化学实验教学创新设计的调查报告

陈章力,陈芳

(1.湖南文理学院 师范学院,湖南 常德,415000;2.湖南省津市市第一中学,湖南 津市,415400)

湖南省从2010年9月到2020年7月进行了10年的高中新课程改革,在此期间湖南省使用的是人教版高中教材(下同),人教版高中化学教材实验种类多,呈现方式也多样化,化学教材选修6《化学实验》是单独进行的模块教学。湖南省常德市在实施新课程的过程中,不少高中化学老师对实验教学创新设计感到困惑。为了全面了解高中化学实验教学创新设计的现状,使高中化学实验教学能够更加适应高中课程改革的步伐,尽可能建构、揭示或阐述实验教学创新设计的评价理论模式,特面向常德市12所普通高中学校开展了《高中化学实验教学创新设计的现状调查》的问卷调查活动。通过调查研究,比较客观地了解常德市高中化学实验教学创新设计的现状。湖南省是基础教育大省,常德市高中基础教育处于全省领先水平,此项调查研究可以反映湖南省乃至全国大部分地区的实验教学创新设计的情况,研究的成果也会对其他省市有一定的参考价值。

1 材料与方法

通过对常德市12所普通高中化学教师进行问卷调查,以不记名的形式进行调查,共发放问卷75份,收回有效问卷72份,有效回收问卷率96.0%。参与本次调查的学校既有省级示范性中学,也有普通中学;既有城区中学,也有农村中学。本次问卷覆盖面较广,数据真实可靠,在统计分析的基础上获得了宝贵的资料。为了使本次调查有针对性,在深入研讨的基础上,按所设问题的逻辑顺序进行排列,并试图揭示问题之间的关系[1]。

2 结果与分析

2.1 调查结果

2.1.1 高中化学实验开设现状

高中化学实验教学开设现状如表1所示。由表1可知,化学教材实验开设率小于50%的学校高达37.5%;学生分组实验很少开设或完全没有开设的学校达到了1/3。学生分组实验开设状况不理想的原因不是学校的实验条件,而是化学教师觉得教学时间不够、工作量大、麻烦,属于这种情况的教师占79.2%。大多数学校高一学生每周只有2课时的化学课,正常的教学任务很难完成。

表1 高中化学实验教学开设现状

2.1.2 化学实验室硬件和师资调查

学校化学实验室硬件和师资情况调查如表2所示。超过1/2的学校只有2～3间化学实验室,一般高中学校有无机实验室和有机实验室,还有准备实验室等。各学校实验员也多为2人,分别负责无机实验和有机实验。94.4%的学校能够开设教材中75%以上的实验,这说明学校的化学实验室硬件条件在不断改善。

表2 化学实验室硬件和师资情况调查表

2.1.3 教师对化学实验教学创新设计的主观看法

教师对化学实验教学创新设计的主观看法如表3所示。59.7%教师认为化学实验教学创新设计对学生的能力和成绩有很大的关系,但仍有36.1%的教师认为化学实验创新设计的促进作用有限。超过90%的教师对化学实验教学创新设计有兴趣。为了加强实验教学的互动性,52.8%的教师会邀请学生一起做演示实验,11.1%的教师完全让学生演示实验,但仍有11.1%的教师不重视演示实验,通过放视频代替化学实验。

表3 教师对化学实验教学创新设计的主观看法

2.1.4 化学实验教学创新设计评价方式调查

化学实验教学创新设计评价方式调查见表4所示。29.2%的教师希望通过教学改革考查学生实验操作能力,41.7%的教师选择笔试和操作相结合,13.9%的教师希望采用过程性评价,15.2%教师选择自评、互评和教师评价相结合。这说明教师充分肯定实验教学创新设计的价值,但由于高考化学实验试题的考查方式和高中化学实验教学创新设计的评价方式较单一,学生只要会做实验题,高考也可得高分,所以化学实验教学创新设计的评价模式成了目前一个急需解决的化学实验教学问题。

表4 化学实验教学创新设计评价方式调查

2.2 化学实验教学创新设计弱化的原因

2.2.1 教师化学实验教学的理念有待更新

《普通高中化学课程标准》[2]对实验教学的目标进行了具体的规定,通过各模块发挥实验的教学功能。化学实验探究和创新意识是化学核心素养的核心内容,对发展学生认知能力和思维训练有重要的作用。学生学习化学的观念和方法不是靠教师讲授获得的,而是通过具体的事例,特别是通过化学实验创新设计的实践逐步形成的。实验教学要符合新课程理念,教师首先要学习新课程的教学理念,自主、合作、探究,充分发挥学生的主体作用。上述调查中有37.5%的教师认为学生分组实验麻烦,有11.1%的教师直接用视频代替演示实验,这些教师的化学实验教学理念就有待更新,没有突出化学实验教学在化学学科中的学科特征。

2.2.2 补充知识点过多导致实验时间减少

人教版高中化学教材采用模块教学,内容的编排是根据学生的认知规律,以螺旋式方式提供给学生,不必要求学生对知识掌握一步到位。化学教材实验呈现的方式有多种形式,实验的种类和数量也明显增多,但这些实验只提供让教师自主选择。根据上述调查,41.7%的教师感觉学生分组实验时间不够。教学时间不够本质上也是教学理念的问题,很多教师因为考试的压力,不顾模块教学的特点,补充知识点过多导致化学分组实验的时间减少。在学习人教版化学必修1胶体性质时[3],有老师补充了胶体的布朗运动和电泳现象,这不仅加重了学生的负担,还势必会影响正常的化学实验教学时间。绝大多数学校高一学生每周只有2课时的化学课,如果补充知识点过多就不能保证正常的实验教学的时间,导致学生分组实验所需要的时间明显减少。

2.2.3 高中化学教材淡化了学生分组实验

人教版高中化学教材在实验呈现的方式很多,除有章节编码的实验外,还有《科学探究》、《实践活动》、《思考与交流》、《科学视野》、《科学史话》和实践性实验习题。新课程淡化了学生分组实验与演示实验的界定。模块教学中,绝大多数学校没有开设化学选修6《实验化学》。其它化学模块教材中学生分组实验要靠教师准备实验内容,或是参考相关实验报告手册。各地区和学校的情况又有不同,教育主管部门也没有规定哪些实验是必做的学生分组实验,哪些实验是演示实验。对学生分组实验内容的选择教师没有参考的依据,淡化分组实验导致学生实验创新能力减弱。

2.2.4 有些实验操作复杂或现象不太明显

人教版高中化学教材中有些实验的装置复杂、操作麻烦和需要较长时间,导致这些实验就很少做。比如化学必修1中,氢气在氯气中燃烧,铁粉与水蒸气的反应,很多教师在课堂教学中就嫌麻烦没有做。这样的实验,做和不做是有很大区别的。氢气在氯气中燃烧是一个演示实验,这是学生理解燃烧本质的一个重要实验。燃烧并不一定需要有氧气参加,对学生构建化学概念有很强的视觉冲击作用。铁粉与水蒸气的反应是一个科学探究的实验,通过此实验可以培养学生的创新能力,也可以让学生逐渐理解只要改变条件,较活泼的铁粉也能和水蒸气反应。在人教版化学必修2中,甲烷与氯气的取代反应是较复杂的有机实验。化学实验教学中特别是涉及到有毒气体或实验现象不明显时,有老师就用视频代替化学实验,导致教师实验教学创新设计的弱化。

2.2.5 实验条件欠缺和过度担心实验安全

各校的实验室条件不同,某些学校的药品和仪器不能满足学生分组实验的需要,导致学生实验创新设计的能力得不到提高。少数学校的实验员不是化学专业的教师,没有经过系统的化学实验训练。个别学校实验员欠缺,由任课教师兼任。调查中还发现1所学校的化学实验员是1名非化学专业的人员担任。实验中需要注意安全,要有安全意识,但不能过度自我保护。曾在听课中看到化学教师在用浓硫酸、浓硝酸等试剂时使用橡胶手套,这不仅给学生带来了强烈的恐惧感,还会影响教师的实验教学。

2.2.6 实验教学创新设计的评价方式单一

在化学实验教学创新设计评价方式调查中发现,教师对化学实验教学的作用还是充分肯定的,但高中化学实验考查方式比较单一。常德市高中学生只有1次化学学业水平实验操作考试。高考中实验试题如果不能考查学生创新设计的思维能力,学生就可以通过不断做实验题而获得高分,那最终就会导致化学实验教学创新设计的弱化,这也成了目前一个很现实的化学实验教学问题。不少学校和教师的做法就是讲实验和背实验代替做实验,而且还呈愈演愈烈的趋势。

2.3 化学实验教学创新设计的OCPP评价模式

基于上述问卷调查分析,发现高中化学实验教学创新设计有弱化的趋势,提出化学实验教学创新设计的OCPP评价模式[4],尽可能建构、揭示或阐述实验教学创新设计的基本原理。

2.3.1 目标评价(Objective Evaluation)

任何化学实验活动都有其目的,实验教学创新设计要明确实验目的,就是要明确实验设计要解决什么问题,为什么要设计此实验。化学实验教学创新设计的目标评价是以化学学科素养为目的。化学学科素养核心素养包括“宏观辨识和微观探析”,“变化观念和平衡思想”,“证据推理和模型认知”,“科学探究和创新意识”,“科学态度和社会责任”5个方面[5]。培养学生化学实验的问题策略是目标评价的任务之一。教材中存在这样的实验,在人教版高中化学必修2(2007年第3版)第106页的复习题第9题为:卤块的主要成分是MgCl2,此外还含有Fe3+、Fe2+和Mn2+等离子。若以它为原料按所示工艺流程进行生产,可制得轻质氧化镁。提供的表格中有生成氢氧化物沉淀的pH值,明确给出Fe(OH)3开始沉淀的pH为2.7,沉淀完全的pH为3.7[6]。可是人教版高中化学选修4《化学反应原理》(2007年第3版),在第三章第4节《难溶电解质的溶解平衡》中描述沉淀的生成中这样写道:“在涉及无机制备、提纯工艺的生产、科研、废水处理等领域中,常利用生成沉淀来达到分离或除去某些离子的目的。例如,工业原料氯化铵中含杂质氯化铁,使其溶解于水,再加入氨水调节pH至7～8,可使Fe3+生成Fe(OH)3沉淀而除去[7]。”这时候学生会对Fe3+生成Fe(OH)3沉淀的pH就会感到困惑,选修4的描述也不符合Fe3+生成Fe(OH)3沉淀的科学原理。教师要善于引导学生发现实验问题,进行实验教学创新设计。

2.3.2 内容评价(Content Evaluation)

从化学实验主要内容因素来看,化学实验是由实验原理、实验试剂、实验条件、实验装置、实验操作、实验结果等要素组成的有机整体。其中化学实验原理处于诸要素的核心地位,只有弄清实验原理,才能合理设计实验[8]。化学实验教学创新设计的内容评价的核心是化学实验的化学原理。普通高中化学课程标准(2017年版)附录中明确了18个化学实验,分别是必修课程学生必做的9个实验和选修性必修课程学生必做的9个实验。以必修课程学生必做的第8个实验为例:搭建球棍模型认识有机化合物分子结构的特点。由于学生对有机化合物的立体结构的理解有一定的困难,如果将此内容进行实验原理的教学创新设计,引导学生按烷烃碳原子数逐渐增加来制作球棍模型,能迅速突破难点(同系物和同分异构体)。此实验注重对学生化学探究能力的培养,将化学学习变成为学生自主探究、研究性学习的过程。在教学过程中教师精心设计探究情境,使学生在内心深处产生一种探究的欲望,自觉、主动的探索问题,从而获得新知识。最终可以将化学教材中静态的文本概念通过实验教学创新设计达到化学实验教学的可视化。实践证明此实验是学生学好有机化学最重要的入门实验。

2.3.3 过程评价(Process Evaluation)

化学实验教学创新设计的过程评价主要是指实验的操作、现象和结论。实验操作涉及到实验方法、条件和变量控制;实验现象涉及到实验分析;实验结论是实验的因果关系。一方面,实验的过程评价包括实验的生成(化学反应原理)、实验的干扰(化学性质)和实验的分离(物理化学性质);另一方面,实验的过程评价包括实验前的准备、实验过程和实验后的反思。开展学生感兴趣的化学实验教学创新设计的实验。学生只有做过化学实验,他们才有实验过程的体验。实验的过程既可以增强学生对高中化学基础知识的理解,也可以培养学生的实验创新设计的意识和能力。化学实验创新设计不能只局限于化学教材中的实验改进,如何通过实验培养学生的动手能力等都是化学教师应该思考的问题[9]。如积极评价学生参与家庭实验的过程。在学习电解饱和食盐水后,教师鼓励学生在家里做电解饱和食盐水的实验,要求学生把实验过程拍成视频或照片发布在班级学习群中进行讨论,从而增强学生参与家庭实验的兴趣和能力。目前有学者提出将化学类公众号应用于化学教学实践的建议,让学生自己动手制作家庭小实验,培养学生观察能力和实验探究能力[10]。

2.3.4 成果评价(Product Evaluation)

化学实验教学创新设计的成果评价主要是通过化学实验形成化学实验的思维模型。通过化学实验模型指导和预测化学实验,化学实验可以证实或证伪化学模型。最终形成化学学科核心素养。化学实验教学创新设计的成果评价也是目标评价、内容评价和过程评价的一个综合性的评价过程。可以将历届高考实验试题进行创新评价。设置新颖的高考试题呈现方式和设问方式,促使学生主动思考,善于发现问题、找到新规律、得出新结论[11]。高考化学实验试题的创新设计是高中化学实验教学创新设计的导向。特别是有机化学实验,实验时间长,有些实验效果不是很明显,还有安全和污染问题,不少化学教师根本没有进行化学实验的操作,更谈不上对实验的创新与研究。参与全国高考化学命题的专家学者也很清楚化学实验教学有弱化的趋势。全国高考新课标乙卷理综曾在2012—2014年连续3年考查有机合成的实验,不断引领师生进行高中化学实验教学的创新设计。根据化学科的创新研究成果特征,将高考化学科创新性的考查要求分为推测反应现象或物质性质,在实验教学创新设计中促使学生自主思考,发现新问题,设计新路线,开发新方法,总结新规律,得出新结论[12]。

3 结论

基于问卷调查统计分析,发现高中化学实验教学创新设计有弱化的趋势,从学科教学的角度分析了弱化的原因,并提出了化学实验教学创新设计的OCPP评价模式,尽可能建构、揭示或阐述实验教学创新设计的基本原理。OCPP模式包括化学实验教学创新设计的目标评价(Objective Evaluation)、内容评价(Content Evaluation)、过程评价(Process Evaluation)和成果评价(Product Evaluation)4个部分。