基于学科育人的高中化学实验教学研究与实践

黄恭福 邹海龙 胡萍 左建高

摘要： 高中化学课程发展学生核心素养要精心设计与实施以实验为主的科学探究活动。针对实验教学的“短板弱项”，以课题研究为依托、以“教研训一体化实践模式”为推进范式，开展基于学科育人的高中化学实验教学的研究与实践，总结提出基于学生發展的实验教学系列原则策略和基于学科核心素养导向的实验教学取向，揭示了实验教学的科学实践本质意蕴。

关键词： 学科育人; 实验教学; 高中化学; 科学实践

文章编号： 10056629（2022）09006406

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

2013～2021年间，湖南省教育科学研究院（以下简称湖南省教科院）依托省教育科学规划资助课题，以“教研训一体化实践模式”为工作推进范式，持续八年聚焦“基于学科育人的高中化学实验教学研究与实践”，充分揭示实验教学功能与独特育人价值。本文在概述研究工作推进机制、实施现状调研和文件政策要求的基础上，基于高中化学实验教学的价值理性，立足“学生发展、素养导向、实践本质”三个层面进行具体阐述。

1 基于学科育人的高中化学实验教学研究与实践推进范式

2013年12月，湖南省教科院遴选30余所高中学校开展基于学科育人的高中化学实验教学研究与实践。研究方向由“基于学生发展的高中化学实验教学策略”深化为“学科核心素养视域下实验教学取向”，并凝练提出实验教学的“科学实践”本质。

从方法论而言，研究始终坚持问题导向和目标导向。问题导向正向设计： 基于学生发展确定高中化学实验设计、呈现和评价的基本原则与策略;目标导向逆向设计： 基于实验教学核心素养功能提炼素养导向的实验教学取向。通过“双向”研究实践揭示实验教学的科学本质。

从工作推进机制而言，创新构建并实施了“教研训一体化实践模式”（如图1所示）。该模式将教师在教学中面临的真实问题提炼转化为研究课题，通过对课题的深入研究形成科学的解决策略，再将课题研究过程及成果转化为教师培训专题，为教师解决类似问题提供思路和方法，在“问题课题专题”的循环中不断积累和传播教学实践智慧，从而大面积提高教师专业化水平[1]。基于学科育人的高中化学实验教学的理论研究、成果提炼、模式推广正是源自该实践模式的应用[2]。

2 高中化学实验教学的现状及政策分析

2.1 高中化学实验教学现状调研

湖南省教科院选取不同地域、不同层次的普通高中学校进行实地调研访谈，内容涉及学生对化学实验的态度与兴趣、参与意识、实验操作、实验思维、创新意识以及实验功能认识、实验教学方式与评价等内容。调研显示： 学生普遍对化学实验充满期待，渴望能亲自动手实验与探究，但学生在实验活动中的实验思维能力、创新意识与创新能力整体偏低，需要合理设计探究式、开放性、创新性实验发展学生的高阶思维能力。调研发现还存在以下主要问题： 一是多数教师的实验教学具有随意性，且形式单一、数量不够，部分学校甚至以演示实验或课件替代实验教学内容，学生分组实验和合作探究活动变得可有可无;二是不能科学有效地设计实验探究活动，导致探究实验教学有名无实，教学效率与质量偏低;三是实验形式与功能匹配不尽合理;四是实验教学评价机制不健全，无法对化学实验教学进行有效评价与检查落实。显然，解决上述问题亟需采取“自上而下”的刚性文件要求和“自下而上”的实验教学改革探索。

2.2 实验教学改革政策文件简析

2018年1月教育部颁布的《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称“课程标准”）基本理念是： 以发展化学学科核心素养为主旨，重视“素养为本”的教学。倡导创设真实问题情境，开展以化学实验为主的多种探究活动，充分认识化学实验的独特价值，精心设计实验探究活动，促进学生学习方式的转变。强调通过亲身体验、具身实践提升学生的化学实验能力与实验思维能力，发展学生的化学学科核心素养。

2019年11月，教育部发布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》（教基[2019]16号）明确要求构建实验教学课程体系，改进实验教学方式，开展基础性实验和拓展性实验（含探究性实验、创新性实验、综合性实验）等。2019年6月，国务院办公厅发布《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》（国办发[2019]29号）要求深化课堂教学改革，认真开展验证性实验和探究性实验教学。2020年12月，教育部副部长郑富芝在义务教育课程标准修订会议上强调要在实践育人上多下功夫，让实践要求更实;要明确实践育人的具体要求，形成刚性约束，实验教学作为学科实践的重要方式尤其要发挥重要作用。国家政策文件加强顶层设计、完善课程体系、优化课程目标、转变育人方式也正为基于学科育人的高中化学实验教学研究与实践赋能助力[3]。

3 基于学科育人的高中化学实验教学的实践探索与研究

3.1 构建基于学生发展的高中化学实验教学系列原则与策略

基于学生发展聚焦实验设计、呈现、评价三个关键环节，总结形成高中化学实验教学系列原则与策略。

3.1.1 实验设计的基本原则与策略

高中化学实验设计的首要原则是要基于现实教学情境的“可行性”和“真实施”。化学实验设计从本质上是课程标准、教材“校本化”和“生本化”实施的过程，实验设计的应用价值在于其现实教学情境的“可行性”和“真实施”，绝非简单的静态文本规划。教学实验设计的目的就是将现实情境下教师设计或加工的“静态文本”转化为学生“动态体验”的过程。这种“静态文本”可能是课程标准和教材中已经设计的实验活动，也可能是教师根据实际需要对课标教材实验的改进和完善，还可能是教师创造性的设计。无论源自何种实验设计，其最终指向是在教学过程中教师的演示实验或学生的动手实验。

其次，要体现“通过实验学习化学”的学科特征。化学实验最主要的功能是让学生通过实验学习化学，实验教学研究不能仅仅停留在对实验装置的改进、实验条件的探究上，而要研究如何通过实验让学生形成化学的基本观念、学习化学的基本方法、理解科学探究的本质，注重实验过程与教学过程的有机融合。

三是，要体现“以实验为基础”的学科教学观。实验不仅是激发学生学习兴趣的工具，而且是体验、强化科学探究过程形成创新意识的重要途径，是学生重要而基础的化学学习方式。“以实验为基础”并非只有“做实验”，运用实验方法论、实验事实、实验史实开展实验设计同样也包括在内。

四是，要体现实验教学的学科教育功能。化学实验功能常被窄化为激发学习兴趣、加深化学原理规律的理解、训练实验的基本技能等方面。其实质是将实验教学从属于知识教学，偏重学科知识和技能本身的学习，

只注意实验的教学功能而忽视其教育功能，使实验失去了应有的独立地位。正如扬州大学吴星教授所指出的： 实验教育功能的挖掘永远比实验改进更重要。实验的教育功能是指实验对培育学生的情感、思维能力、知识掌握、实践能力等各方面所能发挥的作用等。

高中化学实验设计的首要策略是要注重教材实验的二次设计。教材实验在设计时常将普适性作为其重点考虑的内容。实际教学中，由于各方面原因，可能导致教材实验的药品、仪器或其他条件不能完全满足实验的开设，教师就应因地制宜灵活采取各种临时性和补救性的措施，确保实验能“等同”实施，这种临时性和补救性的过程被称为教材实验的二次设计过程。实验的二次设计就是实验的本土化、校本化、生本化过程，也是形成实验教学特色的过程。

其次，要注重化学体系设计。化学体系的设计（物质体系选择）是化学实验设计中的核心要素，化学体系的筛选、对比、优化的过程就是化学实验能力和素质培养提升的过程。

三是，要注重科学素养的培养。实验设计与实施不仅能提升学生的学科方法与学科思维，也能学会与同伴交流、尊重他人的意见和想法，体会化学实验的奇妙、严谨和科学，从而提高科学素养[4]。

3.1.2 实验呈现方式的基本策略

化学实验呈现方式是指根据一定的化学实验教学目标，为了达到最优化的教学效果，对化学实验内容的表达形式以及对化学实验教学活动的规划进行设计，包括陈述式、干预式、探究式等方式。

高中化学实验呈现的首要策略是要紧扣实验目标的落实。实验教学目标是实验设计和实验呈现方式选择的依据。实验教学目标可以分为认知领域、技能领域、过程与方法、情感态度与价值观等几个维度，在不同的实验目标维度中又可以分为若干个不同的水平层次，实验呈现方式的不同在相应维度的选择层次上也不尽相同;其次，是要基于真实教学的基础。实验呈现方式选择时要体现师生学习的真实环境、真实资源、真实水平等，即“真实教学基础”;三是要挖掘核心素养。不同的实验呈现方式蕴含的学科教育价值也不相同，根据实验教学目标的差异，在实验呈现方式的选择中要有计划、有步骤、有针对性地挖掘和呈现学科核心素养[5]。

3.1.3 实验教学评价的基本原则与策略

实验教学应重点关注全员评价、全程评价、全面评价、全局评价。全员评价原则是指参与学习的每一个对象都应得到来自不同主体的评价反馈，而且这种评价反馈是积极的、正向的、发展性的;全程评价原则是指在化学实验教学的每个阶段、每个环节、每个问题解决关键点都应评价;全面评价原则是指化学实验教学评价要关注教学目标、教学价值、教学功能的实现，充分体现“评价为教学服务并服务于学生的全面发展”;全局评价原则是指在化学的各种类型的学习活动中要充分发挥评价的诊断发展功能，包括学习空间、课堂教学、教师引导、学生学习等不同的对象和层面。

实验教学评价策略首先要坚持“教、学、评”一体化评价策略。即“所学即所教”“所教即所评”“所学即所评”;其次要坚持评价目标任务一致性策略，注重“两个一致性”，即： 教学目标与评价目标一致性，学习任务与评价任务一致性，防止评价目标的虚化、泛化，切忌评价目标游离于教学目标和教学内容之外;三是坚持核心素养导向的评价，紧扣高中化学五项学科核心素养和学科核心概念，着力体现评价的素养诊断与发展功能等[6]。

综上，基于学生发展的高中化学实验教学系列原则与策略可归纳如下（如图2所示）。

3.2 确立学科核心素养视域下的化學实验教学取向

化学学科核心素养不是彼此孤立、静态、割裂的五个具体条目的堆砌，而是相互联系、动态发展的系统整体，是学生正确价值观、必备品格和关键能力全面发展的综合表现。化学实验为学科核心素养的整体发展提供了学科特质的、独有的、不可替代的学科实践活动途径。学科核心素养视域下的化学实验教学是在正确价值观的指引下（体现社会价值），以关键能力为实践手段（体现工具和技术价值），以必备品格为内在驱动力（体现个性心理品质价值），指向真实情境下问题解决的一种复杂的教学活动和学习活动。

3.2.1 化学实验教学应聚焦关键能力的发展取向

化学实验的本质是科学实践活动，离不开科学思维的理论指导。根据PTA（基本要素分析法）理论，核心素养视域下化学实验教学的关键能力包含科学思维能力和科学探究能力。

化学实验教学发展的具有化学学科特质的科学思维有： 宏微结合、符号表征、变化平衡、证据推理、模型认知以及实验归纳等学科认识传统等;此外还有比较与分类、分析与综合、归纳与演绎、判断与推理、外在与本质、科学假说、类比等重要思维方法。这些思维方法蕴含着丰富的化学哲学以及形式逻辑和辩证逻辑思想，能在更高层面指导实验探究活动。化学科学思维中表现出的外在与本质、个性与共性、变化与平衡是辩证逻辑的重要内容;比较和分类是“穆勒五法”确定事物因果关联求异法、求同法的思维基础;分析与综合更是蕴含着哲学“还原论”和“整体论”的思想等。可见，化学实验教学发展的科学思维能力是多层面、多角度和系统化的。

科学探究主要有两种观点： 一是科学探究是过程技能的集合;二是科学探究能力是科学思维和科学推理能力。学者徐睿（2012）提出的文献探究能力和实验探究能力，刘东方（2018）的科学一般探究能力与探究角度、探究思路相融合的思想属于两种观点的融合。

科学探究过程技能一般包括： 提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价、表达与交流等，体现了科学探究实践活动各环节的逻辑关联，为关涉范围广、开放程度大的化学问题解决提供了一种科学研究的工具框架。根据“输入性”的课程标准核心素养水平维度、“输出性”的学业质量水平（郑长龙，2018），对科学探究过程技能的各能力要素按照“水平1～4”的实际表现进行具体刻画，构建包括“能力要素”“能力表现水平”“水平评定”的“科学探究过程技能评价分析量表”，可具体指导、诊断、发展科学探究过程技能。

3.2.2 化学实验教学应关注必备品格的形成取向

化学核心素养不仅关注能力发展，还突出强调了必备品格的形成。必备品格本质上是科学品格，体现了学科核心素养的人文性特征。关键能力和必备品格本质就是统一的整体，是化学学科素养发展的两个方面，也是外显的科学行为和内隐的科学品格的融合。关键能力和必备品格相互促进、相互完善。关键能力的发展既能有力促进学生必备品格的不断完善，又离不开必备品格的引领;必备品格能支撑各关键能力在正确方向上发展，使能力发展具有方向感和可持续发展的动力。在化学实验教学中，可以通过实验技能训练和实验过程体验，发展学生严谨、细致、求真的科学品格以及尊重、包容、团结等积极向上的个性心理品质等。

3.2.3 化学实验教学应融合正确价值观的培育取向

化学实验教学必须坚持“立德树人”的育人方向，注重“社会主义核心价值观”在化学实验教学中的渗透，这是新课程“素养为本”教学的价值取向。正确的价值观体现了核心素养学科育人的社会责任价值，必备品格体现了核心素养学科育人的科学态度价值，关键能力是核心素养发展学科价值的外在表现。三者融合共同集中承载和体现了发展化学学科核心素养的价值取向[7]。

3.3 揭示“科学探究与创新意识”核心素养的科学实践本质

3.3.1 化学实验教学重点发展科学探究与创新意识核心素养

“科学探究与创新意识”核心素养聚焦“科学实践”，是促进学生应然的化学学科知识、思想观念转化为实然的核心素养的关键。化学实验作为化学学习特有的、重要的实践活动，是落实“科学探究与创新意识”核心素养的重要途径，具有不可替代的支撑作用。化学实验教学也为其他四项学科核心素养发展提供基础支撑。化学实验作为科学实践活动离不开科学认识活动的参与和指导，“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”等素养是要求学生形成的化学学科思想和方法，需要依托“化学实验”这种学科特有的实践活动逐步培养。

化学实验作为教的方法（实验法）、化学的方法（做实验）和化学教学认识方法（实验方法）是学生学习化学的重要认知工具。用好这些工具必然促进学生观察方法、假说方法、科学抽象方法以及测量、记录、条件控制、结果分析与处理等认识方法和技能的发展。“科学态度与社会责任”是对化学学科价值取向的刻画，不可能依靠传统说教和简单的师生对话发展，更需要有实践活动的经历与体验。

3.3.2 科学探究与创新意识的本质意蕴聚焦科学实践

科学探究与创新意识的“科学实践”本质体现在以下四个方面。

首先，科学探究与创新融于科学实践。从认识论观点来看，科学探究遵循认识的一般规律，即科学探究是“感性认识理性认识实践”循环往复、螺旋上升的过程，每个阶段间都有认识的飞跃，认识飞跃的本质就是创新;从问题解决的观点来看，科学探究是一个始于问题、终于问题的过程，即从认识问题开始，经猜想、假设、验证等过程得到解决问题的办法。问题是探究得以产生的前提和核心，探究的实质就是发现问题、解决问题的过程，其认知的心理机制就是创新，是基于问题解决实践活动的“实践创新”。化学科学探究的主要内容和途径是实验，无论是从实验研究的对象、过程还是结果分析，“创新”都是化学科学探究的本质特征，化学科学探究最能体现和发展人的创新精神和实践能力[8]。

其次，科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动，揭示科学探究的实践活动本质和功能。科学探究过程包括提出问题和假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解释和建构模型、形成结论及交流评价等，从本体论界定了科学探究的核心要素和逻辑组成的实践本质。从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案、基于证据进行分析和推理等是对科学探究实践本质的具体诠释。

三是，一般科学探究能力与具体化学实验活动相融合，将实验目的与内容、实验过程与方法相统一，将培养实验探究能力划分为“基本认识、基本技能和基本经验”的实践过程，归纳提炼化学学科实践（实验）的独特价值为激发学习化学的兴趣、创设生动教学情境、启迪学生科学思维、训练学生科学方法、理解知识技能以及发展态度品格等学科价值和育人价值。

四是，科学实践具有社会性活动的特征，作为学科实践活动尤其强调科学探究（学习）共同体的交流、沟通、协商与辩论等社会性活动对发展核心素养的重要作用。

显然，科学探究与创新意识的科学实践本质阐释涉及探究与创新的关系、科学探究大概念的表征、实验探究内涵和独特价值刻画以及科学实践的社会性活动等[9]。科学实践在化学实验教学中具有不可替代的学科育人价值正是实验教学“素养为本”课堂教学追寻的本质意义。

4 研究反思

2021年9月，国务院新闻办发布： 我国九年义务教育巩固率达到95%以上，高中阶段教育全面普及，从“有学上”到“上好学”、从“学有所教”到“学有优教”，中国基础教育实现了跨越式发展。面对义务教育“双减”政策与普通高中“双新”全面实施的新阶段，提高质量已成为普通高中教育面临的最紧迫最核心的任务，提高课堂教学质量已成为教育内涵式发展的关键。

当前，教育评价领域“五唯”现象依然不同程度地存在。部分学校及教师“知识传授与解题教学”的价值追求依然没有从根本上得到扭转，保障学校实验教学（及其他实践类课程）有效落实的体制机制建设与实施情况依然不容乐观，尤其是部分“城市超级高中”“县域薄弱高中”还受到校舍、师资、仪器药品配备不足等因素的影响，实验教学“不实践”的现象仍然存在。同时，核心素养导向的教学不仅要求加强实验教学，对跨学科实践活动、调研访谈、社会性科学议题等新的实践课程教学形态也渐次提出了明确要求。

基于此，我们需要从学生认知发展规律的视角继续对实验教学开展理论、实践与案例研究，形成更具创新性、针对性的教学模式、学习方式和教学策略。需要在教育行政统筹指导下，继续着力强化教研、电教、教师发展、学校等机构的协同配合，形成有效加强和改进实验教学的体制机制，大力促进学生全面发展，推动落实立德树人的根本任务。

参考文献：

[1]邹海龙， 黄恭福， 胡萍， 左建高. 构建县域教师专业发展实践新模式[J]. 基础教育课程， 2021， （7）： 44～51.

[2]邹海龙， 黄恭福. 创新推进县域教师“教研训一体化”发展[N]. 湖南日报（理论智庫）， 20200806（005）.

[3]黄恭福， 邹海龙. 学科核心素养视域下的中学化学实验教学研究综述[J]. 化学教学， 2020， （2）： 24～28， 50.

[4]黄恭福， 邹海龙. 基于学生发展的高中化学教学实验设计研究[J]. 实验教学与仪器， 2016， 33（1）： 3～6.

[5]黄恭福， 邹海龙， 黄利华. 高中化学实验的呈现方式与策略研究[J]. 实验教学与仪器， 2017， 34（6）： 3～6.

[6]黄恭福， 邹海龙， 黄利华. 基于学生发展的高中化学实验教学评价研究[J]. 实验教学与仪器， 2019， 36（5）： 7～11.

[7]黄恭福， 邹海龙. 学科核心素养视域下中学化学实验教学取向研究[J]. 化学教学， 2020， （4）： 3～9.

[8]黄恭福， 邹海龙. 科学实践：“科学探究与创新意识”核心素养的意蕴[J]. 化学教学， 2020， （10）： 3～7， 13.

[9]黄恭福， 邹海龙. 化学科学探究教学表征研究概述[J]. 实验教学与仪器， 2021， （1）： 3～7.