基于核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐研究

項(xiàng)云 劉江田

摘要：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多是按課本上的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或再現(xiàn)，學(xué)生自主探究體驗(yàn)不足，不利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。翻轉(zhuǎn)課堂下的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)，利用前置性問題的設(shè)置及創(chuàng)新點(diǎn)的探尋，引導(dǎo)學(xué)生課前自主先學(xué)、分析思考，再通過課堂師生交流討論、探究改進(jìn)，獲得更深層次的理解與發(fā)現(xiàn)，從而有效促進(jìn)知識的內(nèi)化建構(gòu)與化學(xué)核心素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué);核心素養(yǎng);翻轉(zhuǎn)課堂;吸氧腐蝕

文章編號：1008-0546（2022）08-0090-04?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.019

隨著新課改的深入推進(jìn)，當(dāng)前高考錄取方式正發(fā)生變革，高校在強(qiáng)基計(jì)劃及綜合評價中越來越重視學(xué)生核心素養(yǎng)的考查。然而，目前中學(xué)教學(xué)中仍存在學(xué)生自主探究偏少或缺失的狀況，不利于學(xué)生思維發(fā)展和核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。作為一線教師，我們迫切需要改進(jìn)自己的課堂教學(xué)方式。

高中化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平提出了具體要求，其中包括證據(jù)推理、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識，化學(xué)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要手段[1]。目前中學(xué)教材上的實(shí)驗(yàn)大多是設(shè)計(jì)好的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少思考探究的過程，有些實(shí)驗(yàn)按課本上的設(shè)計(jì)去做，不僅現(xiàn)象不明顯、污染重、耗時長，且存在證據(jù)推理不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜毕?，這些問題困擾著我們的教學(xué)，而常規(guī)課堂又難以解決。為此我們嘗試實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)，以學(xué)生為主體，調(diào)動學(xué)生思考探究、創(chuàng)新改進(jìn)。

一、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)分析

1.課堂模式選擇

課堂模式的選擇對實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)的順利開展至關(guān)重要。傳統(tǒng)課堂上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生很難發(fā)生高品質(zhì)的思維活動，而“翻轉(zhuǎn)課堂”是對傳統(tǒng)課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)與流程的徹底顛覆[2]，對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行重構(gòu)，將學(xué)習(xí)主動權(quán)交給學(xué)生，通過教師提供的微課、教學(xué)案、情境素材等完成知識的前置性學(xué)習(xí)，讓課堂變成師生互動的平臺，從而發(fā)生高質(zhì)高效的課堂教學(xué)活動。

我們踐行的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)主要采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，通過前置性問題的設(shè)置引導(dǎo)學(xué)生查閱資料、積極思考、主動探究。課前學(xué)生要在自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上對實(shí)驗(yàn)探究提出假設(shè)、設(shè)計(jì)方案，這樣課堂上能有更多時間在教師指導(dǎo)下交流討論、反思改進(jìn)，獲得更深層次的理解與發(fā)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)可直接在實(shí)驗(yàn)室開課，方便實(shí)驗(yàn)器材的選取與實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化調(diào)整，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。另外，我們還可以把實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新靈活地融入到校本課程或研究性學(xué)習(xí)中，增加學(xué)生探究實(shí)踐的機(jī)會。

2.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)要素

翻轉(zhuǎn)課堂下的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)對師生提出了更高的要求，它需要提前準(zhǔn)備籌劃，精心做好課前準(zhǔn)備工作，如文獻(xiàn)的查閱、學(xué)習(xí)材料的搜集、引導(dǎo)性問題的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)的探尋、實(shí)驗(yàn)用品的準(zhǔn)備等都要事先做好功課，否則課堂上手忙腳亂、延誤時間而無法達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

（1）實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)的探尋

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)批判分析，進(jìn)而提出問題、思考探究、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對思維能力要求較高。實(shí)驗(yàn)及其創(chuàng)新點(diǎn)的選擇直接影響教學(xué)效果，不是所有的實(shí)驗(yàn)都適合開展創(chuàng)新教學(xué)，教師要進(jìn)行可行性研究，篩選出有利于學(xué)生思維發(fā)展及能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)。如“氨氣的噴泉”“苯的溴代反應(yīng)”“鐵的吸氧腐蝕”“鈉與乙醇反應(yīng)”“氨氣的催化氧化”等[3～6]，可指導(dǎo)學(xué)生從以下創(chuàng)新點(diǎn)研究：如用簡單儀器替代復(fù)雜裝置、就地取材利用生活用品，以及數(shù)字化、微量化、簡約化、增強(qiáng)效果、消除污染的設(shè)計(jì)等。通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新使之現(xiàn)象明顯、生動直觀，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，易于學(xué)生理解原理。

（2）引導(dǎo)性問題的設(shè)置

翻轉(zhuǎn)課堂將知識學(xué)習(xí)主要放在課外，課內(nèi)更專注于高質(zhì)量的交流研討，教師課前要給學(xué)生做好預(yù)習(xí)指導(dǎo)，以問題形式驅(qū)動學(xué)生主動思考研究。教師要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)對教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生活動、實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行細(xì)致的備課，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)及學(xué)情設(shè)計(jì)難度適宜的問題，對難點(diǎn)知識還要分解成不同梯度的小問題逐步引導(dǎo)，這些都以任務(wù)引領(lǐng)形式編寫在導(dǎo)學(xué)案中，提前發(fā)給學(xué)生思考分析。對于創(chuàng)新教學(xué)中可能遇到的生成性問題，教師除了提前做好預(yù)設(shè)及預(yù)案外，還要不斷提高自身的學(xué)科素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，從而游刃有余地駕馭實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新課堂，確保創(chuàng)新教學(xué)的質(zhì)量和效果，達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。

（3）素材及實(shí)驗(yàn)用品

教學(xué)情境素材盡量來自日常生活，這些富有親切感的生活題材往往能激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲，如海帶中碘的提取、84消毒液的漂白、肥皂的制備、暖寶寶的工作原理等。教師課前要提供生活化素材、教學(xué)案、微課、視頻、拓展鏈接等學(xué)習(xí)材料，便于學(xué)生自主先學(xué)。

實(shí)驗(yàn)用品主要包括儀器和藥品。首先準(zhǔn)備好可能用到的常規(guī)儀器及藥品，同時根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的需要，預(yù)定一些特殊的實(shí)驗(yàn)用品。這都需要老師提前考慮并與實(shí)驗(yàn)員及時溝通，盡可能滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的用品需求。

二、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)實(shí)施

翻轉(zhuǎn)課堂模式下的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)，應(yīng)依據(jù)學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)和知識水平，參考課前學(xué)習(xí)任務(wù)的完成情況來實(shí)施。那么，如何避免課堂變成課前學(xué)習(xí)的簡單重復(fù)？如何在短短45分鐘內(nèi)具體展開？如何在創(chuàng)新教學(xué)中提升核心素養(yǎng)？下面以吸氧腐蝕原理的創(chuàng)新教學(xué)為例具體闡述。

1.教學(xué)目標(biāo)

鐵的吸氧腐蝕是中學(xué)化學(xué)教學(xué)難點(diǎn)，學(xué)生總是難以理解，按照人教版選修4的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[7]，5～8分鐘才有明顯現(xiàn)象，教學(xué)時效性不高，且導(dǎo)管內(nèi)液面上升不能證明一定是氧氣參與了反應(yīng)。為此我們設(shè)置了如下教學(xué)目標(biāo)：通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究暖寶寶發(fā)熱原理，建立吸氧腐蝕概念，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的過程，培養(yǎng)證據(jù)推理、探究與創(chuàng)新等化學(xué)核心素養(yǎng)。

2.課前自主學(xué)習(xí)

課前根據(jù)老師編寫的導(dǎo)學(xué)案完成以下前置任務(wù)：

（1）視頻導(dǎo)學(xué)：布置學(xué)生觀看吸氧腐蝕原理的微課視頻，完成課前發(fā)的導(dǎo)學(xué)案，初步了解吸氧腐蝕原理。

（2）查閱相關(guān)資料：①查閱吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的相關(guān)論文，閱讀并評價它的優(yōu)缺點(diǎn)。②搜索百度百科關(guān)于暖寶寶的介紹，了解其組成、作用、注意事項(xiàng)等。

（3）創(chuàng)新設(shè)計(jì)：生活中“暖寶寶”的成分與鐵合金組成相似，為此以“暖寶寶”為研究素材，讓學(xué)生課前思考探究，在導(dǎo)學(xué)案上畫出創(chuàng)新設(shè)計(jì)草圖，并用簡要文字說明思路與方法。

3.課堂教學(xué)實(shí)施

翻轉(zhuǎn)課堂模式下，知識學(xué)習(xí)、問題思考、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等過程得到前移，這樣課堂上師生就有更多的時間討論、探究、改進(jìn)，從而獲得更深層次的理解與發(fā)現(xiàn)，提高課堂教學(xué)效果。下面我們展示吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的教學(xué)案例。

【情境問題】生活中的暖寶寶御寒保暖、方便易帶，成為百姓的保暖神器，那么大家知道暖寶寶的發(fā)熱原理嗎？

【信息查閱】探究“暖寶寶”發(fā)熱原理，首先要了解其化學(xué)成分。由圖1可知它的主要成分是：鐵粉、水、活性炭、蛭石、吸水性樹脂、食鹽。

【提出問題】暖寶寶一貼即熱，用后變成鐵銹狀物質(zhì)。那么，暖寶寶中的鐵、活性炭、鹽、水有什么作用呢？鐵銹是如何形成的？

【推測猜想】根據(jù)所學(xué)原電池原理和金屬腐蝕的知識可初步推測：暖寶寶發(fā)生了鐵的吸氧腐蝕。接下來，如何通過實(shí)驗(yàn)來判斷我們推測猜想的合理性呢？

【師生互動】各小組展示課前設(shè)計(jì)的探究方案，交流探討后組織學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究，對活動中出現(xiàn)的問題，教師及時給予指導(dǎo)，評價其優(yōu)缺點(diǎn)，提出改進(jìn)建議。這對后續(xù)進(jìn)一步創(chuàng)新起到了十分重要的鋪墊作用。

【深度分析】教材吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)是通過導(dǎo)管內(nèi)液柱上升來證明 O2參與反應(yīng)，其實(shí)在沒有測量溫度和 pH 變化的情況下，這樣的判斷是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。因?yàn)槿绻磻?yīng)是吸熱的，即使沒有氣體反應(yīng)消耗，導(dǎo)管內(nèi)液柱也會上升;另外，即使證明氧氣參與了反應(yīng)，在沒有測pH增大的情況下，也不能證明發(fā)生了電化學(xué)吸氧腐蝕，可能是鐵與氧氣直接發(fā)生化學(xué)腐蝕。針對上述證據(jù)推理中存在的漏洞，我們又該怎樣創(chuàng)新改進(jìn)呢？

【優(yōu)化設(shè)計(jì)】某學(xué)習(xí)小組優(yōu)化改進(jìn)后的裝置如圖2所示：右端玻璃導(dǎo)管插入品紅溶液，然后把暖寶寶包裹在溫度計(jì)上，插入吸濾瓶，塞緊瓶塞。實(shí)驗(yàn)中用溫度計(jì)測量其工作時的溫度變化，并根據(jù)導(dǎo)管內(nèi)液柱的升降來判斷體系壓強(qiáng)的變化。

【評價與點(diǎn)撥】首先表揚(yáng)該小組的整體設(shè)計(jì)，肯定他們對溫度實(shí)時測量的改進(jìn)，但實(shí)驗(yàn)中pH 和 O2濃度的變化不能直接反映出來。那么，根據(jù)我們課前對暖寶寶及數(shù)字化傳感器的學(xué)習(xí)了解，大家能否設(shè)計(jì)出能同時監(jiān)測溫度、pH 和 O2濃度變化的科學(xué)合理的方案呢？

【創(chuàng)新設(shè)計(jì)】在老師引導(dǎo)下，大家創(chuàng)新設(shè)計(jì)出圖3所示的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置，主要儀器有氧氣傳感器（左側(cè)）、溫度傳感器（中間）、pH傳感器（右側(cè)）、三頸瓶、磁力攪拌器、長針頭、針筒等。它利用數(shù)字化儀器在密閉容器中同時監(jiān)測暖寶寶工作時O2、溫度、pH參數(shù)的變化。

【實(shí)驗(yàn)探究】設(shè)計(jì)是否合理，能否說明問題，需要通過實(shí)踐來檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)具體操作如下：

①搭建圖3裝置，檢查氣密性后在三頸瓶中放少量水。

②取下溫度傳感器，撕開包裝袋，將暖寶寶包裹在溫度傳感器上，再插入瓶中，塞緊橡皮塞，注意傳感器和暖寶寶都不要接觸水。

③點(diǎn)擊數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟件（Logger Pro 3.14.1）的數(shù)據(jù)采集按鈕，觀察數(shù)據(jù)變化。

④80秒時用針筒內(nèi)的少量水淋洗暖寶寶，注意觀察三條曲線的變化。

⑤3分鐘后停止數(shù)據(jù)采集。

【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】由圖4可知：0～80秒，最上面的氧氣含量曲線逐漸下降;中間溫度曲線逐漸升高;最下面 pH 曲線無明顯變化（因沒有用水淋洗，暫時檢測不到反應(yīng)產(chǎn)物的pH）。80秒用少量水淋洗后，可以看到氧氣含量曲線加速下降，溫度和pH 曲線均明顯上升。

上述氧氣、溫度、pH 的數(shù)據(jù)變化表明：暖寶寶工作時耗氧、放熱、生成 OH-，用少量水淋洗可加速暖寶寶的反應(yīng)。

【原理分析】消耗O2并生成OH-，發(fā)生的是原電池的正極反應(yīng)，原理如下：

正極（C）：O2+2H2O +4e-=4OH-

負(fù)極（Fe）：Fe -2e-=Fe2+

總反應(yīng)：2Fe + O2+2H2O =2Fe（OH）2

鐵銹形成：4Fe（OH）2+2H2O + O2=4Fe（OH）3，2Fe（OH）3= Fe2O3·nH2O +（3-n）H2O

少量水淋洗后腐蝕速率加快，是因?yàn)橛懈嗟?NaCl溶解在水中，使能導(dǎo)電的電解質(zhì)離子增多。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】實(shí)驗(yàn)表明暖寶寶中的 Fe-C-NaCl 水溶液構(gòu)成了原電池，發(fā)生了鐵的吸氧腐蝕，利用原電池反應(yīng)加快氧化速率而放熱。

【實(shí)驗(yàn)評價】實(shí)驗(yàn)結(jié)束后引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評價與交流，強(qiáng)化創(chuàng)新意識，提高評價能力。最后大家普遍認(rèn)同上述創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、相互佐證，有以下優(yōu)點(diǎn)：

①把暖寶寶包裹在溫度傳感器上，不破壞它的內(nèi)包裝和組成，更符合其實(shí)際工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)實(shí)時準(zhǔn)確。

②巧妙配合使用針頭和傳感器，既便于檢查氣密性，又能實(shí)現(xiàn)溫度、氧氣、pH 的同時檢測，有利于揭示變化的相關(guān)性（其實(shí)這一點(diǎn)不容易做到，因?yàn)閜H要在溶液中測量，如果把暖寶寶完全浸泡在水中，則無法同時準(zhǔn)確測量溫度、氧氣的數(shù)據(jù)，我們利用少量水淋洗的方法解決了這一難題）。

③用數(shù)字化儀器替代傳統(tǒng)儀器，實(shí)現(xiàn)了從定性到定量的轉(zhuǎn)變，使放熱、耗氧、pH變化過程可視化。

④電子傳感器能捕捉反應(yīng)的細(xì)微變化，跟蹤反應(yīng)過程，如加少量水后的數(shù)據(jù)變化，表明暖寶寶要在干燥環(huán)境中使用，否則會縮短其使用壽命且易造成燙傷。

【總結(jié)】上述案例中暖寶寶工作時化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)化、得失電子守恒都體現(xiàn)了“變化觀念與平衡思想”;暖寶寶發(fā)熱后生成鐵銹的原理解釋體現(xiàn)了“宏觀辨識與微觀探析”;而“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識”的培養(yǎng)則滲透在整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中。

三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)反思

暖寶寶發(fā)熱原理探析的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和思維發(fā)展過程，從問題提出到實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，都在教師指導(dǎo)下由學(xué)生自主完成，將學(xué)習(xí)主動權(quán)交給了學(xué)生。提高了學(xué)生的知識應(yīng)用能力，激發(fā)了學(xué)生的思維潛能和創(chuàng)造力，體現(xiàn)著實(shí)驗(yàn)的教育教學(xué)功能。通過上述案例分析，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂模式下的不斷實(shí)踐，我們建構(gòu)了真正以學(xué)生為主體的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)模型，其基本框架如圖5所示。

翻轉(zhuǎn)課堂下的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)，通過前置性任務(wù)的課前自主學(xué)習(xí)，節(jié)省了課堂教學(xué)時間，讓學(xué)生課上有更多的時間思考分析、討論探究，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成善于質(zhì)疑、樂于探究、勇于創(chuàng)新、主動建構(gòu)的學(xué)習(xí)品質(zhì)，有效培養(yǎng)了證據(jù)推理、實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識等化學(xué)核心素養(yǎng)，從基礎(chǔ)教育層面為國家創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供支持。

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