中學化學實驗教學中發(fā)展科學探究與創(chuàng)新意識核心素養(yǎng)的初步思考

黃恭福 鄒海龍

關鍵詞：化學實驗;核心素養(yǎng);基本認識;基本態(tài)度

自上世紀90年代以來，科學普遍被理解為基于證據(jù)的解釋，探究是獲取證據(jù)重要的實踐活動?？茖W探究是人們獲取科學知識、認識客觀世界的重要途徑，它既是中學化學的學習內(nèi)容和目標，也是一種重要的學習方式。創(chuàng)新意識是思想觀念層面的動機與情感，是一種求新、求變、求異的意識。

科學探究與創(chuàng)新意識是化學學科5項核心素養(yǎng)之一，它從實踐層面激勵學生勇于創(chuàng)新，全面準確理解科學探究與創(chuàng)新意識核心素養(yǎng)，對于發(fā)展學生科學探究能力和創(chuàng)新精神有著重要的作用。本文從“基本認識、基本態(tài)度、基礎知識、基本技能”的角度，對發(fā)展學生的科學探究與創(chuàng)新意識核心素養(yǎng)（以下簡稱：核心素養(yǎng)）進行了反思與研究。

一、基本認識和基本態(tài)度

在中學化學實驗教學中要引導學生樹立對“科學探究與創(chuàng)新意識”的基本認識，形成對該核心素養(yǎng)的基本態(tài)度，以廣泛凝聚共識，促進核心素養(yǎng)培養(yǎng)的落地，這也是發(fā)展該核心素養(yǎng)的認識基礎。

1.科學探究是實踐活動和認識活動的統(tǒng)一

科學探究是進行科學解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應用的科學實踐活動，化學學科中的科學實踐活動主要通過觀察與實驗獲取事實、數(shù)據(jù)和證據(jù);科學探究還需要科學認識活動對獲取的證據(jù)進行分析、判斷和推理，并建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關系，因此科學探究是科學實踐活動和科學認識活動的統(tǒng)一。

案例1.鈉與水反應的實驗探究（片段）

（節(jié)選自湖南省長沙市長郡中學吳佳怡2019年全省賽課執(zhí)教的《鈉與水的反應》）

【科學實踐活動】

（1）在燒杯中加入約一半高度的蒸餾水，滴人2-3滴酚酞試液;

（2）用鑷子取一塊綠豆大的金屬鈉（用濾紙吸干表面煤油）;

（3）將金屬鈉放入上述燒杯中觀察實驗現(xiàn)象。

【科學認識活動】

在《鈉與水反應的實驗探究（片段）》的活動過程中，僅依靠實驗操作、實踐活動、觀察辨識等是無法揭示鈉與水反應的實質(zhì)的，需要在對宏觀現(xiàn)象進行科學觀察獲取感性認識的基礎上形成基本事實，并對獲取的事實進行分析、概括、抽象、推理，轉(zhuǎn)化為事實證據(jù)，在“科學實踐和科學認識”交替作用下最終揭示出實驗現(xiàn)象的本質(zhì)原因，以及鈉與水反應的物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化的本質(zhì)（表1）。

2.科學探究是科學過程與科學方法的統(tǒng)一

科學探究的過程大致包括：提出問題、猜想與假設、制定計劃、進行實驗、收集證據(jù)、解釋與結(jié)論、反思與評價、表達與交流等;科學方法包括比較、分類、類比、歸納、抽象以及分析、判斷和推理（歸納、演繹、統(tǒng)計），也還包括變量控制、模型方法等?？茖W探究過程中融合著上述科學方法的應用、科學方法在科學過程中得以發(fā)展和提升。

如在學習分散系及其分類的知識時，通過演示“硫酸銅溶液”與“氫氧化鐵膠體”的丁達爾效應實驗，發(fā)現(xiàn)并提出問題：為何只有當光束通過氫氧化鐵膠體時才會出現(xiàn)一條光亮的通路，而通過硫酸銅溶液時卻沒有，引出對分散質(zhì)微粒大小的比較，進而對分散系按分散質(zhì)微粒尺度的差異分為膠體、溶液、濁液等。在對這一知識的探究學習過程中，融合了比較、分類、歸納、推理等科學方法，做到了過程與方法的統(tǒng)一和融合。

案例2.實驗探究S02的漂白性（片段）

（節(jié)選自湖南省邵陽隆回一中陽葵2019年全省賽課執(zhí)教的《二氧化硫的漂白性》）

【科學過程】

提出問題：S02使品紅水溶液褪色，說明S02具有漂白性。

猜想與假設：是二氧化硫還是二氧化硫水溶液使化學教與學2020年第7期溶液褪色？

【科學方法】

控制變量：使S02分別在有水和無水環(huán)境下與品紅混合。

【科學過程】

實驗設計：將干燥的S02通入品紅的無水乙醇溶液。

收集證據(jù)：品紅的無水乙醇溶液始終不褪色。

【科學方法】

證據(jù)推理：干燥的S02不具有漂白性，S02的水溶液才具有漂白性。

【科學過程】

提出問題：S02的水溶液具有漂白性的原因是什么？

【科學方法】

分析推理：S02水溶液的成分復雜，具有HzS03、S02、HSOf、S032-、H+等。

【科學過程】

猜想與假設：可能是上述微粒中的某種粒子使得S02水溶液具有漂白性。

實驗設計：分別向品紅水溶液中滴入提供上述微粒的溶液，如HCl、Na2S03、NaHS03、亞硫酸等。

實驗實施：分別向品紅水溶液中滴入：鹽酸、亞硫酸鈉溶液、亞硫酸氫鈉溶液、亞硫酸溶液。

收集證據(jù)：觀察現(xiàn)象，收集相關證據(jù)：鹽酸、亞硫酸鈉不能使品紅溶液褪色;亞硫酸氫鈉、亞硫酸使品紅溶液褪色。

【科學方法】

分析推理：含有H2S03、HS03-的溶液可使品紅溶液褪色。

解釋結(jié)論：可能是H2S03、HS03-能與品紅發(fā)生反應使其褪色。

【科學過程】

查閱資料：H2S03、HsO3可與品紅分子化合生成不穩(wěn)定的無色物質(zhì)。

上述“實驗探究S02漂白性”活動，我們可以認識到：在科學探究提出問題、猜想假設、獲取證據(jù)等過程中，都滲透和融合了比較、類比、變量控制、分析推理等科學方法，顯然，科學探究活動是科學過程與科學方法的統(tǒng)一。

3.科學探究要有問題意識

中學化學實驗活動中要引導學生深刻認識到問題是科學探究的起點，因此要在生產(chǎn)、生活和實驗活動中發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題，并依據(jù)問題進行合理假設，依據(jù)假設設計實驗計劃和方案進行實驗探究。著名學者胡適就曾告誡青年學子保持求知欲望的藥方之一就是“時時尋一兩個值得研究的問題”，愛因斯坦也曾說：“提出一個問題比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許只是一個數(shù)學上或?qū)嶒炆系募记啥?。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度看舊問題，卻需要創(chuàng)造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。”可見，問題意識是培養(yǎng)和發(fā)展學生思維能力、想象力的重要途徑。如，拉瓦錫提出的燃燒的氧化學說、阿伏伽德羅的分子假說、阿里尼烏斯的電離學說、玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型等，都是從實驗中敏銳捕捉和分析問題開始的。

案例3.電解水實驗條件的探究

電解水實驗是中學化學的經(jīng)典實驗，其教學功能主要體現(xiàn)在以下兩點：一是通過電解水可以得到氫氣和氧氣的事實證明水不是一種元素而是由氫、氧組成的化合物;二是通過所得氫氣和氧氣體積比為2：1推導出水分子中氫原子和氧原子之比為2：1。因此實驗必須要能成功檢出產(chǎn)生氣體為氫氣和氧氣，且兩者的體積比為2：1。

【提出問題】電解水實驗中，一般條件下V（H2）：V（02）>2：1，哪些因素會影響產(chǎn)生氣體的體積比呢？

【分析問題】通過查閱資料、實驗探究、分析歸納發(fā)現(xiàn)反應原理、反應條件、反應裝置以及操作過程均能對最終結(jié)果產(chǎn)生影響。電解水的反應速率快慢與電解質(zhì)溶液中離子遷移速率，電解電壓、電極材質(zhì)、電極間距、超電勢、溶液的酸堿性等有關。

【解決問題】通過對影響因素的逐個分析和探究，采用鉑電極、12%的氫氧化鈉溶液、15V電壓等條件下進行水的電解實驗可以較為快速得到體積比為2：1的氫氣和氧氣。

電解水實驗條件的探究過程，充分體現(xiàn)了在科學實踐過程中注重對問題進行分析，從學科本源的視角，找出產(chǎn)生問題的本質(zhì)原因，再利用分析、推理、類比、變量控制、試驗、對比實驗等方法逐個尋求解決某個問題的具體方法。

案例4.鐵與水蒸氣反應實驗探究

鐵與水蒸氣反應是“人教版化學1”教材中的演示實驗，使用了還原鐵粉與水蒸氣反應，但在教師實驗中發(fā)現(xiàn)諸多問題。

【發(fā)現(xiàn)問題】氫氣產(chǎn)量極低，實驗失敗率較高。

【分析問題】舊教材實驗將鐵粉附著在石棉絨上，由于石棉絨導熱性不好，鐵粉達不到反應溫度，難以反應;現(xiàn)行教材將鐵粉堆在一起與水蒸氣反應，鐵粉與水蒸氣接觸面積有限，大多數(shù)水蒸氣未與鐵粉接觸反應即逸出了試管。

【解決問題】使用一種含鐵物質(zhì)，能與水蒸氣充分接觸，又要具有很好的導熱性便于提升反應溫度，經(jīng)搜索發(fā)現(xiàn)一種叫做“鋼絲棉”的物質(zhì)很適合。“鋼絲棉”主要成分與還原鐵粉類似且蓬松、導熱性好。使用濕潤的面巾紙部分包住“鋼絲棉”后放人試管中，用酒精燈直接加熱試管中的“鋼絲棉”，將產(chǎn)生的氣體通入滴有洗潔精的溶液中。

實驗裝置如下所示：

裝置圖1中，粗銅絲中部折成一個u形彎抵住鋼絲棉防止其滑動，粗銅絲末端折一個環(huán)緊扣在試管中以固定整個鋼絲棉，如圖所示進行相關操作即可。

上述案例說明，在進行實驗探究過程中要根據(jù)探究目的不斷挖掘問題、顯性化問題，從而達到發(fā)現(xiàn)“真問題”的目的，通過發(fā)現(xiàn)的“真問題”進行資料收集與分析、實驗設計與實施、證據(jù)獲取與解釋等過程，完成解決問題的最終目標。

4.科學探究要有證據(jù)意識

大學問家傅斯年所說的：有一份材料說一份話，有十份材料說十份話，沒有材料不說話，這里的材料就是證據(jù)?？茖W的本質(zhì)就是基于證據(jù)的解釋，認識到科學探究是提供證據(jù)的重要途徑和方式，該途徑獲取的直接證據(jù)包括實驗現(xiàn)象、實驗事實、實驗數(shù)據(jù)等?？茖W探究就是要運用獲取的現(xiàn)象、事實和數(shù)據(jù)等經(jīng)驗性證據(jù)，經(jīng)歷抽象、分析、推理的理性認識活動，達到解釋相關問題的目的。因此，培養(yǎng)學生科學探究過程中收集、整理、加工、應用證據(jù)進行解釋的能力對發(fā)展學科核心素養(yǎng)至關重要。

案例5.氯化鈉在水中的導電性實驗

在上述“氯化鈉在水中的導電性實驗”案例中，通過對3個對比實驗現(xiàn)象的分析，遵循“現(xiàn)象一結(jié)論一觀點”的邏輯推理過程，得到了氯化鈉溶于水與水作用產(chǎn)生了自由移動離子從而導電的結(jié)論（表2）。

5.科學探究要有創(chuàng)新意識

科學探究的本質(zhì)是實踐創(chuàng)新，實踐創(chuàng)新使得在此過程中不同學生的操作體驗、活動感受、自我反思均各不相同。正是這種實踐過程和體驗的差異，促使學生在“正常實踐”中能有效發(fā)現(xiàn)“異?，F(xiàn)象”（與學生認知沖突的現(xiàn)象），面對“異?，F(xiàn)象”積極質(zhì)疑，從而對探究進行反思、優(yōu)化和完善，以此體現(xiàn)出實踐創(chuàng)新的價值。

如，用1.0mol/L的氫氧化鈉溶液滴定加有酚酞試液的鹽酸溶液，當最后一滴氫氧化鈉溶液滴入后溶液由無色變?yōu)榧t色，振蕩后紅色不消失，即為達到了滴定終點，這是描述的正常實驗現(xiàn)象。有學生在親自實踐操作中發(fā)現(xiàn)：當鹽酸溶液變紅后1分鐘，溶液又變?yōu)榱藷o色的“異?，F(xiàn)象”，對該現(xiàn)象的科學解釋就是學生在科學探究實踐中創(chuàng)新意識的體現(xiàn)。

二、基礎知識與基本技能

發(fā)展科學探究與創(chuàng)新意識核心素養(yǎng)要加強實驗基礎知識與基本技能的學習理解和實踐訓練，這是開展實驗探究活動的基礎和保證。實驗基礎知識涉及實驗室規(guī)則、實驗安全與環(huán)保、實驗工作習慣、實驗儀器的辨認及其作用與功能、實驗藥品的性質(zhì)、分類、保存與使用等;實驗基本技能包括藥品取用、物質(zhì)加熱、儀器裝置連接、玻璃儀器洗滌等。具體而言，在中學階段要熟練掌握以下實驗的基本技能：

1.能進行藥品的取用、簡單儀器的使用和連接、加熱等基本的實驗操作

藥品的取用包括固體、液體藥品的取用，氣體的收集（如排水、排氣、塑料袋法以及注射器吸氣法）等。使用的簡單儀器主要包括加熱儀器及用品（酒精燈、酒精噴燈、防風罩、水浴、油浴和沙?。?可加熱儀器（直接加熱、隔石棉網(wǎng)加熱）;計量儀器主要包括質(zhì)量度量儀器（天平）、液體體積度量儀器（量筒、容量瓶、滴定管）、溫度、酸堿性測量儀器（溫度計、pH計）等;反應器（如錐形瓶、試管、燒杯、試劑瓶、三頸燒瓶、圓底燒瓶等）;試劑添加儀器及其他（長頸漏斗、分液漏斗、漏斗、蒸發(fā)皿、表面皿）等。儀器連接主要是要遵循連接的基本原則：從下到上，從左到右，膠管和橡膠塞連接玻璃儀器。裝置撤除應遵循從右到左（如將末端導管從液體中撤除），從上到下;先降溫再停保護氣，先撤右側(cè)熱源再撤左側(cè)熱源等。此外，還需掌握加熱操作（如先均勻加熱后集中加熱、外焰加熱）、氣密性檢查（如微熱法、液差法）、漏液檢查等。

2.能在教師指導下根據(jù)實驗需要選擇實驗藥品和儀器，并能安全操作，能運用簡單的裝置和方法制取某些物質(zhì)

形成從實驗目的選擇實驗原理、實驗原理確定實驗藥品、實驗藥品及實驗條件選擇實驗裝置、實驗裝置及反應特點確定實驗操作等基本思路。因此藥品狀態(tài)和性質(zhì)以及反應的條件決定了實驗儀器的選擇。

中學階段主要涉及固固加熱制氣體（如加熱高錳酸鉀制氧氣）、固液加熱制氣體（如實驗室制HCl）、液液加熱（如乙酸乙酯的制備、石油的分餾、蒸餾水的制?。⒐桃夯旌喜患訜幔ㄈ珉p氧水制氧氣、實驗室制二氧化碳、濃氨水與石灰石制氨）、固液不加熱隨開隨用型（啟普發(fā)生器、簡易啟普發(fā)生器等）。

根據(jù)不同的實驗原理和實驗類型，實驗裝置的構(gòu)成特點不同，如氣體制取實驗裝置由“發(fā)生裝置→除雜裝置→干燥裝置→收集”中的2個或多個組成，在干燥裝置的選擇中，若是固體干燥劑選擇u型管或球型干燥管、若是液體干燥劑選擇洗氣瓶等。

此外，根據(jù)實驗需要還會涉及防倒吸裝置（如倒扣的漏斗、球型管、安全瓶等）;防堵塞安全裝置（試管口棉花團、橡膠管連接的恒壓式等）;防污染的安全裝置（燃燒式、吸收式、收集式等）。

3.初步學會溶液配制

中學階段僅有的2個定量實驗是一定溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的溶液和一定物質(zhì)的量濃度溶液的配制，都要經(jīng)過“計算、稱量、溶解、移液、稀釋或定容”等步驟。操作中應注意的是洗滌液應全部轉(zhuǎn)入配制的溶液中，量筒量取的液體一次性全部加入到燒杯中;使用膠頭滴管定容后的溶液應及時轉(zhuǎn)入試劑瓶中保存等。

4.初步學會物質(zhì)的檢驗

物質(zhì)的檢驗大致包括物質(zhì)的鑒定、鑒別和推斷。鑒定即確認，即確定樣品是什么，是指用化學方法來確定未知物質(zhì)的組成，檢驗出陰陽離子或組成元素。鑒別即區(qū)別，將不同樣品區(qū)別開，是用一定的物理或化學方法把兩種或兩種以上已知物質(zhì)一一區(qū)別開。如不用任何試劑加以鑒別、只用一種試劑予以鑒別、任選試劑鑒別等。推斷是通過已知實驗事實，根據(jù)性質(zhì)一定存在或不存在、可能存在哪些固體或離子或氣體等，若為定性層面，只需確定存在（不存在）什么，若為定量層面，還需確定各成分的物質(zhì)的量。

5.初步學會物質(zhì)分離、提純

物質(zhì)的分離是將混合物中各組分分離開來，獲得幾種純凈物的過程;物質(zhì)的提純是將混合物中的雜質(zhì)除去而得到目標物質(zhì)的過程。如混合物分離的物理方法有以下三種類型，一是“固+固”混合物采用加熱（升華法）、加水（重結(jié)晶、過濾法）及特殊方法（如磁性分離Fe和FeS）;二是“固+液”混合物采用萃取法、蒸發(fā)結(jié)晶法或過濾法;三是“液+液”混合物采用蒸餾法或分液法等;“氣+氣”混合物采用降溫液化法等。

在中學化學實驗教學中引導學生對核心素養(yǎng)形成正確的基本認識和基本態(tài)度，熟練掌握化學實驗基礎知識和基本技能，是我們進一步發(fā)展科學探究與創(chuàng)新意識核心素養(yǎng)的關鍵，需要在教學中以務實的態(tài)度落實。