刍议实验探究精神的塑造

张克龙

摘要：实验探究是化学学科核心素养的重要内容，实验探究精神的塑造可以从诠释本义文化、培养原态思维、锻造核心学力、建构生活趣理入手，提高学生实验探究能力。

关键词：实验探究精神；文化；原态；学力；趣理

文章编号：1008-0546（2017）02-0084-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.02.028

高中化学核心素养是学生通过接受高中化学课程的学习，在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面发展过程中形成和发展具有化学学科特质的关键能力与品格。以实验为基础是化学学科的重要特征，因此“实验探究”应是化学学科培育学生具有良好化学学科核心素养的关键。但当前课堂化学实验探究几乎异化为“教师填药，学生放炮”的验证式程序：情境理想化、方案单一化、结论定向化，这种去情景化的教学流程严重束缚学生实验探究应有的培育学生化学学科核心素养的价值，尤其是实验探究精神的培育。

精神泛指人的意识、思维活动和一般心理状态。化学实验探究精神是指在科学认识论的指导下，以实验为手段学习化学知识的具有稳定、持久的心智活动和情绪状态。德国著名物理学家、诺贝尔奖获得者冯·劳厄说，教育所给人们的无非是当一切已学过的东西都忘记后剩下的东西，若干年后学生学习的很多化学知识都将淡忘，植根在记忆中的应是超越具体知识、最具学科特色的化学实验。化学实验探究具有问题情景的复杂性、探究过程的交叉性和实验结果的不确定性等特点。但现在如何让化学实验探究成为学生学习化学、浸润思想的精神修炼方式？笔者结合自己20多年教学经验，对实验探究精神进行解读和塑造，使之成为学生修习化学的物化媒介，真正通过化学实验探究培育学生的化学学科核心素养。

一、借助实验探究诠释实验探究精神的本义文化

核心素养要培养国民认同自然科学的“共同文化”。化学实验是人类文化传承的一部分，塑造化学实验探究精神应该培养学生对化学实验操作范式的认同。因此，解读实验探究精神浸染的本义文化是教学首义。

化学科学诞生于人们的生产生活实践，“点石成金”和“长生不老”的诉求反映了人类追求健康和财富的天性，这也是化学科学发展的社会心理原动力，欧洲炼金术和中国炼丹术因而推动化学知识和实验技术的传播[1]。囿于化学理论和测量仪器的匮乏，早期化学实验被称为“试管魔术”，它多是人们的一种无意识、混沌的试探行为（如布朗特在加热人尿过程中没有制得黄金却发现磷等），现代化学实验则是有目的地、精确地控制技术（如利用蔗糖水解测定速率常数和半衰期等）。總之，化学实验是人类追求真理、改造自然的天性行为，经历了从散乱到控制，从粗糙到精确，从低级到高级的文化变迁。如何在教学过程体现“实验探究”精神的本义文化？笔者进行了教学尝试。

【课例1】讲授苏教版《化学1》“氯气生产原理”，很多教师先讲授完氯气工业制法，然后过渡：“好，下面我们学习氯气的实验室制法。”笔者讲完氯气的工业制法后提了两个问题：①电解食盐水能否用作实验室制氯气？②1774年瑞典化学家舍勒在实验室，能否用电解食盐水制氯气？学生议论纷纷，师生讨论后形成共识：现代氯碱工业是为了获得重要化工原料Cl2和NaOH，当然可以用于实验室制少量Cl2；在没有用电的背景下（1774年人类还没有发电机，1831年法拉第制造第一台发电机标志进入电时代），人们只能试探性地用化学物质氧化含氯物质制氯气。这两个问题启发学生从社会技术条件辨析工业生产和实验室制备物质的区别，这使单纯的知识教学充满厚重的历史味。

教师的后续评说尤为精彩：大气、海洋、山川是人们生活中最常见事物，它们也是化学家最早“玩”的对象，化学家玩“土（矿物）”产生了水煮、酸浸、碱熔，研磨、焙烧，过滤等实验操作，还发现了许多新的物质性质，舍勒就把他家附近矿石（软锰矿）和盐酸放在一起煮出“黄绿色气体”（当时称之为海酸减燃素或氧化盐酸），戴维则利用电解装置证明其是氯元素（氯单质），氯气的无意识制备和有目的确认过程推动了元素和化合物概念的发展。

化学实验探究精神的本义文化就是“玩”东西，这种观点令学生感到亲切而欣喜，他们会想：“我可以玩身边的什么东西，会发现哪些化学性质？”“玩中学”对学生产生有意味的“文化影响”，有助于学生形成正确的化学史观——化学学科是一种人类努力，其所扮演的角色和化学观念是随时间而发展的，是为解决社会生活问题为己任而产生的[2]。理性的实验探究技术被赋予社会共同文化内涵，凸显了人的个性精神，这种实验观将深刻影响学生的认知行为。

二、借助实验探究培养实验探究精神的原态思维

核心素养要激发国民领悟科学的“创造能力”。塑造化学实验探究精神应大力培养学生的原态思维。原态思维是指在没有外界植入观点的影响下，人们思考问题的最初方向和原始轨迹，原态思维是最具个性创造力和价值的思维形态，是衡量个体探究精神的重要指标。

【课例2】苏教版《有机化学基础》专题四第一单元介绍卤代烃的取代反应，教材直接安排“溴丙烷与KOH的水溶液反应”的实验，理论依据是伯卤代烃与碱的水溶液发生SN2反应，演示难度不大，但显得突兀而生硬，学生心中有疑惑：怎么就想到做这个实验？教师可这样组织教学，师问：“丙烷能与水反应吗？为什么？”生答：“不能，因烷烃性质稳定。”师补充信息：“碳和氢的电负性差别小，C-C键、C-H键能相差不大，烷烃分子中电子分布均匀，不易与酸碱氧化剂反应；当H原子被Br取代后，C-Br键极性增强，外加试剂影响C-Br断键生成Br-，你想找什么试剂破坏C-Br键？如何检验Br-？学生议论纷纷：“常见试剂有水、酸、碱，用它们试试？用硝酸、硝酸银检验Br-。”于是学生有了如下探究和思考：

实验① 取1 mL 1-溴丙烷于试管，加入2mLH2O振荡，取半滴管水层液加硝酸酸化的硝酸银，无现象。结论：H2O分子不能破坏C-Br键。

实验② 取1 mL 1-溴丙烷于试管，加入2mL20%H2SO4振荡，取半滴管水层液加硝酸酸化的硝酸银，无明显现象。结论：H2SO4分子不能破坏C-Br键。

实验③ 取1 mL 1-溴丙烷于试管，加入2mL 20%KOH振荡，取半滴管水层液，加入硝酸银，有棕褐色沉淀生成。结论：生成Ag2O沉淀，KOH不能破坏C-Br键。

实验④ 取1 mL 1-溴丙烷于试管，加入2 mL 20%KOH振荡，取半滴管水层液、加入足量稀硝酸和硝酸銀，有淡黄色沉淀！结论：KOH破坏C-Br键，生成Br-！

实验⑤ 向实验③棕褐色的物质再加入足量的稀硝酸，黑色消失，可见淡黄色沉淀。结论：KOH破坏C-Br键，生成Br-；说明Ag2O能与稀硝酸反应：Ag2O+2HNO32AgNO3+H2O。

师再问：“如何增加AgBr的量使现象更明显？”学生想到加热，但1-溴丙烷易挥发（沸点），有学生想到用水浴加热控制温度（低于1-溴丙烷沸点72℃）、再接冷凝管平衡气压防挥发，改进装置如图。

师追问：如何从断键部位理解1-溴丙烷生成Br-，卤代烃水解反应实质是什么？

学生总结卤代烃水解反应实质 （负性基团取代Br-）， 书写出新方程式：CH3CH3Br+NaCN→……；CH3I+CH3COONa→……，完成“结构决定性质”的意义建构。

培养实验探究精神的原态思维要解放学生思想，鼓励学生敢想、会想、敢批判、会反思，眼界开放程度越大，思维碰撞得越剧烈，知识理解就越透彻，上述实验探究过程丰富学生认知：H2O中c（OH-）很小，不能与1-溴丙烷发生取代，用KOH试剂、水浴加热加快反应速率； ④⑤实验说明用水解法检验卤代烃的卤元素，稀硝酸最好先加，也可后加，但不能不加；改进的实验装置更严密更环保，这些认知高于教材观点。

培养实验探究精神的原态思维要引导学生尝试像科学家一样思考：为什么想这个问题？怎么想这个问题？如何解释反常现象？怎样优化实验装置？学生用原态思维分析问题，用接近科学本质的学习心理重演知识的“动态”进化史，化学学习是讲道理的，学生实现从被动接受到主动探究的精神嬗变，表现为学习素养的提高和创造精神的形成。

三、借助实验探究锻造实验探究精神的核心学力

核心素养要培养国民终身学习的“核心能力”。隶属于自然学科群的化学科学承担培养学力的职责，应培养学生的直觉思维与逻辑思维，引导学生进行生活感悟与科学体验。所以塑造化学实验探究精神应该提高学生的核心学习能力，其一般步骤为：发现问题→文献调研→设计方案→解决问题。

【课例3】如何制备白色Fe（OH）2一直是教学的难点，它的教学价值甚大，笔者在一次化学兴趣活动课中，引导学生进行探究。

【实验目的】如何制备白色Fe（OH）2，Fe（OH）2易被氧化成红褐色沉淀Fe（OH）3，反应方程式：4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3

【发现问题】 学生取新配制的1mol/LFeSO4和1mol/LNaOH混合，立即出现灰绿色沉淀，久置变成红褐色。教师提示，制备Fe（OH）2的要点是排除溶解氧，防止Fe2+被氧化， 学生重新用煮沸蒸馏水新配制NaOH溶液，用过量铁粉与稀硫酸反应制备FeSO4，采取图1装置反应，仍然得到灰绿色沉淀。

【文献调研】学生通过查阅文献，互相讨论，演示图2、图3装置发现，图2很难将A中的溶液压入B中反应，实验操作失败；图3电解时间长还是出现了灰绿色沉淀。

【设计方案】学生很疑惑，图1、图2、图3都是制备Fe（OH）2的经典装置，为何实验还是失败？实验中一定生成了Fe（OH）2，溶液中的氧气含量不多，Fe（OH）2不可能迅速、全部被氧化，它去哪儿了？一个学过美术同学提出新想法，灰绿色沉淀可能含有Fe（OH）2，白色被掩蔽了？于是学生将图1灰绿色沉淀倾析出，置于50℃水浴加热，灰绿色沉淀竟然变成白色沉淀！惊喜之余，师生讨论认为，氢氧化亚铁在溶液里形成胶体，胶体表面积巨大，吸附Fe2+呈灰绿色，加热Fe（OH）2胶体吸附能力减弱释放Fe2+显示白色。若此推理成立，那么减少Fe2+能生成白色Fe（OH）2！学生采取图1装置，向新配制5mL、4mol/LNaOH溶液加入2mL、1mol/L FeSO4溶液，果然得到白色沉淀！

【解决问题】NaOH过量，用常规仪器“滴管+试管”即可成功制白色Fe（OH）2！

锻造实验探究精神的核心学力要培养学生改变认知的精神，改变从批判开始，批判在实践中完善，学生实践发现经典制备Fe（OH）2装置的缺点，依靠收敛思维的威力改变研究方向——寻找Fe（OH）2，实验轻易成功；学生又发挥发散思维的魅力，设计制备Fe（OH）2的简单方法，解决困扰教学已久的疑难。

锻造实验探究精神的核心学力要培养学生形成科学研究的方式：做做实验，看看实验能否成功？调研文献，学学别人是如何研究的？改变方向，查查实验症结在哪里？分享观点，听听同伴有何建议？这种研究事物的核心能力一旦形成，将使学生分析问题具有历史的厚重感和现实的变革性，发现解决问题的新思路。化学实验探究教学要以认知疑点为锚，以核心学力为桨，以终身发展为岸，打造未来社会公民应具备的文化教养和学术精神。

四、借助实验探究建构实验探究精神的生活趣理

核心素养要培养国民处理生活世界的 “关键能力”，化学实验探究教学可采用模型建构的思路，指导学生应用化学视角和实验手段分析生活问题，挖掘出有情趣的生活现象背后蕴含有道理的化学知识，为社会的和谐发展和人的健康生活提供科学证据和决策，这是塑造实验探究精神的生活维度。

【课例4】笔者曾开设公开课“吃菠菜补铁，这是真的吗”，展示了化学科学的生活之美。

【问题引入】动画片《大力水手》中大力水手吃菠菜补充力气，百姓餐桌中流传是菠菜补铁，这是真的吗？

【板块一：如何检测菠菜中铁元素？】学生设计方案，分组实验。

（1）水煮检验法 实验发现，加水煮沸菠菜，取滤液检验Fe2+失败，原因可能是新鲜菠菜中含有大量叶绿素等，加热煮沸对有机色素破坏不彻底，有色物质影响实验现象。

（2）灼烧检验法 实验发现，灼烧菠菜，将灰烬溶于水煮沸，取滤液检验Fe2+，现象稍好于水煮沸法，原因可能是高温灼烧能破坏菠菜中的有机物，但Fe2+浸出率不高。

（3）灼烧-酸浸检验法 学生检索文献发现，菠菜中铁元素是以草酸亚铁存在，草酸亚铁的溶解度是0.022g/100g，于是再做实验。

实验Ⅰ：称取0.02g草酸亚铁固体于烧杯，加入25mL蒸馏水，烧杯底部有不溶物，取上层清液依次加入1滴管的6% H2O2、5滴KSCN溶液，溶液无色。结论：草酸亚铁饱和溶液的c（Fe2+）小，检验现象不明显。

实验Ⅱ：称取0.02g草酸亚铁固体于烧杯，加入2mol/L H2SO4使之溶解、配制成100mL标准溶液，取2mL 标准液，加入1滴管6% H2O2、5滴KSCN溶液，溶液变成血红色。结论：用强酸溶解增加c（Fe2+），现象明显。

实验Ⅲ：称取30g晾晒菠菜，灼烧成灰烬，用25mL 2mol/L的稀硫酸浸泡灰烬，加热煮沸1min，取2mL无色滤液加入1滴管6% H2O2、5滴KSCN溶液，溶液显红色！结论：灼烧-酸浸法是检验菠菜中铁元素的理想方法。

【板块二：如何测定菠菜铁元素含量？】

学生设计实验方案：向处理液中加足量NaOH，测Fe（OH）2质量？向处理液中加足量NaOH，过滤灼烧，测Fe2O3质量？ 用滴定法、比色法测定铁含量？学生测定发现，只有精确度高的滴定法、比色法较合理，测出100g菠菜含铁元素约2mg，与文献介绍的数值相近。

【板块三：如何科学食用菠菜补铁？】

成人需要铁元素20mg/天，100g菠菜含铁元素是2mg，人体对铁的吸收率0.05，计算成人一天需吃50斤菠菜才能足够补铁！医生建议：菠菜中含有丰富营养物质，含铁质对缺铁性贫血有辅助治疗作用，但菠菜中草酸含量高，一次食用不宜过多；肾结石患者不宜多食。

【板块四：生活问题“化学化”模型建构】

师生建构“生活问题”的化学分析模型：发现生活问题→分析物质形态→预测物质性质→处理生活材质（焙烧、酸浸、碱熔）→检测元素含量→巩固化学思想、建构健康生活观。

核心素养要提高国民的“生存能力”，这是学科教学的终极目标。建构“实验探究”精神的生活趣理要求能够学以致用、学能善用：“从生活走进化学”要求实验探究教学善于发现生活中的有趣现象，用化学知识和实验手段分析问题，巩固学科知识；“从课堂走向社会”要求实验探究教学应用化学学科知识指导社会实践，提高生活能力；二者有机融合，充分体现实验探究教学“有趣、有理”的特点。

核心素养与学科素养是全局与局部、共性与特性、抽象与具象的关系，它的实现需要诸多学科素养的支撑和推动[3]，塑造化學实验探究精神是操作“实验探究”的一个途径。理解实验探究精神的本义文化要求学生从“玩化学”的角度容纳化学实验，培养实验探究精神的原态思维要求释放学生的创造潜力，锻造实验探究精神的核心学力要求学生形成研究问题的学术思路，建构实验探究精神的生活趣理则是化学科学社会价值的延伸，使学生真正喜欢化学，这四个方面层层递进、环环相扣地设计化学实验探究教学。

基于塑造化学实验探究精神的教学是从文化传承、科学探究和生活素养的云端设计课堂，所以我们会收获更持久的学科教学价值、更深远的学科审美价值，也会培养出更多的既有人文情怀，又有科学素养，还有生活理趣的社会公民，让我们为迎接教育改革的春天且做且思，一路疾行！

参考文献

[1] J.R.柏廷顿.化学简史[M].北京：中国人民大学出版社，2010：29-30

[2] 黄学梅，刘建伟.化学教师的TPACK结构及其建构策略究 [J].化学教育.2015（17）：55

[3] 顾明远.核心素养：课程改革的原动力[J].人民教育， 2015（3）：17-18