基于核心素养的实验创新教学实践研究

项云 刘江田

摘要：传统实验教学大多是按课本上的步骤进行实验验证或再现，学生自主探究体验不足，不利于创新人才的培养。翻转课堂下的实验创新教学，利用前置性问题的设置及创新点的探寻，引导学生课前自主先学、分析思考，再通过课堂师生交流讨论、探究改进，获得更深层次的理解与发现，从而有效促进知识的内化建构与化学核心素养的提升。

关键词：实验创新教学;核心素养;翻转课堂;吸氧腐蚀

文章编号：1008-0546（2022）08-0090-04   中图分类号：G632.41   文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.019

随着新课改的深入推进，当前高考录取方式正发生变革，高校在强基计划及综合评价中越来越重视学生核心素养的考查。然而，目前中学教学中仍存在学生自主探究偏少或缺失的状况，不利于学生思维发展和核心素养的培养。作为一线教师，我们迫切需要改进自己的课堂教学方式。

高中化学学业质量标准对化学学科核心素养发展水平提出了具体要求，其中包括证据推理、科学探究与创新意识，化学教学中实验是培养学生核心素养的重要手段[1]。目前中学教材上的实验大多是设计好的验证性实验，缺少思考探究的过程，有些实验按课本上的设计去做，不仅现象不明显、污染重、耗时长，且存在证据推理不严谨的缺陷，这些问题困扰着我们的教学，而常规课堂又难以解决。为此我们尝试实验创新教学，以学生为主体，调动学生思考探究、创新改进。

一、实验创新教学分析

1.课堂模式选择

课堂模式的选择对实验创新教学的顺利开展至关重要。传统课堂上的实验教学，学生很难发生高品质的思维活动，而“翻转课堂”是对传统课堂教学结构与流程的彻底颠覆[2]，对学习过程进行重构，将学習主动权交给学生，通过教师提供的微课、教学案、情境素材等完成知识的前置性学习，让课堂变成师生互动的平台，从而发生高质高效的课堂教学活动。

我们践行的实验创新教学主要采用翻转课堂模式，通过前置性问题的设置引导学生查阅资料、积极思考、主动探究。课前学生要在自主学习的基础上对实验探究提出假设、设计方案，这样课堂上能有更多时间在教师指导下交流讨论、反思改进，获得更深层次的理解与发现。实验创新教学可直接在实验室开课，方便实验器材的选取与实验方案的优化调整，有利于激发学生的创新潜能。另外，我们还可以把实验创新灵活地融入到校本课程或研究性学习中，增加学生探究实践的机会。

2.实验创新教学要素

翻转课堂下的实验创新教学对师生提出了更高的要求，它需要提前准备筹划，精心做好课前准备工作，如文献的查阅、学习材料的搜集、引导性问题的设置、实验创新点的探寻、实验用品的准备等都要事先做好功课，否则课堂上手忙脚乱、延误时间而无法达成教学目标。

（1）实验创新点的探寻

实验创新是对传统实验批判分析，进而提出问题、思考探究、创新设计，对思维能力要求较高。实验及其创新点的选择直接影响教学效果，不是所有的实验都适合开展创新教学，教师要进行可行性研究，筛选出有利于学生思维发展及能力培养的实验。如“氨气的喷泉”“苯的溴代反应”“铁的吸氧腐蚀”“钠与乙醇反应”“氨气的催化氧化”等[3～6]，可指导学生从以下创新点研究：如用简单仪器替代复杂装置、就地取材利用生活用品，以及数字化、微量化、简约化、增强效果、消除污染的设计等。通过实验创新使之现象明显、生动直观，增强实验效果，易于学生理解原理。

（2）引导性问题的设置

翻转课堂将知识学习主要放在课外，课内更专注于高质量的交流研讨，教师课前要给学生做好预习指导，以问题形式驱动学生主动思考研究。教师要根据教学目标对教学内容、学生活动、实验探究进行细致的备课，并根据实验特点及学情设计难度适宜的问题，对难点知识还要分解成不同梯度的小问题逐步引导，这些都以任务引领形式编写在导学案中，提前发给学生思考分析。对于创新教学中可能遇到的生成性问题，教师除了提前做好预设及预案外，还要不断提高自身的学科素养和创新能力，从而游刃有余地驾驭实验创新课堂，确保创新教学的质量和效果，达成预期目标。

（3）素材及实验用品

教学情境素材尽量来自日常生活，这些富有亲切感的生活题材往往能激发学生的好奇心和探究欲，如海带中碘的提取、84消毒液的漂白、肥皂的制备、暖宝宝的工作原理等。教师课前要提供生活化素材、教学案、微课、视频、拓展链接等学习材料，便于学生自主先学。

实验用品主要包括仪器和药品。首先准备好可能用到的常规仪器及药品，同时根据创新设计的需要，预定一些特殊的实验用品。这都需要老师提前考虑并与实验员及时沟通，尽可能满足学生实验创新的用品需求。

二、实验创新教学实施

翻转课堂模式下的实验创新教学，应依据学生已有的经验和知识水平，参考课前学习任务的完成情况来实施。那么，如何避免课堂变成课前学习的简单重复？如何在短短45分钟内具体展开？如何在创新教学中提升核心素养？下面以吸氧腐蚀原理的创新教学为例具体阐述。

1.教学目标

铁的吸氧腐蚀是中学化学教学难点，学生总是难以理解，按照人教版选修4的方案进行实验[7]，5～8分钟才有明显现象，教学时效性不高，且导管内液面上升不能证明一定是氧气参与了反应。为此我们设置了如下教学目标：通过数字化实验探究暖宝宝发热原理，建立吸氧腐蚀概念，体验实验探究的过程，培养证据推理、探究与创新等化学核心素养。

2.课前自主学习

课前根据老师编写的导学案完成以下前置任务：

（1）视频导学：布置学生观看吸氧腐蚀原理的微课视频，完成课前发的导学案，初步了解吸氧腐蚀原理。

（2）查阅相关资料：①查阅吸氧腐蚀实验创新的相关论文，阅读并评价它的优缺点。②搜索百度百科关于暖宝宝的介绍，了解其组成、作用、注意事项等。

（3）创新设计：生活中“暖宝宝”的成分与铁合金组成相似，为此以“暖宝宝”为研究素材，让学生课前思考探究，在导学案上画出创新设计草图，并用简要文字说明思路与方法。

3.课堂教学实施

翻转课堂模式下，知识学习、问题思考、实验设计等过程得到前移，这样课堂上师生就有更多的时间讨论、探究、改进，从而获得更深层次的理解与发现，提高课堂教学效果。下面我们展示吸氧腐蚀实验创新的教学案例。

【情境问题】生活中的暖宝宝御寒保暖、方便易带，成为百姓的保暖神器，那么大家知道暖宝宝的发热原理吗？

【信息查阅】探究“暖宝宝”发热原理，首先要了解其化学成分。由图1可知它的主要成分是：铁粉、水、活性炭、蛭石、吸水性树脂、食盐。

【提出问题】暖宝宝一贴即热，用后变成铁锈状物质。那么，暖宝宝中的铁、活性炭、盐、水有什么作用呢？铁锈是如何形成的？

【推测猜想】根据所学原电池原理和金属腐蚀的知识可初步推测：暖宝宝发生了铁的吸氧腐蚀。接下来，如何通过实验来判断我们推测猜想的合理性呢？

【师生互动】各小组展示课前设计的探究方案，交流探讨后组织学生实验探究，对活动中出现的问题，教师及时给予指导，评价其优缺点，提出改进建议。这对后续进一步创新起到了十分重要的铺垫作用。

【深度分析】教材吸氧腐蚀实验是通过导管内液柱上升来证明 O2参与反应，其实在没有测量温度和 pH 变化的情况下，这样的判断是不严谨的。因为如果反应是吸热的，即使没有气体反应消耗，导管内液柱也会上升;另外，即使证明氧气参与了反应，在没有测pH增大的情况下，也不能证明发生了电化学吸氧腐蚀，可能是铁与氧气直接发生化学腐蚀。针对上述证据推理中存在的漏洞，我们又该怎样创新改进呢？

【优化设计】某学习小组优化改进后的装置如图2所示：右端玻璃导管插入品红溶液，然后把暖宝宝包裹在温度计上，插入吸滤瓶，塞紧瓶塞。实验中用温度计测量其工作时的温度变化，并根据导管内液柱的升降来判断体系压强的变化。

【评价与点拨】首先表扬该小组的整体设计，肯定他们对温度实时测量的改进，但实验中pH 和 O2浓度的变化不能直接反映出来。那么，根据我们课前对暖宝宝及数字化传感器的学习了解，大家能否设计出能同时监测温度、pH 和 O2浓度变化的科学合理的方案呢？

【创新设计】在老师引导下，大家创新设计出图3所示的数字化实验装置，主要仪器有氧气传感器（左侧）、温度传感器（中间）、pH传感器（右侧）、三颈瓶、磁力搅拌器、长针头、针筒等。它利用数字化仪器在密闭容器中同时监测暖宝宝工作时O2、温度、pH参数的变化。

【实验探究】设计是否合理，能否说明问题，需要通过实践来检验，实验具体操作如下：

①搭建图3装置，检查气密性后在三颈瓶中放少量水。

②取下温度传感器，撕开包装袋，将暖宝宝包裹在温度传感器上，再插入瓶中，塞紧橡皮塞，注意传感器和暖宝宝都不要接触水。

③点击数字化实验软件（Logger Pro 3.14.1）的数据采集按钮，观察数据变化。

④80秒时用针筒内的少量水淋洗暖宝宝，注意观察三条曲线的变化。

⑤3分钟后停止数据采集。

【实验数据】由图4可知：0～80秒，最上面的氧气含量曲线逐渐下降;中间温度曲线逐渐升高;最下面 pH 曲线无明显变化（因没有用水淋洗，暂时检测不到反应产物的pH）。80秒用少量水淋洗后，可以看到氧气含量曲线加速下降，温度和pH 曲线均明显上升。

上述氧气、温度、pH 的数据变化表明：暖宝宝工作时耗氧、放热、生成 OH-，用少量水淋洗可加速暖宝宝的反应。

【原理分析】消耗O2并生成OH-，发生的是原电池的正极反应，原理如下：

正極（C）：O2+2H2O +4e-=4OH-

负极（Fe）：Fe -2e-=Fe2+

总反应：2Fe + O2+2H2O =2Fe（OH）2

铁锈形成：4Fe（OH）2+2H2O + O2=4Fe（OH）3，2Fe（OH）3= Fe2O3·nH2O +（3-n）H2O

少量水淋洗后腐蚀速率加快，是因为有更多的 NaCl溶解在水中，使能导电的电解质离子增多。

【实验结论】实验表明暖宝宝中的 Fe-C-NaCl 水溶液构成了原电池，发生了铁的吸氧腐蚀，利用原电池反应加快氧化速率而放热。

【实验评价】实验结束后引导学生对实验进行评价与交流，强化创新意识，提高评价能力。最后大家普遍认同上述创新实验科学严谨、相互佐证，有以下优点：

①把暖宝宝包裹在温度传感器上，不破坏它的内包装和组成，更符合其实际工作状态，数据实时准确。

②巧妙配合使用针头和传感器，既便于检查气密性，又能实现温度、氧气、pH 的同时检测，有利于揭示变化的相关性（其实这一点不容易做到，因为pH要在溶液中测量，如果把暖宝宝完全浸泡在水中，则无法同时准确测量温度、氧气的数据，我们利用少量水淋洗的方法解决了这一难题）。

③用数字化仪器替代传统仪器，实现了从定性到定量的转变，使放热、耗氧、pH变化过程可视化。

④电子传感器能捕捉反应的细微变化，跟踪反应过程，如加少量水后的数据变化，表明暖宝宝要在干燥环境中使用，否则会缩短其使用寿命且易造成烫伤。

【总结】上述案例中暖宝宝工作时化学能与热能的转化、得失电子守恒都体现了“变化观念与平衡思想”;暖宝宝发热后生成铁锈的原理解释体现了“宏观辨识与微观探析”;而“证据推理与模型认知”“实验探究与创新意识”的培养则渗透在整个实验教学过程中。

三、实验创新教学反思

暖宝宝发热原理探析的实验创新教学，符合学生的认知规律和思维发展过程，从问题提出到实验方案设计，都在教师指导下由学生自主完成，将学习主动权交给了学生。提高了学生的知识应用能力，激发了学生的思维潜能和创造力，体现着实验的教育教学功能。通过上述案例分析，结合翻转课堂模式下的不断实践，我们建构了真正以学生为主体的实验创新教学模型，其基本框架如图5所示。

翻转课堂下的实验创新教学，通过前置性任务的课前自主学习，节省了课堂教学时间，让学生课上有更多的时间思考分析、讨论探究，促进学生养成善于质疑、乐于探究、勇于创新、主动建构的学习品质，有效培养了证据推理、实验探究与创新意识等化学核心素养，从基础教育层面为国家创新人才的培养提供支持。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]刚蕾，徐爽，唐强.关于“翻转课堂式教学”的探讨[J].考试周刊，2016（77）：153.

[3]项云.分液漏斗在化学实验创新中的妙用[J].化学教育，2009（10）：63.

[4]项云，钱海滨.铁吸氧腐蚀的实验创新[J].化学教育，2011（6）：59.

[5]钱海滨，项云.高中化学实验改进二则[J].化学教学，2015（10）：68-70.

[6]项云，蒋金虎.氨气催化氧化反应的实验改进[J].化学教与学，2017（12）：85，49.

[7]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书：化学反应原理（选修4）.第3版[M].北京：人民教育出版社，2007：85.