以學生為中心優(yōu)化高中化學實驗教學的實踐策略

董作寶 楊輝振 劉秀蓮

【摘要】本文基于2020年修訂版普通高中化學課程標準的分析，論述過去化學學科教學存在學生主體地位不突出、教學方法較為落后等問題，提出以學生為中心優(yōu)化高中化學實驗教學的實踐策略：引導(dǎo)學生自主設(shè)計實驗方案，落實化學實驗原理教學；學生自主開展實驗操作，提高學生的自主學習能力；指導(dǎo)學生自主改進實驗方案，發(fā)展學生的辯證思維；引導(dǎo)學生自主驗證實驗效果，提高學生的思維能力和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】以學生為中心 化學實驗教學 實踐策略

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）26-0070-06

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱化學課標）指出，化學實驗是探究和學習化學物質(zhì)及其變化的基本方法，是學生開展科學探究的一種重要途徑。化學課程的大多數(shù)理論知識建立在實驗現(xiàn)象分析和實驗結(jié)論歸納的基礎(chǔ)上。然而，傳統(tǒng)的高中化學實驗教學主要是以課堂教學為主，教師講、學生聽，更注重專業(yè)理論知識的傳授，忽略了學生個性化思維的發(fā)展，不利于學生創(chuàng)新精神、創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。要想改變這一狀況，首先要改變教師的傳統(tǒng)教學觀念，突出以學生為中心的教育教學理念，構(gòu)建以學生學為主、以教師教為輔的教學體系。只有這樣才能真正激發(fā)學生進行化學實驗、科學探究的興趣，從而切實提高化學實驗教學的有效性，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

根據(jù)化學課標所提，高中化學學科核心素養(yǎng)包括宏觀辨識與微觀探究、變化理念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認識、實驗探究與創(chuàng)新意識、科學精神與社會責任等五個維度。其中，前三個維度旨在培養(yǎng)學生的化學思想方法，第四個維度的目的是讓學生在實踐中進行創(chuàng)新，第五個維度則指向科學品質(zhì)、品格培養(yǎng)等更高層次的目標。實驗是學生學習化學知識，探究各種物質(zhì)的關(guān)系及物質(zhì)的相互作用、相互反應(yīng)的主要路徑，是學習高中化學學科理論知識的重要載體。由此可見，有效實施高中化學實驗教學，是培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)的重要路徑。筆者認為，高中化學實驗教學只有通過讓學生自主設(shè)計或改進實驗方案并動手實踐操作，突出以學生為中心的教學理念，使教師成為實驗教學活動的組織者、合作者、支持者，才能徹底轉(zhuǎn)變過去“填鴨式”的實驗教學方式，轉(zhuǎn)變學生的學習方式，使化學學科的學習回歸學科本源，同時促進學生形成自主學習的能力，為學生的未來發(fā)展創(chuàng)造更大的可能性。

一、引導(dǎo)學生自主設(shè)計實驗方案，落實化學實驗原理教學

根據(jù)化學實驗原理引導(dǎo)學生自主設(shè)計實驗，讓學生學會解釋生活中的化學現(xiàn)象和解決實際問題，這是化學實驗教學的一個重要教學目標。設(shè)計化學實驗方案需要考慮如下四個方面的問題：一是實驗方案是否具有可行性，二是實驗順序是否科學，三是實驗現(xiàn)象是否直觀，四是實驗結(jié)論是否正確。學生通過自主設(shè)計實驗方案，不僅能夠進一步熟悉所研究的化學物質(zhì)的基本性質(zhì)和特性等，激發(fā)對化學學科的學習興趣和熱情，而且有利于發(fā)展自身的證據(jù)推理與模型認識、實驗探究與創(chuàng)新意識等學科核心素養(yǎng)。

如在制備碳酸并驗證其生成的實驗教學中，學生需要充分了解強酸、弱酸等化學物質(zhì)的各種特性、反應(yīng)原理，然后才能根據(jù)強酸制弱酸的原理設(shè)計實驗方案。所謂強酸制弱酸原理，是指由于強酸溶于水時完全電離為酸根離子與H+，而弱酸溶于水時則不能完全電離，當強酸與弱酸的鹽發(fā)生反應(yīng)時，H+與弱酸根離子結(jié)合生成相應(yīng)的弱酸。完成這個實驗的具體流程如下：首先在分液漏斗中裝入強酸，然后在大試管中放置固體藥品，接著在大試管中裝入澄清石灰水，最后擰開分液漏斗的開關(guān)閥，觀察物質(zhì)反應(yīng)現(xiàn)象和結(jié)果。實驗裝置如圖1所示，其中①為分液漏斗，②③為兩支大試管。為了讓學生更加清楚地認識制備碳酸的過程和原理，理解各種反應(yīng)現(xiàn)象，筆者設(shè)置了三個反應(yīng)實驗，并要求學生在按規(guī)定做好安全預(yù)案的前提下自主制訂反應(yīng)實驗方案，然后自主開展實驗探究，觀察實驗現(xiàn)象，并根據(jù)實驗現(xiàn)象總結(jié)出實驗結(jié)論，最后針對相關(guān)現(xiàn)象進行深入分析，進行實驗評價，提出改進建議（如表1所示）。

在整個實驗教學過程中，為了更好地完成實驗設(shè)計的任務(wù)，學生在教師的引導(dǎo)和幫助下，自主對強酸制弱酸的化學原理進行梳理和開展更有深度的學習，自主學習實驗中各種化學物質(zhì)的反應(yīng)原理，而且將知識鏈拓展到了沉淀溶解體系。然后，學生根據(jù)相關(guān)知識和原理的學習，自主設(shè)計實驗方案，并經(jīng)過三次反復(fù)修改實驗方案，最終設(shè)計出合理、有效的實驗方案。讓學生自主探索的教學方式，不僅能讓學生更加深刻地理解各種化學物質(zhì)的特性、性質(zhì)，了解化學物質(zhì)間的反應(yīng)原理，還可以充分調(diào)動學生的學習和探究欲望，提高學生的自主學習能力、解決問題的能力，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

二、學生自主開展實驗操作，提高學生的自主學習能力

化學實驗具有很強的操作性，學生只有通過實操才能更加準確、深刻地理解化學物質(zhì)、化學學科，明白學習化學知識的現(xiàn)實意義。引導(dǎo)學生進行廣泛的實驗操作意義重大：一是要想有序、有效地完成實驗操作，學生就要對化學物質(zhì)、實驗用具的使用原理和步驟有清楚、精準的認知，有利于學生更加深刻地理解化學反應(yīng)原理，以及各種化學物質(zhì)的性質(zhì)和特性；二是在實驗過程中，學生要嚴格按照計劃、方案進行實驗操作，要制訂明確的實驗?zāi)繕撕涂茖W的實驗步驟，有利于發(fā)展學生的策劃能力、協(xié)調(diào)溝通能力、統(tǒng)籌能力等；三是在整個實驗過程中，學生既要相互監(jiān)督，確保各實驗操作步驟規(guī)范、有效，又要相互配合確保實驗流程能夠有序開展，有利于促進學生合作能力、團隊意識的培養(yǎng)；四是在完成實驗過程中，教師要以學生為中心，突出學生的個性化學習需求，對學生進行更有針對性的學習指導(dǎo)，有利于充分激發(fā)學生的學習主觀能動性，提高學生的自主學習能力。

為了充分調(diào)動和發(fā)展學生的學習能力和實驗操作能力，筆者在日常教學中主要采取對學生進行反復(fù)實驗操作訓(xùn)練的教學方式，取得了較突出的教學效果。比如關(guān)于物質(zhì)的量濃度這一內(nèi)容的教學，本課教學的目標是讓學生掌握在進行物質(zhì)配比或化學實驗時，正確、精準、快速地確定各種化學物質(zhì)的濃度和用量，并配置出濃度合適的溶液。如在本課中，筆者給學生布置了如下任務(wù)：配制100 mL濃度為1.00 mol/L的NaCl溶液。在開展任務(wù)學習前，筆者首先要求學生根據(jù)“學習能力較強+學習能力較弱”的原則進行分組，然后向?qū)W生講解實驗注意事項，接著由各小組學生合作學習配置NaCl溶液需要的原料、原料的特性和特質(zhì)、化學物質(zhì)的反應(yīng)原理，以及學習天平秤、稱量紙的用法，并嘗試設(shè)計溶液配制方案，再進行實驗操作。在實驗操作過程中，主要由各小組學生根據(jù)本組設(shè)計的實驗方案進行實驗操作，筆者則通過巡堂觀察學生的實驗操作是否規(guī)范、科學，使用天平秤稱量化學物質(zhì)的操作是否正確。同時，為了確保各小組學生都能順利完成實驗，提高學生的學習效率和效果，筆者還根據(jù)實驗內(nèi)容設(shè)置了相應(yīng)的評價問題（如表2所示），如針對“天平秤的使用”這一內(nèi)容設(shè)計了“稱量藥品時天平是否調(diào)平衡？指針是否歸零？用稱量紙還是燒杯稱量？”等評價問題，然后采取學生自評、組員互評、教師點評的方式，科學、全面地評價學生操作實驗的全過程。

在本課教學過程中，筆者通過讓學生動手實操的方式，引導(dǎo)學生逐步掌握了天平秤、稱量紙等的規(guī)范用法，掌握了配備化學溶液的科學方法，取得了較好的實驗教學效果。同時，筆者通過多元化評價方式，讓學生既要進行自我評價，又要進行組員、小組互評，在促進學生思辨能力、評價能力發(fā)展的同時，也較全面地展現(xiàn)了學生的學習情況、學習效果，促使學生較快地掌握各種知識，提高了學生的學習能力。

三、指導(dǎo)學生自主改進實驗方案，發(fā)展學生的辯證思維

高中化學學科的實驗種類和實驗內(nèi)容非常豐富，而且都具有很強的實操性和探究性。在具體的學習過程中，學生表示針對同一個實驗會存在不同的實驗方案，如何選擇最有效的實驗方案是學生學習的重點和難點。為了提高學生的實驗操作能力，促進學生思辨思維、甄別思維的發(fā)展，在具體教學過程中，筆者主要采取讓學生自主設(shè)計實驗方案、自主操作實驗方案，并在操作過程中不斷改進實驗方案的教學方式。教師要引導(dǎo)學生在一步步改進、完善實驗方案的過程中，不斷加深對化學物質(zhì)、實驗原理、化學物質(zhì)特性的理解，掌握規(guī)范操作實驗的步驟和方法，了解各種實驗器具的使用方法和維護方法，進而逐步提高學生的學習能力，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

如在開展“探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性”這一內(nèi)容的教學時，筆者以教材所提供的實驗方案為基礎(chǔ)，在教學過程中逐步引導(dǎo)學生開展三次實驗操作，讓學生對教材實驗方案不斷進行改進、優(yōu)化，形成了實驗改進方案I和實驗改進方案II，學生的自學能力、合作探究能力、辯證思維在這個過程中得以逐步發(fā)展。

本課教學所使用的教材為人教版教材，教材中關(guān)于“探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性”的實驗方案為：實驗裝置如圖2-1所示，利用兩根大小試管進行套裝，大試管A裝入Na2CO3，小試管B裝入NaHCO3，小試管B套入大試管A中，然后對兩支試管同時進行加熱，兩支試管分別有導(dǎo)管將氣體導(dǎo)入到a、b兩支裝有澄清石灰水的試管中，驗證是否分解生成CO2。在這個實驗中，操作的關(guān)鍵點有兩個：一是同時加熱且Na2CO3的受熱溫度高于NaHCO3，二是可能分解生成的CO2要分別進行檢測。為了讓學生更好地完成該實驗，筆者設(shè)計了“如何實現(xiàn)兩種藥品同時加熱？”“如何實現(xiàn)可能分解生成的CO2分流導(dǎo)出分別檢測？”兩個思考問題，引導(dǎo)學生對實驗關(guān)鍵點進行合作探究。

通過小組合作探究，學生很快發(fā)現(xiàn)教材中的實驗方案存在實驗裝置設(shè)置不夠簡便、實驗效果不夠理想的問題。于是，學生對教材的原實驗方案及實驗裝置進行了改進，形成了實驗改進方案I，實驗裝置如圖2-2所示。利用玻璃直導(dǎo)管，在中間放置C石棉網(wǎng)或者銅絲網(wǎng)作為間隔，藥品A為Na2CO3，藥品B為NaHCO3，利用酒精排燈進行加熱以實現(xiàn)A、B兩藥品同時受熱且受熱溫度基本一致，由于中間有隔斷存在，可能產(chǎn)生的CO2會分別通入裝有等量澄清石灰水的a、b兩支小試管中。通過這樣的改進，新的實驗方案具有如下三個方面的優(yōu)點：一是改進后的實驗相對于原來的套管實驗，裝置更加簡單；二是利用酒精排燈進行加熱，兩種藥品的受熱時間和溫度基本上實現(xiàn)同步；三是基本上可以實現(xiàn)可能分解生成的CO2分流導(dǎo)出分別檢測。但同時也還存在“由于中間的隔斷沒有密封，因此有可能會導(dǎo)致少量的CO2氣體交叉干擾”的缺點。

為此，筆者引導(dǎo)學生進一步從氣體分流的角度改進實驗，同時考慮熱源的穩(wěn)定性和同步性。在此基礎(chǔ)上，學生對實驗改進方案I做了進一步的改進，形成了實驗改進方案II：實驗裝置如圖2-3所示，用數(shù)控電爐作為熱源對放置藥品的U型管進行加熱，U型管底部用石棉或者銅絲網(wǎng)（C）作為隔斷，左右兩邊分別放置Na2CO3和NaHCO3（A和B），U型管上口分別將氣體用導(dǎo)管引入裝有澄清石灰水的a和b兩支試管中。實驗改進方案II具有如下兩個方面的優(yōu)點：一是利用數(shù)控電爐作為熱源，提高了加熱的穩(wěn)定性和同步性，甚至可以做到以溫度作為變量探究Na2CO3和NaHCO3的熱穩(wěn)定性；二是U型管可以很好地將可能產(chǎn)生的氣體分流導(dǎo)出。但同時也還存在“數(shù)控電爐屬相對稀缺的實驗儀器，導(dǎo)致實驗方案不宜普及”的缺點。

在整個教學過程中，學生在教師的引導(dǎo)下，逐步發(fā)現(xiàn)原實驗方案存在的問題，并利用現(xiàn)有的實驗條件對實驗方案進行反復(fù)探究，形成了更有效、更科學、更合理的實驗方案。在對實驗方案進行改進、優(yōu)化的過程中，學生對相關(guān)化學物質(zhì)的性質(zhì)、實驗裝置的配置和使用、實驗過程的操作方法，以及對相關(guān)實驗現(xiàn)象的觀察、分析等知識都有了較深刻的理解，學生的學習能力、思維能力等也在這個過程中得到較好地發(fā)展。

四、引導(dǎo)學生自主驗證實驗效果，提高學生的思維能力和創(chuàng)新能力

實驗效果是驗證實驗操作是否成功的主要標準。然而，在實踐教學過程中，仍有不少教師將實驗效果驗證視為教學難點，甚至不知道如何有效開展實驗效果驗證。通過長期的教學實踐，筆者認為要想有效開展實驗效果驗證教學，應(yīng)當堅持如下兩種思維：一是通過限制不同的實驗條件，讓學生進行相同的實驗操作，然后對不同的實驗現(xiàn)象進行對比分析，從而論證實驗原理和實驗效果；二是通過實驗原理的遷移，將實驗在空間或時間上進行分割，使實驗表征得以凸顯，從而驗證實驗效果。

因此，筆者認為，在實驗教學中，化學教師應(yīng)引導(dǎo)學生對實驗原理進行深入分析，依循實驗探究的上述兩種思維，或是從實驗安全性、科學性、規(guī)范性和實驗現(xiàn)象的直觀性等角度，對實驗條件變量進行限制；或是將同一實驗的不同部分在空間、時間上進行割離，在創(chuàng)新改良實驗方案的同時使學生形成良好的實驗思維。通過運用不同維度、不同層次的思維，引導(dǎo)學生從實驗原理、實驗操作、實驗效果等方面對同一實驗進行對比分析，能夠有效發(fā)展學生的思維能力和創(chuàng)新能力。

如在開展關(guān)于銅和稀硝酸反應(yīng)的實驗教學時，筆者就通過讓學生通過反復(fù)修改實驗方案的方式，促進學生思維能力和創(chuàng)新能力的提高。銅和稀硝酸的反應(yīng)是人教版高中化學教材中一個重要的實驗項目，教材的實驗方案是讓學生將銅片投入稀硝酸中，然后觀察其反應(yīng)現(xiàn)象：紅色的銅片逐漸溶解，同時表面產(chǎn)生無色氣泡，無色溶液逐漸變成藍色，無色氣泡逸出液面后迅速變成紅棕色。但是，在實踐教學中，筆者發(fā)現(xiàn)這個實驗方案存在如下問題：在根據(jù)這一方案進行實驗的過程中，多個實驗現(xiàn)象會在短時間內(nèi)同時出現(xiàn)，但由于時間很短，學生難以客觀、全面地觀察和記錄各個實驗現(xiàn)象，而且學生之間會相互造成干擾。同時，實驗過程中還會出現(xiàn)無色氣泡干擾對銅片逐漸溶解的觀察、藍色溶液形成干擾氣泡顏色的觀察，以及學生不能仔細觀察記錄無色的NO轉(zhuǎn)變成紅棕色的NO2的現(xiàn)象等問題。這樣的實驗方案很不利于學生對實驗原理的認知、實驗現(xiàn)象的觀察和分析，不利于學生進行深度學習。

要想取得良好的實驗教學效果，就要將實驗現(xiàn)象逐個分離開來，以便學生進行更好的觀察、記錄和分析。根據(jù)這樣的思路，筆者聯(lián)系原電池反應(yīng)中的氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)分別在負極和正極發(fā)生的實際，確定利用銅和稀硝酸氧化還原反應(yīng)設(shè)計原電池裝置將相關(guān)實驗現(xiàn)象分離開來。然后，筆者引導(dǎo)學生設(shè)計新的實驗方案，形成了改進實驗方案I，再讓學生根據(jù)新的實驗方案和實驗裝置（如圖3-1所示）觀察實驗現(xiàn)象：在左邊的燒杯中可以觀察到銅棒逐漸溶解，無色溶液慢慢變成藍色；在右邊的燒杯中可以看到碳棒表面慢慢生成無色氣泡，其逸出液面后，迅速變成紅棕色。這一實驗方案較教材中的實驗方案有了很大改進，能夠有效將部分實驗現(xiàn)象分離開來，有利于學生觀察、記錄和分析實驗現(xiàn)象。但是，由于整套裝置處于相對開放的環(huán)境，有害氣體NO和NO2不能有效控制和處理，這是改進實驗方案I存在的最大問題。

為了進一步優(yōu)化實驗方案，筆者要求各小組學生進行組內(nèi)研討，尋找有效處理NO和NO2等氣體的方式。經(jīng)過小組合作探究，學生很快提出了解決方案：利用U型管設(shè)計原電池，碳棒一端用膠塞封閉，開兩個小孔，一個孔插入碳棒電極，另一個孔插入連接注射器的玻璃導(dǎo)管；接通電路前，先用注射器抽空U型管右端的空氣使液面上升至膠塞處，再接通電路（如圖3-2所示）。由此，可以觀察到如下實驗現(xiàn)象：①紅色的銅棒逐漸溶解；②銅棒周圍的溶液由無色變成藍色；③U型管右邊的碳棒上逐漸逸出無色氣泡，無色氣泡聚集在上端將液面壓下；④最后將注射器中的空氣緩緩壓入，可以看到無色氣體逐漸變?yōu)榧t棕色。經(jīng)過改進的實驗方案II不僅比方案I更易于操作，而且能夠更長時間、更直觀地呈現(xiàn)部分實驗現(xiàn)象。這是因為，一方面由于提前將實驗裝置中的空氣抽走，學生可以較長時間地觀察NO氣體的顏色，同時通過注射器將抽出的空氣再次壓入實驗裝置中，可以更直觀地觀察NO變成NO2時的顏色漸變過程；另一方面由于整個實驗裝置是密閉的，有害氣體排放污染的問題也得到了有效解決。

在整個實驗教學過程中，學生以小組為單位自主觀察、記錄各種實驗現(xiàn)象，并通過記錄的數(shù)據(jù)對各種實驗現(xiàn)象進行較深入的分析，發(fā)現(xiàn)實驗過程中存在的種種問題，然后通過小組合作探究的學習方式，尋找解決問題的有效方案。在此過程中，學生的主體地位得到了全面凸顯，學習主觀能動性得到了充分調(diào)動。這樣的教學方式不僅極大地激發(fā)了學生的學習積極性，還有效提高了學生的思維能力和創(chuàng)新能力。

化學是一門基于生活、基于實驗的科學，要想有效實施化學學科教學，就要堅持“以學生為中心”的教學觀念，將學生熟悉、貼近生活實際的化學現(xiàn)象引進課堂教學，并充分調(diào)動學生參與實驗、改進實驗、完善實驗的積極性，讓學生真正沉潛學習，真正提高學生的學習能力和化學學科核心素養(yǎng)。

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注：本文系廣西教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度廣西高考綜合改革專項重點課題“新高考背景下農(nóng)村高中學生化學實驗素養(yǎng)提升的研究與實踐”（2021ZJY1738）、廣西教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度廣西高考綜合改革專項課題“新高考背景下學校校本課程開發(fā)的實踐研究——高中化學校本課程《美麗化學》開發(fā)為例”（2021ZJY1753）的研究成果。

作者簡介：董作寶（1980— ），廣西貴港人，正高級教師，曾獲廣西優(yōu)秀教育工作者、廣西化學基礎(chǔ)教育獎、廣西優(yōu)秀化學教師等榮譽，主要研究方向為高中化學校本課程開發(fā)、高中化學試題命制與評價等；楊輝振（1980— ），廣西賓陽人，高級教師，主要研究方向為高中化學校本課程開發(fā)、高中化學試題命制與評價方面等；劉秀蓮（1980— ），廣東大埔人，一級教師，主要研究方向為高中化學學科教學。

（責編 蒙秀溪）