基于核心素養的實驗創新教學實踐研究

項云 劉江田

摘要：傳統實驗教學大多是按課本上的步驟進行實驗驗證或再現，學生自主探究體驗不足，不利于創新人才的培養。翻轉課堂下的實驗創新教學，利用前置性問題的設置及創新點的探尋，引導學生課前自主先學、分析思考，再通過課堂師生交流討論、探究改進，獲得更深層次的理解與發現，從而有效促進知識的內化建構與化學核心素養的提升。

關鍵詞：實驗創新教學;核心素養;翻轉課堂;吸氧腐蝕

文章編號：1008-0546（2022）08-0090-04?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.019

隨著新課改的深入推進，當前高考錄取方式正發生變革，高校在強基計劃及綜合評價中越來越重視學生核心素養的考查。然而，目前中學教學中仍存在學生自主探究偏少或缺失的狀況，不利于學生思維發展和核心素養的培養。作為一線教師，我們迫切需要改進自己的課堂教學方式。

高中化學學業質量標準對化學學科核心素養發展水平提出了具體要求，其中包括證據推理、科學探究與創新意識，化學教學中實驗是培養學生核心素養的重要手段[1]。目前中學教材上的實驗大多是設計好的驗證性實驗，缺少思考探究的過程，有些實驗按課本上的設計去做，不僅現象不明顯、污染重、耗時長，且存在證據推理不嚴謹的缺陷，這些問題困擾著我們的教學，而常規課堂又難以解決。為此我們嘗試實驗創新教學，以學生為主體，調動學生思考探究、創新改進。

一、實驗創新教學分析

1.課堂模式選擇

課堂模式的選擇對實驗創新教學的順利開展至關重要。傳統課堂上的實驗教學，學生很難發生高品質的思維活動，而“翻轉課堂”是對傳統課堂教學結構與流程的徹底顛覆[2]，對學習過程進行重構，將學習主動權交給學生，通過教師提供的微課、教學案、情境素材等完成知識的前置性學習，讓課堂變成師生互動的平臺，從而發生高質高效的課堂教學活動。

我們踐行的實驗創新教學主要采用翻轉課堂模式，通過前置性問題的設置引導學生查閱資料、積極思考、主動探究。課前學生要在自主學習的基礎上對實驗探究提出假設、設計方案，這樣課堂上能有更多時間在教師指導下交流討論、反思改進，獲得更深層次的理解與發現。實驗創新教學可直接在實驗室開課，方便實驗器材的選取與實驗方案的優化調整，有利于激發學生的創新潛能。另外，我們還可以把實驗創新靈活地融入到校本課程或研究性學習中，增加學生探究實踐的機會。

2.實驗創新教學要素

翻轉課堂下的實驗創新教學對師生提出了更高的要求，它需要提前準備籌劃，精心做好課前準備工作，如文獻的查閱、學習材料的搜集、引導性問題的設置、實驗創新點的探尋、實驗用品的準備等都要事先做好功課，否則課堂上手忙腳亂、延誤時間而無法達成教學目標。

（1）實驗創新點的探尋

實驗創新是對傳統實驗批判分析，進而提出問題、思考探究、創新設計，對思維能力要求較高。實驗及其創新點的選擇直接影響教學效果，不是所有的實驗都適合開展創新教學，教師要進行可行性研究，篩選出有利于學生思維發展及能力培養的實驗。如“氨氣的噴泉”“苯的溴代反應”“鐵的吸氧腐蝕”“鈉與乙醇反應”“氨氣的催化氧化”等[3～6]，可指導學生從以下創新點研究：如用簡單儀器替代復雜裝置、就地取材利用生活用品，以及數字化、微量化、簡約化、增強效果、消除污染的設計等。通過實驗創新使之現象明顯、生動直觀，增強實驗效果，易于學生理解原理。

（2）引導性問題的設置

翻轉課堂將知識學習主要放在課外，課內更專注于高質量的交流研討，教師課前要給學生做好預習指導，以問題形式驅動學生主動思考研究。教師要根據教學目標對教學內容、學生活動、實驗探究進行細致的備課，并根據實驗特點及學情設計難度適宜的問題，對難點知識還要分解成不同梯度的小問題逐步引導，這些都以任務引領形式編寫在導學案中，提前發給學生思考分析。對于創新教學中可能遇到的生成性問題，教師除了提前做好預設及預案外，還要不斷提高自身的學科素養和創新能力，從而游刃有余地駕馭實驗創新課堂，確保創新教學的質量和效果，達成預期目標。

（3）素材及實驗用品

教學情境素材盡量來自日常生活，這些富有親切感的生活題材往往能激發學生的好奇心和探究欲，如海帶中碘的提取、84消毒液的漂白、肥皂的制備、暖寶寶的工作原理等。教師課前要提供生活化素材、教學案、微課、視頻、拓展鏈接等學習材料，便于學生自主先學。

實驗用品主要包括儀器和藥品。首先準備好可能用到的常規儀器及藥品，同時根據創新設計的需要，預定一些特殊的實驗用品。這都需要老師提前考慮并與實驗員及時溝通，盡可能滿足學生實驗創新的用品需求。

二、實驗創新教學實施

翻轉課堂模式下的實驗創新教學，應依據學生已有的經驗和知識水平，參考課前學習任務的完成情況來實施。那么，如何避免課堂變成課前學習的簡單重復？如何在短短45分鐘內具體展開？如何在創新教學中提升核心素養？下面以吸氧腐蝕原理的創新教學為例具體闡述。

1.教學目標

鐵的吸氧腐蝕是中學化學教學難點，學生總是難以理解，按照人教版選修4的方案進行實驗[7]，5～8分鐘才有明顯現象，教學時效性不高，且導管內液面上升不能證明一定是氧氣參與了反應。為此我們設置了如下教學目標：通過數字化實驗探究暖寶寶發熱原理，建立吸氧腐蝕概念，體驗實驗探究的過程，培養證據推理、探究與創新等化學核心素養。

2.課前自主學習

課前根據老師編寫的導學案完成以下前置任務：

（1）視頻導學：布置學生觀看吸氧腐蝕原理的微課視頻，完成課前發的導學案，初步了解吸氧腐蝕原理。

（2）查閱相關資料：①查閱吸氧腐蝕實驗創新的相關論文，閱讀并評價它的優缺點。②搜索百度百科關于暖寶寶的介紹，了解其組成、作用、注意事項等。

（3）創新設計：生活中“暖寶寶”的成分與鐵合金組成相似，為此以“暖寶寶”為研究素材，讓學生課前思考探究，在導學案上畫出創新設計草圖，并用簡要文字說明思路與方法。

3.課堂教學實施

翻轉課堂模式下，知識學習、問題思考、實驗設計等過程得到前移，這樣課堂上師生就有更多的時間討論、探究、改進，從而獲得更深層次的理解與發現，提高課堂教學效果。下面我們展示吸氧腐蝕實驗創新的教學案例。

【情境問題】生活中的暖寶寶御寒保暖、方便易帶，成為百姓的保暖神器，那么大家知道暖寶寶的發熱原理嗎？

【信息查閱】探究“暖寶寶”發熱原理，首先要了解其化學成分。由圖1可知它的主要成分是：鐵粉、水、活性炭、蛭石、吸水性樹脂、食鹽。

【提出問題】暖寶寶一貼即熱，用后變成鐵銹狀物質。那么，暖寶寶中的鐵、活性炭、鹽、水有什么作用呢？鐵銹是如何形成的？

【推測猜想】根據所學原電池原理和金屬腐蝕的知識可初步推測：暖寶寶發生了鐵的吸氧腐蝕。接下來，如何通過實驗來判斷我們推測猜想的合理性呢？

【師生互動】各小組展示課前設計的探究方案，交流探討后組織學生實驗探究，對活動中出現的問題，教師及時給予指導，評價其優缺點，提出改進建議。這對后續進一步創新起到了十分重要的鋪墊作用。

【深度分析】教材吸氧腐蝕實驗是通過導管內液柱上升來證明 O2參與反應，其實在沒有測量溫度和 pH 變化的情況下，這樣的判斷是不嚴謹的。因為如果反應是吸熱的，即使沒有氣體反應消耗，導管內液柱也會上升;另外，即使證明氧氣參與了反應，在沒有測pH增大的情況下，也不能證明發生了電化學吸氧腐蝕，可能是鐵與氧氣直接發生化學腐蝕。針對上述證據推理中存在的漏洞，我們又該怎樣創新改進呢？

【優化設計】某學習小組優化改進后的裝置如圖2所示：右端玻璃導管插入品紅溶液，然后把暖寶寶包裹在溫度計上，插入吸濾瓶，塞緊瓶塞。實驗中用溫度計測量其工作時的溫度變化，并根據導管內液柱的升降來判斷體系壓強的變化。

【評價與點撥】首先表揚該小組的整體設計，肯定他們對溫度實時測量的改進，但實驗中pH 和 O2濃度的變化不能直接反映出來。那么，根據我們課前對暖寶寶及數字化傳感器的學習了解，大家能否設計出能同時監測溫度、pH 和 O2濃度變化的科學合理的方案呢？

【創新設計】在老師引導下，大家創新設計出圖3所示的數字化實驗裝置，主要儀器有氧氣傳感器（左側）、溫度傳感器（中間）、pH傳感器（右側）、三頸瓶、磁力攪拌器、長針頭、針筒等。它利用數字化儀器在密閉容器中同時監測暖寶寶工作時O2、溫度、pH參數的變化。

【實驗探究】設計是否合理，能否說明問題，需要通過實踐來檢驗，實驗具體操作如下：

①搭建圖3裝置，檢查氣密性后在三頸瓶中放少量水。

②取下溫度傳感器，撕開包裝袋，將暖寶寶包裹在溫度傳感器上，再插入瓶中，塞緊橡皮塞，注意傳感器和暖寶寶都不要接觸水。

③點擊數字化實驗軟件（Logger Pro 3.14.1）的數據采集按鈕，觀察數據變化。

④80秒時用針筒內的少量水淋洗暖寶寶，注意觀察三條曲線的變化。

⑤3分鐘后停止數據采集。

【實驗數據】由圖4可知：0～80秒，最上面的氧氣含量曲線逐漸下降;中間溫度曲線逐漸升高;最下面 pH 曲線無明顯變化（因沒有用水淋洗，暫時檢測不到反應產物的pH）。80秒用少量水淋洗后，可以看到氧氣含量曲線加速下降，溫度和pH 曲線均明顯上升。

上述氧氣、溫度、pH 的數據變化表明：暖寶寶工作時耗氧、放熱、生成 OH-，用少量水淋洗可加速暖寶寶的反應。

【原理分析】消耗O2并生成OH-，發生的是原電池的正極反應，原理如下：

正極（C）：O2+2H2O +4e-=4OH-

負極（Fe）：Fe -2e-=Fe2+

總反應：2Fe + O2+2H2O =2Fe（OH）2

鐵銹形成：4Fe（OH）2+2H2O + O2=4Fe（OH）3，2Fe（OH）3= Fe2O3·nH2O +（3-n）H2O

少量水淋洗后腐蝕速率加快，是因為有更多的 NaCl溶解在水中，使能導電的電解質離子增多。

【實驗結論】實驗表明暖寶寶中的 Fe-C-NaCl 水溶液構成了原電池，發生了鐵的吸氧腐蝕，利用原電池反應加快氧化速率而放熱。

【實驗評價】實驗結束后引導學生對實驗進行評價與交流，強化創新意識，提高評價能力。最后大家普遍認同上述創新實驗科學嚴謹、相互佐證，有以下優點：

①把暖寶寶包裹在溫度傳感器上，不破壞它的內包裝和組成，更符合其實際工作狀態，數據實時準確。

②巧妙配合使用針頭和傳感器，既便于檢查氣密性，又能實現溫度、氧氣、pH 的同時檢測，有利于揭示變化的相關性（其實這一點不容易做到，因為pH要在溶液中測量，如果把暖寶寶完全浸泡在水中，則無法同時準確測量溫度、氧氣的數據，我們利用少量水淋洗的方法解決了這一難題）。

③用數字化儀器替代傳統儀器，實現了從定性到定量的轉變，使放熱、耗氧、pH變化過程可視化。

④電子傳感器能捕捉反應的細微變化，跟蹤反應過程，如加少量水后的數據變化，表明暖寶寶要在干燥環境中使用，否則會縮短其使用壽命且易造成燙傷。

【總結】上述案例中暖寶寶工作時化學能與熱能的轉化、得失電子守恒都體現了“變化觀念與平衡思想”;暖寶寶發熱后生成鐵銹的原理解釋體現了“宏觀辨識與微觀探析”;而“證據推理與模型認知”“實驗探究與創新意識”的培養則滲透在整個實驗教學過程中。

三、實驗創新教學反思

暖寶寶發熱原理探析的實驗創新教學，符合學生的認知規律和思維發展過程，從問題提出到實驗方案設計，都在教師指導下由學生自主完成，將學習主動權交給了學生。提高了學生的知識應用能力，激發了學生的思維潛能和創造力，體現著實驗的教育教學功能。通過上述案例分析，結合翻轉課堂模式下的不斷實踐，我們建構了真正以學生為主體的實驗創新教學模型，其基本框架如圖5所示。

翻轉課堂下的實驗創新教學，通過前置性任務的課前自主學習，節省了課堂教學時間，讓學生課上有更多的時間思考分析、討論探究，促進學生養成善于質疑、樂于探究、勇于創新、主動建構的學習品質，有效培養了證據推理、實驗探究與創新意識等化學核心素養，從基礎教育層面為國家創新人才的培養提供支持。

參考文獻

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

[2]剛蕾，徐爽，唐強.關于“翻轉課堂式教學”的探討[J].考試周刊，2016（77）：153.

[3]項云.分液漏斗在化學實驗創新中的妙用[J].化學教育，2009（10）：63.

[4]項云，錢海濱.鐵吸氧腐蝕的實驗創新[J].化學教育，2011（6）：59.

[5]錢海濱，項云.高中化學實驗改進二則[J].化學教學，2015（10）：68-70.

[6]項云，蔣金虎.氨氣催化氧化反應的實驗改進[J].化學教與學，2017（12）：85，49.

[7]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書：化學反應原理（選修4）.第3版[M].北京：人民教育出版社，2007：85.