关于化学实验教学现代化的几个问题（下）

摘要：化学实验教学为什么要现代化、什么是教学现代化。化学实验教学现代化必须认真考虑“人性的解放”和“效率的解放”，努力实现化学实验教学的创新、改革和超越式发展，实现思想观念的现代化、内容的现代化、方法的现代化、装备的现代化以及评价的现代化等。传感实验可以促进化学实验教学现代化，但有很大的局限性，只能覆盖有限的实验内容，只能适当地提倡和推广，不能“化”，也“化”不了，这方面的研究有待于进一步拓展和深入。

关键词：化学实验；化学实验教学；现代化；传感实验

文章编号：1005–6629（2013）11–0003–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

3.3 化学实验教学内容现代化

历史启示我们，在讨论化学实验及其装备的现代化时，不能离开研究的问题，不能离开具体的化学内容。要实现化学教学中实验及其装备的现代化，必须恰当地选择实验教学的内容，协调好实验教学内容的时代性、基础性和选择性，必须做到：

（1）协调好实验教学与理论教学的关系。

要尽量注意实验教学内容与理论教学内容的相互联系；实验教学课时与理论教学课时应该有合理的比例；在学业测量中，实验考查内容与理论考查内容也应该有合理的比例。

（2）反映化学的基本问题和现代特点，解决好基础性与时代性的矛盾。

化学的基本问题是物质的组成问题、结构问题和化学反应（关系）问题，它们在基础化学中应该占有主体地位。另一方面，现代化学的视野大大扩展，对物质组成、结构和化学反应的认识也有了很大发展，关注比原子和一般分子复杂得多的物质系统的功能和过程调控，这些内容也应该得到适当的反映。

（3）突出未来社会公民需要具备的实验意识、知识和技能。

现代社会是化学化的社会，现代社会的公民必须具备必要的化学知识、技能，需要具有较强的实验意识，否则在面临跟化学有关的问题时就难以作出正确的决策。在这方面，基础教育化学课程承担着重要的责任，需要重视和开展有关的研究。

（4）解决好纯粹化学与应用化学的矛盾。

在教材的编写方面，目前“由生活到化学，由化学到社会”似乎成了主导模式。由此会涉及大量的应用性内容，会产生基础性与应用性的矛盾、纯粹化学与应用化学的矛盾，需要妥善解决好。

（5）解决好知识技能教学与兴趣培养的关系。

对化学探究的兴趣、内在的动机和需要，是学生主动学习化学、学好化学的最有效的动力。因此，化学教学内容要结合现代学生的特点，充分考虑培养、激发他们的学习兴趣等内在动力的需要，安排有利于培养、发展和激发学生学习兴趣的实验内容。

（6）解决好系统性、结构性与个别性、零散性的矛盾。

化学研究对象本来就具有个别性特点[1]，新课程对应用性的强化，以及教科书的应用性内容和课题式编写，使得教学内容的零散性更为突出，系统性大受影响，实验内容更是如此，给教与学都带来很大困难，多年来微词、批评不绝于耳。针对这个问题，化学实验教学内容的现代化还应该妥善地确定主线，注意解决好系统性、结构性与个别性、零散性的矛盾，努力建立、加强、改进其系统性。

解决好各种矛盾、协调好各种关系不是一件容易的事，需要做出艰苦的努力。大体上看，主要的途径有：

①通过课程模块的设置解决有关矛盾、协调各种关系。

②通过地方课程和校本课程的设置解决有关矛盾、协调各种关系。

③通过增加选做和阅读内容解决各种矛盾、协调有关关系。

④设置若干系列实验。

这4条途径应该同时使用，相互配合。

当前可以研究和设置的系列实验有启蒙实验系列、经典实验研究系列、探究实验系列、现代实验系列、绿色实验系列、生活化实验系列等等。

3.4 化学实验教学方法现代化

在学校建立化学教育之前，化学人才的培养主要是在化学家的作坊式实验室中以师-徒传授的方式实现的，没有正式的授课活动，学徒在完成实验操作任务的过程中一边摸索，一边体会，一边阅读有关书籍，一边向“师傅”请教。17世纪末，欧洲的大学中开始有了教授化学的教授并且出现“讲坛实验”表演。到了19世纪初，一些卓越的化学家在实验室里讲授化学课程。后来，又出现了专供教学用的化学实验室。例如，李比希（Justus von Liebig，1803～1873）认为，“学习化学的真正中心点在于实际工作”，只有在实验室里才能培养出名副其实的化学家。1824年，他想方设法把一座废弃的营房改建成供教学用的化学实验室，对学生系统地进行实验训练：大学生们先是学习定性分析和定量分析，然后再搞无机合成，提取天然产物，最后，在毕业之前进行独立的研究工作。通常总是由李比希提出一个重大问题，让学生们各自从不同方面进行研究。学生们的实验研究取得了不少引人注目的好成果。李比希用这种方法培养出了许多优秀的化学家，李比希的化学实验室为各国青年化学家所向往[2]。

19世纪后半期，自然科学课程的地位在欧洲得到了提高。在赫胥黎（英，T.H.Huxley，1825～1875）、斯宾塞（英，H.Spencer，1820～1903）等人极力主张的影响下，化学也成为中学的一门课程。不仅实科中学开设了自然学科，古典中学也增设了自然科学课程。自此，中学化学实验开始形成。当时，欧洲研究化学教学的专家，例如德国的阿伦德（R.Arendt，1828～1902）、奥斯特华德（W.Ostwald，1853～1932）、英国的阿姆斯特朗（H.Armstrog，1848～1937）等都非常重视实验在化学教学中的作用。阿姆斯特朗认为自然科学中最珍贵的是它的科学方法，方法的教学应该成为自然科学教学的基本任务；学校必须有一个以上的学生实验室，尽量造成好像是首次研究某问题的情境，把化学教学时间的大部分用于让学生独立地实验，以诱导学生发现化学原理和原则，学会科学思维方法。这种方法最先施行于英国中等学校。阿姆斯特朗的“实验室教学法”，受到大英协会化学教学法委员会赞同。后来，法、德、美各国也先后效仿而一时风行于欧美乃至于其他地区，产生很大的影响，对于中学普遍建立学生用化学实验室并开展学生实验室实验起了积极的推动作用。

在这以后，化学教学方法逐渐分化为教室教学法（课堂教学法）和实验室教学法两大类型，化学实验成为中学化学教学活动的一部分。到了20世纪之后，这两类方法逐步呈现相互配合、相互渗透的趋势，化学实验成为中学化学教学的一个重要环节和有机组成部分并且逐步出现多种形式。但是，实验教学的探究性在我国逐渐淡化，被读经讲经式的传统教育改造。

随着建构主义思潮在我国的日益传播，以基础教育课程改革为契机，探究教学在我国日益受到重视。但是，这仅仅是探究实验教学方法在我国的“回归”或者甚至是初步“涉足”，它是不是能够在我国“站稳脚跟”、长期坚持，还要经受时间的考验，切不可以掉以轻心。

化学实验教学方法现代化不但需要“回归探究”，更需要创新、改革和超越。作者认为，在对学生经验基础和有关心理展开研究的基础上，设置若干实验系列；改革实验教学方法，引导学生参与实验设计，增强学生对实验方案的理解，发展学生的实验思维和创新能力；尝试建立实验教室等等[3]，都是化学实验教学方法现代化的重要举措和内容，应该深入研究、广泛实行。同时，还需要在实验教学制度、实验教材以及实验教学研究方法的改进、创新和发展等方面全面和深入地作出努力。

3.5 化学实验教学评价现代化

从根本上说，实验观以及“人性的解放”和“效率的解放”应该是实验教学评价的基本取向。是不是重视实验的教学功能，是不是有利于“人性的解放”和“效率的解放”，这是评价化学实验教学是不是实现现代化的实质标准。

具体地说，实验教学评价要考察实验教学活动的目标是不是以人为本、以学生的发展为本、以学生为学习主体、重视学生的学习主动性和个性化，教学共同体中的人际关系是否协调；实验教学活动的效率如何。

当前特别要注意考察是不是重视实验教学、实验教学的地位等等。要坚决扭转实验教学陷于停顿、被无形取消的局面，坚决摒弃违背“以人为本”“以学生的发展为本”“以学生为学习主体”的不当做法。

为实现化学实验教学评价的现代化取向，不但要重视目标知能的测量评价，还要重视兴趣、态度、能力、观念等个性发展目标的测量评价；不但要重视目标达成结果的测量评价，还要重视主体性、合作性、活动表现、过程方法有效性等过程性测量评价，以及评价工具本身的有效性、操作性和可行性、简便性评估。

实现化学实验教学评价现代化不是一件容易的事：一方面，建构理想的现代化评价体系需要不懈地探索和实践，另一方面，需要以极大的决心和毅力，广泛地动员和组织多方力量来抵制并改革陈旧的、实力强大的旧评价体系，跟传统的旧习惯不懈地抗争。

要衡量实现化学实验教学评价是否得当，需要对化学实验教学评价系统进行构建和评价。评价的根本标准是：看它是不是有利于化学实验教学的开展和提高效率，是不是有利于化学实验教学的发展和现代化。

目前，我们的化学实验教学评价只不过是在考试中放几道实验题而已，极不完善，实验题的编制和设计也需要改进，需要做出很大的努力。

4 传感器在化学实验教学中应用的问题

传感器在中学化学实验教学中的应用时间不长，大约是从20世纪90年代后半期开始的，其背景是现代微电子技术、现代信息技术以及人工智能等现代技术的迅速发展。

4.1 从TI实验系统到“手持技术”

德州仪器（Texas Instruments）是全球著名的半导体公司，通常简称TI。它在1954年生产出首枚商用晶体管；以后又相继发明第一块集成电路（IC）、手持式电子计算器、单芯片微型计算机、单芯片商用数字信号处理器（DSP）等等。1998年9月，TI公司与教育部签署了就数理科教学技术进行合作的备忘录。在上海，他们先是跟华东师范大学合作，在中学数学教学中推广使用其生产的图形计算器取得成功。随即，他们又跟复旦大学物理系沈元华等先生合作，同时也跟笔者合作，希望应用他们的图形计算器和CBL数据采集系统开发一批中学物理、化学实验。这些成果的一部分在2000年汇集成《TI技术在研究型实验中的应用》一书，由上海科技教育出版社出版。后来，美国另外一家公司以及日本、以色列的公司也推介过他们的类似产品（卡西欧用掌上电脑代替了图形计算器）。现在，国内已经有多种这类数字化实验系统品牌。笔者原以为使用TI技术就可以实现化学实验教学现代化，后来发现TI技术远不能解决化学实验教学现代化的所有问题，以TI为代表的这种技术还有些问题需要思考和探索。

所谓手持技术，又称“掌上技术，是由数据采集器、传感器和配套软件组成的定量采集各种常见数据并能与计算机联机的实验技术系统”[4]。TI实验系统主要由传感器、CBL数据采集器、图形计算器以及有关软件构成，“手持技术”跟TI实验系统是基本相似的，不同点在于把图形计算器换成了功能更好的掌上电脑或者笔记本电脑。从实质上看，传感器是这类技术的核心和基础。因此，把这类技术称为基于传感器的实验技术比较恰当，相应的实验可以简称为“传感（式）实验”。

4.2 传感实验与化学实验教学的现代化

基于传感器的传感实验能不能给化学实验教学带来革命性的变化，实现化学实验教学现代化？

大家都知道，化学是一门以实验为基础，研究物质及其化学变化的科学，它离不开对物质及其变化的观察。为了进行这些观察，常常需要对物质进行分离、提纯，需要人为地创造、控制某些条件，排除干扰，突出主要因素，使某种（或某些）物质实现预期的化学变化，以便进行观察和研究，从而认识物质的组成、结构、性质、变化、制取或者应用等等。

识别物质是认识物质的基础，是从观察物质的颜色、通常状态、气味、硬度、密度、熔点、沸点、挥发性（或蒸气压）、溶解性（或溶解度）、导电性（或导电率）、导热性等物理性质开始的，有时还要观察金属光泽、味道、机械加工性能（可塑性、延性、展性、强度……）、潮解性、铁磁性等物理性质，甚至要观察物质的化学性质。

在观察物质的化学性质时，通常要观察物质跟金属反应情况、跟非金属反应情况、可燃性、跟水反应情况、氧化性、还原性、酸性、碱性，跟酸、碱、盐或氧化物反应的情况，跟有机物反应的情况、稳定性、所属类别的通性表现等，有时还要观察跟所属类别通性不同的特殊性质、能说明结构特点的性质、有重要应用的性质、跟相似物质区别的性质、跟特殊条件有关的性质等。

物质的化学变化常常涉及物态变化现象（气体、沉淀的生成）、颜色变化现象、发光现象、热现象、声现象、电现象、磁现象、机械运动现象、溶解性变化现象、生成物的状态和数量、反应现象随条件的变化、反应速率、反应程度、反应结果等，有时还有异常现象、意外现象。

此外，还要观察实验装置，观察使用的主要仪器、附属的仪器、仪器的空间位置、仪器的连接顺序、仪器的连接方式、仪器连接顺序跟实验过程的关系、装置各部分的作用、装置的核心部分，以及跟常用装置的不同等；还要进行或观察实验操作，包括仪器的装配、操作步骤，反应物的处理、规格、用量和装入，实验条件及其控制方法、生成物的分离和处理、有关注意事项以及特殊的操作等。

传感技术只能“延长”人的感觉器官，只注意传感技术的应用是不够的，我们还要适当“延长”人的手和脑，注意应用现代科学技术的发展成果来改进称量、普通和特殊反应条件实现、过程控制、分离或吸收、富集或分散、鉴定、制剂加工、储存、清洗等反应操作或过程，以及呈现、安全防护和废弃物处理等技术。

撇开实验操作不谈，仅就观察内容来说，基于传感器的实验技术显然是不能够替代人的感官运用的。目前，各式各样的传感器大多只能在严格控制的条件下测量单一的特定效应，不适合在复杂情况下使用。实际上，人对物质及其变化的感知，常常是在复杂的情形中进行的，例如物质在发生化学变化时，总是伴随着这样那样的物理变化；人的某些复合感觉需要多种感应器参与。

基于传感器的实验技术只能被动地观测特定的效应，在一般情况下是无法实现预期的变化、获得需要的物质的，更不要说特殊的、复杂的情况了，可见，它是有很大的局限性的，只能覆盖有限的实验内容。

随着科学技术的进步，传感技术和模式识别技术不断发展、提高，在复杂条件下的观测预计迟早也可能实现（例如已经制成利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的“电子鼻”电子系统）。伴随着办学条件的改善，学校的实验室可以获得更多更好的传感器和其他装备，还可以应用计算机通讯技术建立实验室的集中监控，提高实验教学的水平；将来甚至还可以应用自动控制技术、地外星球着陆化学探测自动技术，以及专门的合成仪等来实现某些实验操作。然而，用高科技装备来全部取代学生的实验操作和感官观察根本背离了实验教学的目的，不利于学生发展，这是需要我们认真考虑的。

统筹考虑，基于传感器的传感实验可以促进化学实验教学的现代化，让学生感受现代气息，帮助学生了解现代化学，减少学生对传统化学实验麻烦以及有时有碍健康的恐惧，增强学生学习化学的兴趣，提高学生的学习水平，应该适当地提倡和推广。但是，它不能“化”，也“化”不了，只能有限度地使用。一般说来，它更适宜在研究型课程和拓展型课程中使用，不太适宜在基础型课程中使用。它在教师演示实验中使用的机会可能比学生实验多一些。关于传感实验的研究有待于进一步拓展和深入。其他过程、操作的现代化装备也需要研究。

参考文献：

[1]张嘉同.化学哲学[M].南昌：江西教育出版社，1994：169.

[2]吴俊明.中学化学实验研究导论[M].南京：江苏教育出版社，1997：19～22.

[3]吴俊明.发展化学实验教学研究需要大智慧[J].化学教学，2013，（2）：3.

[4]钱扬义编著.手持技术在理科实验中的应用研究[M].北京：高等教育出版社，2003：前言.