的剛性文件要求和“自下而上”的實驗教學改革探索。

2.2 實驗教學改革政策文件簡析

2018年1月教育部頒布的《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“課程標準”）基本理念是： 以發展化學學科核心素養為主旨，重視“素養為本”的教學。倡導創設真實問題情境，開展以化學實驗為主的多種探究活動，充分認識化學實驗的獨特價值，精心設計實驗探究活動，促進學生學習方式的轉變。強調通過親身體驗、具身實踐提升學生的化學實驗能力與實驗思維能力，發展學生的化學學科核心素養。

2019年11月，教育部發布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》（教基[2019]16號）明確要求構建實驗教學課程體系，改進實驗教學方式，開展基礎性實驗和拓展性實驗（含探究性實驗、創新性實驗、綜合性實驗）等。2019年6月，國務院辦公廳發布《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》（國辦發[2019]29號）要求深化課堂教學改革，認真開展驗證性實驗和探究性實驗教學。2020年12月，教育部副部長鄭富芝在義務教育課程標準修訂會議上強調要在實踐育人上多下功夫，讓實踐要求更實;要明確實踐育人的具體要求，形成剛性約束，實驗教學作為學科實踐的重要方式尤其要發揮重要作用。國家政策文件加強頂層設計、完善課程體系、優化課程目標、轉變育人方式也正為基于學科育人的高中化學實驗教學研究與實踐賦能助力[3]。

3 基于學科育人的高中化學實驗教學的實踐探索與研究

3.1 構建基于學生發展的高中化學實驗教學系列原則與策略

基于學生發展聚焦實驗設計、呈現、評價三個關鍵環節，總結形成高中化學實驗教學系列原則與策略。

3.1.1 實驗設計的基本原則與策略

高中化學實驗設計的首要原則是要基于現實教學情境的“可行性”和“真實施”。化學實驗設計從本質上是課程標準、教材“校本化”和“生本化”實施的過程，實驗設計的應用價值在于其現實教學情境的“可行性”和“真實施”，絕非簡單的靜態文本規劃。教學實驗設計的目的就是將現實情境下教師設計或加工的“靜態文本”轉化為學生“動態體驗”的過程。這種“靜態文本”可能是課程標準和教材中已經設計的實驗活動，也可能是教師根據實際需要對課標教材實驗的改進和完善，還可能是教師創造性的設計。無論源自何種實驗設計，其最終指向是在教學過程中教師的演示實驗或學生的動手實驗。

其次，要體現“通過實驗學習化學”的學科特征。化學實驗最主要的功能是讓學生通過實驗學習化學，實驗教學研究不能僅僅停留在對實驗裝置的改進、實驗條件的探究上，而要研究如何通過實驗讓學生形成化學的基本觀念、學習化學的基本方法、理解科學探究的本質，注重實驗過程與教學過程的有機融合。

三是，要體現“以實驗為基礎”的學科教學觀。實驗不僅是激發學生學習興趣的工具，而且是體驗、強化科學探究過程形成創新意識的重要途徑，是學生重要而基礎的化學學習方式。“以實驗為基礎”并非只有“做實驗”，運用實驗方法論、實驗事實、實驗史實開展實驗設計同樣也包括在內。

四是，要體現實驗教學的學科教育功能。化學實驗功能常被窄化為激發學習興趣、加深化學原理規律的理解、訓練實驗的基本技能等方面。其實質是將實驗教學從屬于知識教學，偏重學科知識和技能本身的學習，

只注意實驗的教學功能而忽視其教育功能，使實驗失去了應有的獨立地位。正如揚州大學吳星教授所指出的： 實驗教育功能的挖掘永遠比實驗改進更重要。實驗的教育功能是指實驗對培育學生的情感、思維能力、知識掌握、實踐能力等各方面所能發揮的作用等。

高中化學實驗設計的首要策略是要注重教材實驗的二次設計。教材實驗在設計時常將普適性作為其重點考慮的內容。實際教學中，由于各方面原因，可能導致教材實驗的藥品、儀器或其他條件不能完全滿足實驗的開設，教師就應因地制宜靈活采取各種臨時性和補救性的措施，確保實驗能“等同”實施，這種臨時性和補救性的過程被稱為教材實驗的二次設計過程。實驗的二次設計就是實驗的本土化、校本化、生本化過程，也是形成實驗教學特色的過程。

其次，要注重化學體系設計。化學體系的設計（物質體系選擇）是化學實驗設計中的核心要素，化學體系的篩選、對比、優化的過程就是化學實驗能力和素質培養提升的過程。

三是，要注重科學素養的培養。實驗設計與實施不僅能提升學生的學科方法與學科思維，也能學會與同伴交流、尊重他人的意見和想法，體會化學實驗的奇妙、嚴謹和科學，從而提高科學素養[4]。

3.1.2 實驗呈現方式的基本策略

化學實驗呈現方式是指根據一定的化學實驗教學目標，為了達到最優化的教學效果，對化學實驗內容的表達形式以及對化學實驗教學活動的規劃進行設計，包括陳述式、干預式、探究式等方式。

高中化學實驗呈現的首要策略是要緊扣實驗目標的落實。實驗教學目標是實驗設計和實驗呈現方式選擇的依據。實驗教學目標可以分為認知領域、技能領域、過程與方法、情感態度與價值觀等幾個維度，在不同的實驗目標維度中又可以分為若干個不同的水平層次，實驗呈現方式的不同在相應維度的選擇層次上也不盡相同;其次，是要基于真實教學的基礎。實驗呈現方式選擇時要體現師生學習的真實環境、真實資源、真實水平等，即“真實教學基礎”;三是要挖掘核心素養。不同的實驗呈現方式蘊含的學科教育價值也不相同，根據實驗教學目標的差異，在實驗呈現方式的選擇中要有計劃、有步驟、有針對性地挖掘和呈現學科核心素養[5]。

3.1.3 實驗教學評價的基本原則與策略

實驗教學應重點關注全員評價、全程評價、全面評價、全局評價。全員評價原則是指參與學習的每一個對象都應得到來自不同主體的評價反饋，而且這種評價反饋是積極的、正向的、發展性的;全程評價原則是指在化學實驗教學的每個階段、每個環節、每個問題解決關鍵點都應評價;全面評價原則是指化學實驗教學評價要關注教學目標、教學價值、教學功能的實現，充分體現“評價為教學服務并服務于學生的全面發展”;全局評價原則是指在化學的各種類型的學習活動中要充分發揮評價的診斷發展功能，包括學習空間、課堂教學、教師引導、學生學習等不同的對象和層面。

實驗教學評價策略首先要堅持“教、學、評”一體化評價策略。即“所學即所教”“所教即所評”“所學即所評”;其次要堅持評價目標任務一致性策略，注重“兩個一致性”，即： 教學目標與評價目標一致性，學習任務與評價任務一致性，防止評價目標的虛化、泛化，切忌評價目標游離于教學目標和教學內容之外;三是堅持核心素養導向的評價，緊扣高中化學五項學科核心素養和學科核心概念，著力體現評價的素養診斷與發展功能等[6]。

綜上，基于學生發展的高中化學實驗教學系列原則與策略可歸納如下（如圖2所示）。

3.2 確立學科核心素養視域下的化學實驗教學取向

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、動態發展的系統整體，是學生正確價值觀、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。

3.2.1 化學實驗教學應聚焦關鍵能力的發展取向

化學實驗的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，核心素養視域下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。

化學實驗教學發展的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。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”的思想等。可見，化學實驗教學發展的科學思維能力是多層面、多角度和系統化的。

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。學者徐睿（2012）提出的文獻探究能力和實驗探究能力，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屬于兩種觀點的融合。

科學探究過程技能一般包括： 提出問題、猜想與假設、制定計劃、進行實驗、收集證據、解釋與結論、反思與評價、表達與交流等，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。根據“輸入性”的課程標準核心素養水平維度、“輸出性”的學業質量水平（鄭長龍，2018），對科學探究過程技能的各能力要素按照“水平1～4”的實際表現進行具體刻畫，構建包括“能力要素”“能力表現水平”“水平評定”的“科學探究過程技能評價分析量表”，可具體指導、診斷、發展科學探究過程技能。

3.2.2 化學實驗教學應關注必備品格的形成取向

化學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。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。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。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。

3.2.3 化學實驗教學應融合正確價值觀的培育取向

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”教學的價值取向。正確的價值觀體現了核心素養學科育人的社會責任價值，必備品格體現了核心素養學科育人的科學態度價值，關鍵能力是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發展化學學科核心素養的價值取向[7]。

3.3 揭示“科學探究與創新意識”核心素養的科學實踐本質

3.3.1 化學實驗教學重點發展科學探究與創新意識核心素養

“科學探究與創新意識”核心素養聚焦“科學實踐”，是促進學生應然的化學學科知識、思想觀念轉化為實然的核心素養的關鍵。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。化學實驗教學也為其他四項學科核心素養發展提供基礎支撐。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”等素養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逐步培養。

化學實驗作為教的方法（實驗法）、化學的方法（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。用好這些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。“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與體驗。

3.3.2 科學探究與創新意識的本質意蘊聚焦科學實踐

科學探究與創新意識的“科學實踐”本質體現在以下四個方面。

首先，科學探究與創新融于科學實踐。從認識論觀點來看，科學探究遵循認識的一般規律，即科學探究是“感性認識理性認識實踐”循環往復、螺旋上升的過程，每個階段間都有認識的飛躍，認識飛躍的本質就是創新;從問題解決的觀點來看，科學探究是一個始于問題、終于問題的過程，即從認識問題開始，經猜想、假設、驗證等過程得到解決問題的辦法。問題是探究得以產生的前提和核心，探究的實質就是發現問題、解決問題的過程，其認知的心理機制就是創新，是基于問題解決實踐活動的“實踐創新”。化學科學探究的主要內容和途徑是實驗，無論是從實驗研究的對象、過程還是結果分析，“創新”都是化學科學探究的本質特征，化學科學探究最能體現和發展人的創新精神和實踐能力[8]。

其次，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，揭示科學探究的實踐活動本質和功能。科學探究過程包括提出問題和假設、設計方案、實施實驗、獲取證據、分析解釋和建構模型、形成結論及交流評價等，從本體論界定了科學探究的核心要素和邏輯組成的實踐本質。從問題和假設出發確定研究目的、依據研究目的設計方案、基于證據進行分析和推理等是對科學探究實踐本質的具體詮釋。

三是，一般科學探究能力與具體化學實驗活動相融合，將實驗目的與內容、實驗過程與方法相統一，將培養實驗探究能力劃分為“基本認識、基本技能和基本經驗”的實踐過程，歸納提煉化學學科實踐（實驗）的獨特價值為激發學習化學的興趣、創設生動教學情境、啟迪學生科學思維、訓練學生科學方法、理解知識技能以及發展態度品格等學科價值和育人價值。

四是，科學實踐具有社會性活動的特征，作為學科實踐活動尤其強調科學探究（學習）共同體的交流、溝通、協商與辯論等社會性活動對發展核心素養的重要作用。

顯然，科學探究與創新意識的科學實踐本質闡釋涉及探究與創新的關系、科學探究大概念的表征、實驗探究內涵和獨特價值刻畫以及科學實踐的社會性活動等[9]。科學實踐在化學實驗教學中具有不可替代的學科育人價值正是實驗教學“素養為本”課堂教學追尋的本質意義。

4 研究反思

2021年9月，國務院新聞辦發布： 我國九年義務教育鞏固率達到95%以上，高中階段教育全面普及，從“有學上”到“上好學”、從“學有所教”到“學有優教”，中國基礎教育實現了跨越式發展。面對義務教育“雙減”政策與普通高中“雙新”全面實施的新階段，提高質量已成為普通高中教育面臨的最緊迫最核心的任務，提高課堂教學質量已成為教育內涵式發展的關鍵。

當前，教育評價領域“五唯”現象依然不同程度地存在。部分學校及教師“知識傳授與解題教學”的價值追求依然沒有從根本上得到扭轉，保障學校實驗教學（及其他實踐類課程）有效落實的體制機制建設與實施情況依然不容樂觀，尤其是部分“城市超級高中”“縣域薄弱高中”還受到校舍、師資、儀器藥品配備不足等因素的影響，實驗教學“不實踐”的現象仍然存在。同時，核心素養導向的教學不僅要求加強實驗教學，對跨學科實踐活動、調研訪談、社會性科學議題等新的實踐課程教學形態也漸次提出了明確要求。

基于此，我們需要從學生認知發展規律的視角繼續對實驗教學開展理論、實踐與案例研究，形成更具創新性、針對性的教學模式、學習方式和教學策略。需要在教育行政統籌指導下，繼續著力強化教研、電教、教師發展、學校等機構的協同配合，形成有效加強和改進實驗教學的體制機制，大力促進學生全面發展，推動落實立德樹人的根本任務。

參考文獻：

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[2]鄒海龍， 黃恭福. 創新推進縣域教師“教研訓一體化”發展[N]. 湖南日報（理論智庫）， 20200806（005）.

[3]黃恭福， 鄒海龍. 學科核心素養視域下的中學化學實驗教學研究綜述[J]. 化學教學， 2020， （2）： 24～28， 50.

[4]黃恭福， 鄒海龍. 基于學生發展的高中化學教學實驗設計研究[J]. 實驗教學與儀器， 2016， 33（1）： 3～6.

[5]黃恭福， 鄒海龍， 黃利華. 高中化學實驗的呈現方式與策略研究[J]. 實驗教學與儀器， 2017， 34（6）： 3～6.

[6]黃恭福， 鄒海龍， 黃利華. 基于學生發展的高中化學實驗教學評價研究[J]. 實驗教學與儀器， 2019， 36（5）： 7～11.

[7]黃恭福， 鄒海龍. 學科核心素養視域下中學化學實驗教學取向研究[J]. 化學教學， 2020， （4）： 3～9.

[8]黃恭福， 鄒海龍. 科學實踐：“科學探究與創新意識”核心素養的意蘊[J]. 化學教學， 2020， （10）： 3～7， 13.

[9]黃恭福， 鄒海龍. 化學科學探究教學表征研究概述[J]. 實驗教學與儀器， 2021， （1）： 3～7.