淺談利用真實(shí)情境培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)

江蘇省黃橋中學(xué) 何 燕

經(jīng)常有老師抱怨高中化學(xué)教學(xué)的課時緊任務(wù)重，演示實(shí)驗和學(xué)生實(shí)驗都是蜻蜓點(diǎn)水般的完成，根本起不到培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)的效果。其實(shí)很多實(shí)驗都不是具有真實(shí)的情境的特點(diǎn)，都是經(jīng)過篩選和理想化條件下的結(jié)果固定的實(shí)驗，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的操作正確和觀察仔細(xì)，能夠完成預(yù)設(shè)的任務(wù)，通過較好的效果來驗證既有的理論。學(xué)生往往失去主體意識，只求達(dá)到既定的目標(biāo)，而對過程中的生成性的知識視而不見。

關(guān)于化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)的界定，傾向于范志鵬的觀點(diǎn)，他認(rèn)為化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)屬于個人修養(yǎng)的范疇?；瘜W(xué)實(shí)驗素養(yǎng)是個很寬泛的概念，只有在真實(shí)的情境中才能有針對性地發(fā)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)的不足，考試評價也是力求模擬真實(shí)的情境，選拔出化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)較好的學(xué)生。如果僅僅是通過紙筆訓(xùn)練來提高學(xué)生應(yīng)付考試評價的能力，那是不現(xiàn)實(shí)的也是不全面的，正所謂“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。

那么如何利用真實(shí)情境培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)呢？結(jié)合自己的實(shí)踐談一些觀點(diǎn)，供大家分享。

一、通過項目化的開放性實(shí)驗有利于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)

項目化實(shí)驗是以一個獨(dú)立的整體的實(shí)驗為背景，讓學(xué)生用已有知識和技能，體驗解決真實(shí)問題的過程和方法，培養(yǎng)學(xué)生合作、反思、批判等能力的實(shí)驗方式。學(xué)生在整個過程中體驗了對問題的發(fā)現(xiàn)，尋找解決問題的原理，根據(jù)原理初步設(shè)計實(shí)驗，實(shí)驗設(shè)計的可行性分析及其改進(jìn)，實(shí)驗計劃的擬定，實(shí)驗操作，處理實(shí)驗數(shù)據(jù)，驗證對問題的解決效果等步驟，有利于運(yùn)用和拓展既有知識和技能去解決現(xiàn)實(shí)的問題。但還是有幾點(diǎn)是要注意的，項目化的開放性實(shí)驗對學(xué)生的要求較高，需要有一定的知識儲備和能力儲備，而且占用學(xué)生的時間較長，建議要安排合適的興趣小組，配備適當(dāng)比例的指導(dǎo)老師，在一個相對集中的時間段完成。

二、利用身邊的易獲得的資源有利于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)

身邊的易獲得的資源指的是包含家庭中的、地方的及社區(qū)的知識，不僅僅是指環(huán)境和物體及各個生活上日常所見的人和事，它還包含了當(dāng)?shù)靥赜械奈幕?、歷史、意識及價值觀。利用這些資源就是將本地的一些知識（包括但不限于歷史、文化）中的化學(xué)元素提取出來，融入到化學(xué)實(shí)驗的情境設(shè)計等方面。學(xué)生往往更容易從身邊的資源找到研究的切口，凝練出有價值的問題，通過研究這些身邊的問題讓學(xué)生體驗到愛家鄉(xiāng)愛化學(xué)的價值，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生繼承和發(fā)展家鄉(xiāng)文化和學(xué)科知識的意識，進(jìn)而樹立正確的國家觀、民族觀、歷史觀、文化觀，從而達(dá)到了促進(jìn)課程思政的效果。顯然這也是學(xué)生實(shí)驗素養(yǎng)的一部分，把對科學(xué)的興趣和對文化的興趣相融合，在科學(xué)探究的過程中實(shí)現(xiàn)了薪火相傳。當(dāng)然需要注意的是越是身邊習(xí)以為常的事物及其變化，學(xué)生越容易以一種慣性思維去理解，其中可能會有一些非科學(xué)性的因素影響，此時教師就要注意對這些實(shí)驗設(shè)計和結(jié)論的科學(xué)性進(jìn)行把關(guān)，及時糾正錯誤，確保研究的信度和效度。

三、利用數(shù)字化傳感器有利于發(fā)現(xiàn)實(shí)驗中的生成性的問題

真實(shí)的情境如果只是滿足于表面的觀察和測量，得到的信息量通常是極其有限的。通過對實(shí)驗進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，利用傳感器等數(shù)字化進(jìn)行實(shí)驗教學(xué)，化定性為定量，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)思維的臺階，有效降低學(xué)習(xí)難度，對教學(xué)難點(diǎn)的突破一定會很有幫助。借助數(shù)字化傳感器能夠發(fā)現(xiàn)一些難于觀察到的變量的變化過程，并能夠使現(xiàn)象放大化和趨勢明顯化，并減少人工的勞動量，提高實(shí)驗的效率，采集數(shù)據(jù)可以瞬間完成也可以橫跨一個星期。熟練操作后，使用數(shù)字化傳感器的實(shí)驗成功率是很高的，誤差也會很小，增加了實(shí)驗的信度。對這種新型的實(shí)驗設(shè)備，對自己親手測出的數(shù)據(jù)和圖像，學(xué)生是很感興趣的，也樂于去等待一個漫長的結(jié)果，因為真相值得去等待。巧合的是這些學(xué)生們感興趣的數(shù)據(jù)和圖像現(xiàn)在正在成為考試評價的重要素材，學(xué)生在使用數(shù)字化傳感器中所發(fā)展的實(shí)驗素養(yǎng)在解讀這類素材時會大有裨益。另外借助數(shù)字化傳感器通常會發(fā)現(xiàn)很多“異常”的數(shù)據(jù)和圖像，這些所謂的“異?！敝型ǔｏ柡尚詥栴}吸引著人們?nèi)パ芯亢徒忉?。解決這些生成性問題的時候，同時會大大刺激化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)的發(fā)展。學(xué)生在陌生的異于常規(guī)情境中發(fā)現(xiàn)問題解決問題的價值更大。當(dāng)然數(shù)字化傳感器結(jié)構(gòu)精密、價格不菲，學(xué)生在使用的時候需要教師的指導(dǎo)和幫助。在實(shí)驗過程中，教師指導(dǎo)學(xué)生利用熟悉的器材進(jìn)行實(shí)驗設(shè)計，利用學(xué)生已有的生活經(jīng)驗、感性認(rèn)識等，通過分析、歸納、概括，將要解決的新問題遷移為已經(jīng)解決的問題。這樣的實(shí)驗過程才能幫助提高學(xué)生的實(shí)驗素養(yǎng)。

四、利用真實(shí)情境設(shè)計實(shí)驗的幾個注意點(diǎn)

新課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)從四個方面發(fā)揮實(shí)驗的教學(xué)功能，而學(xué)生的實(shí)驗素養(yǎng)直接決定著實(shí)驗在化學(xué)學(xué)習(xí)中獨(dú)特價值的發(fā)揮。真實(shí)情境中的實(shí)驗往往具有開放性，結(jié)果是未知的和不確定的，因此教師在指導(dǎo)學(xué)生利用真實(shí)情境設(shè)計實(shí)驗時要注意以下幾個意識。

1.安全意識。

安全是化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)的第一要點(diǎn)，包含使用實(shí)驗儀器的安全、使用實(shí)驗藥品的安全、設(shè)計實(shí)驗裝置的安全、實(shí)驗過程中操作的安全、實(shí)驗廢棄物處置的安全等諸多方面?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”開宗明義的強(qiáng)調(diào)“具有安全意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度”，教師要在確保安全的前提下引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗探索未知、追求真相。教師不僅要在一些明顯的安全隱患處制止學(xué)生實(shí)驗，而且要在一些隱藏的安全隱患處要有敏感的“危險”嗅覺。譬如容易爆燃或者達(dá)到爆炸極限的條件，容易引起中毒或引起癌變的材料如石棉等，這些都要避免學(xué)生接觸到，學(xué)生畢竟是非專業(yè)的人員，容易引起事故或潛在的傷害。一些現(xiàn)象比較劇烈的實(shí)驗也要避免學(xué)生單獨(dú)完成，防止學(xué)生受到驚嚇手足無措引發(fā)事故，指導(dǎo)教師最好陪同參與完成相關(guān)實(shí)驗。

2.變量控制意識。

影響化學(xué)實(shí)驗的因素除反應(yīng)本身性質(zhì)外，還有諸如濃度、溫度、壓強(qiáng)等外在因素。因此控制變量是化學(xué)實(shí)驗必須面對的問題，只有設(shè)計單個因素變量的改變而導(dǎo)致實(shí)驗結(jié)果的不同，才能增強(qiáng)實(shí)驗的說服力?！白C據(jù)推理”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，學(xué)生在設(shè)計實(shí)驗時，不一定能考慮到對所有變量的控制，容易漏掉一些變量的影響，造成證據(jù)推理的不嚴(yán)密，指導(dǎo)老師要利用自己的專業(yè)知識，幫助學(xué)生避免漏掉考慮這些變量，造成無效的實(shí)驗，浪費(fèi)學(xué)生的時間和精力。

3.節(jié)約意識。

節(jié)約意識是符合當(dāng)前節(jié)能減排的大的方向的。化學(xué)實(shí)驗會耗費(fèi)一些資源、時間和人工，并且多少會有一點(diǎn)污染排放，因此組織和計劃實(shí)驗要慎重和精細(xì)，盡量用少的實(shí)驗多出成果。在實(shí)驗用藥品的用量上宜少不宜多，盡量設(shè)計微型化實(shí)驗來實(shí)現(xiàn)研究目的。教師在指導(dǎo)實(shí)驗時就要嚴(yán)格設(shè)計用量取用藥品，不要隨便增加藥品用量，應(yīng)加強(qiáng)教育使學(xué)生樹立起勤儉節(jié)約的意識；向?qū)W生講清過量使用藥品，不僅會造成資源浪費(fèi)，而且會延長實(shí)驗時間，影響實(shí)驗效果，甚至導(dǎo)致實(shí)驗失敗。

下面用一個實(shí)例來說明這幾個意識的體現(xiàn)。人教版普通高中教科書《化學(xué) 選擇性必修1 化學(xué)反應(yīng)原理》的第二章化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡有個探究實(shí)驗《定性與定量研究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素》其中的實(shí)驗探究II 內(nèi)容如下：

通過實(shí)驗測定并比較下列化學(xué)反應(yīng)的速率。

按圖2- 1 所示組裝實(shí)驗裝置。在錐形瓶內(nèi)放入2g 鋅粒，通過分液漏斗加入40mL1mol/LH2SO4溶液，測量并記錄收集10mLH2所用時間。

圖2- 1 測定鋅與稀硫酸反應(yīng)速率的裝置

如果用 4mol/LH2SO4溶液代替1mol/LH2SO4溶液重復(fù)上述實(shí)驗，所用時間會增加還是減少?請通過實(shí)驗驗證，并解釋原因。

將測定結(jié)果填入下表，計算并比較化學(xué)反應(yīng)速率。

試劑 所用時間 反應(yīng)速率 結(jié)論1 mol/LH2SO4 溶液4 mol/LH2SO4 溶液

這個實(shí)驗很多老師都是想當(dāng)然的紙上談兵，講一講實(shí)驗就可以說明問題了，因為實(shí)驗結(jié)果不做也知道，濃度大的硫酸產(chǎn)生相同體積的氫氣所需的時間短。但是這只是理想的實(shí)驗結(jié)果。真實(shí)地完成這個實(shí)驗的情境其實(shí)并不是那么理想化的，是有很多培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)的發(fā)掘點(diǎn)的。

在指導(dǎo)學(xué)生完成這個實(shí)驗時，學(xué)生在操作這個實(shí)驗有這幾個難點(diǎn)：

（1）有關(guān)實(shí)驗設(shè)計使用注射器的問題。

本實(shí)驗用于收集H2的玻璃注射器并不是化學(xué)實(shí)驗室的必備儀器，市面上常見的 規(guī) 格 有2mL、5mL、10mL、20mL、30mL、50mL、100mL。該取用哪款規(guī)格的注射器呢？按照實(shí)驗設(shè)計，通過分液漏斗加入的硫酸體積就達(dá)到了40mL，意味著排開的空氣的體積就有40mL，再加上需要收集的氫氣的體積10mL，以及考慮收集冗余氣體的體積，玻璃注射器的規(guī)格就要取用100mL的才合適。進(jìn)而帶來了一個問題，注射器的活塞是很重的，導(dǎo)致摩擦力很大，通過注射器接口的小孔進(jìn)來的氫氣很難達(dá)到一定的壓強(qiáng)來推動活塞。推不動活塞，實(shí)驗也就難以成功了。這是一個真實(shí)的問題，只有進(jìn)入真實(shí)的實(shí)驗情境才會遇到，考驗著學(xué)生的智慧和化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)。改進(jìn)的方法是測量使用排水集氣法來收集10mL 氫氣所需時間或者使用氣壓傳感器來測量密閉反應(yīng)容器中不同濃度硫酸與鋅粒反應(yīng)產(chǎn)生的氣體壓強(qiáng)隨時間的變化。

（2）實(shí)驗的安全問題。

本實(shí)驗涉及到可燃?xì)怏w氫氣的收集，并且收集到的氣體并不是純凈的氫氣，而是混合有空氣的氫氣，容易達(dá)到爆炸極限。剩余的鋅粒和硫酸繼續(xù)反應(yīng)會產(chǎn)生更多的氫氣（2g 鋅粒估計能產(chǎn)生5L 左右氫氣），并可能擴(kuò)散到空氣中。如果沒有通風(fēng)設(shè)備，實(shí)驗中以及實(shí)驗后處理階段都有可能因為操作不當(dāng)?shù)纫馔庖饸錃獾谋?。這同樣是一個真實(shí)的問題，解決不好是要出大問題的，而且沒有后悔藥吃。改進(jìn)的辦法是在有通風(fēng)櫥的地方進(jìn)行實(shí)驗，或者把該實(shí)驗設(shè)計成微型實(shí)驗，或者像蘇教版選擇性必修1 里面設(shè)計測量用碳酸鈣和不同濃度稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳的速率。

（3）實(shí)驗的藥品的節(jié)約問題。

通過計算可知，2g 鋅粒完全反應(yīng)需要1mol/L 硫酸31mL，需要4mol/L 硫酸7.7mL，硫酸都是過量的，而最終產(chǎn)生的氫氣達(dá)到5L 左右，而測量只需要起初的10mL氫氣，每個實(shí)驗又至少做三次取平均值，因此帶來了藥品的浪費(fèi)問題。藥品是需要真金白銀的購買的，真實(shí)的情境中，節(jié)約意識應(yīng)該融入到實(shí)驗的設(shè)計理念中，有助于提升學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗素養(yǎng)。改進(jìn)的方法是進(jìn)行微型實(shí)驗，通過傳感器把實(shí)驗現(xiàn)象放大化。

（4）實(shí)驗的變量控制問題。

本實(shí)驗成功的關(guān)鍵就是變量控制，本實(shí)驗需要測量的是從反應(yīng)開始到產(chǎn)生10mL氫氣所花的時間。要控制只有硫酸濃度的差異而其他變量都是一致的，理想的設(shè)計在真實(shí)的情境中總是狀況百出。本實(shí)驗氫氣的產(chǎn)生是伴隨著硫酸的注入同時發(fā)生的，產(chǎn)生10mL 氣體的時間的決定因素就不僅僅是硫酸的濃度了，其實(shí)還包括漏斗中硫酸的重力產(chǎn)生的壓強(qiáng)和硫酸通過漏斗注入的速度。很顯然濃度大的硫酸相同體積的質(zhì)量會更大，產(chǎn)生的壓強(qiáng)會更大，但是濃度大的硫酸由于黏度大，注入的速度也會受到影響，由此導(dǎo)致測量到的收集氫氣的速率不僅僅與硫酸的濃度有關(guān)，分液漏斗中硫酸排出錐形瓶中空氣的速率也會影響收集氫氣的速率。這個變量控制問題不解決，這個實(shí)驗的結(jié)論就是有瑕疵的。

針對上面四個方面的問題，學(xué)生們各抒己見，充分發(fā)揮了主動能動性，查閱資料，借鑒了一些其他的實(shí)驗的設(shè)計，不斷嘗試不斷調(diào)整，我們發(fā)現(xiàn)了一套裝置比較簡便實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗的目的。如圖所示。

該裝置采用Y形管、導(dǎo)管、水槽和50mL量筒進(jìn)行實(shí)驗，使用1g 的鋅粒分別和10mL1mol/L 硫酸以及10mL4mol/L 硫酸反應(yīng)，通過傾斜的方法使硫酸流入另一個支管與鋅粒反應(yīng)，測量排水法收集10mL氫氣所需時間，實(shí)驗在通風(fēng)櫥中進(jìn)行。進(jìn)過了改進(jìn)，以上4 方面的問題得以解決，學(xué)生的實(shí)驗素養(yǎng)也得到了提升，這個例子很好地體現(xiàn)了真實(shí)情境中遇到問題往往是意想不到的，需要實(shí)驗的參與者開動腦筋，直面真問題，研究真化學(xué)，必然會有所收獲，使學(xué)生的實(shí)驗素養(yǎng)潛移默化中得到提升。

學(xué)生的實(shí)驗素養(yǎng)的提升并不是一蹴而就的，需要在實(shí)踐的點(diǎn)滴中不斷培養(yǎng)，而在真實(shí)情境中的實(shí)驗探究，給了學(xué)生發(fā)揮主觀能動性的機(jī)會，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)和操作的積極性，只要設(shè)計得當(dāng)，關(guān)注一些細(xì)節(jié)的處理，就一定能使學(xué)生的實(shí)驗素養(yǎng)得到長足的發(fā)展。