基于學科核心素養(yǎng)的中學化學實驗課程構(gòu)建的實踐研究

文∣張立云 劉國英

一、研究的背景

《義務(wù)教育化學課程標準(2011年版)》[1]中指出，義務(wù)教育階段的化學課程是科學教育的重要組成部分，應(yīng)體現(xiàn)基礎(chǔ)性?；瘜W是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，在教學中開展以實驗為主的科學探究活動，有助于激發(fā)學生對科學的興趣，引導(dǎo)學生在觀察、實驗和交流討論中學習化學知識，提高學生的科學探究能力。

《普通高中化學課程標準(2017年版)》[2]中提到學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。化學學科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任” 5個維度，其中“科學探究與創(chuàng)新意識”更是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要維度，化學實驗教學及親歷實驗的過程是培養(yǎng)學生獨立思考和運用所學知識分析問題、解決問題的能力的重要手段。

二、問題的提出

(一)化學教師自身實驗?zāi)芰退刭|(zhì)亟待提升

2016年10月，在珠海市中學化學教師實驗?zāi)芰Υ筚愔?，參賽教師先后要參加筆試和實驗操作現(xiàn)場比賽的抽簽，并在限定時間內(nèi)完成自己抽到的實驗進行現(xiàn)場操作。

統(tǒng)計參賽化學教師筆試答卷，出錯率較高的是：不清楚容量瓶的使用、不熟悉萃取的操作、酯化反應(yīng)的有關(guān)注意事項等一些最基礎(chǔ)的初、高中化學實驗及操作原理；同時，針對筆試中的不定項選擇題，能做全對的教師也較少，得分率也不高。具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 珠海市中學化學教師實驗?zāi)芰Υ筚惞P試答卷分類統(tǒng)計情況列表

從表1數(shù)據(jù)可看出，六類題型中，初中教師有四類基本實驗答對率低于80%，這就說明初中化學教師自身對于一些基本的化學實驗和操作原理已經(jīng)遺忘或者原本就不太了解；高中化學教師的筆試成績高于初中教師。

參賽化學教師對出自課本中的演示實驗操作不熟練，部分教師花費不少時間進行思考，導(dǎo)致不能在規(guī)定的時間內(nèi)完成自己抽到的現(xiàn)場實驗操作比賽；又或者在實驗操作過程中出現(xiàn)錯誤、失誤，甚至還有少數(shù)教師在比賽過程中因慌張而打破儀器，導(dǎo)致實驗操作失敗。比賽結(jié)束后，我們對參賽化學教師進行了問卷調(diào)查，歸因分析如下：①教師實驗基本功不扎實；②教師自身的惰性；③學校平時開展實驗研究氛圍不濃；④學校實驗教師缺崗，實驗教學沒有正常開設(shè)而弱化教師的實驗?zāi)芰?；⑤信息化手段?yīng)用過多，更愿意“看實驗”，而不愿意“做實驗”，其中青年教師更是以PPT或者視頻演示的居多。因此，化學教師自身實驗?zāi)芰退刭|(zhì)亟待提升。

(二)學生科學素養(yǎng)與操作技能亟須提升

從2014年開始，珠海市已在高中階段招生考試工作中增加了化學實驗操作考查，且命題出自《義務(wù)教育化學課程標準(2011年版)》，學生要完成八個基礎(chǔ)實驗中的4個化學實驗，由學生在考試現(xiàn)場抽取其中的一個并在規(guī)定的時間內(nèi)獨立完成。在4個化學實驗操作考查試題不變的前提下，對珠海市某區(qū)初中學生過去3年進行化學實驗操作考查，對比列表見表2。

表2 珠海市某區(qū)初中學生連續(xù)三年化學實驗操作考查情況對比列表

表3 高中生化學實驗學習情況調(diào)查問卷統(tǒng)計表(節(jié)選)

學生問卷調(diào)查表明學生是喜歡自己做實驗的，也很希望教師能多做實驗，但珠海市仍有學校沒有按照國家頒布的課程標準的要求去開設(shè)教師演示實驗和學生分組實驗，更多的是停留在講實驗和看實驗的層面，學生學習化學的興趣大打折扣，更談不上培養(yǎng)學生的化學學科核心素養(yǎng)，因此，要加大力度規(guī)范學校的實驗開設(shè)，并對現(xiàn)行教材中的實驗進行補充和完善，以更好地提升學生的科學素養(yǎng)與操作技能。

(三)新課程改革亟須構(gòu)建化學實驗課程

隨著新一輪課程改革的實施，高考內(nèi)容改革不斷的深入，高考化學試題也將進一步強化能力立意的命題思想，突出對化學學科核心素養(yǎng)的考查。因此，我們要順應(yīng)課程改革新要求，針對現(xiàn)行中學化學教材中有關(guān)實驗教學內(nèi)容的不完整進行研究和完善，構(gòu)建化學實驗教學課程內(nèi)容和教學案例專集，為培養(yǎng)和發(fā)展學生核心素養(yǎng)奠定實驗基礎(chǔ)。

三、中學化學實驗教程的構(gòu)建與實踐研究

(一)“教材”中化學實驗的現(xiàn)狀及問題

1.偏重于教師演示實驗與改進實驗，缺少學生分組實驗與信息化實驗的設(shè)置

珠海市選用人民教育出版社出版的《普通高中課程標準實驗教科書·化學》(以下簡稱“教材”)在實驗內(nèi)容設(shè)置方面，注重增加教師演示實驗和改進實驗，缺少課外探究實驗、學生分組實驗以及信息化實驗的設(shè)置。

2. 探究性化學實驗可操作性不強

化學實驗是進行科學探究的主要方式。如表4

表4 《普通高中課程標準實驗教科書·化學》實驗類型與分布

所示，“教材”設(shè)置有較多的探究性實驗，在整套教材中包含的 8 個模塊中，科學探究共計 38 個，占實驗總量的20%。但是沒有具體的實施方案與教學說明，更缺乏相應(yīng)的實驗視頻以及微課等輔助教材的配置，對于課時有限的化學課堂而言其可操作性不強，真正可用于課堂實驗教學的不多。

3.可操作化學課外探究實驗不足

“教材”中實驗內(nèi)容注重與生產(chǎn)、生活實際的聯(lián)系，突出化學知識在日常生活中的應(yīng)用。但此類實驗在課后組織學生開展探究時一般通過網(wǎng)上搜索與文獻收集，特別是針對教學設(shè)備設(shè)施陳舊，學生處于全封閉學習環(huán)境的學校而言，開展課外探究實驗基本落空。因此，亟須編寫一套操作性強的課外探究實驗輔助教程。

4.化學實驗分散，信息化實驗較少

“教材”中涉及的化學實驗在必修一和必修二與選修三、四、五中的編排過于分散，信息化實驗更多的是在科學視野或者習題中出現(xiàn)，讓學生真正能夠動手操作的實驗少之又少，這與信息化發(fā)展趨勢不相符，也無法讓學生親歷實驗過程，體會化學實驗的科技元素與魅力。

(二)中學化學實驗教程的內(nèi)容構(gòu)建

建構(gòu)主義理論的核心是以學生為中心。強調(diào)學生對知識的主動探索、主動發(fā)現(xiàn)和對所學知識意義的主動建構(gòu)，即學習者并不是被動地接收信息，而是根據(jù)過去的知識經(jīng)驗主動選擇、尋找信息，然后加以解釋。建構(gòu)主義教學觀就是創(chuàng)設(shè)一定環(huán)境和支持，促進學習者主動建構(gòu)知識的意義。

圖1 化學實驗課程編排

依據(jù)化學課程標準，結(jié)合化學學科特點，我們規(guī)劃圖1“4大類10小類”實驗課程為研究內(nèi)容。

1.教師演示實驗

化學演示實驗是學生獲得化學感性知識的重要源泉。課堂上，教師演示實驗操作的示范對于學生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)是不可低估的。

2.學生分組實驗

學生分組實驗是學生學習化學最直觀、最重要的手段，是學生培養(yǎng)化學實驗?zāi)芰ΑW好化學學科的關(guān)鍵步驟。其中，課外趣味實驗——以興趣小組或者社團活動形式進行實踐。在教師的指導(dǎo)下，學生開展自主實驗。把更多的機會給學生，讓他們利用課外時間學會用實驗解決問題。甚至可以充分利用課外資源，開展家庭小實驗和形式多樣的課外實驗活動。

3.科學探究實驗

新課程改革的一個重要特點就是學生學習方式的改變，即由原來的“接受式學習”轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤骄渴綄W習”，倡導(dǎo)讓學生親歷以探究為主的學習活動，培養(yǎng)他們的好奇心、求知欲和科學探究能力，而開設(shè)以學生為主體的校本選修課是科學探究實驗最佳途徑。

(1)創(chuàng)新改進實驗——針對課本上一些實驗現(xiàn)象不明顯、甚至難做成功的實驗，或者是課本上有這個知識點，但沒有實驗欄目等這一類的內(nèi)容進行研究，通過改進實驗方法、改變實驗裝置等，達到實驗現(xiàn)象明顯、操作簡單又安全的改進與創(chuàng)新。

(2)微型環(huán)保實驗——針對環(huán)保教育理念進行的研究內(nèi)容。所謂化學微型實驗就是以盡可能少的化學試劑來獲取所需化學信息的實驗方法與技術(shù)，以興趣小組社團活動形式研究。

4.信息化實驗

(1)手持技術(shù)實驗——一種高科技的、現(xiàn)代化的方法，是實驗改革和發(fā)展的有效手段。在手持技術(shù)實驗中，可應(yīng)用不同的實驗儀器、裝置；具有廣泛性和綜合性。計算機、數(shù)據(jù)采集器、傳感器和相應(yīng)軟件與其他化學儀器的整合會更加突出手持技術(shù)實驗的信息化、現(xiàn)代化的綜合應(yīng)用。

(2)化學微視頻——通過舉辦市級中學化學實驗微課比賽，匯集共享優(yōu)質(zhì)教育資源。

(三)中學化學實驗教程的編排

1.體現(xiàn)核心素養(yǎng)

《普通高中化學課程標準(2017年版)》中指出：化學核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”五個維度。化學實驗課程的設(shè)計與編排、課程的落實和評價以及實驗成果的應(yīng)用都充分體現(xiàn)化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)過程。

(1)加強實驗現(xiàn)象分析，培養(yǎng)學生的宏觀辨識與微觀探析的意識?！敖坛獭敝械拿恳活悓嶒灳鶓?yīng)提供實驗的宏觀現(xiàn)象、微觀解析、曲線變化以及反應(yīng)方程式，以上四重表征(宏觀、微觀、曲線、符號表征)對于培養(yǎng)學生的宏觀辨識與微觀探析的意識具有重要意義。

(2)注重實驗數(shù)據(jù)處理，培養(yǎng)學生的變化觀念與平衡思想。質(zhì)變與量變的關(guān)系以及反應(yīng)中的平衡思想在化學實驗教學中是重點，更是難點。實驗教學中數(shù)據(jù)的設(shè)置上，要體現(xiàn)量變引起質(zhì)變的觀念以及物質(zhì)在變化過程中是遵循元素守恒的觀念。

(3)重視實驗探究過程，培養(yǎng)學生的模型認知與證據(jù)推理等思維品質(zhì)。實驗教學中注重化學實驗?zāi)Ｐ徒?gòu)，有意識培養(yǎng)學生對模型的認知過程，并應(yīng)用預(yù)測同類型的反應(yīng)模型，在掌握實驗原理模型的同時，學會利用原理和已有知識作為證據(jù)來推理不同情境中的實驗類型。

(4)實驗形式多樣化，培養(yǎng)學生的科學探究與創(chuàng)新精神?；瘜W實驗本身就是一個探究和創(chuàng)新的過程，教師應(yīng)精心設(shè)計探究活動，采用多種形式的探究手段，利用學生實驗、探究實驗、演示實驗、信息化實驗等形式多樣的實驗活動，激發(fā)學生的科學思維和創(chuàng)新精神，為學生親自對同一實驗的不同改進提供思路。

(5)創(chuàng)設(shè)生活情境，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與社會責任感。教師可選用生活、生產(chǎn)中的實驗實例，引導(dǎo)學生利用課堂中學到的化學知識解決生活中的實際問題，融入實驗的綠色化、簡易化，讓學生體會化學與生活的聯(lián)系，同時增強學生的科學精神和社會責任感。

2.構(gòu)建課例模型

化學實驗課程的開設(shè)和設(shè)計種類繁多，但總結(jié)起來，不管課程屬于哪種性質(zhì)，課程中的課例應(yīng)遵循“課例主題選取”“教學環(huán)節(jié)設(shè)計調(diào)整”“確定實驗方案”“課堂實施記錄”“課后研討報告”等五個核心環(huán)節(jié)，據(jù)此梳理課例實踐的核心環(huán)節(jié)。具體的流程如圖2。

圖2 課例研究基本步驟

下面以基于廣東教育出版社出版的《中學化學實驗教程》中的課例實踐為例[5][6]，詳細說明如何依據(jù)課程標準和教材，密切結(jié)合學生已有經(jīng)驗，開展有序而深入的實驗探究。讓學生在熟悉的現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)新的問題，建立新知識，解決新問題，完善理論，提高科學素養(yǎng)，為學生思維品質(zhì)的提升和問題解決能力的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

基于《中學化學實驗教程》的課例實踐

一、實驗?zāi)康?/h2>

1.掌握直接碘量法測定維生素C的原理及其操作

2.掌握電位滴定法測定維生素C的原理及其操作

3.掌握維生素C的測定方法

二、實驗原理

(1)維生素C又稱抗壞血酸Vc，分子式C6H8O6。Vc具有還原性，可被I2定量氧化，因而可用I2標準溶液直接測定。其滴定反應(yīng)式：

(2)電位滴定法隨著滴定劑的加入，由于發(fā)生化學反應(yīng)，待測離子濃度將不斷變化；從而指示電極電位發(fā)生相應(yīng)變化；導(dǎo)致電池電動勢發(fā)生相應(yīng)變化；計量點附近離子濃度發(fā)生突變；引起電位的突變，因此由測量工作電池電動勢的變化就能確定終點。

三、實驗藥品及儀器

實驗藥品和試劑：飽和碘水(1.4×10-3mol/L)、淀粉指示劑、2 mol/L乙酸、維生素C

主要儀器：電子天平、量筒、燒杯、酸式堿式滴定管、錐形瓶(250 mL)、洗瓶，手持技術(shù)儀器(氧化還原傳感器)等

四、實驗步驟

I.維生素C的測定(直接碘量法)

用酸式滴定管向錐形瓶中加入10.00 mL維生素C溶液，加入1 mL 2 mol/L乙酸溶液，5～6滴淀粉溶液，立即用標準碘液(酸式滴定管)進行滴定至溶液剛好呈現(xiàn)藍色，30秒內(nèi)不褪色，即為終點，記下體積，平行滴定2～3次，計算維生素C的百分含量。

II. 維生素C的測定(電位滴定法，手持技術(shù))

(1)組裝下圖裝置，利用配套的針筒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滴定管，讓標準液能夠更均勻、更勻速地滴落；利用物理實驗常用地光電門裝置，快捷地統(tǒng)計出到達滴定終點所用的標準液的滴數(shù)。

圖3 滴定裝置

(2)通過設(shè)置相應(yīng)函數(shù)，在手持技術(shù)軟件上實時描繪出滴定的曲線及相應(yīng)的滴定數(shù)據(jù)。

五、學生分組實驗，完成相應(yīng)的實驗并完成實驗數(shù)據(jù)分析

原始數(shù)據(jù)記錄表

3.體現(xiàn)多元評價

課程對學生的評價采用過程性和結(jié)果性相結(jié)合，既重視學生學習過程中的能力發(fā)展，又注重學生對實驗結(jié)果分析處理能力的培養(yǎng)，讓學生的化學素養(yǎng)真正得到提升。成績構(gòu)成：過程性評價(見表5、表6)×50%+結(jié)果性評價(考試)×50%。

表5 學生自主實驗情況評定表

表6 學分評定及等級評估參考標準

《中學化學實驗教程》既為學校校本課程的開發(fā)和建設(shè)提供范本，也為珠海市化學實驗教學提供有力的支撐。2020年上半年疫情常態(tài)化防控期間學生居家自主在線學習，教師無法回學校做演示實驗，便充分發(fā)揮《中學化學實驗教程》作用，通過掃描《中學化學實驗教程》封底的二維碼即可讓學生觀看演示實驗，開創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)教學新空間。

教師可以將中學化學實驗按不同類型進行編排，通過組織學生查資料、提設(shè)想、明思辨、動手做、觀實驗和寫實驗報告等形式，讓他們親歷探究過程，激發(fā)學習興趣，培養(yǎng)學生科學探究能力，發(fā)展學生核心素養(yǎng)，同時還可豐富、完善中學化學實驗課程體系。

未來，我們還將繼續(xù)探索為培養(yǎng)學生的科學思維、實驗探究、實踐創(chuàng)新和學考背景下化學實驗教學的有效開展，為進一步提高化學實驗教學質(zhì)量提供實踐性參考。發(fā)展學生核心素養(yǎng)，實現(xiàn)化學高效課堂與深度學習是我們繼續(xù)前行和努力的方向。

本文系珠海市教育科研“十三五”規(guī)劃第二批(2017年度)重點課題“基于學生核心素養(yǎng)的中學化學實驗課程內(nèi)容建構(gòu)與教學的研究”(2017KTZ03)的研究成果。