提升化学教师实验素养的路径思考

陆燕海 任雪明

摘要： 基于评比形式、试题内容和教学启示的视角，对一次化学实验技能大赛的基础知识笔试、实验现场操作、创新实验展评等环节展开了具体的介绍与分析，探讨了当前中学化学实验教学中普遍存在的一些问题与不良倾向，并指出夯实实验基础、锤炼操作技艺、树立创新意识是一线教师提升实验素养的有效路径。

关键词： 实验素养; 基础知识; 实验操作; 创新意识; 化学教学

文章编号： 1005-6629（2019）8-0015-06            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

浙江省高中理科（化学）教师实验技能大赛是一项激发全省化学教师实验教学创新的连续性赛事，由浙江省教育技术中心、浙江省教育厅教研室、浙江省科技馆和浙江教育出版集团联合主办。大赛分初赛和决赛两个阶段。2018年11月8日至9日，由全省各区市推荐的11名化学教师在学军中学紫金港校区参加了决赛，超过200多名教师观摩了创新实验展示。本次决赛共设置了“基础知识笔试”“实验操作比赛”和“创新实验设计”三个环节，其中“基础知识笔试”占20%，“实验操作比赛”占60%，“创新实验设计”占20%。

本文拟结合具体的比赛试题与案例，从实验技能决赛的三个环节角度加以反思和探讨，以期能归纳出中学化学教师实验素养提升的有效路径。

1  基础知识——应试范围较扎实，拓展思考显不足

1.1  测试方式

化学实验基础知识包括化学实验仪器的识别与使用、化学实验原理与基本操作、化学实验安全与事故处理、化学实验方案的设计评价与结果分析等。大赛设置实验基础知识的考查环节，意在检测选手们对化学实验基本内容的掌握程度，评价选手的化学实验分析能力与方案设计水平，从而引导广大一线教师重视化学实验教学，深入思考研究实验，不断提升实验素养和学术能力。本次决赛考查实验基础知识采用笔试的形式，共设置了8个问题（含5个选择题和3个填空型简答题），满分20分，要求所有选手同时进行比赛，30min内独立完成。

1.2  试题分析

笔试部分试题大致可分成选考要求型和拓展衍生型两大类。

例1  CoCl2·6H2O是实验室常用试剂，该固体药品颜色更接近于（    ）。

A. 红色

B. 黄色

C. 蓝色

D. 绿色

参考答案： A

例2  下列有关实验基本操作的说法中，不正确的是（    ）。

A. 采用直接加热蒸馏的方法不能有效分离碘单质和CCl4

B. 相同条件下，乙烯通入酸性KMnO4溶液并使之褪色的速率较乙炔更快

C. 实验室用KClO3和MnO2制氧气，将混合物充分研磨有助于提高产气速率

D. 溶质溶解度越大、溶液浓度越低、溶剂蒸发和溶液降温越慢，都有利于大颗粒晶体制备

参考答案： C

例3  实验室用氨气还原氧化铜的方法测定铜的近似原子量，反应的化学方程式为： 2NH3+3CuO△N2+3Cu+3H2O。通过测定反应物CuO的质量（m1）和生成物H2O的质量（m2）可以进行计算，结合下列仪器设计简单的实验方案并回答相关问题。

A

B

C

D

（1） 儀器连接的顺序（用字母编号表示，仪器可重复使用）为        。

（2） 下列情况将使测定结果偏小的是        。

A. CuO未全部还原为铜

B. CuO受潮

C. CuO中混有Cu

参考答案： （1）BCACD;（2）B

以上都属于选考要求型的实验笔试题，这些内容都在浙江省高中化学选考考试要求的范畴，只要教师平时在扎扎实实地开展实验教学[1]，完成课标要求的必做实验，一般都能驾轻就熟。因此，作为各地区佼佼者的选手们而言，总体表现优异、得分率高。

例4  以下分析纯试剂能作为基准物质直接用于配制标准溶液的是（    ）。

A. NaOH

B. NaHCO3

C. FeSO4·7H2O

D. H2C2O4·2H2O

参考答案： D

例5  数字化传感器已在省内中学化学实验室广泛使用。室温下，某同学使用压强传感器通过针筒瞬间扩体（缩体）来研究压强对2NO2N2O4平衡移动的影响。图A是NO2在t1、 t2时分别扩体、缩体时的压强曲线，图B为同等条件下分别压缩等量NO2和空气时的压强曲线。已知： 实验者进行变压操作约耗时0.1s，而从变压到2NO2N2O4重新平衡约需5×10-5s。

A

B

该同学分析后认为图A峰a、 b的出现成因不应该是平衡移动。你认为最可能的原因是            。试设计简单实验加以证明：                                 。

参考答案： （1）快速扩体或缩体操作时针筒内气体温度明显改变;（2）使用温度传感器测定快速扩体或缩体操作后体系温度的变化曲线，并与图A进行对照（其他合理解释也可给分）

例4、例5可归属于不在浙江省选考要求范围内的拓展衍生型试题。例4考查基准物质的选择，源自苏教版《实验化学》（选修）教材拓展课题6-1，虽不是选考考试的范畴，但对于化学教师而言则是必修课和基本功，绝不能因为不要求而束之高阁、视而不见。例5以数字化传感器探究中学化学实验问题为素材，需要选手对新仪器、新设备、新方法在化学中的应用有所关注并具备有关传感器使用的基本认知，重点着眼于选手学科视野、质疑精神、探究能力和化学实验问题的思考深度等的考查。这类试题参赛者的得分率总体上不是很理想，全省11位代表中仅2位选手对例5的解释尚可。

1.3  教学启示

如果教师对化学实验的理解程度只囿于教材与课标要求，仅仅停留在一般高中生的认知层面，那么在教学过程中就很容易酿成“老高中生教新高中生”的悲剧。教师要想以身示范，教给学生一碗水，自己就先得具备一桶水，甚至一缸水、一池水、一江水。因此，教师有必要始终保持一种不断吸纳的姿态，除了对高中化学课标要求部分的必备实验基础知识做到了然于心外，还要多多注重高考不作要求的拓展实验相关必修课的修炼。只有不断扩大学科视野，强化研究意识，夯实实验基础，增进深度理解，才能促进教师自身实验素养的全面提升。

2  实验操作——思维与操作流畅，规范与行动背离

2.1  测试方式

化学实验基本操作是开展化学教学与研究的基石，是教师动手实践、教学创新必备的基本技能。通过举办教师实验技能大赛，重点考查选手对实验操作的规范性、熟练性的掌握程度，意在提高教师基础化学实验的操作技能，提升教师综合实验设计、分析、动手能力和实验教学的整体水平。为此，评比时在确保现象明显、结果准确的基础上，主要关注教师实验操作规范、熟练、美观。从具体内容看，本次实验操作决赛环节共设置了3个实战题（含2个定性和1个定量操作题），试题内容源于教材但略作调整，每题满分20分，共计60分。所有选手同时进行比赛，在规定时间内依次完成相应实验。

2.2  试题分析

例6  利用限定药品和仪器，完成淀粉的水解并定性检测产物葡萄糖（要求20min内完成实验）

药品： 水溶性淀粉、98.3%浓H2SO4、粗铜丝（20cm）、 20% NaOH溶液、pH试纸、蒸馏水

仪器： 小试管（×4）、200mL烧杯（×2）、滴管（×2）、玻璃棒、表面皿、镊子、三脚架、石棉网、酒精灯、火柴、药匙、试管夹、试管架

该题源于必修教材实验[2]，主要考查教师对水浴加热下淀粉水解操作要领的掌握与熟练程度。提供试剂中只有粗铜丝，缺少了CuSO4溶液，需要选手现场自制，选手可自行选择铜与H2SO4反应，抑或采用铜丝空气氧化并H2SO4溶解的方法。整个实验大致可分解成热水浴准备、淀粉水解、CuSO4制取、碱性Cu（OH）2浊液制备、葡萄糖的检验等步骤。由于给定的时间较少，要求教师能对上述操作出合理的规划和统筹。

从比赛情况看，参赛教师大多对这一实验的实施步骤了然于心，操作习惯良好，操作过程也较为流畅，能在规定时间内完成并展示砖红色沉淀的检测现象。出现的主要问题有： （1）个别选手对未直接提供热水的现状估计不足。先制CuSO4和碱性Cu（OH）2浊液，到热水浴准备阶段严重耗时，导致后续操作就略显仓促、狼狈。（2）操作的应变能力不足。如在制备常量CuSO4试剂用于实验时，用空气氧化并酸溶的方法时必须要反复多次操作，在加热前预先将铜丝进行螺旋化处理可加快反应速率，有效减少操作次数，但实验比赛过程中这样的变通并不多见。

例7  制备氢—氧燃料电池（要求在15min内完成实验，放电时间不得少于3min）

药品： 蒸馏水、0.1mol·L-1稀盐酸、0.1mol·L-1 NaOH溶液

仪器： 25V学生电源、导线若干（带鳄鱼夹）、灵敏电流计、石墨电极（×4）、酒精灯、火柴、50mL小烧杯（×4）、试管夹、坩埚钳、海绵（10cm×6cm）、小剪刀、橡皮筋若干、橡胶手套

氢氧燃料电池的制作在苏教版《化学2》必修教材虽有涉及，但与之相比本题在药品与仪器的选择上却不尽相同，因此更考验参赛教师利用已有条件进行方案设计与创新的能力。操作步骤上，一般要经历石墨棒淬火、组装装置、电解NaOH溶液、原电池放电等过程。

从实验结果看，最终成功展示氢氧燃料电池放电使灵敏电流计指针偏转3min以上，所有参赛教师一般都不在话下。但从方案设计、实验操作等细节看，选手们各自的表现就显得有些良莠不齐了。

如有几位选手将提供的4根石墨电极分成两组，直接用整片海绵按“∞”形包裹，并用牛皮筋捆扎后能自然固定于小烧杯中，实验时先将其中两根带鳄鱼夹的导线连接直流电源，电解一定时间后断开，即可将另外两根导线连接灵敏电流计。这样的设计，不但简化了海绵片的剪裁、电极的夹持固定、电解池到原电池转换的连接等操作，在有效隔离出阴极区和阳极区的同时，也增加了石墨电极上H2、 O2的附载，实验整体干净利索、省时省力、现象与效果还更明显。与之对照，个别选手出现的问题主要集中在： （1）实验谋划缺乏。如包裹石墨电极时，未提前比对和规划需要裁剪的海绵片大小，导致裁出的尺寸大小不匹配。（2）操作规范不足。如对石墨棒淬火处理时用试管夹夹持而不用坩埚钳，电解时为避免两极直接接触而使用手持式固定等。

例8  定量测定维C片中维生素C的百分含量。已知每片维生素C片中含维生素C约0.1g，因样品溶解较慢，建議研细后实验（限定25min内完成，只要求测一组数据）

原理： 在弱酸性溶液中，维生素C（Mr=176.1g·mol-1）可将I2还原为I-。

（维生素C）+I2

（脱氢维生素C）+2HI

药品： 维C片、蒸馏水、淀粉溶液、0.0100mol·L-1碘水标准溶液、1mol·L-1稀盐酸

仪器： 电子天平（精确到0.001g，带称量纸）、100mL容量瓶、玻璃棒、滴管、50mL小烧杯、200mL烧杯、50mL滴定管（带夹持装置）、250mL锥形瓶、25mL移液管、洗耳球、洗瓶、镊子、药匙、研钵

该题取自苏教版《实验化学》选修教材拓展课题6-2[3]，虽不属于浙江省高考考查范围，却是整体性考查参赛教师实验统筹能力、系统思维和操作素养的很好素材。要求教师在分析氧化还原反应定量关系基础上，根据所给实验仪器型号大致确定维C片的用量，对本实验从准备、实施、结果处理等作好通盘考量。从实验内容上看，该课题囊括了电子天平和滴定管等仪器的使用、固体的研磨与称量、一定物质的量浓度溶液的配制、移液操作、氧化还原滴定、指示剂终点判断、数据的记录与处理等，可算是集中学化学实验基础与操作之大成。

从赛场表现来看，在如此短的时间内绝大多数参赛教师仍能做到泰然自若、有条不紊地完成全部考查项目，显示了良好的心理素质和过硬的实验素养，实验过程娴熟、操作习惯良好。但也暴露出一些问题，主要在于对实验体系缺少整体性的思维认识，不习惯在实验系统下全局审视和理解具体的实验细节，这从选手们对维C片研磨与称量先后关系的问题处理上可见一斑。正确的做法是先将维C片研磨粉碎，再称量一定质量的粉末用于后续操作。而绝大多数的教师则是直接称量1或2片维C片的质量，再研碎待用，这样的选择也直接诱发了个别教师后续对研钵和研杵上粘附的白色粉末用蒸馏水洗涤回收的不当操作。

2.3  教学启示

在长期的应试教育环境中，对化学实验习题的过度操练与片面解析会将原本完整的化学实验系统肢解得面目全非，导致一线教师常常会孤立地、碎片化地看待化学仪器、操作名称、实验现象等细节内容，而忽视了在系统思维下对实验细节内容的深度理解与整体把握;常常是通过画实验、说过程、背方法等机械记忆的方式来巩固化学实验操作的规范性要求，而忽视了做实验过程中的操作实践对规范养成的强化与矫正功能。因此，教师要重视“做实验”的教学价值，在系统思维引领下审视和谋划实验，用自己一系列实实在在的实验活动来锤炼操作技艺，扭转实验教学中明显的“应试化”倾向，使理论规范与操作行动的“两张皮”有机统一。

3  创新实验——实验思考有深度，方案设计较新颖

3.1  评比方式

创新实验的内容一般要包括實验背景、实验原理、实验装置、操作步骤、实验现象、研究结论、成败关键以及设计特色等。通过教师创新实验的展示，有助于激发教师的创新思维，提升教师的创新能力，并在实验教学中以教师创新示范带动和促进学生创新实践活动的开展。此次创新实验环节总分为20分。由参赛选手自主确定研究课题，选材限于高中化学教学范围，要求每位选手在各自案例中能重点说清解决了什么问题、怎么解决问题、有何创新和亮点，并录制成实验微视频后网络提交评审。

3.2  案例评价

参赛的方案总体上水平较高。从课题选择角度看，主要集中在中学化学疑难实验的改进和疑难问题的研究。透过这些鲜活的案例，不但展示出选手们在化学实验教学中的独特研究和生动进展，也让我们看到了当下化学实验研究创新的一些基本特点与走向。

（1） 多元化的器材选择： 使实验设计贴近生活。

台州一中刘坚老师在改进卤代烃水解反应实验时，用针筒吸取、混合KOH水溶液和CH3CH2Br，在可控温度加热壶的热水浴中实验（中途振荡针筒便捷，有助于加速反应），并选择生活用的酒精检测仪检测产物乙醇，收获了很好的实验效果。因此，教师在实验教学时要有心地对生活器材合理收集、巧妙选择、简单加工并尝试应用，让化学实验的现象更明显、操作更简便、更加安全、环保、有生活味。

（2） 精确化的条件控制： 让演示效果得以保证。

化学反应过程中，如果不能控制好最佳反应条件，不但会降低目标产物的产率，增加副反应的发生，影响实验的观察效果，甚至还可能引起环境与安全等问题。因此，探索实验发生的精确化条件并加以有效控制，引导化学反应朝着需要的方向发展，一直以来都是中学化学实验教学研究与创新的重要方向和目标。如嘉兴五高张雅韵老师对Fe（OH）2制备实验从无氧环境创设、NaOH和FeSO4溶液最佳浓度等视角进行了条件探索，给出了非常具体而有操作性的优化方案： 小试管中加入6mol·L-1 NaOH溶液和少量还原铁粉（用以去除碱溶液中的溶解氧），加少量苯液封，用磁铁吸引住铁粉并移至溶液中上部（在保持还原性环境同时可减少对产物颜色观察的干扰），再按图1挤入少量0.5mol·L-1 FeSO4溶液。通过这种精确化实验条件的控制，常规的试管实验变得简约而不简单，得到的Fe（OH）2沉淀能保持白色10min以上，充分保证了实验演示的效果。

（3） 数字化的技术应用： 从片面认识走向深刻。

随着现代信息技术在中学教学领域的深入推广，相较于传统的化学实验教学，数字化技术下的实验研究与创新有其独特的优越性，演绎了别样的精彩。利用传感器等数字化实验手段，实现了

化学实验从传统到现代、从定性到定量、从静态到动态的转变[4]，在实时、直观、量化地展示化学反应变量过程中能进一步矫正教师对化学实验问题的片面认识，帮助学生解决化学实验疑难，促进学生深刻理解化学学科本质。如教材以KI与少量FeCl3的反应来说明限度问题，实际上在检验Fe3+实验前务必保证已达平衡。宁波北仑中学王杰老师对此展开研究，通过传感器测定了反应进程中的电导率变化，实证了KI与FeCl3反应的平衡建立一般需要耗时约80s，并据此给出优化后的实验操作方案，很好地矫正了大家对该实验的固有认知，弥补了思维上的逻辑漏洞。

3.3  教学启示

树立实验创新意识、培养实验创新能力、开展实验创新活动应该成为一线教师不断提升化学实验素养的重要内容和有效路径。当前，化学实验创新呈现出生活化、微型化、数字化、绿色化、综合化等发展特点，但总体原则仍然在于解决化学实验教学中存在的疑难问题，认识和优化好那些难以成功、理解不透、现象不明、操作繁琐、污染严重、安全隐患等不足的实验。因此，针对教材内的一些实验方案，还需要教师自觉地运用批判性思维开展有深度的思考，在实施实证化活动中逐步萌发、凝结出一些具有创新性的化学实验设计，扎扎实实在质疑、实践和反思中不断提升自己的化学实验素养。

4  结语

化学实验能为学生经历知识产生的过程创设意义情境，能为学生掌握实验操作的技能搭建训练平台，能为促进学生核心素养的养成提供发展契机。一次化学实验技能大赛，让我们欣喜地感受到潜存于广大基层化学教师中的强大的创新潜力;同时，也让我们真切地看到了当前中学实验教学中还存在的一些普遍性问题，如对高考范围外的实验视野比较狭隘、对操作规范的认识与具体的实践表现间存在背离、对实验体系的整体性思维认识有待加强等。因此，要持续提升化学教师的实验素养依然任重而道远，这需要成为、也应当成为我们每一个化学教师的行为自觉和修炼目标。

参考文献：

[1][3]王祖浩， 王程杰. 普通高中化学课程标准实验教科书·实验化学（选修）[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2010.

[2]王祖浩主编. 普通高中化学课程标准实验教科书·化学2（必修）[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2008.

[4]赵华. 原创走向实证： 中学化学实验创新实践研究[M]. 上海： 上海教育出版社， 2018.