多维度开发教学实验全面提升学生科学素养
2022-06-08
摘要：实验是化学教学的重要内容和手段。为了提升学生的科学素养，需要大力开发教学实验，弥补现行教材的不足。结合生动的实例介绍了从生活中发现实验题材、积极开展实验探究、重视现代实验手段运用，多维度开发教学实验，以及增强学生的实验兴趣，增进学生对科学过程和方法的了解、培养探究和创新能力，拓展学生的视野、促进学生的知识运用，全面提升学生的科学素养。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：实验教学；实验开发；科学素养；化学教学
文章编号：1005?6629（2014）3?0028?05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
化学实验是化学科学研究中人们获得直接的感性经验和事实材料的根本途径和重要手段，是检验和发展假说、形成化学认识的实践基础。因此，实验是化学教学内容的重要组成部分，是学生学习的重要内容，也是最常用的教学方法和有效的学习方式。化学新课程很重视实验内容的安排，专门设置了“实验化学”模块，但是，在平时的教学实践中，许多教师仍常有缺憾、频生不足之感。针对这个情况，多年来，我们在开发教学实验、发挥实验教育功能方面作了一些尝试，收获了一些成功和体会，现做一些简单介绍，跟大家交流共享。
1 多维度开发教学实验
大力开发教学实验，要积极发现新题材、好题材，做好实验内容开发；加强探究性，进行实验功能开发；注意运用新技术，重视实验手段开发。多维度、全方位地做出努力，更好地满足教学的需要，更好地提升学生的科学素养。
1.1 从生活中发现实验题材
《普通高中化学课程标准（实验）》强调：从学生已有的经验和将要经历的社会生活实际出发，帮助学生认识化学与人类生活的密切关系，关注人类面临的与化学相关的社会问题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力。为此，我们要强化开发意识，注意从生活中发现新的实验题材和内容。
例如，2013年1月，“亚硝酸盐当白糖，婚宴上熬成了甜汤”这一有惊无险的事件被多家媒体报道。亚硝酸钠是常用的食品添加剂，具有着色、防腐作用，因此有些调料店及食品加工作坊免不了会存放有亚硝酸钠，由于跟食盐、味精、白糖等外观相似，经常会出现误食中毒事故，如何将亚硝酸钠与常用调味品区别开来呢？以此为题材，笔者组织了学生实验活动，经历征集方案、实验验证、交流总结，这一活动在厨房和实验室有声有色地开展，学生发现了多种有效的鉴别方法，具体实验方法及现象见表1。
通过这一实验活动，学生发现了解决问题的途径可以不止一种，提高了他们多角度分析问题、解决问题的能力。笔者深切体会到：生活中所蕴含的资源是丰富多彩的，发现并将其设计为实验教学资源，有利于激发学生的学习热情，增强学生对化学实验的亲近感。学生也可以自主地在课外通过“厨房实验”进行自主探究，这种自主的、轻松的实验设计，有助于学生建构具有个性特征的知识结构，促进其对课本知识的消化和吸收。
1.2 积极开展实验探究
借助实验学习化学，学生的兴趣提高了，但课堂的可控性降低了。因为真实的世界永远比纸上谈兵要复杂得多，实验时常会遇到很多意想不到的问题，学生的兴趣也并不是总指向教师指定的方向。对于这些，教师不必过于担心自己无法解释意外现象时会出丑，更不要生硬地扼杀学生对与本节知识无关的兴趣。叶澜教授认为：课堂应是向未知方向挺进的旅程，随时都有可能发现意外的通道和美丽的风景，而不是一切都必须遵循固定线路而没有激情的过程。对于一些在课堂上不便展开的问题，可将其作为课外的探究课题。
例如，在做萃取实验时，为了加深学生对萃取剂的认识，笔者让不同小组的学生分别用四氯化碳、苯、酒精来做萃取剂，比较各组实验结果的不同。但他们并未从教师期望的“是否分层、有机层在上还是下”这个角度回答，而是发现了碘在不同的溶剂中颜色不同，并且问这是为什么？对于这一许多同学都感兴趣的问题，笔者指导学生课后开展探究。学生从百度文库中得到的解释是碘溶液的颜色与碘的溶剂化程度不同有关，而教师以检索的专业文献为参考，从碘的外围电子构型、溶剂是否具有孤对电子进行了详尽的分析[1]。为了验证这一说法，学生用甲苯、乙醚、环己烷等溶剂进行了实验，发现碘在四氯化碳、环己烷等弱电子给予体中呈现本来的紫色，在苯、甲苯等强电子给予体中碘与溶剂作用发生了电荷移动而呈现红色，在水、乙醇、乙醚中则呈现棕黄色。这一探究活动使他们认识到，看似简单的溶解现象，包含了复杂的物理、化学变化。
再如，酚酞遇碱变红是常识，但遇到浓碱却在变红后又褪色，这是为什么？通过实验探究和理论学习，学生发现酚酞的变色情况较为复杂，而且与其结构密切相关（见表2）。这一发现不仅帮助他们理解反应条件的重要性，而且为常见的有机官能团的转化提供了例证。
弱电解质的电离平衡、难溶电解质的溶解平衡、化学反应速率的探究、化学平衡的移动等教学内容用常规实验方法难以展现其动态变化过程，引进数字化传感器等现代实验仪器后，可以忠实地记录下反应过程中离子浓度、温度、压强等的变化，用变化的曲线、具体的数据来表征化学变化的历程，揭示出宏观现象背后隐藏的微观粒子的变化趋势，快捷直观，清晰明了，有助于学生把握化学变化的本质，理解化学反应原理。在这些方面，数字化实验是大有可为的。
2 全面提升学生科学素养
开发教学实验，搞好实验教学，根本的目的在于提升学生的科学素养。科学素养有其复杂的内在结构，需要全面地认识和培养。我们的做法和体会是：
2.1 提升学生的实验兴趣
知之者不如好之者，好之者不如乐之者。中学生有强烈的好奇心，生动形象的实验能激发起他们浓厚的兴趣。教师要充分利用实验这一特点和优势，将学生的直观兴趣提升到操作的兴趣、探求原因的兴趣和概括的兴趣，在满足学生好奇心的同时，激起他们运用实验解决问题的愿望。
前不久，很多媒体报道了骗子上门推销净水器的伎俩，他是通过一个小实验验证净水器出来的是“干净的水”，而自来水则是“肮脏的”。将自来水和净化水分别装入他的仪器中，过几分钟，自来水出现肮脏的污垢，而净化水则依旧纯净。很多用户在“科学实验事实”面前非常信服，购买了他的产品。学生拿来了刊登这一新闻的报纸，向老师求证。 首先，笔者和学生一起分析出现“污垢”的原因：正常电解水时是不会产生“污垢”的，应该是电极材料造成的，根据现象猜测是铁作为阳极导致的结果。随后，笔者和学生在实验室里验证，用铁作阳极电解自来水和纯净水，自来水中很快出现了所谓“污垢”，而纯净水中没有。电解池阳极的选择一直是教学中的难点，学生难以理解为什么电解池的阴极可以是任意一种导体，而阳极必须是惰性材料。这次实验科学、形象地解答了这一问题。
自来水和纯净水电解时会产生如此大的差异，这是学生没想到的。这时老师让同学们在纯净水中加入少量的电解质（如硫酸、氢氧化钠或食盐），再用铁作阳极电解也出现了污垢。证明骗子只是利用了自来水中含有矿物质而纯净水没有，他的水净化器并不是什么万能神器，只是吸附了水中的一些离子。其实，天然水中所含的无机盐是我们身体所必需的。如矿泉水正是因为含有对人体有利的矿物质而受到青睐。同学们还采用了数字化实验手段――测溶液电导率的方法来检测这些看不见、摸不着的离子。外表看上去毫无差异的水，纯净水的电导率是个位数，自来水的电导率为百位数（见图3），矿泉水的电导率随品牌不同而有差异，运动饮料要补充人体出汗时损失的电解质，因此电导率更高。通过这些形象直观的数据，同学们了解到我们每天打交道的水原来还蕴含着如此丰富的知识，真实感受到化学世界魅力无穷。
2.2 增进学生对科学过程和方法的了解，培养探究和创新能力
酸碱中和反应由于其现象不易察觉，我们一般用酸碱指示剂来明确其反应过程及反应终点。酸碱指示剂通常是比被中和的酸（碱）更弱的酸（碱），当中和反应结束时，多余的碱（酸）跟指示剂反应而变色。根据这一原理，让学生为氧化还原反应和沉淀反应选择适合的指示剂，在选择指示剂的实践过程中，需要运用氧化（还原）剂的相对强弱以及溶度积的数据等知识原理来选择实验药品、设计实验方案。例如：如何用实验现象说明碳酸盐与酸的确是发生了两步反应？在碳酸钠溶液中慢慢滴加盐酸，分别用酚酞、甲基橙两种不同的酸碱指示剂来指示两步反应的终点……在确定实验方案、实施实验时，在试图将反应过程用实验现象表征出来的过程中，需要学生将隐性的知识、能力展现出来，思维的发散性、深刻性等品质得到了锤炼。
2.3 促进学生的知识运用
化学实验不仅是化学理论赖以产生的基础，更是化学理论运用于生产实践的桥梁和中介。学以致用是提高学习能力的最好途径，是学生掌握知识的关键。在应用过程中，将学生感兴趣的知识用实验的方法加以强化，既可巩固知识，又可提升能力。在教学中，要让学生认识到化学实验是学习化学知识、解决生产和生活中的实际问题的重要途径和方法，初步形成运用化学实验解决问题的意识和能力。
再如，城市建设日新月异，化学知识在其中能起到什么作用呢？一篇新闻报道引发了学生的探究热情。从某隧道工程质量报道引发“水泥强度与工程质量”的探究，通过与有关高校联系合作，学生顺利地完成了有关工程质量检测的实验，获取了从知识到技术的直接体验。
实验是化学教学的永恒活力和主题之一，适应中学生的认知特点，多维度地开发教学实验，能吸引他们主动地、生动活泼地学习化学、学好化学，为他们形成化学知识技能提供直观、生动、具体的感性材料和例证，帮助他们克服认知困难和提高认知质量，促使学生在实验中学习和掌握科学研究的基本方法，加深学生对科学本质的理解，增强创新精神和实践能力，从而全面提升科学素养。
参考文献：
[1]丁宗庆，毕秀成.碘在有机溶剂中的颜色[J].勋阳高等师范专科学校学报，2001，（12）：66～68.
[2]宋心琦.再谈中学化学实验教学改革[J].化学教学，2013，（3）：3～7.
[3]苏瓦兹著，贺贤超译.瓶子里的精灵[M].北京：电子工业出版社，2011：205～206.
[4]吴俊明.关于化学实验教学现代化的几个问题（上）[J].化学教学，2013，（10）：3～9.
[5]吴俊明.中学化学实验研究导论[M].南京：江苏教育出版社，1997：10～17.
[6]严宣申.化学原理选讲[M].北京：北京大学出版社，2012：35～36.
[7]邓育红.水泥强度与工程质量――由一则新闻引发的科学探究案例[J].中学化学教学参考，2006，（3）：29～30.
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关键词：实验教学；实验开发；科学素养；化学教学
文章编号：1005?6629（2014）3?0028?05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
化学实验是化学科学研究中人们获得直接的感性经验和事实材料的根本途径和重要手段，是检验和发展假说、形成化学认识的实践基础。因此，实验是化学教学内容的重要组成部分，是学生学习的重要内容，也是最常用的教学方法和有效的学习方式。化学新课程很重视实验内容的安排，专门设置了“实验化学”模块，但是，在平时的教学实践中，许多教师仍常有缺憾、频生不足之感。针对这个情况，多年来，我们在开发教学实验、发挥实验教育功能方面作了一些尝试，收获了一些成功和体会，现做一些简单介绍，跟大家交流共享。
1 多维度开发教学实验
大力开发教学实验，要积极发现新题材、好题材，做好实验内容开发；加强探究性，进行实验功能开发；注意运用新技术，重视实验手段开发。多维度、全方位地做出努力，更好地满足教学的需要，更好地提升学生的科学素养。
1.1 从生活中发现实验题材
《普通高中化学课程标准（实验）》强调：从学生已有的经验和将要经历的社会生活实际出发，帮助学生认识化学与人类生活的密切关系，关注人类面临的与化学相关的社会问题，培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力。为此，我们要强化开发意识，注意从生活中发现新的实验题材和内容。
例如，2013年1月，“亚硝酸盐当白糖，婚宴上熬成了甜汤”这一有惊无险的事件被多家媒体报道。亚硝酸钠是常用的食品添加剂，具有着色、防腐作用，因此有些调料店及食品加工作坊免不了会存放有亚硝酸钠，由于跟食盐、味精、白糖等外观相似，经常会出现误食中毒事故，如何将亚硝酸钠与常用调味品区别开来呢？以此为题材，笔者组织了学生实验活动，经历征集方案、实验验证、交流总结，这一活动在厨房和实验室有声有色地开展，学生发现了多种有效的鉴别方法，具体实验方法及现象见表1。
通过这一实验活动，学生发现了解决问题的途径可以不止一种，提高了他们多角度分析问题、解决问题的能力。笔者深切体会到：生活中所蕴含的资源是丰富多彩的，发现并将其设计为实验教学资源，有利于激发学生的学习热情，增强学生对化学实验的亲近感。学生也可以自主地在课外通过“厨房实验”进行自主探究，这种自主的、轻松的实验设计，有助于学生建构具有个性特征的知识结构，促进其对课本知识的消化和吸收。
1.2 积极开展实验探究
借助实验学习化学，学生的兴趣提高了，但课堂的可控性降低了。因为真实的世界永远比纸上谈兵要复杂得多，实验时常会遇到很多意想不到的问题，学生的兴趣也并不是总指向教师指定的方向。对于这些，教师不必过于担心自己无法解释意外现象时会出丑，更不要生硬地扼杀学生对与本节知识无关的兴趣。叶澜教授认为：课堂应是向未知方向挺进的旅程，随时都有可能发现意外的通道和美丽的风景，而不是一切都必须遵循固定线路而没有激情的过程。对于一些在课堂上不便展开的问题，可将其作为课外的探究课题。
例如，在做萃取实验时，为了加深学生对萃取剂的认识，笔者让不同小组的学生分别用四氯化碳、苯、酒精来做萃取剂，比较各组实验结果的不同。但他们并未从教师期望的“是否分层、有机层在上还是下”这个角度回答，而是发现了碘在不同的溶剂中颜色不同，并且问这是为什么？对于这一许多同学都感兴趣的问题，笔者指导学生课后开展探究。学生从百度文库中得到的解释是碘溶液的颜色与碘的溶剂化程度不同有关，而教师以检索的专业文献为参考，从碘的外围电子构型、溶剂是否具有孤对电子进行了详尽的分析[1]。为了验证这一说法，学生用甲苯、乙醚、环己烷等溶剂进行了实验，发现碘在四氯化碳、环己烷等弱电子给予体中呈现本来的紫色，在苯、甲苯等强电子给予体中碘与溶剂作用发生了电荷移动而呈现红色，在水、乙醇、乙醚中则呈现棕黄色。这一探究活动使他们认识到，看似简单的溶解现象，包含了复杂的物理、化学变化。
再如，酚酞遇碱变红是常识，但遇到浓碱却在变红后又褪色，这是为什么？通过实验探究和理论学习，学生发现酚酞的变色情况较为复杂，而且与其结构密切相关（见表2）。这一发现不仅帮助他们理解反应条件的重要性，而且为常见的有机官能团的转化提供了例证。
弱电解质的电离平衡、难溶电解质的溶解平衡、化学反应速率的探究、化学平衡的移动等教学内容用常规实验方法难以展现其动态变化过程，引进数字化传感器等现代实验仪器后，可以忠实地记录下反应过程中离子浓度、温度、压强等的变化，用变化的曲线、具体的数据来表征化学变化的历程，揭示出宏观现象背后隐藏的微观粒子的变化趋势，快捷直观，清晰明了，有助于学生把握化学变化的本质，理解化学反应原理。在这些方面，数字化实验是大有可为的。
2 全面提升学生科学素养
开发教学实验，搞好实验教学，根本的目的在于提升学生的科学素养。科学素养有其复杂的内在结构，需要全面地认识和培养。我们的做法和体会是：
2.1 提升学生的实验兴趣
知之者不如好之者，好之者不如乐之者。中学生有强烈的好奇心，生动形象的实验能激发起他们浓厚的兴趣。教师要充分利用实验这一特点和优势，将学生的直观兴趣提升到操作的兴趣、探求原因的兴趣和概括的兴趣，在满足学生好奇心的同时，激起他们运用实验解决问题的愿望。
前不久，很多媒体报道了骗子上门推销净水器的伎俩，他是通过一个小实验验证净水器出来的是“干净的水”，而自来水则是“肮脏的”。将自来水和净化水分别装入他的仪器中，过几分钟，自来水出现肮脏的污垢，而净化水则依旧纯净。很多用户在“科学实验事实”面前非常信服，购买了他的产品。学生拿来了刊登这一新闻的报纸，向老师求证。 首先，笔者和学生一起分析出现“污垢”的原因：正常电解水时是不会产生“污垢”的，应该是电极材料造成的，根据现象猜测是铁作为阳极导致的结果。随后，笔者和学生在实验室里验证，用铁作阳极电解自来水和纯净水，自来水中很快出现了所谓“污垢”，而纯净水中没有。电解池阳极的选择一直是教学中的难点，学生难以理解为什么电解池的阴极可以是任意一种导体，而阳极必须是惰性材料。这次实验科学、形象地解答了这一问题。
自来水和纯净水电解时会产生如此大的差异，这是学生没想到的。这时老师让同学们在纯净水中加入少量的电解质（如硫酸、氢氧化钠或食盐），再用铁作阳极电解也出现了污垢。证明骗子只是利用了自来水中含有矿物质而纯净水没有，他的水净化器并不是什么万能神器，只是吸附了水中的一些离子。其实，天然水中所含的无机盐是我们身体所必需的。如矿泉水正是因为含有对人体有利的矿物质而受到青睐。同学们还采用了数字化实验手段――测溶液电导率的方法来检测这些看不见、摸不着的离子。外表看上去毫无差异的水，纯净水的电导率是个位数，自来水的电导率为百位数（见图3），矿泉水的电导率随品牌不同而有差异，运动饮料要补充人体出汗时损失的电解质，因此电导率更高。通过这些形象直观的数据，同学们了解到我们每天打交道的水原来还蕴含着如此丰富的知识，真实感受到化学世界魅力无穷。
2.2 增进学生对科学过程和方法的了解，培养探究和创新能力
酸碱中和反应由于其现象不易察觉，我们一般用酸碱指示剂来明确其反应过程及反应终点。酸碱指示剂通常是比被中和的酸（碱）更弱的酸（碱），当中和反应结束时，多余的碱（酸）跟指示剂反应而变色。根据这一原理，让学生为氧化还原反应和沉淀反应选择适合的指示剂，在选择指示剂的实践过程中，需要运用氧化（还原）剂的相对强弱以及溶度积的数据等知识原理来选择实验药品、设计实验方案。例如：如何用实验现象说明碳酸盐与酸的确是发生了两步反应？在碳酸钠溶液中慢慢滴加盐酸，分别用酚酞、甲基橙两种不同的酸碱指示剂来指示两步反应的终点……在确定实验方案、实施实验时，在试图将反应过程用实验现象表征出来的过程中，需要学生将隐性的知识、能力展现出来，思维的发散性、深刻性等品质得到了锤炼。
2.3 促进学生的知识运用
化学实验不仅是化学理论赖以产生的基础，更是化学理论运用于生产实践的桥梁和中介。学以致用是提高学习能力的最好途径，是学生掌握知识的关键。在应用过程中，将学生感兴趣的知识用实验的方法加以强化，既可巩固知识，又可提升能力。在教学中，要让学生认识到化学实验是学习化学知识、解决生产和生活中的实际问题的重要途径和方法，初步形成运用化学实验解决问题的意识和能力。
再如，城市建设日新月异，化学知识在其中能起到什么作用呢？一篇新闻报道引发了学生的探究热情。从某隧道工程质量报道引发“水泥强度与工程质量”的探究，通过与有关高校联系合作，学生顺利地完成了有关工程质量检测的实验，获取了从知识到技术的直接体验。
实验是化学教学的永恒活力和主题之一，适应中学生的认知特点，多维度地开发教学实验，能吸引他们主动地、生动活泼地学习化学、学好化学，为他们形成化学知识技能提供直观、生动、具体的感性材料和例证，帮助他们克服认知困难和提高认知质量，促使学生在实验中学习和掌握科学研究的基本方法，加深学生对科学本质的理解，增强创新精神和实践能力，从而全面提升科学素养。
参考文献：
[1]丁宗庆，毕秀成.碘在有机溶剂中的颜色[J].勋阳高等师范专科学校学报，2001，（12）：66～68.
[2]宋心琦.再谈中学化学实验教学改革[J].化学教学，2013，（3）：3～7.
[3]苏瓦兹著，贺贤超译.瓶子里的精灵[M].北京：电子工业出版社，2011：205～206.
[4]吴俊明.关于化学实验教学现代化的几个问题（上）[J].化学教学，2013，（10）：3～9.
[5]吴俊明.中学化学实验研究导论[M].南京：江苏教育出版社，1997：10～17.
[6]严宣申.化学原理选讲[M].北京：北京大学出版社，2012：35～36.
[7]邓育红.水泥强度与工程质量――由一则新闻引发的科学探究案例[J].中学化学教学参考，2006，（3）：29～30.