以科學探究與創新意識為導向的高中化學教學策略

關鍵詞：科學探究；創新意識；核心素養；高中化學；實驗教學

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：1673-4289（2024）11-0040-05

在課堂教學中，知識的學習與積累固然重要，但更為關鍵的是那些引領學生運用知識探究問題和不斷創新探究方式的獨特思維，即學生的科學探究和創新意識素養。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）將“科學探究和創新意識”列為五大核心素養的其中一項，以促進學生化學學科核心素養的全面發展。創新的核心在于思維而非單純的知識，對高中生而言，知識積累是基礎，培養科學探究和創新意識的核心素養則更為關鍵。

科學探究與創新意識近年來一直是研究熱點，周冬冬等人對高中教材必做實驗進行研究，深入剖析了各種教材在促進科學探究與創新意識素養方面的作用；針對科學探究，周文紅強調三大核心問題，以深化探究性學習；王敬義認為在創新意識方面，發散思維被視為是提升創新意識的重要途徑。王紅軒以“Na₂S₂O₃溶液pH變化”為實例，設計了融合“教、學、評”的科學探究課堂，促進學生該素養的提升。當前的研究大多聚焦于實踐層面，較少進行科學探究與創新意識內涵及其相互作用的探討。本文則以此為切入點，明確兩者之間的內在聯系，劃分四維度四水平，根據維度與水平提出相對應的教學策略，為高中化學教學提供參考與案例。

一、科學探究與創新意識素養的內涵

對于化學學科，科學探究是指研究物質性質或結構而進行的一系列文獻分析、實驗設計與實施、證據推理和模型建構等活動的總和。作為一門以實驗為基礎的自然科學，化學實驗探究主要借助儀器將抽象、復雜的化學現象呈現出來，揭示物質變化規律并刺激學生的好奇心與探究欲。

所謂創新意識，是指在研究和實踐中不斷追求新知識、新方法、新技術和新應用的思維方式和行動傾向。教學中，教師應以科學探究為手段，促進學生學以致用、析疑解難，并嘗試設計和改進實驗方案。學生經過自身努力獲得一定的成功與突破，便能真切體驗創新帶來的樂趣和成就感，該情感會激發學習熱情，驅動持續探索，孕育創新意識。

實驗探究不僅能強化知識理解，更關鍵在于能提升探究能力，發展學科素養。化學實驗是主要的化學學科能力活動與科學探究的核心要素，也是培育學生科學探究精神與創新意識的驅動力。然而，科學探究并非僅重復課本上的經典實驗步驟，而是一種獲取新知或驗證新思維的研究方法。所以可以將實驗探究過程視為科學探究與創新意識核心素養的外在表現，實驗探究過程由八個緊密相連且循環往復的環節構成，即提出問題、猜想與假設、制定計劃、進行實驗、觀察記錄、分析與論證、得出結論、交流與反思，這八個環節構成一個無始無終、持續迭代與優化的循環體系（見圖1）。

科學探究與創新意識兩者相輔相成，且都對學生的學習興趣有著促進作用。好奇與興趣是激發科學探究的內在動力，也是培養創新意識的途徑。創新意識是科學探究的自然屬性，創新意識的提升又會進一步激發學生的好奇心與學習興趣。總之，好奇與興趣、科學探究、創新意識三者形成一個良性的循環（見圖2）。

二、科學探究與創新意識素養的四個維度劃分

科學探究與創新意識在課標的實踐層面上強調全面體驗科學實踐活動，要求能發現問題、提出假設，依據已有的知識和經驗進行方案設計，通過化學思維進行分析與探究，得到結果進行改進、優化，創新過程和方法后再次探究，從而培養出科學思維及創新精神。本研究根據課標提出的科學探究與創新意識素養要求和上述的外在表現進行了科學探究與創新意識素養的行為表現維度的劃分，主要為以下四個維度：

（1）研究對象與問題情境：化學研究對象主要包含物質、化學反應、能量變化等。問題情境為研究對象搭建探索場景并進一步提出核心問題，引導學生深入思考和實踐。

（2）知識與活動經驗：化學知識指的是關于化學學科的一系列基本概念、原理、理論、方法以及化學現象和應用實例的總和；化學的活動經驗則是指學生在化學學習過程中通過實踐活動所獲得的經驗和技能，如實驗操作、問題解決、科學探究等。

（3）化學認識方式：學生思考與處理化學問題的過程中，采用特定的化學思維模式或視角來審視、分析及解決化學問題，包含認識角度、認識思路和認識方式等。

（4）學科能力活動：學科能力活動是實現從化學知識向化學認識方式轉變的關鍵過程，通過一系列實踐活動，旨在培養學生的化學思維能力、實驗操作技能、問題解決能力和科學探究素養。

依據上述四個維度，參考課標對于科學探究與創新意識素養的四個水平劃分，筆者對學生的科學探究與創新意識素養的行為表現水平進行劃分，具體見表1。

在化學課堂教學中，為了有效落實“科學探究與創新意識”這一核心素養，教師可以緊密圍繞上述四個維度（研究對象與問題情境、知識與活動經驗、化學認識方式、學科能力活動）及其對應的四個水平，設計和實施相應的教學策略。

三、培養學生“科學探究與創新意識”的基本策略與案例支持

（一）創設問題情境，深化學科問題意識

教學實踐中，教師要以教學內容為依據，設計系列實驗、生活實例或前沿科技話題的問題情境。學生圍繞問題情境，不斷挖掘出其中的研究對象、研究問題、研究目的，并能分析問題情境中各要素之間的內在聯系與矛盾。學生在問題情境中感受到化學與生活的緊密相連，以及化學的魅力，激發化學興趣，并深化問題意識，進而學會從多維度、多層面去分析問題，為培養科學探究精神與創新意識奠定堅實的基礎。

例如，學生在學習“可逆反應”的概念及特點后，教師可引導學生討論可逆反應與氧化還原反應的關系，以拓展可逆反應的知識廣度。在教師啟發下，學生進行討論，并得出結論：化學反應一般具有可逆性，只是可逆的程度不同，大多數氧化還原反應正向反應趨勢較強，因此可逆性不明顯。接下來，教師設計實驗情景：探究Fe³⁺與I^-的氧化還原反應是否為可逆反應，并設計問題鏈，引導學生進行探究式學習。

學生圍繞上述由淺至深的問題展開討論，通過思維碰撞、資料查閱、提出猜想，讓學生加深對“可逆反應”這一復雜概念的理解，同時培養學生檢索與分析信息能力，增強學生探究問題的興趣。通過這一教學活動，學生在研究對象與問題情境這一維度上可達到水平2、3。

（二）設計實驗方案，著力學科能力培養

在實際教學中，教師要將實驗教學作為常規教學手段，鼓勵學生多利用實驗解決問題，這是科學探究的必經之路，也是培養學生學科能力的重要活動環節。若學生僅按照書中的步驟進行實驗，對其學科能力的提升非常有限。教師要基于課本實驗發掘與拓展新的探究主題，并為學生提供必要的指導與支持。在教師的指導下，充分發揮學生主體地位，學生以小組為單位，圍繞探究主題展開討論，積極鼓勵學生超越書本的束縛，不止步于按照既定步驟進行實驗，而是主動探究用不同的實驗方法去探索未知、解決問題。下面以筆者所做實驗為例，來舉例說明。

為了驗證上述問題1，教師引導學生設計實驗方案，實驗設計見圖3。

具體實驗過程中，將Fe³⁺與過量的I^-按1：2的濃度比例充分混合，并讓其充分反應（30min），以確保反應進行徹底。隨后，以CCl₄為萃取劑，萃取反應生成的I₂，此時溶液分為含I_-的有機相與含剩余離子的水相。為了驗證水相中是否仍含有未反應的Fe³⁺，加入KSCN溶液，若水相變紅，說明在I_-過量的情況下，Fe³⁺也未能完全反應，這一現象驗證了該反應為可逆反應。

為了驗證問題3，確認反應體系中存在I3_-，教師引導學生提出各自的檢驗方法。

課堂教學中，化學實驗教學不應局限于經典的操作和儀器，還應融入時代的潮流，運用現代科技手段來解決問題。這不僅拓寬了學生的視野，還讓學生深刻體會到解決問題方法的多樣性和創新性，激發學生的創新意識。

此時，教師提醒是否可以采用更為先進、靈敏的方法，如紫外光譜吸收法，學生通過資料查閱與分享發現，用紫外光譜吸收法來檢測I3_-離子，其常規的檢測儀器是721紫外可見光分光光度計，該方法能夠基于物質在紫外光區的吸收特性，準確且靈敏地檢測I_3-離子。實驗中，可將圖2中水相溶液注入比色皿，置于光度計暗槽，啟動掃描。儀器自動掃描并繪制光譜圖，觀察288nm及350nm處有無吸收峰，即可判斷I3_-存在。（見圖4）。

上述教學活動通過系列實驗活動與分析，不僅能提高學生化學知識與實驗技能等學科能力，使其學科能力達到水平2、3，還能促進他們觀察力、邏輯推理能力和團隊協作能力的提高，培養探究意識。同時，實驗探究活動過程中，運用了Fe³⁺、I₂、I_-的性質及CCl₄萃取原理，使學生在知識與活動經驗這一維度達到水平3。

（三）拓展思維，建構化學認識方式

化學認識方式是化學核心素養的內涵實質，教師要幫助學生打破思維定式，促進學生化學認識方式的發展。在化學學習中，學生需要將正向與逆向思維相結合，面對復雜的化學情境與問題時，能從宏觀現象出發，深入分析其微觀反應機制與過程，從而解決復雜的化學問題。此外，教師還要引導學生構建知識縱向和橫向的內在聯系，將新舊知識有機地歸類整合，實現知識的系統化、結構化。這一過程有利于學生思維的拓展，并逐步建構學生化學認識方式，促進學生知識的靈活遷移與創新應用。

例如，在學習“化學平衡”時，平衡的移動、反應的正逆速率以及反應的現象之間交織著深刻的內在聯系，在學習時要超越常規思維框架，挖掘出更多的反應信息。

四、結語

科學探究與創新意識學科素養的培養與發展是一個循序漸進、日積月累的過程，不可一蹴而就。要有效落實這一素養的培養，教師首要任務是深刻理解其內涵與實施細節，并將教學內容與學生需要達到的素養水平目標相結合設計教學策略，教師不僅要關注化學知識傳授與實驗技能的培養，更要重視化學學科認識方式的訓練和能力活動的設計，持續優化教學策略，促進核心素養培育的有效性和實際可操作性。