国际中学化学实验教学研究综述

毕吉利 孙凡

摘要：对2000～2020年间国际上有关中学化学实验的相关研究进行分析，发现国际上聚焦化学实验学科本体研究，关注技术伦理视域下实验教学的价值观念和规范意识，强调实验教学方式的探究性和技术性变革，倡导多元化的教学评价目标和课程体系建设，提倡实验教学与学生生活实践和生产工艺相结合。对我国中学化学实验教学研究的启示在于要加强对实验教学的价值认识，选取反映时代特色的实验内容，倡导实验探究教学的实施，创设多元化的实验评价体系。

关键词：化学实验；国际比较；文献分析；教学应用

文章编号：10056629（2023）12001906

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出化学教学应充分认识化学实验的独特价值，提倡以化学实验为主的多形式探究活动，发展学生的核心素养^［1］。《义务教育化学课程标准（2022年版）》指出教师应高度重视化学实验和化学实验教学，充分发挥实验教学的育人功能^［2］。

为了把握中学化学实验教学研究趋势，本文运用文献分析法，以数据库Web of Science（以下简称WOS）为检索来源，对近20年该数据库收录的关于中学化学实验教学相关文献进行分析，从宏观和微观两个层面梳理国际化学实验教学研究脉络和发展趋势，以期展现该领域研究特点，为加强和改进中学化学实验教学提供必要参考和借鉴。

1 数据来源及研究方法

以WOS数据库为文献来源，“high school or introductory” “laboratory instruction or experiment”和“chemistry”为主题词，2000～2020年为时间条件进行检索，共829篇文献，通过进一步阅读文章摘要对检索结果进行二次筛选，筛选出集中反映“中学化学实验教学”的文献作为研究对象进行综述，以探索20年来中学化学实验教学的研究主题、发展脉络和前沿热点。

2 研究现状分析

2.1 关注化学实验学科本体

化学实验学科本体即以化学实验知识为载体，通过系统性地整合化学实验方法和手段，以实现学科本质理解的过程^［3］，主要包含以下内容：

第一，化学实验知识本体，聚焦从传统的课本知识讲授向引入化学前沿知识以拓展学生知识面转变。如Erdal等通过海藻酸钠在不同盐溶液中的状态实验和高吸水性聚合物水含量测试实验，向13～16岁的学生介绍了生活中常见的聚合物及其性能，帮助学生更详细地了解聚合物的相关应用及价值，减少学生对化学物质分类可能出现的迷思^［4］；杨军等受到可再生环保燃料“生物柴油”的启发，以生物柴油的生產为情境，让学生在实验探究中理解酯交换反应的原理并分析产物在密度和溶解度方面出现的差异^［5］。

第二，化学实验方法本体，强调从实验操作技能的训练向关注学生设计实验方案的能力转变。如Smith鼓励学生以小组为单位探究某溶液中离子的类型和浓度，为学生提供电导率传感器等仪器，培养学生自行设计探究方案，分析实验数据，推导实验结论的能力^［6］；Connor教授团队在课前向学生介绍了色谱法分离混合物的原理及实验设备的操作注意事项，随后让学生通过观察芳香族混合物的物理状态，从定性的角度提出有关混合物组成的假设，设计相应的验证流程，最后结合之前的猜想与气相色谱仪得到的数据分析混合物的组分^［7］。

第三，化学实验应用本体，关注化学实验的理论考察向真实生活情景中解决实际问题的认知策略和应用能力转变。Merry教授团队基于环糊精金属框架能够吸收CO₂的特性，引导学生根据CO₂性质设计实验，通过定性的角度来评估所合成的环糊精金属框架的质量，为学生在二氧化碳治理问题上提供更多实验思路^［8］；Tan教授团队提出了一个名为“电化学设计”的实践设计活动，让学生通过应用之前所学的有关电化学原理的相关知识，自主设计能使6个二极管发光的电化学器件，在检查学生知识内化程度的同时培养学生的发散思维和创造精神^［9］。

2.2 关注技术伦理视域下的实验教学

技术伦理视域下的实验教学强调从自然与社会、逻辑与历史、理性与感性相融合的角度解释化学实验的人本价值与功能，进而实现实验教学的育人目标，主要表现在以下方面：

第一，开发绿色化学实验，增强学生可持续发展意识。如Gupta等利用回收的细菌培养基作为紫外线荧光墨水，进行防伪和定性蛋白质实验^［10］，让学生认识到实验室冗余材料的潜在价值，以及节约资源和保护环境的重要性；Henri等从化学与环境保护、能源与可持续发展等视角设计了19个化学实验课程主题，并针对高中和大学预科学生设计编写了《绿色化学实验室手册》^［11］；Batti等通过开发一种无毒环保涂料的简易制作方法^［12］，指导学生从黑莓、菠菜等常见的食品中提取色素分子，进而提高学生环境保护意识。

第二，关注化学实验之“善”，培养学生伦理规范意识。如Hayes等通过设计“危险桶项目”的实验教学案例，引导学生从化学品制造商的角度认识工业废弃物处理的一般流程、注意事项、基本原则和操作方法，从而加深学生对化学危害品处理过程的认识和理解^［13］；Juntunen采用生命周期分析的方法将社会性科学问题融入化学实验教学，设计和开发了产品生命周期评价项目^［14］，引导学生从科学、生态、经济和伦理等方面认识日常消费品的材料选择和应用价值，增强学生化学论证及生态环境分析能力；LaLonde等提出将社会公正主题纳入到有机化学课程，通过实验讨论关键化合物的历史及其社会影响，让学生参与到化学相关的社会决策当中，加深学生对化学社会化功能的认识和理解^［15］。

2.3 注重实验教学方式变革

化学实验教学方式的转变既是化学教育改革的核心问题，也是提升学科育人功能的重要环节，已有研究主要从以下方面展开讨论：

第一，从验证性实验教学转向探索性实验教学。如有学者基于ADI教学、PBL教学、5E学习环等方式为学生实验过程提供指导，通过“做中学”理念进行教学，使学生在实验探究过程中获得新知识。Sylman等介绍了一种控释药物输送系统的探究实验，用食用色素作为“药品”、明胶作为“控释系统”、菠萝蛋白酶模拟人体富含酶的环境，引导学生提出关于明胶和菠萝蛋白酶浓度对药物释放影响的假设，从而自主设计实验方案，来验证提出的假设^［16］；Prilliman以测量盐水溶液密度的实验为案例，通过对比探究、组间讨论的形式帮助学生理解错误和误差的关系与区别^［17］。

第二，从传统教学媒体转向多元化教具的开发和应用。在实验教学过程中，合理使用教具可有效降低学生理解化学反应机理、把握化学反应本质的难度。如Donna等用透明的U型塑料真空管将两个玻璃滴定管相连接，制作了一个用于测量气体体积在不同温度下随压力变化的实验装置。如此一来，使实验现象更加直观的同时，摆脱了已有装置对汞的依赖，使学生能在更安全的环境中开展实验^［18］；Seng Set等基于Kohlraush电桥原理制作了电导率仪，让学生能够自己组装并测量电解质溶液的电导率，在降低实验资源成本的同时增加了学生动手实践的机会^［19］；Nusret等开发了一个包含30张任务卡的图片游戏，其中任務卡上呈现了化学实验仪器的相关信息，如名称、功能、用途、使用方法等，引导学生描述卡片信息，并完成卡片和实物配对，进而加深学生对实验仪器的认识和理解^［20］。

第三，从线下实验教学转向线上虚拟实验教学。Winkelmann等进行了小规模的“第二人生”3D虚拟实验室的实证研究，发现参与活动的学生对化学实验操作的兴趣明显提高，且能够在更短的时间内完成实验，减少学生学习化学的恐惧^［21］；Odwyer等开发了“有机化学在行动”程序，从实验中师生需求和功能的角度设计了课程资源包，通过线上线下相结合的方式提高了学生在有机化学学习过程中的参与度和获得感^［22］；Patrick等为打破学生实验的时空局限，开发并设计了Lablessons网站，其可视化模拟功能可随时随地为学生提供实验环境和条件，从而使学生感受到实验就在身边^［23］。

2.4 提倡多元化的评价方式

实验教学评价是衡量化学实验实施效果的方式和手段，也是推动实验教学改革的重要依据和标准。已有研究主要关注以下方面：

第一，聚焦多维实验教学评价目标，重视学生实验素养发展。Milenkovic等基于认知负荷理论设计了两级多项知识测试题，研究基于多层次知识模型进行的课堂教学如何影响学生在实验中脑力投入的情况^［24］，发现明确告知学生实验变化中“宏—微—符”三层次知识间的关系，能有效提高学生对实验过程中物质变化的理解；Basso等通过采用游戏“线索”中Scarlet谋杀案的情境设计，让学生参与六种不同的实验室体验活动，发现积极的活动体验对提高学生化学学习的自我效能感和兴趣有显著效果^［25］。

第二，关注过程性评价，创新多角度实验课程评价方式。Carla采用讲述故事的方式描述实验过程，通过学生对故事描述的作图情况评估学生在实验中对重点关注内容的思维倾向，据此调控实验教学的方式方法，评价学生学习效率^［26］；Ghani等采用概念图策略评估学生进行电解实验后对于概念的掌握程度和高阶思维的发展状况，关注学生在实验活动中思维和理解能力的变化^［27］。可见，过程性的评价方式和方法可以准确地评估学生的认知状态和思维过程，从而为教师有效调整实验教学提供必要参考和借鉴。

2.5 倡导实验教学的生活化

国际化学实验教学改革强调实验过程中科学、技术、数学、工程方面知识的联系和运用，关注化学实验的生活化和情境化特点。反观传统实验教学过程中，较多关注实验的程序化操作和系统性运行，较少涉及化学知识与社会、技术及环境间的联系^［28］，造成实验的“技术壁垒”和“价值真空”，割裂了化学实验和个体生活世界的必然联系。基于此现象，学者们普遍关注以下方面：

第一，鼓励开展家庭实验，培养学生创新精神。Jodye等设计了判断物质酸碱性实验、氢氧化物溶解实验、晶体生长等实验，让学生可以在家中自己进行，以培养学生合理选取生活中的实验替代物的能力和实验创新的能力^［29］；Easdon设计了提取和氧化醛的实验、糖果中的色素扩散实验及糖类水解反应最佳温度探究实验，给学生提供了能在生活替代环境中学习选修课程相关知识的机会^［30］。

第二，选取生活化的实验内容，使学生学习“有用的化学”。Kahl将蒸馏分离溶液的实验与环境工程设计相结合，引导学生自主设计水纯化系统并进行测试，增加学生对工程设计过程的理解和感悟，使其在生活化的情境中塑造和形成创造性思维和品格^［31］；Kakisako设计了观察水样品、家用洗衣粉的发泡水、半定量测定水溶液中钙离子浓度等实验探究环节，以学生生活中随处可见的化学物质作为实验试剂，引导学生理解所学知识的同时明白其对于处理生活实际问题的价值^［32］。

第三，从趣味出发，维持学生实验探究热情。Bayline基于糖果的制作与性质开发了一系列趣味实验，包括观察糖果在亲水胶体作用下的膨胀效果、温度对糖果晶体的形成与影响等实验，以此引导学生了解和体会食品中的化学知识价值^［33］；Kuntzleman使用荧光棒设计了一系列主题实验，包括探究荧光棒发光过程中能量的变化、物质间的反应机理及荧光产生的规律及特征，以生活素材为载体由浅入深，使学生深切感受到化学变化的神奇^［34］。

3 研究启示

3.1 加强对实验教学的价值认识

国际上对于中学化学实验教学的相关研究总体呈上升趋势，但在实践中教师对化学实验教学的价值认识还需要进一步加强。纵观化学科学的发展轨迹，几乎每一个科学概念与原理的发现都离不开化学实验，尽管理论化学的发展为研究者们认识物质世界提供了视角，但仍需要化学实验进行验证。此外，经合组织关于核心素养研究报告的公布，进一步推动国际上以素养为核心的课程改革，“实验化学”也首次以独立的课程形式出现在高中化学课程之中。但有研究调查发现，“实验课程”的开课率普遍较低，在实际教学中常存在教师以演示实验代替学生实验的现象，从而出现研究和实践两张皮的情况^［35］。因此，只有当教师真正认识到实验不可替代的价值，才能将实验有效落实在教学中。

3.2 选取反映时代特色的实验内容

分析与比较国际中学化学实验教学的发展规律和特征，发现目前实验教学的内容已超越了传统化学实验的知识结构与框架，呈现出知识技能与实际应用相统一、传统教具与技术赋能相融合、趣味化与科普性相渗透的特点。这也为教师开展实验教学带来了更多挑战，因此，在实验教学前，教师应基于学科大概念的体系框架，有效地整合教学资源，加强自身对知识的理解，选取反映时代特色的实验内容；在实验教学过程中，采用通俗易懂的语言，将生硬晦涩的理论知识传授给学生，帮助学生在真实的问题情境中理解化学变化的反应机理和基本规律。在常规教学之外，教师还可以为学生提供能够在生活中进行的替代实验和趣味实验，以科普讲解、学术沙龙等形式开展，激发学生化学学习兴趣。

3.3 倡导实验探究教学的实施

现今实验探究教学已经成为了中学化学教学的主要方式，同时带动了教学策略、方法、表征等方面的全面“跃迁”。探究教学关注对化学现象或问题的探索和分析，提倡学生通过合乎逻辑和规范的实验操作揭示化学概念或原理的内在机制，进而通过归纳和抽象概括的方式“创造知识”。基于此，教师首先要正确理解“验证”和“探究”的关系，认同实验探究的价值，在保证学生主体地位的基础上，引导学生完成实验探究的全过程，防止出现“探”而不“究”的现象。其次，实验探究重视过程性，离不开贯穿始终的教学情境引领。教师要做到跨学科资源融合，设计多样化的实验探究任务，培养學生实验探究能力。最后，在新课程理念的指导下，坚持以人为本的实验教学，加强师生、生生互动交流，让学生在更开放和包容的环境中感受化学的魅力。

3.4 创设多元化的实验评价体系

大量研究者将化学学科核心素养作为教学的评价指标，但实验教学大多只是评价过程中的一个方面。当务之急是构建具有针对性的实验教学评价指标，从而有效判断实验教学目标的达成情况。首先，要以发展学生化学实验素养为导向，形成具有本土特色的评价标准。虽然国内外对于发展学生核心素养框架的理解不尽相同，但在开发具体的测评工具时，可以借鉴国际上公认的评价指标，结合地域特点，创建符合本土特征的评价指标体系。其次，化学实验对学生的发展影响是全方位、多角度的，鉴于此，教师可以采用质性和量化相结合的方式进行评价，从而更加细致地观察学生的发展变化和成长规律。最后，实验教学的评价核心在于帮助学生提高认知水平、发展可迁移的实验技能和培养创新思维能力，因此只有教师理解“实验知识”、“实验能力”和“实验素养”间的关系，才能合理分析评价结果，帮助学生发展实验知识与技能，拓展实验认知与思维，涵养实验情意与认同，真正从学科本质视角促进学生化学学科核心素养的达成。

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