基于核心素養(yǎng)的高中化學探究性實驗教學探索

毛海紅　洪茲田

摘? ?要：倡導增進學科理解的教學是核心素養(yǎng)視域下促進課堂轉(zhuǎn)型的應(yīng)然要求，而探究性實驗教學立足學科本源，將實驗作為撬動教與學方式轉(zhuǎn)變的重要支點。以人教版必修二“化學反應(yīng)限度”的教學為例，探索基于探究性實驗增進對“可逆反應(yīng)”的理解。通過將實驗探究與問題驅(qū)動、活動環(huán)節(jié)有效融合，提高學生基于探究實驗情境解決真實問題的能力，進而增進學科理解、構(gòu)建素養(yǎng)為本的思維課堂。

關(guān)鍵詞：高中化學；探究性實驗；核心素養(yǎng)；學科理解；可逆反應(yīng)

1? 問題的提出

素養(yǎng)為本的教學強調(diào)精選學科內(nèi)容，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化、情境化。從“素養(yǎng)為本”的教學實際出發(fā)，掌握學科的核心內(nèi)容、理解學習的過程是課程層面與教學層面理解的基礎(chǔ)，是落實立德樹人根本任務(wù)?；趯W科理解視角，開展以生為本的探究性實驗教學，強化了學生學科思想的形成及學科能力的培養(yǎng)，提升了學生的學科核心素養(yǎng)。

探究性實驗教學活動，可使學生主動參與課堂學習，進行積極思考和探索，認真操作和實踐，利用已有的化學知識和實驗基本操作技能，引導學生構(gòu)思和設(shè)計實驗，并對化學知識和實驗技能進行相互轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)可行的實驗方案來實現(xiàn)化學實驗的目的和要求需要，從而進行培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)目標的課堂改革[ 1 ]。基于對化學學科內(nèi)容的認識視角與認識思路不同，將具體的實驗探究內(nèi)容與與教師引導有效結(jié)合，增強學生運用已有知識解決問題的能力，體驗化學知識原理、思維方式在生產(chǎn)生活實際問題中的廣泛應(yīng)用。

2? 探究性實驗的核心素養(yǎng)功能[ 2 ]

2.1? 培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)

探究性實驗教學可強化學生利用宏觀與微觀、現(xiàn)象與本質(zhì)相結(jié)合的方法分析和解決化學問題。例如，通過FeCl3溶液與KI溶液的試管實驗，引導學生從宏觀現(xiàn)象入手，分析微觀過程，進而建立可逆反應(yīng)的概念和反應(yīng)模型，通過直觀的現(xiàn)象，加深對可逆反應(yīng)特點的認識，培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”的素養(yǎng)。

2.2? 培養(yǎng)“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)

探究性實驗讓學生真實參與到實驗的探究、討論分析過程中，動手實踐，使抽象的概念可視化，切身經(jīng)歷知識的形成，進一步了解化學變化的本質(zhì)特征，從不同角度認知化學反應(yīng)，培養(yǎng)學生“變化觀念與平衡思想”的素養(yǎng)。

2.3? 培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)

探究性實驗教學體現(xiàn)了“學為主體，教為主導”的理念。例如，可通過顏色變化、電流值的變化理解可逆反應(yīng)，幫助構(gòu)建化學平衡的模型，通過“宏觀—微觀—曲線—符號”四重表征理解化學反應(yīng)的限度，幫助學生從多角度直觀地進行概念的建構(gòu)，培養(yǎng)學生“證據(jù)推理與模型認知”的學科核心素養(yǎng)。

2.4? 培養(yǎng)“科學探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)

探究性實驗是指在教師的引導下，以學生為主體的實驗教學策略。探究性實驗教學活動使得學生的學習過程由被動接受變?yōu)橹鲃訁⑴c、積極探究，但前提是學生能夠預(yù)習、產(chǎn)生疑問，通過提出問題、設(shè)計實驗、進行實驗、收集證據(jù)、得出結(jié)論和反思總結(jié)等過程，獲得認知，最終升華為科學探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)的提升。

2.5? 培養(yǎng)“科學態(tài)度與社會責任”素養(yǎng)

探究性實驗教學活動中所使用的藥品和用量都必須嚴格按照要求進行，如果出現(xiàn)操作失誤，可能會導致實驗失敗。這就需要學生自行分析失敗原因，并對實驗操作過程進行改進，從而培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度和嚴謹?shù)目茖W精神。同時，實驗過程中應(yīng)綠色環(huán)保，盡量不污染環(huán)境，從而培養(yǎng)學生的社會責任。

3? 探究性實驗的教學模式

探究性實驗的教學模式如圖1所示。

4? 探究性實驗的教學實施——以“化學反應(yīng)限度”教學為例

4.1? 探究性實驗教學的基本程序[ 3 ]

4.1.1? 確定內(nèi)容

以人教版必修二“化學反應(yīng)限度”的教學為例，學生初次學習化學反應(yīng)限度，重點在于對可逆反應(yīng)的理解。在選修四《化學反應(yīng)原理》的第二章第三節(jié)中重點通過可逆反應(yīng)進行化學平衡模型的建構(gòu)，進一步對化學平衡和影響平衡的因素進行認識，深化化學平衡原理。另作為本節(jié)內(nèi)容，可對化學平衡的實際應(yīng)用產(chǎn)生指導價值，同時深化對化學反應(yīng)限度的理解和應(yīng)用。

4.1.2? 提出問題

從完全反應(yīng)到可逆反應(yīng)，學生的認知能力和實驗?zāi)芰M行一次較大的跨越。在此過程中，實驗探究是學習和理解可逆反應(yīng)的重要途徑，宏觀實驗現(xiàn)象與微觀曲線圖承載的功能截然不同。如何使學生運用實驗進行探究、建立認知模型、運用模型解釋化學現(xiàn)象等是本節(jié)課教學中重點要解決的問題。

4.1.3? 設(shè)計方案

通過反應(yīng)“2Fe3+ + 2I-？葑2Fe2+ + I2”，觀察宏觀現(xiàn)象（如：溶液顏色變化）與微觀現(xiàn)象（如：電流方向的變化），讓學生認識可逆反應(yīng)以及可逆反應(yīng)的特征，并進一步體會化學反應(yīng)中限度的廣泛存在，引導學生初步建立平衡的思想，讓學生在探究性實驗教學中深刻感受發(fā)現(xiàn)與分析問題、思考與解決問題的過程。

4.1.4? 實驗驗證

基于對核心素養(yǎng)的理解與探究性實驗教學進行整合，將學生帶入實驗，激發(fā)他們的學習興趣，使他們能夠積極主動地利用實驗現(xiàn)象進行思考與質(zhì)疑、分析與推理，最終解決問題。

4.1.5? 得出結(jié)論

進行“定性實驗”與“定量實驗”相結(jié)合，加深學生對于可逆反應(yīng)的理解，幫助建構(gòu)化學平衡的模型，通過“宏觀—微觀—曲線—符號”四重表征理解化學反應(yīng)的限度，幫助學生從不同角度進行概念建構(gòu)。

4.1.6? 實踐應(yīng)用

通過對可逆反應(yīng)相關(guān)實驗的探究性教學，知道可逆反應(yīng)有一定限度。學生可將探究成果應(yīng)用到生活實踐中，有利于強化化學學科理解的探究性實驗教學成果。

4.2? 素養(yǎng)目標達成

從宏觀實驗現(xiàn)象入手，設(shè)計問題，分析問題，產(chǎn)生新的疑問，呈現(xiàn)微觀電流方向變化曲線，得到實驗現(xiàn)象背后的本質(zhì)，并用離子反應(yīng)方程式進行符號表征。學會將宏觀與微觀、現(xiàn)象與本質(zhì)相結(jié)合的方法運用到實驗所產(chǎn)生的現(xiàn)象中，從而發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)。

在對可逆反應(yīng)進一步的實驗探究教學中，自主發(fā)現(xiàn)問題，做出有依據(jù)的假設(shè)，通過實驗現(xiàn)象，收集證據(jù)，書寫離子反應(yīng)方程式，建構(gòu)認知模型，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)。

4.3? 教學簡要流程

簡要的教學流程如圖2所示。

4.4? 教學實施過程[ 4 ]

4.4.1? 初步實驗，引起思考

實驗探究1：FeCl3溶液和KI溶液發(fā)生如下反應(yīng)：2Fe3+ +2I- → 2Fe2+ + I2，請思考該反應(yīng)是否為可逆反應(yīng)？

實驗藥品：1 mol/L KI溶液、1 mol/L FeCl3溶液、CCl4、KSCN溶液等。

實驗儀器：量筒、試管、膠頭滴管等。

小組進行交流與討論，設(shè)計實驗可行方案。

分組實驗：在試管中加入約10 mL 1mol/L KI溶液，再加入約1 mL 1 mol/L FeCl3溶液，充分反應(yīng)后加入等體積的CCl4溶液，振蕩且靜置，在上層液中滴加硫氰化鉀溶液，觀察現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：分層；下層為紫紅色；上層變血紅色。

設(shè)計意圖：經(jīng)歷該實驗過程，讓學生在實驗中觀察，在觀察中分析問題，發(fā)展學生“科學探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

4.4.2? 引發(fā)思考，提出問題

問題1：為什么CCl4層會變成紫紅色，上層液滴加硫氰化鉀會變血紅色？

教師指導學生從實驗現(xiàn)象分析實驗產(chǎn)物，確定2Fe3+? + 2I- ？葑 2Fe2+ + I2是可逆反應(yīng)。結(jié)合以上兩點定性了解可逆反應(yīng)。

問題2：究竟是Fe3+ 沒有充分反應(yīng)，還是反應(yīng)逆向進行？

教師引導學生思考，引出下一個探究性實驗。

設(shè)計意圖：通過實驗所產(chǎn)生的宏觀現(xiàn)象，引導學生進行分析，培養(yǎng)學生的分析能力，同時要求學生注意發(fā)現(xiàn)實驗中存在的問題。

4.4.3? 實驗探究，方法滲透

實驗探究2：能否從定量的角度更直觀的“看出”可逆反應(yīng)的正向、逆向進行？

實驗藥品：0.1 mol/L FeCl2溶液、1 mol/L KI溶液、1 mol/L FeCl3溶液、碘單質(zhì)、瓊脂、飽和KCl溶液。

實驗儀器：U形管、石墨電極、微電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機。

分組進行交流與討論，設(shè)計實驗方案。

分組實驗：連接裝置，向U形管正極區(qū)加入約10 mL 0.1 mol/L FeCl2溶液，向負極區(qū)加入約10 mL 1 mol/L KI溶液和少量碘單質(zhì)，開始實驗，學生可觀察到電流的變化。反應(yīng)進行一段時間后，向正極區(qū)加入約1滴管1 mol/L FeCl3溶液，得到電流隨時間的變化（圖3）。

小組匯報實驗結(jié)果。實驗現(xiàn)象：電流曲線從開始時逐漸減小到平穩(wěn)，加入FeCl3溶液后，電流由負變正，方向發(fā)生變化。

設(shè)計意圖：經(jīng)歷“2Fe3+ + 2I- ？葑 2Fe2+ + I2”定性實驗到“2Fe3+ + 2I- ？葑 2Fe2+ + I2”定量實驗的分析過程，使學生感受探究性實驗教學中發(fā)現(xiàn)與分析問題、思考與解決問題的過程，并且在實驗探究活動中提升拓展，滲透育人價值，讓學生在潛移默化中接受教育，培養(yǎng)學生的實驗觀察能力與解決問題的能力。

4.4.4? 問題層層遞進，促進深度理解

問題1：電流為負，說明2Fe3+ +2I-? 2Fe2+ + I2正在向哪邊進行？

電流傳感器的紅線連接石墨，浸人FeCl2溶液的一端；電流傳感器的黑線連接石墨，浸入KI、I2混合溶液的一端。如果FeCl2溶液的一端為正極區(qū)，KI、I2混合溶液的一端為負極區(qū)，電流應(yīng)該為正?，F(xiàn)在電流為負，說明FeCl2溶液的一端為負極區(qū)，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：2Fe2+ - 2e- = 2Fe3+；KI、I2混合溶液的一端為正極區(qū)，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：I2 + 2e- = 2I-。即反應(yīng)向逆方向進行。

問題2：向FeCl2溶液的一端加入約1 mL 1 mol/L FeCl3溶液后，曲線出現(xiàn)如圖3所示的突變，說明什么？

電流由負變正，說明該反應(yīng)方向發(fā)生變化。原FeCl2溶液的一端由負極區(qū)變?yōu)檎龢O區(qū)，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+；原KI、I2混合溶液的一端由正極區(qū)變?yōu)樨摌O區(qū)，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：2I- - 2e- = I2。實驗中通過改變?nèi)芤簼舛?，實現(xiàn)了反應(yīng)方向的逆轉(zhuǎn)。

問題3：電流的負與正，說明什么？如果電流為0，表示什么？

電流為負，則說明逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率；電流為正，則說明正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率；電流為0，則表示正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率，即反應(yīng)達到平衡狀態(tài)。

設(shè)計意圖：通過問題的層層遞進，促使學生理解可逆反應(yīng)，同時說明可逆反應(yīng)有一定限度。

通過對可逆反應(yīng)的探究性實驗教學，學生知道可逆反應(yīng)是有一定限度的；通過對可逆反應(yīng)過程中電流方向變化曲線的分析，加深了學生對可逆反應(yīng)的理解，在此基礎(chǔ)上建立起化學平衡的概念。

設(shè)計意圖：強化學生對本節(jié)知識的理解，從而產(chǎn)生強烈的探究意識和學習欲望，以真正達到學科育人、立德樹人的效果，增進對化學學科的理解；同時進一步體現(xiàn)學生的主體性，擴大學生學習的自主權(quán)，發(fā)展自主學習能力。

4.5? 教學效果反饋

本節(jié)課中實驗探究環(huán)節(jié)探究充分，實驗現(xiàn)象明顯，學生探究積極性高，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題快速、高效。利用實驗的宏觀現(xiàn)象引出問題，分析問題并設(shè)計實驗進行探究，解決問題，突破難點，體現(xiàn)了探究性實驗中問題引導的重要性?；谔骄啃詫嶒灅?gòu)建化學平衡的認知模型。從宏觀實驗現(xiàn)象入手，引導學生收集信息，得出結(jié)論，發(fā)展學生多角度直觀地進行概念和模型建構(gòu)[ 5 ]。利用圖像進行進一步的解釋與印證，分析實驗現(xiàn)象背后的本質(zhì)，并用離子反應(yīng)方程式、電極反應(yīng)式進行符號表征，發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)。

5? 探究性實驗教學的實施建議

5.1? 從定性到定量，提升問題解決能力

探究性實驗教學從定性分析到定量分析，不但更高效地完成教學任務(wù)，而且學生能熟練掌握并遷移應(yīng)用本節(jié)課知識，應(yīng)用到生產(chǎn)生活中實際問題的解決，培養(yǎng)學生獨立思考的能力，提升基于學科理解的探究性實驗教學模式。

5.2? 深入挖掘探究性實驗的教育教學價值

探究性實驗教學有利于加深對化學概念性知識的理解，對于概念性知識，可以通過探究實驗的形式使學生積極參與，并利用實驗中所產(chǎn)生的現(xiàn)象去分析、解決問題，從實驗中去認識學科性知識，再將這些知識運用到實踐中，從而加深學生對學科知識的理解和認知。

5.3? 增強“科學探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)

基于探究性實驗教學培養(yǎng)學生科學探究與創(chuàng)新意識、增強學生設(shè)計實驗的能力，學生由宏觀現(xiàn)象提出問題進行思考，并對實驗進行討論、設(shè)計，加以驗證實驗設(shè)計的可操作性，在進行探究時對遇到的實驗現(xiàn)象隨時記錄，注意分析、思考實驗現(xiàn)象，從而增強學生的求知欲望和創(chuàng)新能力。

參考文獻：

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