化學(xué)實(shí)驗(yàn)組成要素的關(guān)系及其教學(xué)啟示

陳風(fēng)雷

（江蘇省南通中學(xué)，江蘇 南通 226001）

實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的重要中介，在學(xué)科教學(xué)中有著其他教學(xué)手段無(wú)法替代的功能。正如《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“2017 年版課程標(biāo)準(zhǔn)”）所指出的，“化學(xué)實(shí)驗(yàn)是研究和學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本方法，是科學(xué)探究的一種重要途徑”。在討論如何更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能的語(yǔ)境下，梳理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的組成要素及其關(guān)系，是獲得對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有益啟示的獨(dú)特視角。

一、化學(xué)實(shí)驗(yàn)的組成要素

化學(xué)實(shí)驗(yàn)與其他科學(xué)實(shí)驗(yàn)一樣，都是根據(jù)一定的目的，在人為控制的條件下，運(yùn)用相關(guān)的儀器與設(shè)備，觀察和研究有關(guān)自然現(xiàn)象及其變化規(guī)律的社會(huì)實(shí)踐形式。所以，實(shí)驗(yàn)都有“目的、方案、現(xiàn)象和結(jié)論”等核心要素，其中方案是獲取現(xiàn)象、形成結(jié)論、實(shí)現(xiàn)目的的關(guān)鍵部分，又由“儀器、藥品、條件和步驟”等幾個(gè)方面組成。［1］下面以蘇教版高中化學(xué)必修上冊(cè)教科書中銅與濃硫酸反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行闡釋。

為了使SPP產(chǎn)生幾何相位，需要利用橫截面旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的SPP波導(dǎo).本文采用電介質(zhì)內(nèi)核——金屬包層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[11]，如圖1所示.

為了實(shí)現(xiàn)探究濃硫酸與銅反應(yīng)的性質(zhì)這一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模炭茣脠D1 和“將一小片銅片放入試管中，然后加入2 mL 濃硫酸”，按“裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”并“觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”等有關(guān)文字呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案。在該實(shí)驗(yàn)方案中，儀器有試管、鐵架臺(tái)、酒精燈等，藥品有銅片和濃硫酸，條件是加熱，步驟包括如圖組裝儀器、檢查裝置氣密性、添加相應(yīng)藥品、用酒精燈加熱、將反應(yīng)產(chǎn)生的氣體依次通入品紅和氫氧化鈉溶液等等。對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是“產(chǎn)生的氣體能使品紅溶液褪色”以及“銅與濃硫酸反應(yīng)后的溶液呈藍(lán)色”。學(xué)生利用對(duì)二氧化硫和硫酸銅的性質(zhì)，以及質(zhì)量守恒定律和氧化還原反應(yīng)規(guī)律的已有認(rèn)知，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并經(jīng)過(guò)一定的推理，就能歸納出“在加熱的條件下，濃硫酸能與銅反應(yīng)生成硫酸銅、二氧化硫和水”的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)其中“濃硫酸能將銅氧化成硫酸銅，自身被還原成二氧化硫”以及“濃硫酸是氧化劑，銅是還原劑”的化學(xué)原理，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目的。

本文將對(duì)高中物理課堂中的研究性教學(xué)展開(kāi)討論和分析，通過(guò)結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)以及其他學(xué)校的探究方式，深入的了解當(dāng)前高中物理課堂教學(xué)中的改革.隨著教育體制改革的深入，很多學(xué)校都要求本校的學(xué)科教學(xué)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，教師作為知識(shí)的傳播者也同時(shí)擔(dān)任了課堂改革者的角色.教育模式的改觀能夠大幅提升教師和學(xué)生對(duì)學(xué)科的積極性，推動(dòng)校園學(xué)習(xí)之風(fēng)的建立.

圖1 蘇教版教科書中銅與濃硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置

由表2 可知，“H2O2具有不穩(wěn)定性”和“酸性高錳酸鉀溶液能與草酸溶液反應(yīng)”的物質(zhì)性質(zhì)，分別對(duì)應(yīng)“產(chǎn)生氣體”和“溶液紫色褪為無(wú)色”兩種截然不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但是在只改變溫度條件時(shí)，都有溫度高反應(yīng)快、溫度低反應(yīng)慢的表現(xiàn)，從而能揭示相同的化學(xué)反應(yīng)原理。所以，在原理性實(shí)驗(yàn)中，雖然也有與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)類似的方案、現(xiàn)象和結(jié)論的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是將物質(zhì)性質(zhì)作為結(jié)論是暫時(shí)性的，化學(xué)原理才是實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)論，該原理可以通過(guò)對(duì)物質(zhì)性質(zhì)對(duì)應(yīng)現(xiàn)象的進(jìn)一步概括提取出來(lái)。

二、化學(xué)實(shí)驗(yàn)組成要素之間的關(guān)系

化學(xué)實(shí)驗(yàn)有多種不同的分類角度和標(biāo)準(zhǔn)。有教師在進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)分類研究時(shí)，以實(shí)驗(yàn)所涉學(xué)科基本任務(wù)，也就是實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌瑸闃?biāo)準(zhǔn)，把化學(xué)實(shí)驗(yàn)分為性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、原理性實(shí)驗(yàn)、分離與純化實(shí)驗(yàn)、制備實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)等幾種類型。［4］用該方法對(duì)2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)中的18 個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類，結(jié)果如表1。序號(hào)中的B 表示必修課程，X 表示選擇性必修課程（阿拉伯?dāng)?shù)字是原有的編號(hào)）。由表1 可知，高中化學(xué)課程中的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)以性質(zhì)實(shí)驗(yàn)和原理性實(shí)驗(yàn)為主，分別占27.8%和44.4%。為此，筆者擬以性質(zhì)實(shí)驗(yàn)和原理性實(shí)驗(yàn)為對(duì)象，討論實(shí)驗(yàn)諸要素之間的關(guān)系。

表1 2017 年版課程標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的分類

首先，要充分利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段。化學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生感知、理解和記憶的載體，具有強(qiáng)大的知識(shí)教學(xué)功能，同時(shí)是訓(xùn)練學(xué)生思維使其獲得全面發(fā)展的重要平臺(tái)。其中，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中提取物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理的過(guò)程，需要涉及比較、分類、抽象、概括、具體化和系統(tǒng)化等思維表現(xiàn)，以及概念、判斷、推理等思維形式；設(shè)計(jì)探究與驗(yàn)證物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理等實(shí)驗(yàn)方案，離不開(kāi)思維的調(diào)控，以保障實(shí)驗(yàn)方案的科學(xué)性、創(chuàng)新性和可行性；通過(guò)思維實(shí)驗(yàn)讓有關(guān)的物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理按照實(shí)驗(yàn)方案中的操作步驟，在人腦中加以呈現(xiàn)并預(yù)測(cè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象又需要邏輯推理和想象能力。所以，化學(xué)教學(xué)要充分利用教科書安排的實(shí)驗(yàn)，或根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生認(rèn)知水平增設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，同時(shí)豐富他們對(duì)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)。

和祖父的想法一樣，我也不想成為什么“家”，因?yàn)樽骷遗c藝術(shù)家，既與才華和努力有關(guān)，也與時(shí)運(yùn)有關(guān)，與命途有關(guān)，真正的成功者只是極少數(shù)。我們只要將愛(ài)好融入生命里，在其中得到樂(lè)趣，就是真正的價(jià)值所在。如果每一位寫作者或畫者都用真誠(chéng)的心去寫，去畫，相信這個(gè)世界就會(huì)因?yàn)闀鴮?、繪畫，而變得更加美好。我覺(jué)得，自己即使張羅著大小瑣碎事，也能享有趣味充實(shí)的生活，就已經(jīng)是成功的人生，不必太在意世俗的眼光，把別人的框架，硬套在自己的身上。

表2 蘇教版教科書中探究溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響的實(shí)驗(yàn)

同樣是以探究濃硫酸與銅反應(yīng)的性質(zhì)為目的，可以從不同的角度思考產(chǎn)物檢驗(yàn)和尾氣處理等有關(guān)問(wèn)題，從而設(shè)計(jì)和選擇不同的實(shí)驗(yàn)方案。有教師在比較人教版、滬科版、蘇教版等化學(xué)必修教科書，以及有關(guān)學(xué)科教學(xué)期刊載文中濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上，提出自己的改進(jìn)意見(jiàn)，共涉及10 多種濃硫酸與銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案。由于化學(xué)教學(xué)中的“科學(xué)知識(shí)在整個(gè)學(xué)科體系中是比較成熟和穩(wěn)定的，相關(guān)的科學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，尤其是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果應(yīng)該是在可預(yù)測(cè)范圍之內(nèi)的”。［2］所以這些不同的實(shí)驗(yàn)方案，在用常規(guī)的化學(xué)方法檢驗(yàn)反應(yīng)產(chǎn)物中硫酸銅和二氧化硫時(shí)，對(duì)應(yīng)的都是“反應(yīng)后的溶液呈藍(lán)色”和“產(chǎn)生的氣體能使品紅溶液褪色”等特征現(xiàn)象，只是相關(guān)現(xiàn)象在裝置中出現(xiàn)的位置和形式有所不同。［3］也就是說(shuō)，這些關(guān)于濃硫酸與銅反應(yīng)的不同實(shí)驗(yàn)有著目的、方案、現(xiàn)象和結(jié)論等相同的組成要素，雖然實(shí)驗(yàn)方案有所不同，但都能得到相應(yīng)的現(xiàn)象和結(jié)論，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的目的。

由于在化學(xué)實(shí)驗(yàn)的組成要素中，思維是聯(lián)結(jié)實(shí)驗(yàn)方案、現(xiàn)象和結(jié)論的重要紐帶，這就決定了實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生思維能力方面有著其他途徑難以替代的獨(dú)特價(jià)值。為此，化學(xué)教學(xué)就要利用好思維在實(shí)驗(yàn)中的紐帶作用，以獲取培養(yǎng)學(xué)生思維能力的更多機(jī)會(huì)。

圖2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)組成要素之間的關(guān)系

三、對(duì)化學(xué)教學(xué)的啟示

綜上，就高中化學(xué)學(xué)科以探究物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理為目的實(shí)驗(yàn)而言，方案、現(xiàn)象和結(jié)論等要素之間的關(guān)系如圖2 所示。其中，實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)結(jié)論相對(duì)應(yīng)，實(shí)驗(yàn)方案是使物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理（實(shí)驗(yàn)結(jié)論）以一定現(xiàn)象外顯的手段，根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理（實(shí)驗(yàn)結(jié)論）設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案具有多樣性的特點(diǎn)，當(dāng)設(shè)計(jì)和選定實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，可以根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理（實(shí)驗(yàn)結(jié)論）通過(guò)思維實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而觀察獲取的現(xiàn)象則是通過(guò)思維加工概括提取物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理形成結(jié)論實(shí)現(xiàn)目的的關(guān)鍵性事實(shí)材料。換言之，在高中化學(xué)學(xué)科以探究物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理為目的的實(shí)驗(yàn)中，除了讓物質(zhì)性質(zhì)或化學(xué)原理外顯為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過(guò)程，需要借助動(dòng)作技能實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案以外，思維是聯(lián)結(jié)實(shí)驗(yàn)方案、現(xiàn)象和結(jié)論的重要紐帶。

前文討論的濃硫酸與銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，屬于以探究物質(zhì)性質(zhì)為目的的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)是教科書中的演示實(shí)驗(yàn)，還是學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)“B3 不同價(jià)態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”的重要組成部分。由于濃硫酸固有的性質(zhì)決定它在加熱條件下能與銅反應(yīng)生成硫酸銅、二氧化硫和水，所以無(wú)論設(shè)計(jì)怎樣的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)探究濃硫酸的這一性質(zhì)，其特征現(xiàn)象都可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案和物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。即使在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用手持技術(shù)，使產(chǎn)生氣體或發(fā)生顏色變化等常規(guī)現(xiàn)象被有關(guān)曲線所替代，曲線的變化趨勢(shì)也可以根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)及其量的改變進(jìn)行預(yù)測(cè)。

下面再以“B6 化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”為例討論原理性實(shí)驗(yàn)的情況。由于濃度、溫度、催化劑等因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響的普遍性，以探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素為目的的實(shí)驗(yàn)方案，可以選擇不同物質(zhì)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，只要在改變有關(guān)因素時(shí)能產(chǎn)生明顯相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，就符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求。蘇教版高中化學(xué)必修下冊(cè)和選擇性必修1 化學(xué)反應(yīng)原理教科書在探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的相同因素時(shí)，就選擇了不同物質(zhì)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。其中探究溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響的實(shí)驗(yàn)如表2。

其次，要注意優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)程序?；瘜W(xué)學(xué)科不僅具有“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)”的基本特征，而且“具有以物質(zhì)為中心的‘宏觀—微觀—符號(hào)’三重表征的獨(dú)特思維結(jié)構(gòu)”，［5］實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所獲得的“宏觀”現(xiàn)象是化學(xué)“宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征思維活動(dòng)的起點(diǎn)，這也表明讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)、理解化學(xué)原理是化學(xué)教學(xué)的基本途徑。為了更好地促進(jìn)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)的“宏觀”現(xiàn)象，開(kāi)展“宏觀—微觀—符號(hào)”結(jié)合的思維活動(dòng)，教師要有意識(shí)地對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、方案、現(xiàn)象和結(jié)論等要素進(jìn)行剖析，深度挖掘其中的思維成分，運(yùn)用“情境→問(wèn)題→實(shí)驗(yàn)→討論”等教學(xué)程序，促進(jìn)學(xué)生調(diào)動(dòng)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)儲(chǔ)備積極參與認(rèn)知的全過(guò)程，讓他們通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的思維加工等活動(dòng)，在獲取有關(guān)化學(xué)知識(shí)的同時(shí)提升相應(yīng)的思維能力。

第三，要深入挖掘?qū)嶒?yàn)教學(xué)資源。有調(diào)查表明，“不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式會(huì)帶來(lái)中學(xué)生思維發(fā)展過(guò)程中思維形式、思維內(nèi)容和思維類型三個(gè)方面的差異”。為此，化學(xué)教學(xué)要注意利用豐富的實(shí)驗(yàn)資源“均衡發(fā)展學(xué)生各類思維”。［6］除了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境或預(yù)料之外的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能引起學(xué)生的真實(shí)探究與深度學(xué)習(xí)以外，一些以真實(shí)情境為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)習(xí)題也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要資源，指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合這些實(shí)驗(yàn)習(xí)題進(jìn)行相應(yīng)的“超越技術(shù)限制”的思維實(shí)驗(yàn)，不僅能發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)其中物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)原理的探究與驗(yàn)證功能，促進(jìn)學(xué)生通過(guò)對(duì)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)或原理性實(shí)驗(yàn)中情境問(wèn)題的解決，深入理解和掌握有關(guān)的物質(zhì)性質(zhì)和化學(xué)原理，同時(shí)能在調(diào)動(dòng)學(xué)生思考“是什么”“怎么做”“為什么”等問(wèn)題的過(guò)程中，使他們的分析、綜合與評(píng)價(jià)等高階思維能力得到同步鍛煉。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是高校主動(dòng)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的需求、適應(yīng)信息化下激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)而提出的重要舉措。2012年開(kāi)始，我國(guó)經(jīng)濟(jì)增速轉(zhuǎn)向中高速增長(zhǎng);第四次工業(yè)革命以互聯(lián)網(wǎng)、智能制造等創(chuàng)新型技術(shù)革新為主導(dǎo)，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)力逐漸增強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每位在校本科生都有機(jī)會(huì)接受一次創(chuàng)業(yè)教育方面的培訓(xùn)。［1］創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的目標(biāo)，是通過(guò)創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)，使學(xué)生掌握創(chuàng)業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論，熟悉創(chuàng)業(yè)的基本流程和基本方法，了解創(chuàng)業(yè)的法律法規(guī)和相關(guān)政策，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)意識(shí)，提高學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)能力，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)業(yè)就業(yè)和全面發(fā)展。

總之，思維能力是化學(xué)學(xué)科能力的核心，對(duì)學(xué)科能力的其他要素具有統(tǒng)攝作用?；瘜W(xué)學(xué)科要重視實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的廣泛運(yùn)用，并注意提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思維含量，在發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)德育、智育、美育以及勞動(dòng)教育等功能的過(guò)程中，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)諸要素之間的推演或轉(zhuǎn)換獲得思維能力的不斷進(jìn)階，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)的全面提升。