促进素养发展的项目式探究实验教学——以“海带提碘”为例

福建省长汀第一中学(366300) 童文昭 李火木

福建省龙岩第一中学(364000) 邹国华

1 问题的缘起

1.1 实验教学的困境

化学实验是促进学生“科学探究与创新意识”素养发展的重要载体。实验于化学的重要性是由其学科属性所决定的，实验不但为化学科学的形成和发展提供科学事实，也为促进化学知识的应用，提高学生的非智力品质提供基础材料。化学实验教学是化学教学的重要子系统，然而在过去很长一段时间内，教师在化学实验教学的认识上存在着不小的误区。尤其是在实验室条件本身就较差的学校，在课时安排、教学进度等多种因素的影响下，化学实验教学往往出现“理论上重视、行动上忽视”的状况。再加上受过去实验题型相对“定势”的影响，使得在追求分数的“现实”中，“讲实验”成为许多教师对化学实验教学的常态。

事实上，这些问题早在上一轮课改前就存在，并且为了解决这些问题，新课程改革做了诸多的努力。首先，把“培养学生的科学探究能力”作为提高学生科学素养的一项重要内容写入课程标准。其次，教科书也做了以下改革：增加探索和研究性实验；在验证实验中融入探索和研究的成分；将验证性实验作为探究活动的一种活动形式，配合思考与分析，以达到探究的目的。再次，从高考改革着手，课改以来高考化学对实验的比重和能力要求可谓是逐年提高。然而，从现实中看，课改十多年来，这些问题并没有得到明显的改善。尤其是当许多教师在发现“学生是否进入实验室亲自动手实验”与“实验成绩”并不具有显著的相关性后，就又“坚定”地回归到了老路——“高效”地“讲实验”。

1.2 对困境的思考

问题背后更深层次的原因与教师们对实验教学的认识和定位有关。从教学的功能与价值角度分析，实验教学的认识可分为三个层级：①知识层次，即认识到实验是融知识与技能于一体的化学学科知识；②方法层次，即认识到实验是化学科学研究的方法和手段；③意识层次，即认识到实验是化学科学研究中的一种思维和意识。这三个层次对应着学生实验素养的3个水平层级，如图1所示。从这个角度分析，前面所述的“进实验室”解决的亦只是实验在“知识”层面的问题。这恰恰也是当前实验教学存在的核心问题：如何摆脱仅从“知识”层面认识化学实验教学的功能与价值，实现“方法”“意识”等更高层面的功能与价值。这显然既不是教师在黑板上“讲实验”，也不是学生进实验室“做实验”能解决的问题，这是实验教学中教师对实验的价值和功能定位过浅的问题。

图1 对实验功能与价值的认识层级与表现

如何从方法、意识的角度提高学生的化学实验素养？实际上，对许多教师而言，实验教学的困难主要是“困”在教学效率上，“难”在教学方法上。相对而言，教师们表面上的诉求更多的是教学效率上的“困”。比如，不少教师反映，由于学生实验动手能力不够好，结果一节课辛辛苦苦地上下来，教学目标没达成，还耽误了教学进度。其实，对于教学效率上的“困”，在现代教学辅助手段的支持下比较容易解决。比如当前有不少教师采用微课和翻转课堂的方式，让学生先通过实验微课认识实验内容，再进行现场实验教学，提高课堂效率。但是，对于实验教学方法上的“难”，则需要对实验教学的设计进行更深入的分析和思考，即如何通过实验教学促进学生对实验所蕴含的学科思维、学科价值等方面的思考，进而提高学生对化学实验在方法、意识方面的进阶式认识。

1.3 项目式教学对实验教学的意义

由于化学实验是一类特殊的教学内容，过程的理论性与实践性、变量的复杂性与可控性、现象的可预测性与不确定性、结论的验证性与探究性等，这些都决定了其教学具有一定的特殊性。项目式教学起源于杜威的“做中学”，是一种“以学生为主体、问题为起点、项目工作为主要环节，将知识获得与知识应用相结合的探究型学习模式”，教学流程如图2所示。倘若我们能将实验教学内容与真实的生产、生活情境相结合，设计成科学探究项目，通过问题驱动，让学生在完成项目工作的过程中，真实地体验科学探究的方法与过程，那化学实验教学也就不再是“知识”层次的验证性、知识性实验教学。这种将实验内容问题化、实验情境项目化的方式，不仅有助于提升学生应用化学实验解决实际问题的实践能力，还有利于促进学生对化学实验的功能与价值的认识。

图2 项目式教学流程

2 项目式探究实验教学的设计与实施——以“海带提碘”为例

2.1 项目分析

“海带提碘”是高中化学新课程标准中规定的必修课程必做实验“同周期、同主族性质的递变”中的一部分内容。为丰富该实验内容并使其与项目式教学的要求更吻合，将其设计成“海带中碘的提取与含量测定”探究实验项目。根据课程标准及项目实验内容，将该项目教学目标设计如下：

(1)知识层面：体验灼烧、溶解、过滤、萃取、分液等物质的分离及提纯基本实验操作，掌握元素周期律、氧化还原规律等在本项目中的应用。

(2)方法层面：结合已学相关知识，利用实验的手段解决碘转化、富集、分离、含量测定问题。

(3)意识层面：利用资料信息，设计碘的转化、提取及测定实验方案，完成探究实验，并反思、评价实验过程和实验结果。

根据上述教学目标，确定如下教学内容；①从海带中提取碘的实验;②碘元素的定量分析实验。

2.2 项目规划

项目规划的一般流程是：首先，根据项目的结构特征，将项目分解为若干个较小的项目任务，便于整体项目的完成，也为小组合作及项目评价提供便利；然后，根据各项目任务的主要内容，进行分析和讨论，为要解决的任务设置1个驱动问题或问题链，便于学生聚焦于任务的解决；最后，根据前面分析讨论的结果，为每个项目任务制定解决方案。项目规划中，学生在教师的指导和帮助下完成团队组建、项目分解、任务分析、方案制定、小组分工等工作。教师在协助学生的过程中“悄悄”把实验知识“埋”在分解任务里，把实验意识“藏”在驱动问题里，把实验方法“引”进实验方案里。具体规划流程设计见表1。

表1 “海带提碘”项目规划及流程

2.3 项目实施

(1)项目情境

近年来，有传闻沿海地区不需要再吃“加碘盐”，以免摄入过量碘造成中毒。海带既是常见的海产食品，也是工业制碘的重要原料。请以海带为例，用化学实验探究该传闻是否科学。

(2)项目问题

测定海带中的碘含量。(用于计算人体每日摄入超标碘所需食用的海带量是否科学)

(3)项目规划

组织引导学生利用所学过的知识讨论和分析，得出测定含碘量的可行性方法，将项目分解为以下3个任务，并对前2个任务成立项目小组。

任务1：提取碘单质，测定含碘量驱动问题：海带中碘元素以何形式存在？如何将海带中的碘元素转化为碘单质并进行富集？

学生：交流讨论，汇报结论：清洗→烧灰→水溶→氯水氧化→CCl4萃取。

驱动问题：如何从CCl4中提取碘单质？

学生：蒸馏。

教师：蒸馏的操作过程比较复杂，是否有更简便的方法实现碘的分离？

学习支架：“反萃取法”提取碘的原理。

①往I2的CCl4溶液中滴入NaOH溶液，至CCl4层不显紫色(反应：3I2+6OH-=5I-+ IO3-+ 3H2O)；②用稀H2SO4酸化水层，重新生成I2(反应：5I-+ IO3-+ 6H+=3I2+ 3H2O)；③过滤得到碘单质。

学生活动：书写实验方案和操作步骤。

方案展示：展示各项目小组的方案，讨论、评价。最后，教师展示参考方案，如图3所示。

图3 提取碘单质实验方案

学生活动：按参考方案完成实验操作。

观察评价：教师观察并记录学生的实验操作。

问题解决：计算海带含碘量。

任务2：氧化还原法测定含碘量

驱动问题：海带中碘元素以何形式存在？如何通过氧化还原的方式确定碘元素含量？

学生：海带中的碘主要为I-，具有还原性，可以用氧化剂氧化，当恰好完全反应时，根据消耗的氧化剂计算I-的量。

教师：大家觉得这么做合理吗？如果海带中还有其他还原性物质怎么办？

学生：改成先将I-氧化为I2，再选择能与I2反应的物质与其反应，再根据所消耗的物质计算。

学习支架：“碘量法”是一种氧化还原滴定法，即以I2作为氧化剂，或以碘化物(如KI)作为还原剂进行滴定来测定物质含量。

教师：如何准确地知道上面的氧化还原反应恰好完全？

学习支架：指示剂、滴定装置和使用方法。

学生活动：书写实验方案和操作步骤。

方案展示：展示各项目小组的方案，讨论、评价。最后，教师展示参考方案。

教师：加入MnO2的作用是什么？

学生：使过量的氧化剂H2O2分解，以免残留在滤液中与后续滴定时的标准液Na2S2O3反应，造成所得数据偏大。

学生活动：按参考方案完成实验操作。

观察评价：教师观察并记录学生的实验操作。

问题解决：计算海带含碘量。

就当前中国的现实情况而言，由于社区居家养老服务的投资种类多、期限长，单靠政府是难以完成这些项目的，因此，社区居家养老亟须引进PPP项目来缓解资金的不足。然而，现实过程中，随着利率市场化的深入，许多金融机构不愿意为社区居家养老项目提供中长期贷款服务，再加上金融机构试图规避中长期贷款的风险，不愿意为社区居家养老的PPP项目提供中长期融资。此外，即便一些金融机构对社区居家养老的PPP项目有一定的兴趣，但由于法律制度的不健全以及政策的多变性，这些金融机构也不愿意冒风险发放贷款，导致社区居家养老PPP项目融资出现困难。

任务3：分析处理数据，解决问题

驱动问题：从实验原理和过程分析，2个任务小组实验方案哪个更优？

学生：第一个任务小组方案中需要用到氯水，对环境有污染。

教师：很好，那如果从实验误差角度分析，哪种方案测得的含碘量更准确？

学生活动：交流、分析和讨论2种方案中可能会造成碘流失的实验操作误差。

学习支架：研究表明，采用灰化法从海带中提取碘的实验中，以下不当操作会导致碘元素流失：①用水洗涤海带样品；②灰化时间过长；③过滤时不用有机溶剂润洗；④溶解海带灰时煮沸；⑤氧化时pH控制不当；⑥选用氧化性过强的氧化剂。

问题解决：因为相对于重量法，滴定法中造成碘流失的操作更少，测定更准确。

学习支架：世界卫生组织制定的标准，成人每天理想的碘摄入量为150 μg。

问题解决：计算每日摄入过量碘所需的海带重量，判断传闻是否科学。

3 反思与启示

3.1 化学实验项目化的困难与解决措施

一个化学实验的项目化过程，其重点(也是难点)在于充分挖掘实验的内涵和外延，将相关知识、方法、思维“埋”“藏”“引”进项目任务中。以本节课为例，如果仅以教材实验“海带提碘”为主题，那就很容易陷入实验知识与技能的训练过程，对方法与手段、意识与能力的发展提升程度有限。因此，本节课的项目化设计从实验情境入手，将生活中“吃海带会造成碘过量”的传闻作为一个真实的待解决的问题，从而把实验主题转化为“测定海带含碘量”。在知识技能上，既保留了教材要求的“海带提碘”实验，又拓展了氧化还原滴定的实验；在方法手段上，既丰富了解决问题的实验手段，又提高了实验探究性；在思维意识上，促进了学生运用实验思维分析和解决现实生活问题的意识发展。

项目式教学是以知识应用为核心的教学，是转变学习方式的重要手段，也是促进学科知识素养化的途径。因而，在探究实验项目设计初始时，教师应着重思考：通过这个项目能让学生在实验知识与技能上有何收获？在实验方法与手段上有何提升？在实验意识与能力上有何发展？在项目规划和实施的过程中，通过精心设计有梯度的驱动问题，将学生的学习自主性和合作性充分调动起来。教师在恰当的时机，搭建学习支架，为学生完成项目任务提供理论和方法的指导，学生通过合作探究，进行问题的分析和解决，最终完成探究项目实验。这对于实验教学而言，不仅能促进学生对实验整体的理解，也能推动学生对实验的功能与价值的认识从知识到方法再到思维意识等更高层次的提升。

3.2 对化学实验教学体系的启示

实际教学中，“由于化学实验体系三要素(物质体系或化学体系、仪器装置和安全措施、实验步骤和规范操作)中的第一要素往往源自教材，所以很多教师把侧重点放在第二、三要素，弱化了作为实验对象的第一要素：物质体系或化学体系。”这显然不利于学生实验思维和意识的形成与发展。这也要求我们在教学中，尽量对教材实验进行升华，不能仅把化学实验教学当成一项操作技能来训练，需要充分挖掘教材实验所蕴含的学科品质，通过真实的化学情境(项目式实验教学只是承载真实情境的一种形式)，让学生在学习这些实验知识与技能的过程中认识到实验还是认识物质世界的一种方法和手段，并在运用实验的方法和手段去探索物质世界的过程中逐渐形成实验的意识和思维品质，促进学生化学实验素养、科学探究素养的发展。

总之，化学实验教学体系作为一个“开放的复杂的巨系统”，教师、学生、实验内容、教学方法、实验设施等构成要素之间的相互作用形成了整个实验教学体系。只有综合考虑并发挥好这些要素间的协调性，才能真正实现实验教学目标的达成，提升实验在教学中的功能与价值。如果教师在教学中仅把实验当作一种技能、一种手段，那么学生对实验的认识也只会停在“技能与手段”的层面，无法提升到更高层次的思维，即“实验意识”的形成与发展。所以说，教师对教学方法的选择和对实验的认识很大程度上影响着课堂实验教学的最终效果。作为一名化学教育工作者，我们面对的不仅是高考，还有培养公民科学素养、发展学生核心素养的重大责任，这要求我们在实验教学价值与功能的取向上应有更高层次的认识，在实验教学理念和方法的选择上应有更深刻的思考。