中美兩國高中化學(xué)教材中探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的比較分析——以“鐵生銹”為案例

徐 健

（南京市金陵匯文學(xué)校 江蘇 南京 210036）

2003年我國頒布的第一個(gè)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，正式地將科學(xué)探究引入到實(shí)驗(yàn)化學(xué)的教學(xué)目標(biāo)之中：通過實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，掌握基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能和方法，進(jìn)一步體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的基本過程，認(rèn)識實(shí)驗(yàn)在化學(xué)科學(xué)研究和化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要作用，提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

課程標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施建議中要求重視探究學(xué)習(xí)活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力。探究學(xué)習(xí)是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的一種重要方式，也是培養(yǎng)學(xué)生探究意識和提高探究能力的重要途徑。教師應(yīng)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與探究學(xué)習(xí)的積極性，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)、觀察、調(diào)查、資料收集、閱讀、討論、辯論等多種方式，在提出問題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、收集證據(jù)、解釋與結(jié)論、反思與評價(jià)、表達(dá)與交流等活動(dòng)中，增進(jìn)對科學(xué)探究的理解，發(fā)展科學(xué)探究能力。

美國國家科學(xué)院于1996年初推出了美國歷史上第一部《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）。在《標(biāo)準(zhǔn)》中，“探究處于核心地位”。 《標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)的科學(xué)探究有三個(gè)方面的含義。其一，科學(xué)探究是學(xué)習(xí)內(nèi)容。其二，科學(xué)探究是學(xué)習(xí)方式。其三，科學(xué)探究是教學(xué)指導(dǎo)思想。從幼兒園到 12年級，作為探究的科學(xué)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)是一致的，都包括兩部分：進(jìn)行科學(xué)探究所需要的能力培養(yǎng)和加深對科學(xué)探究的理解，與不同年齡階段的學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平相適應(yīng)，在設(shè)計(jì)程度上有所不同。

在以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為化學(xué)課程與教學(xué)的宗旨精神下，無疑化學(xué)實(shí)驗(yàn)是承載與實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究的重要方式與過程。通過設(shè)計(jì)豐富多彩、具有特色、目標(biāo)明確的探究型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的最好教學(xué)活動(dòng)形式，成為教材編寫與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

本文以我國人民教育出版社的高中化學(xué)選修教材1、4和美國高中化學(xué)主流教材之一的《化學(xué)：概念與應(yīng)用》（Chemistry：Concepts and Applications）為研究內(nèi)容，選取了金屬中關(guān)于“鐵生銹”實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和對比啟發(fā)等方面進(jìn)行比較與分析，探索美國的科學(xué)探究在化學(xué)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)的過程，以期借鑒并促進(jìn)我國高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中科學(xué)探究理念與目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)途徑。

一、兩種教材中有關(guān)“鐵生銹”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比較分析

1.中國［人教版高中化學(xué)選修1］科學(xué)探究：不同條件下鐵釘?shù)匿P蝕（第50頁）

現(xiàn)有潔凈無銹的鐵釘、試管、植物油、棉花、干燥劑CaCl2、NaCl溶液、CH3COOH溶液和煮沸后迅速冷卻的蒸餾水，你也可以選用其他物品，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究鐵釘銹蝕需要哪些條件，以及在什么條件下銹蝕速度較快。（該實(shí)驗(yàn)需要在一周前開始做）

實(shí)驗(yàn)方案記錄結(jié)論

2.美國［化學(xué)：概念與應(yīng)用］化學(xué)反應(yīng)的證據(jù)：鐵生銹（第122頁）

有一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，它的產(chǎn)物是大家都見過的鐵銹。金屬鐵和空氣中的氧氣結(jié)合會(huì)形成鐵銹—Fe2O3，這是一種三價(jià)鐵的氧化物。這個(gè)反應(yīng)可作為常見化合物直接由組成它的元素合成的一個(gè)范例。對于鐵，人們最為熟悉的性質(zhì)是它能被磁鐵吸引。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）取一小團(tuán)嶄新的鋼絲棉和另外一小團(tuán)生銹的鋼絲棉，將它們分別放入紙杯內(nèi)。

（2）取一張 3 英寸×5 英寸（約 7.6cm×12.7cm）大小的索引卡片，和一個(gè)用塑料袋包裹起來的磁鐵。

（3）用磁鐵吸引嶄新的鋼絲棉。記錄下你的觀察結(jié)果。

（4）將生銹鋼絲棉放在白色卡片的上方，用大拇指和食指輕輕摩擦它們，會(huì)有一些很細(xì)小的鐵銹粉末落在卡片上。

（5）端起卡片，在卡片下方移動(dòng)磁鐵。記錄下你的觀察結(jié)果。

分析與討論：

（1）嶄新的鋼絲棉對磁鐵的反應(yīng)是什么？

（2）當(dāng)磁鐵在卡片下方移動(dòng)時(shí)，你觀察到什么現(xiàn)象？

（3）你獲得的鐵銹粉末是否是純的物質(zhì)？實(shí)驗(yàn)結(jié)果是如何證明你的答案的？

（4）你有能夠證明鐵銹與鐵是不同物質(zhì)的證據(jù)嗎？

3.中國［人教版高中化學(xué)選修4］實(shí)驗(yàn)4—3（第85頁）

將經(jīng)過酸洗除銹的鐵釘，用飽和食鹽水浸泡一下，放入圖4－17所示的具支試管中。幾分鐘后，觀察導(dǎo)管中水柱的變化，思考引起變化的原因。

4.美國［化學(xué)：概念與應(yīng)用］鐵的銹蝕（第557頁）

在日常生活中，常用腐蝕來描述金屬在環(huán)境中發(fā)生氧化反應(yīng)的過程。這個(gè)實(shí)驗(yàn)將研究鐵釘?shù)母g以及影響腐蝕的因素。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）將1袋干凈無氣味的明膠溶于約200mL的溫水中，并加入2mL酚酞試劑和2mL鐵氰化鉀試劑。將混合均勻的溶液倒進(jìn)廣口瓶或培養(yǎng)皿中，使溶液的高度約為1cm。

（2）將普通鐵釘、鋁釘、鍍鋅鐵釘和涂有油漆的鐵釘各1枚插在液體明膠中。注意：盡量將各枚釘子分開。

（3）在玻璃瓶或培養(yǎng)皿上作好記錄，靜置幾小時(shí)或一整夜。注意：只有在明膠凝固之后才能移動(dòng)廣口瓶或培養(yǎng)皿。

（4）記錄明膠中的物質(zhì)與鐵釘相互作用的現(xiàn)象。分析與討論：

（1）哪種鐵釘可與明膠反應(yīng)？哪些現(xiàn)象說明鐵釘已被腐蝕？

（2）如果明膠中有釘子未被腐蝕，你認(rèn)為它沒有被腐蝕的原因是什么？通?？刹捎媚男┓椒▉碜柚够驕p少腐蝕？

（3）若明膠中呈現(xiàn)藍(lán)色，則是形成的亞鐵離子與鐵氰化鉀作用的結(jié)果；若呈現(xiàn)粉紅色或紅色，則是由于氧氣和水分子得到電子，形成了氫氧根離子，從而使酚酞變紅。上述反應(yīng)中，哪些是氧化反應(yīng)？這些反應(yīng)發(fā)生在鐵釘?shù)氖裁床课唬?/p>

二、中國人教版高中化學(xué)選修實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.科學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)為主體

教材中設(shè)置了大量探究性的實(shí)驗(yàn)，倡導(dǎo)結(jié)合所學(xué)知識對“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行探究，著重學(xué)習(xí)和體驗(yàn)科學(xué)研究的思路和方法，將實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練與能力培養(yǎng)，寓于實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)過程之中。

2.加強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識

在探究性活動(dòng)中，學(xué)生有了更多自主學(xué)習(xí)的空間，自己提出問題，自己猜想假設(shè)，自己設(shè)計(jì)方案，并從自主學(xué)習(xí)的過程中增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)歷與科學(xué)家相似的探究過程，既達(dá)到了開拓思維，交流合作的目的，又使學(xué)生的知識和能力在實(shí)驗(yàn)中得到加強(qiáng)、訓(xùn)練，充分感受到科學(xué)探究的樂趣，領(lǐng)悟了科學(xué)的思想和精神。

3.強(qiáng)調(diào)探究的過程

化學(xué)實(shí)驗(yàn)功能的體現(xiàn)，不僅僅在于獲得所謂的“正確”實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更重要的使學(xué)生經(jīng)歷和體驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的探究過程，只有親身經(jīng)歷了才能有真切的過程體會(huì)。這樣的過程，真正地體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)探究的艱辛，學(xué)生對科學(xué)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)有較為深刻的理解，才能在過程中受到嚴(yán)格的科學(xué)過程和科學(xué)方法的訓(xùn)練、形成科學(xué)的態(tài)度、情感和價(jià)值觀，以利于學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展。

三、美國［化學(xué)：概念與應(yīng)用］實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分析

1.以學(xué)生為主體的活動(dòng)性

《化學(xué)：概念與應(yīng)用》教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)突出了學(xué)生活動(dòng)為中心的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)別致，操作簡便。通過活動(dòng)讓學(xué)生多動(dòng)手，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與和積極思維，自主性得到充分的尊重。改變驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的固態(tài)化過程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性。

2.體現(xiàn)探究的過程性

教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)突出了“情境—問題—探究—結(jié)論—應(yīng)用”的實(shí)驗(yàn)探究模式。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中通過觀察、分類、測量、假設(shè)、分析、交流、評價(jià)和反思，體驗(yàn)到了解決問題過程中的種種情感經(jīng)歷，有助于科學(xué)方法的培養(yǎng)，增強(qiáng)了自主學(xué)習(xí)和合作意識。

3.貫徹整體的實(shí)驗(yàn)安全性教育

教材將實(shí)驗(yàn)安全教育內(nèi)容滲透到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中借助實(shí)驗(yàn)安全規(guī)則，可以隨時(shí)關(guān)注實(shí)驗(yàn)安全方面的問題，又可通過動(dòng)手實(shí)踐理解實(shí)驗(yàn)中要注意的安全問題。

4.分析與討論

更加注重實(shí)驗(yàn)之后的“分析與討論”。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)之后設(shè)置了“分析與討論”，這對于提升學(xué)生的各方面能力有很大的作用。

5.自主性探究的原則

實(shí)驗(yàn)原理明確，步驟細(xì)致、完整，并告訴學(xué)生去觀察哪些地方，讓學(xué)生獨(dú)立自主地完成探究實(shí)驗(yàn)，再通過對實(shí)驗(yàn)的分析和討論，讓學(xué)生完成理解該實(shí)驗(yàn)。

6.迷你實(shí)驗(yàn)的微型化

給學(xué)生提供快速有效的、親自操作的機(jī)會(huì)，應(yīng)用化學(xué)概念和技能；用最少的儀器，以強(qiáng)化學(xué)生對概念的理解。

四、美國［化學(xué)：概念與應(yīng)用］實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)給我們的啟示

1.從［化學(xué)：概念與應(yīng)用］教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，類型豐富的探究實(shí)驗(yàn)體系具有鮮明的特點(diǎn)。教材中的實(shí)驗(yàn)分為 “化學(xué)實(shí)驗(yàn)”、“迷你實(shí)驗(yàn)”和 “起步實(shí)驗(yàn)”。 其中“化學(xué)實(shí)驗(yàn)”23 個(gè)，“迷你實(shí)驗(yàn)”47 個(gè)，“起步實(shí)驗(yàn)”21個(gè)，平均每章 4.33個(gè)。

2.學(xué)生有更多的選擇性和靈活度

眾多的實(shí)驗(yàn)類型和實(shí)驗(yàn)數(shù)量，為學(xué)生提供了極其豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略，教師可根據(jù)教學(xué)條件、學(xué)生層次和個(gè)人能力選擇合適的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，同時(shí)也體現(xiàn)出教材中實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)的設(shè)計(jì)彈性和良好的選擇性與適應(yīng)性。

3.從定性到定量的發(fā)展趨勢

“化學(xué)實(shí)驗(yàn)”、“迷你實(shí)驗(yàn)”和“起步實(shí)驗(yàn)”中均安排了不少定量實(shí)驗(yàn)，定量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及比較廣泛，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都分別針對不同的知識點(diǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容取材于同生活經(jīng)驗(yàn)緊密聯(lián)系的素材，很容易激發(fā)學(xué)生的探究欲望，啟迪學(xué)生的思維。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路比較開放，重視實(shí)驗(yàn)的趣味性與生活化。同時(shí)定性到定量實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變，也體現(xiàn)了高中化學(xué)課程的學(xué)科化與科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)水平與要求的整體提高。

4.系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)安全教育內(nèi)容

教材中實(shí)驗(yàn)安全內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)安全規(guī)則、實(shí)驗(yàn)室急救、安全警示圖標(biāo)、安全操作教育等內(nèi)容，這些內(nèi)容相互聯(lián)系、相互作用，共同構(gòu)成統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)安全教育體系。

［1］ 人教社化學(xué)室.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)（選修1）化學(xué)與生活［M］.北京：人民教育出版社，2005

［2］ 人教社化學(xué)室.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)（選修4）化學(xué)反應(yīng)原理［M］.北京：人民教育出版社，2005

［3］ Phillips.Chemistry：Concepts and Applications.McGraw －Hill／Glencoe

［4］ 王磊.化學(xué)比較教育［M］.南寧：廣西教育出版社，2006

［5］ 朱鵬濤，周青，楊輝祥.美國高中化學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.化學(xué)教育，2007，（6）

［6］ 朱鵬濤，鞏曉燕，周青.美國高中化學(xué)教材中實(shí)驗(yàn)安全教育的特點(diǎn)與啟示［J］.國內(nèi)外化學(xué)教育動(dòng)態(tài)，2006，（8）