中美两国高中化学教材中探究性实验设计的比较分析——以“铁生锈”为案例

徐 健

（南京市金陵汇文学校 江苏 南京 210036）

2003年我国颁布的第一个《普通高中化学课程标准》，正式地将科学探究引入到实验化学的教学目标之中：通过实验探究活动，掌握基本的化学实验技能和方法，进一步体验实验探究的基本过程，认识实验在化学科学研究和化学学习中的重要作用，提高化学实验能力。

课程标准的实施建议中要求重视探究学习活动，发展学生的科学探究能力。探究学习是学生学习化学的一种重要方式，也是培养学生探究意识和提高探究能力的重要途径。教师应充分调动学生主动参与探究学习的积极性，引导学生通过实验、观察、调查、资料收集、阅读、讨论、辩论等多种方式，在提出问题、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、表达与交流等活动中，增进对科学探究的理解，发展科学探究能力。

美国国家科学院于1996年初推出了美国历史上第一部《国家科学教育标准》（以下简称《标准》）。在《标准》中，“探究处于核心地位”。 《标准》倡导的科学探究有三个方面的含义。其一，科学探究是学习内容。其二，科学探究是学习方式。其三，科学探究是教学指导思想。从幼儿园到 12年级，作为探究的科学的内容标准是一致的，都包括两部分：进行科学探究所需要的能力培养和加深对科学探究的理解，与不同年龄阶段的学生的认知发展水平相适应，在设计程度上有所不同。

在以培养学生科学素养为化学课程与教学的宗旨精神下，无疑化学实验是承载与实现科学探究的重要方式与过程。通过设计丰富多彩、具有特色、目标明确的探究型化学实验是实现课程目标的最好教学活动形式，成为教材编写与实验设计的一个研究热点。

本文以我国人民教育出版社的高中化学选修教材1、4和美国高中化学主流教材之一的《化学：概念与应用》（Chemistry：Concepts and Applications）为研究内容，选取了金属中关于“铁生锈”实验，从实验过程、实验设计的特点和对比启发等方面进行比较与分析，探索美国的科学探究在化学教学中实现的过程，以期借鉴并促进我国高中化学实验中科学探究理念与目标的实现途径。

一、两种教材中有关“铁生锈”的实验设计比较分析

1.中国［人教版高中化学选修1］科学探究：不同条件下铁钉的锈蚀（第50页）

现有洁净无锈的铁钉、试管、植物油、棉花、干燥剂CaCl2、NaCl溶液、CH3COOH溶液和煮沸后迅速冷却的蒸馏水，你也可以选用其他物品，设计实验探究铁钉锈蚀需要哪些条件，以及在什么条件下锈蚀速度较快。（该实验需要在一周前开始做）

实验方案记录结论

2.美国［化学：概念与应用］化学反应的证据：铁生锈（第122页）

有一个化学反应，它的产物是大家都见过的铁锈。金属铁和空气中的氧气结合会形成铁锈—Fe2O3，这是一种三价铁的氧化物。这个反应可作为常见化合物直接由组成它的元素合成的一个范例。对于铁，人们最为熟悉的性质是它能被磁铁吸引。

实验步骤：

（1）取一小团崭新的钢丝棉和另外一小团生锈的钢丝棉，将它们分别放入纸杯内。

（2）取一张 3 英寸×5 英寸（约 7.6cm×12.7cm）大小的索引卡片，和一个用塑料袋包裹起来的磁铁。

（3）用磁铁吸引崭新的钢丝棉。记录下你的观察结果。

（4）将生锈钢丝棉放在白色卡片的上方，用大拇指和食指轻轻摩擦它们，会有一些很细小的铁锈粉末落在卡片上。

（5）端起卡片，在卡片下方移动磁铁。记录下你的观察结果。

分析与讨论：

（1）崭新的钢丝棉对磁铁的反应是什么？

（2）当磁铁在卡片下方移动时，你观察到什么现象？

（3）你获得的铁锈粉末是否是纯的物质？实验结果是如何证明你的答案的？

（4）你有能够证明铁锈与铁是不同物质的证据吗？

3.中国［人教版高中化学选修4］实验4—3（第85页）

将经过酸洗除锈的铁钉，用饱和食盐水浸泡一下，放入图4－17所示的具支试管中。几分钟后，观察导管中水柱的变化，思考引起变化的原因。

4.美国［化学：概念与应用］铁的锈蚀（第557页）

在日常生活中，常用腐蚀来描述金属在环境中发生氧化反应的过程。这个实验将研究铁钉的腐蚀以及影响腐蚀的因素。

实验步骤：

（1）将1袋干净无气味的明胶溶于约200mL的温水中，并加入2mL酚酞试剂和2mL铁氰化钾试剂。将混合均匀的溶液倒进广口瓶或培养皿中，使溶液的高度约为1cm。

（2）将普通铁钉、铝钉、镀锌铁钉和涂有油漆的铁钉各1枚插在液体明胶中。注意：尽量将各枚钉子分开。

（3）在玻璃瓶或培养皿上作好记录，静置几小时或一整夜。注意：只有在明胶凝固之后才能移动广口瓶或培养皿。

（4）记录明胶中的物质与铁钉相互作用的现象。分析与讨论：

（1）哪种铁钉可与明胶反应？哪些现象说明铁钉已被腐蚀？

（2）如果明胶中有钉子未被腐蚀，你认为它没有被腐蚀的原因是什么？通常可采用哪些方法来阻止或减少腐蚀？

（3）若明胶中呈现蓝色，则是形成的亚铁离子与铁氰化钾作用的结果；若呈现粉红色或红色，则是由于氧气和水分子得到电子，形成了氢氧根离子，从而使酚酞变红。上述反应中，哪些是氧化反应？这些反应发生在铁钉的什么部位？

二、中国人教版高中化学选修实验设计的特点

1.科学探究性实验为主体

教材中设置了大量探究性的实验，倡导结合所学知识对“验证性实验”进行探究，着重学习和体验科学研究的思路和方法，将实验技能的训练与能力培养，寓于实验探究活动过程之中。

2.加强了学生自主学习的意识

在探究性活动中，学生有了更多自主学习的空间，自己提出问题，自己猜想假设，自己设计方案，并从自主学习的过程中增强了学习的积极性和主动性。学生在整个实验过程中经历与科学家相似的探究过程，既达到了开拓思维，交流合作的目的，又使学生的知识和能力在实验中得到加强、训练，充分感受到科学探究的乐趣，领悟了科学的思想和精神。

3.强调探究的过程

化学实验功能的体现，不仅仅在于获得所谓的“正确”实验结果，更重要的使学生经历和体验获得实验结果的探究过程，只有亲身经历了才能有真切的过程体会。这样的过程，真正地体现了实验探究的艰辛，学生对科学与科学实验有较为深刻的理解，才能在过程中受到严格的科学过程和科学方法的训练、形成科学的态度、情感和价值观，以利于学生的可持续发展。

三、美国［化学：概念与应用］实验设计的特点分析

1.以学生为主体的活动性

《化学：概念与应用》教材实验设计突出了学生活动为中心的特点，设计别致，操作简便。通过活动让学生多动手，充分调动学生主动参与和积极思维，自主性得到充分的尊重。改变验证性实验的固态化过程，实现动态性。

2.体现探究的过程性

教材中的实验设计突出了“情境—问题—探究—结论—应用”的实验探究模式。学生在实验中通过观察、分类、测量、假设、分析、交流、评价和反思，体验到了解决问题过程中的种种情感经历，有助于科学方法的培养，增强了自主学习和合作意识。

3.贯彻整体的实验安全性教育

教材将实验安全教育内容渗透到实验教学的各个环节中。学生在实验过程中借助实验安全规则，可以随时关注实验安全方面的问题，又可通过动手实践理解实验中要注意的安全问题。

4.分析与讨论

更加注重实验之后的“分析与讨论”。在每个实验活动之后设置了“分析与讨论”，这对于提升学生的各方面能力有很大的作用。

5.自主性探究的原则

实验原理明确，步骤细致、完整，并告诉学生去观察哪些地方，让学生独立自主地完成探究实验，再通过对实验的分析和讨论，让学生完成理解该实验。

6.迷你实验的微型化

给学生提供快速有效的、亲自操作的机会，应用化学概念和技能；用最少的仪器，以强化学生对概念的理解。

四、美国［化学：概念与应用］实验设计给我们的启示

1.从［化学：概念与应用］教材的实验设计分析发现，类型丰富的探究实验体系具有鲜明的特点。教材中的实验分为 “化学实验”、“迷你实验”和 “起步实验”。 其中“化学实验”23 个，“迷你实验”47 个，“起步实验”21个，平均每章 4.33个。

2.学生有更多的选择性和灵活度

众多的实验类型和实验数量，为学生提供了极其丰富的实验内容、实验技术和实验教学策略，教师可根据教学条件、学生层次和个人能力选择合适的实验进行教学，同时也体现出教材中实验体现的设计弹性和良好的选择性与适应性。

3.从定性到定量的发展趋势

“化学实验”、“迷你实验”和“起步实验”中均安排了不少定量实验，定量实验内容涉及比较广泛，每个实验都分别针对不同的知识点设计，实验内容取材于同生活经验紧密联系的素材，很容易激发学生的探究欲望，启迪学生的思维。实验设计思路比较开放，重视实验的趣味性与生活化。同时定性到定量实验的转变，也体现了高中化学课程的学科化与科学素养培养水平与要求的整体提高。

4.系统化的实验安全教育内容

教材中实验安全内容包括实验安全规则、实验室急救、安全警示图标、安全操作教育等内容，这些内容相互联系、相互作用，共同构成统一的实验安全教育体系。

［1］ 人教社化学室.普通高中课程标准实验教科书化学（选修1）化学与生活［M］.北京：人民教育出版社，2005

［2］ 人教社化学室.普通高中课程标准实验教科书化学（选修4）化学反应原理［M］.北京：人民教育出版社，2005

［3］ Phillips.Chemistry：Concepts and Applications.McGraw －Hill／Glencoe

［4］ 王磊.化学比较教育［M］.南宁：广西教育出版社，2006

［5］ 朱鹏涛，周青，杨辉祥.美国高中化学教材中的实验设计［J］.化学教育，2007，（6）

［6］ 朱鹏涛，巩晓燕，周青.美国高中化学教材中实验安全教育的特点与启示［J］.国内外化学教育动态，2006，（8）