芻議核心素養(yǎng)下高中化學實驗設計

陶媛媛

（浙江省杭州市求是高級中學，浙江 杭州）

化學是一門以實驗教學為基礎的學科，實驗的核心素養(yǎng)包括科學態(tài)度、創(chuàng)新能力、社會責任、操作能力、信息素養(yǎng)以及合作能力等。實驗教學不僅可以幫助學生掌握化學基本知識，更可以培養(yǎng)學生的實驗能力、創(chuàng)新思維能力和觀察能力，對學生的全面發(fā)展以及培養(yǎng)化學核心素養(yǎng)起著關鍵作用。在高中化學教學中，教師應當讓學生積極參與到實驗實踐中，根據所掌握的化學基本概念理論自行設計實驗步驟預設實驗目標解決實際問題，不僅能激發(fā)學生的實驗興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提高實驗操作能力，更能鍛煉學生的邏輯思維能力。

一、化學實驗中的核心素養(yǎng)

化學實驗是一種實踐活動，需要學生具備一定的理論知識和操作技能，更需要學生擁有探究型思想、科學的實驗態(tài)度、優(yōu)秀的實驗行為習慣等，新課程改革對高中化學的核心素養(yǎng)主要內容包括變化觀念和平衡思想、科學態(tài)度和社會責任、宏觀辨識和微觀探析、實驗探究和創(chuàng)新意識等?；瘜W實驗對學生能力的要求則和新課程下的化學核心素養(yǎng)不謀而合，很大程度上達到了和諧和統(tǒng)一，尤其是化學實驗中所包含的創(chuàng)新能力、合作交流能力、科學態(tài)度等都對學生的核心素養(yǎng)起到了重大促進作用，也是學生達到個人發(fā)展與社會進步協(xié)調一致的重要途徑。因此培養(yǎng)學生的實驗核心素養(yǎng)是培養(yǎng)化學學科核心素養(yǎng)的重要組成部分。

實驗核心素養(yǎng)以實驗素養(yǎng)為基礎，以學生的全面發(fā)展為方向，其中實驗基礎知識、概念、操作技能和思維方式決定了實驗的維度，因此掌握實驗基礎知識是開展實驗教學、培養(yǎng)實驗核心素養(yǎng)的前提和基礎。

二、培養(yǎng)學生實驗核心素養(yǎng)的教學案例設計

物質分離和提純是高中化學實驗中的重點項目，也是考試的重難點之一。在授課過程中，筆者會先通過幾個生活中常見的事例激發(fā)學生的探究精神。

教學設計：利用多媒體軟件播放荒島求生的畫面，在天海一色中出現一座孤島，一個船員漂到孤島上，而孤島沒有水，那么該船員怎么做才能獲得可飲用的淡水？

觀看完這個視頻后，筆者向學生提出問題：如果你是該船員，應該怎么做？讓學生討論、交流。

設計意圖：通過視頻引發(fā)學生思考和交流，并通過物理提純的方式引出化學提純的方法，帶領學生設計實驗方案、改進實驗設施、預設實驗目標等，為下面的探究實驗設計做好鋪墊。

等學生交流結束后，讓學生回答我的問題，大部分學生想到了最簡單混合物物理分離方法，當固體和液體混合的時候，可以用蒸發(fā)的方法，選取海水加熱直到沸騰，收集水蒸氣凝成的水珠，直到海水蒸發(fā)完，獲取NaCl和H2O。

因此本次實驗設計為：

使用酒精燈、燒杯、試管、導管、分液漏斗根據蒸餾原理把NaCl溶液中的H2O分離出來。

實驗分析：蒸發(fā)、過濾、分液和萃取等是混合物常見的分離方法，而根據對實驗的分析可以發(fā)現混合物中兩種或多種物質的沸點要有一定差距，如果沸點或熔點相近，那么蒸餾的方法就缺乏可操作性。因此蒸餾法的原理是要分離的液體混合物中組成成分的沸點不同。那么對于沸點相近的甲與乙混合物，該如何將甲、乙分離出來？

探究實驗1：某實驗小組要從碘水中分離碘，請你為該實驗小組設計一套實驗方法，并提出具體的分離方法是什么？

我將學生分成幾組去做這個實驗，以其中一個小組的答案為例進行分析：

該小組的實驗方案是這樣的：

實驗工具：2個10 mL量筒、2個100 mL燒杯、酒精燈、試管、125 mL分液漏斗、鐵架臺。

實驗材料：碘的飽和水溶液，CCl4

實驗原理：溫度為25°C時根據碘在水中的溶解度為0.034g，在CCl4中的溶解度是2.9g。

實驗步驟：

1.混合：用量筒取碘的飽和水溶液10 mL，倒入分液漏斗中，再加入4 mL CCl4，蓋好玻璃塞。

2.震蕩：用右手壓住分液漏斗上端的玻璃塞，左手握住活塞部分，用力震蕩。

3.靜置：將分液漏斗放在鐵架臺上靜置，觀察發(fā)現上層無色、下層紫紅色。

4.分液：等液體分層后，將分液漏斗的玻璃塞打開，將漏斗下面的活塞打開，沿燒杯內壁慢慢倒出液體，當紫紅色液體接近流完時迅速關閉活塞。燒杯中的溶液就是碘的CCl4溶液。將分液漏斗中的溶液倒入另一燒杯。

在該小組進行實驗的過程中，我發(fā)現學生對萃取劑的核心原理存在認知困難，部分學生不理解萃取劑的選取原則，應當在什么情況下使用，以及使用萃取操作有什么好處。

而在該實驗中有學生也提出了一個問題，如果不使用CCl4，而使用其他物質能否將碘從原溶劑中萃取出來？

探究實驗2：以酒精（乙醇）作為萃取劑將碘從碘水中萃取出來。

學生采用和第一個實驗相同的實驗方法和步驟，在試管中加入兩滴管飽和碘水，然后再加入一滴管乙醇，仔細觀察發(fā)現靜置后試管中的混合物無法分層，碘無法從碘水中萃取出來。

根據以上兩個實驗，我向學生提出一個問題：為什么同樣的實驗步驟下，乙醇無法將碘從碘水中萃取出來？

學生經過討論后認為問題出在乙醇上，乙醇和水相溶，因此當用乙醇作為萃取劑時，乙醇會溶于碘水中成為另一種混合物。

三、實驗教學中探究和創(chuàng)新性素養(yǎng)的培養(yǎng)

實驗探究和創(chuàng)新精神是高中化學實驗教學中的關鍵素養(yǎng)之一，也是化學教學的核心素養(yǎng)的重要組成部分；實驗教學是突出化學學科本質的重要功能，也是實現化學概念規(guī)律的基本手段。學生在實驗中獲取化學知識，了解化學概念，掌握化學研究方法，進而感悟化學實驗背后的科學思想。

（一）演示性實驗引發(fā)學生的探索精神

實驗教學能培養(yǎng)學生的觀察力和思維能力，進而激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在于教和學。高中實驗教學中演示性實驗是最為普遍的一種教學方式，關于實驗設計和操作方法是經歷過無數次的反復實驗驗證的，因此實驗結果一般是在意料之中。

在上述實驗案例中，我通過物理實驗引出學生對化學實驗的探討，物理實驗是一種演示性實驗，因為大部分學生知道海水加熱使之沸騰形成的水蒸氣遇冷會凝結為水，即，實驗結果已出，只需要掌握實驗操作步驟即可。

新課程背景下，演示性實驗不應當僅僅滿足于示范作用，而應讓學生在演示的基礎上發(fā)現問題，提出問題，激活學生的創(chuàng)新意識。因此教師可以在實驗的過程中對操作方式進行一些改進，將實驗本身置于創(chuàng)新性的想象上進行，改進實驗可以使演示實驗的效果增強，并為學生提供更加鮮明客觀的感性認識，激發(fā)學生在實驗結果上提出新的創(chuàng)造性想法。

（二）精心設置問題，注重實驗討論，激發(fā)創(chuàng)新思維

在實驗的基礎上要給學生討論的空間，無論是對實驗步驟的改進還是實驗操作的質疑都要允許學生提出問題。由于學生的水平有限，實驗的過程不可能每次都正確，實驗結果也不一定符合預設的目標。筆者在實驗的過程中允許學生犯錯，并對學生的失誤進行總結和反饋，對實驗現象進行討論。

如，在第一個實驗結束后，筆者提出蒸餾方法的使用范圍，從而引出不適用蒸餾法的混合物分離方法，這樣就可以引出萃取法。當然讓學生分組討論需要在教師的指導下進行，否則會導致學生言語和行為上的盲目性及表達上的空泛。在本次實驗教學中，筆者重視學生由簡到難的認知規(guī)律，從物理實驗引出化學實驗，從蒸餾實驗法引出萃取實驗法，從萃取實驗引出萃取劑的核心問題。巧妙設置問題，引發(fā)學生關于實驗的討論，層層遞進地引導學生注重知識生成和解決問題的過程。

創(chuàng)新本就是在解決問題的基礎上發(fā)展而來的，當教師提出問題后更要引導學生進行創(chuàng)造性思考，如，探究實驗2就是在學生思考的基礎上衍生出來的。探究性實驗1結束后，筆者就提出問題為什么選擇CCl4作為萃取劑？這個問題把學生放在主體地位，讓他們在實驗的基礎上進行思考，當學生回答不出感到困惑的時候，筆者再適當地進行點撥——CCl4和水是不相容的，進而把學生思考的焦點放在相溶性上。于是思維比較活躍的學生就提出了，如果換一種可以和水相溶的物質能否把碘從碘水中萃取出來。

這個提議就是學生的創(chuàng)新性思維，是他們在探究型實驗基礎上進行的反向思維，反映了學生善于追根尋底重視深度研究的學科精神。

（三）注重探究性實驗

新課程背景下，高中化學教學也應改變過去一刀切的灌輸知識方法，無論在教材還是教學方法上都要出現適當的“留白”，對部分實驗現象、實驗規(guī)律和實驗結果敘述不要追求完整，而是設計一些問題，學生在實驗觀察的過程中會不自覺地思考這些問題并嘗試作答，當他們答不出來的時候就會想到通過新的實驗來獲取答案，這就是探究型實驗的衍生過程。

在這個過程中，學生會積極地參與到問題的設置、問題的沖突和解決上，是學生獨立思考性的集中體現，引導學生將觀察實驗、理性思維和創(chuàng)作實驗結合起來。

正如本次教學設計的探究型實驗1和2，兩次實驗都不是筆者提出的，而是在筆者提出問題后，學生很難回答出來，因此他們自己想到通過實驗來解決問題。當然在當下的高中化學教材中驗證性實驗仍舊占據較大比重，因此教師可以在教材實驗的基礎上進行挖掘，將驗證性實驗變成探究型實驗，發(fā)揮學生的主體地位，讓他們自己參與到創(chuàng)設問題、潛心研究和用心設計的過程中。在這個過程中，教師也可以鼓勵學生用新的科學方法和思維方法，從而增強他們的創(chuàng)新意識。

驗證性實驗解決的是知其然的問題，是學生從實驗過程中得到的感性經驗，而探究型實驗解決的是知其所以然的問題，是學生從實驗中獲取的理性經驗。在本次實驗中，學生通過探究型實驗2發(fā)現乙醇無法把碘從碘水中分離出來，而乙醇是可溶于水的，進而總結出萃取劑的選擇最關鍵的一個要素是萃取劑和原溶劑不能相溶，這就是學生通過探究實驗得出的理性規(guī)律。其實在探究實驗1中，筆者給出過一個實驗原理：溫度為25°C時，碘在水中的溶解度為0.034g，在CCl4中的溶解度是2.9g。這是一個容易被學生忽略的知識點，而部分思維比較靈活的學生從這點提示中總結出：萃取劑對溶質的溶解度要遠遠大于原溶劑。這是學生從探究實驗中自行總結出的第二條萃取劑選取原則，學生自己觀察并總結出規(guī)律，就是一個創(chuàng)造性的理性思維過程。

總之，高中化學教學中的實驗教學是培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的重要方式，合理利用實驗教學，從驗證性實驗向探究型實驗轉化，不僅能鞏固教材知識點，更能啟發(fā)學生思維，培養(yǎng)學生創(chuàng)新探索能力和理性思維能力，進而培養(yǎng)科學素養(yǎng)，增強化學思維，提升化學核心素養(yǎng)。