在实验探究中培养学生的化学学科核心素养

李淑贤

(河南省扶沟县高级中学 河南 扶沟 461300)

1.问题的提出

化学是以实验为基础的自然学科。2014年3月教育部印发《关于深化教育改革落实立德树人根本任务的意见》，首次以文件形式提出了“构建学生发展核心素养体系”，随后陆续发布了《中国学生发展核心素养》《普通高中化学课程标准(2017年版)》(以下简称课程标准)。课程标准虽然从内涵、目标和素养水平描述了化学学科核心素养，但教师仍面对如何将核心素养在教学中“落地”，核心素养视域下的化学实验教学有何特点和要求。课程标准中素养4:“科学探究与创新意识”能根据教材中给出的问题设计简单的实验方案，完成实验操作，观察物质及其变化的现象，客观地进行记录，对实验现象做出解释，发现和提出需要进一步研究的问题。要求学生认识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；能发现和提出有探究价值的问题；能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验，调查等方法进行探究；勤于实践，善于合作，敢于质疑，勇于创新。“科学态度与社会责任”要求学生具有安全意识，逐步养成严谨求实的科学态度，具有理论联系实际，尊重科学伦理道德，能依据“绿色化学”思想和科学伦理对某一个化学过程进行分析，权衡利弊，作出合理的决策；能针对某些化学工艺存在的各种问题，提出处理或解决问题的具体方案。

德国哲学家叔本华说：“记录在纸上的思想就如同留在沙滩上的脚印，我们也许能看到他走过的路径，但若想知道他在路上看到了什么东西，就必须用我们自己的眼睛。”这充分说明了科学实验探究在实验教学中的重要性和必要性。实验探究可以成为全面发展学生化学学科核心素养的核心。在化学实验教学中，通过实验探究活动帮助学生建构科学知识，促进学生建立宏微观念，认识物质变化，建构认知模型，培养化学思维模式，感受学科价值，全面发展学生的化学学科核心素养。吴星教授认为“科学探究和创新意识”处于化学学科核心素养的中心位置；“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”是化学科学探究的研究内容和思维视角；“证据推理与模型认知”是化学科学探究在情感态度和价值观维度的重要成果。本文主要探究实验教学中怎样才能发挥科学探究的中心地位，辐射全面的学科核心素养。

2.采用主题式实验探究教学活动，处理好教师的引导和学生的主导者之间的关系

教育家皮亚杰强调：“教师的工作不是教给学生什么，而是努力建构学生的知识结构。学生是实验设计的主导者与核心，要遵循以学生发展为目的，激发学生的学习兴趣，促进学生健康成长的原则。实验设计内容要有利于学生形成正确的人生观、价值观，如环保意识、节能意识、热爱自然、爱护生命的意识。实验主题要能促使学生正确解释和判断社会生活中遇到的一些有关化学问题。设计的内容还要有利于提高学生的化学学科核心素养和审美能力，培养学生的团队合作意识，增强学生适应社会的能力，促进学生身心健康的发展，提升学生的社会责任意识。而主题式实验探究活动就是指以特定的化学内容为主题，以学生活动为主体，采取学科实践活动形式，如观察，实验等形式，实现主题教学。主题式教学设计是以项目探究形式或问题解决形式统整书本知识与现实生活、生产和社会中的学科问题，以教学主题为枢纽，在系统内诸要素之间彼此联系、相互作用与协调运用中，达成学习主体心理结构的完善与自我实现的整体教学设计。在主题式实验探究活动中培养学生的化学学科核心素养。以胶体的制备的实验探究过程为例：

在课前充分预习的基础之上，各个小组的学生兴致勃勃的准备展示赛的工作。已知：氯化铁与蒸馏水在加热条件下可制得氢氧化铁胶体。如果让你设计实验制备氢氧化铁胶体，你需要的反应物是？它们的量呢？谁多一点呢？为什么？反应条件是加热，什么时候停止加热？

请依据所提供的试剂和仪器，设计出制备方案，并实验。

环节1：查阅资料，提出方案

方案1.向25ml蒸馏水中加入1～2ml饱和氯化铁溶液

方案2.向25ml蒸馏水中加入5～6滴饱和氯化铁溶液

方案3.将25ml蒸馏水煮沸，再加入5～6滴氯化铁饱和溶液

方案4.将25ml蒸馏水煮沸，再加入1～2ml饱和氯化铁溶液

环节2：用品准备，步骤设计

试剂：25mL蒸馏水 饱和氯化铁溶液

仪器：酒精灯 小烧杯 胶头滴管 玻璃棒 三脚架 石棉网 激光灯

小组 1.向25ml蒸馏水中加入1～2ml饱和氯化铁溶液，边加热边搅拌至得到具有丁达尔效应的氢氧化铁胶体，停止加热。

小组2.向25ml蒸馏水中加入5～6滴饱和氯化铁溶液，边加热边搅拌至得到具有丁达尔效应的氢氧化铁胶体，停止加热。

小组3.将25ml蒸馏水煮沸，再加入5～6滴氯化铁饱和溶液，继续煮沸至得到具有丁达尔效应的氢氧化铁胶体，停止加热。

小组4.将25ml蒸馏水煮沸，再加入1～2ml饱和氯化铁溶液，边加热边搅拌至得到具有丁达尔效应的氢氧化铁胶体，停止加热。

环节3：现场展示，现象分析

在展示赛现场，10分钟左右完成了实验。最后只有一个小组成功制备了氢氧化铁胶体。并向大家说明了在实验中水多一点，这样更有利于氢氧化铁粒子分散成胶体，否则，容易聚集成更大的颗粒而形成氢氧化铁沉淀，最后利用丁达尔效应判断，制的胶体后停止加热。其他小组说明失败的原因和得到的结果。

现象分析：结合大家的实验，我们发现实验成功的关键在于控制分散质粒子的大小，所以蒸馏水要相对较多；饱和氯化铁不能太多，太多易形成沉淀，也不能太少，不足以形成胶体；加热时间不能过长，煮沸过程也不能一直搅拌，这样都易形成沉淀。

最后得出氢氧化铁胶体的制备方案是：向25ml沸腾的蒸馏水中逐滴加入5～6滴氯化铁饱和溶液，继续煮沸至呈透明的红褐色，停止加热。

联系生活实际，落地核心素养。胶体在我们的生活中有着广泛的应用。豆腐、果冻，陶瓷，彩色玻璃、油漆等的制备都与胶体有关。

在充讨论的基础上授予小组3最佳设计奖。其他小组均授予最佳分工合作奖。最后，老师做总结性发言。评奖已经不重要，重要的是过程。大家在准备这次的活动过程中学习知识、发展智力，磨练素养，实现了玩中学，做中思、评中悟……

3.以实验探究为基础，将核心素养的发展渗透在教学目标中——以检验食品中的铁元素为例

3.1 自主学习阅读相关材料“生活中的化学”。

3.1.1 铁元素的存在与作用。铁是地球上分布最广的金属之一，在全部化学元素中居第四位，仅次于氧、硅、铝。

对于人体来说铁是不可缺少的微量元素。在十多种人体必需的微量元素中铁无论在重要性上还是在数量上，都居于首位。成年人体内含有4～5克铁，根据在体内的功能能状态可分成功能性铁和储存铁两部分。功能性铁存在于血红蛋白、肌红蛋白和一些酶中，约占体内总铁量的70%。其余30%为储存铁，主要储存在肝、脾和骨髓中。

铁是合成血红蛋白的主要原料之一。血红蛋白的主要功能是把新鲜氧气运送到各组织。铁缺乏时不能合成足够的血红蛋白，造成缺铁性贫血。铁还是体内参与氧化还原反应的一些酶和电子传递体思维组成部分，如过氧化氢酶和细胞色素都含有铁。

3.1.2 富含铁元素的食品。动物血，肝脏，鸡胗、大豆、黑木耳、芝麻酱、牛肉等都是富含血红素铁的食品。深绿叶蔬菜所含铁虽不是血红素铁，但摄入量多，所以仍是我国人民膳食铁的重要来源。

3.1.3 常用的三价铁离子的检验方法。

(1)苯酚检验法。铁离子与苯酚反应，可生成显紫色的络离子(络合物)。

(2)硫氰化物鉴别方法。取溶液少量，滴入可溶性KSCN溶液变红色的是铁离子溶液，因为生成了显红色的络合物。

(3)碱鉴别方法。加入氢氧化钠、氨水或氢氧化钾等碱性溶液后有红褐色沉淀生成，并检测开始沉淀和沉淀完全时的pH，发现从开始沉淀到沉淀完全时溶液的pH常温下为2.7～3.7的是铁离子。

(4)亚铁氰化钾溶液法(黄血盐溶液法)。铁离子在酸性溶液中与亚铁氰化钾溶液生成蓝色沉淀，称为普鲁士蓝。

3.2 研究目的。

3.2.1 基于实验的科学探究。铁是人体必需的微量元素。食用富含铁元素的食品，可以补充人体所需的铁元素。通过化学实验的方法检验食品中的铁元素。体验科学实验探究的一般过程和化学知识在实际中的应用，进而达到培养学生化学学科核心素养的目的。

3.2.2 宏观辨识与微观分析。通过铁原子和离子结构的分析，深入理解铁及其化合物的物理性质和化学性质。

3.2.3 变化观念与平衡思想。运用氧化氧化还原反应理论和化学平衡分析铁元素及其化合物的相互转化。

3.2.4 证据推理与模型认知。构建铁及其化合物转化关系模型，运用模型解决化学问题。

3.2.5 科学精神与社会责任。创设问题的真实情境，了解铁及其化合物的重要应用，感受化学在生活中的重要价值，建立化学使生活更美好的观点。

3.3 研究任务。菠菜、芹菜、黑木耳、蛋黄和动物内脏等食品中富含铁元素。以“菠菜中的铁元素的检验”为例，也可选择其他食品进行研究。

3.3.1 根据所学知识，引导学生自主设计实验方案，运用模型解决化学问题。

根据学校的实验条件，确定制备和检验试验样品的实验步骤，准备实验所需的仪器和用品等。

实验仪器：研钵、烧杯、剪刀、漏斗、玻璃棒、试管、滴管、滤纸。

实验药品：菠菜、蒸馏水、稀硝酸、KSCN溶液。

3.3.2 进行实验。根据实验方案进行实验，检验食品中是否含有铁元素。

3.3.3 可供参考的方案。取新鲜的菠菜，将菠菜剪碎后放在研钵中研磨，然后倒入烧杯中，加入蒸馏水搅拌，将上述浊液过滤作为试验样品。引导学生在量的把握上探究出原因。

取少许试验样品加入试管中，然后加入稀硝酸(稀硝酸具有氧化性)，再滴加几滴KSCN溶液，振荡，观察现象。KSCN溶液作为本实验的指示剂，判断食品中是否含有铁元素。

3.3.4 结论与思考。

(1)观察到溶液变红色，证明菠菜中含有铁元素。

(2)在实验中由于菠菜汁颜色，所以对实验现象的观察有一定的影响，想一想怎么可以改进这实验？

提示可以先将菠菜烧成灰，再溶解，过滤进行实验。

(3)实验中加入稀硝酸的目的是什么？

稀硝酸具有氧化性，先将菠菜汁里的铁元素变成三价铁离子，从而进行检验。

3.4 讨论实验结果，撰写研究报告，并分析成功失败的经验。培养学生的科学精神和社会责任意识。

本实验教学分析：教师通过引导学生探究一系列实验情境中的现象，让学生推理可能的生成物，认识氧化还原反应是铁元素不同价态物质变化的本质原因，进而构建铁三角模型。以问题链的形式。引导学生独立思考，合作交流，师生共同探讨，极大的激发了学生的学习热情和学习兴趣，突出学生在学习活动中的主体地位，发展了学生“证据推理与模型认知”等核心素养。实验是化学学科的特点，基于核心素养合理设计教学可以促进学生学科核心素养的发展。

4.实验探究活动中教学的设计——单元教学设计

由于化学学科核心素养的内涵包括学科观念、学科思维、学科实践和学科价值取向等，这些素养目标不可能在一节课中完成，需要通过若干课时的教学积累，经历持续建构和稳步上升的过程才能达成。因此教师在进行教学设计时，需要从传统的“课时主义”转向“单元教学”，从传统的“课时教学设计”转向“单元教学设计”。

教师进行单元教学设计时，必须正确把握整个学段的教学内容厘清前后学段知识之间的联系，了解本学段学生的特点，依据教材单元分析确定学科核心素养发展的重点。在此前提下，打破教材的局限，对教材单元学习内容，突出课程内容的主线以及知识之间的相互联系，研究课时教学范式案例，培养学生的化学学科观念、学科思维和科学精神。基于单元教学的化学教学设计能够促使教师站在更高层次上思考设计教学内容，有利于教师从关注知识转向关注学科核心素养。

在设计教学时，先要围绕一个引人瞩目的问题组织教学，这个问题要与学生生活实践相关，能引起学生的学习兴趣；其次教师要给学生更高层次的实践提供框架；最后设计一个最终活动。

5.在实验探究活动中重在课堂建构

实验探究过程主要遵循目标导入——创设问题情境，引导探究——探究发现——证据推推理，建构认知模型——问题解决——总结反思，拓展应用——教学评价等模式。

在教学过程中，要创造协作互动环境，尊重学生观点，根据学生观点进行交流讨论，观点的正确或全面与否不是课堂的重点，重点是关注学生的推理过程及思维发展。师生要相互尊重，彼此交流，强调学生的参与体验度。教师要能认识到自身知识的局限性，避免成为课堂上的权威者。

在教学过程中教师要充分发挥支架作用，引导者作用。在学生遇到挫折与障碍时，给学生提供合适的学习支架；当学生不能提出解决方案或表明立场时，教师要设计方案，引导学生思考讨论，从而保证教学活动的有序推进。

6.“素养为本”的实验探究教学评价

化学日常学习评价不能游离于化学教与学之外，应与化学教与学活动有机融合在一起。该教师紧紧围绕发展学生化学学科核心素养这一主旨，注重教学目标与评价目标、学习任务与评价任务、学习方式与评价任务、学习方式与评价方式的整体性、一致性设计，通过学生在实验探究、小组讨论、方案设计等活动中的表现，运用提问、点评等方式对学生的学习质量和化学学科核心素养的发展水平给与准确的把握，并给出进一步深化的建议，充分发挥了化学日常学习评价的诊断与发展功能。

化学实验教学评价要坚持全员评价、全程评价、全面评价、全局评价的基本原则，科学制定实验评价目标。坚持“教—学—评”一体化的评价策略就是要使实验探究教学活动、学习和评价围绕共同的目标开展，在实验探究教学活动中以目标为导向设计评价任务和实验活动，依据课程标准内容要求确定“该学”什么；依据化学学科素养水平和教材知识结构确定“能教”什么；依据学生实际情况确定“能学”什么，实验目标的制定要具体化、细化，有利于在教学实践中操作和评价。

爱因斯坦说，“教育就是人们遗忘了所有学校灌输的知识后，仍能留存的东西。”如果站在化学教育教学的角度，其中“能留存的东西”就是一种思想方法或者叫做思维模式。实验是化学学科的特点，教师不能只重理论知识的传授，更重要的是要引导学生进行实验探究，培养学生的思维模型。在实验探究活动中实验现象的观察与解释、实验结果的分析与推理、实验方案的设计与实施中，不仅能充分调动学生头脑中已有的知识解决问题，还能在解决问题的过程中，全面提升学生的化学学科核心素养。实验结束后，通过批阅学生撰写的研究报告，不仅可以看出学生收获了什么知识，更能看出学生体验到学习知识的方法，以及科学的态度和强大的社会责任感。任何一个人掌握很多的具体知识都是不可能的，也是不必要的。将教学重心从让学生掌握具体知识转向素养的发展，是教学的重中之重。因为那些关键能力和必备的品格，才是学生发展之本，受用终身。

7.化学教师应该培养学科核心素养的实验教学观

建立以发展学生基本阅读理解为目的的体验式学习的概念，将体验式学习视为学生学习的方法之一，而不是将训练学生获得知识和技能的教学方法放在主要位置。必须为发展基本阅读理解这个教学方式有所付出，验证性实验应该是基于学生认知水平不同层次的验证性实验，而单一的实验对高中化学教材的价值似乎不太理想，侧重于研究素养的提升和研究技能的进步，实践学习要求学生体验以基础组织为重点的科学探究过程，融合学科思维和学科概念，极大地提高学生对化学的理解。在研究性实验中，教师在充分了解学生的基础上设计任务，通过循序渐进的教学方式更好的引导学生获取知识，在学生发展中发挥主导作用。对培养学生的创新思维起到重要作用。

8.利用化学实验进行情景创设

化学实验教学的关键是用科学研究解决问题，在化学实验教学中，重点是利用化学实验来让学生更好的理解化学知识，让化学知识更加形象化。把问题放在社会生产和生活的背景下，应该重视知识的实践性，应该坚持在研究活动中将社会问题、工业和科学知识联系起来，并鼓励每个学生积极利用化学知识解决生活中的实际事件，使学生的科学研究变得有意义，促进学生在阅读中理解社会责任的意义，在学校化学教育中，要在“科学活动”的实践中逐步提高终身学习的意识和能力，重点关注环境教育实验绿色化。