中学化学实验教学中发展科学探究与创新意识核心素养的初步思考

黄恭福 邹海龙

关键词：化学实验;核心素养;基本认识;基本态度

自上世纪90年代以来，科学普遍被理解为基于证据的解释，探究是获取证据重要的实践活动。科学探究是人们获取科学知识、认识客观世界的重要途径，它既是中学化学的学习内容和目标，也是一种重要的学习方式。创新意识是思想观念层面的动机与情感，是一种求新、求变、求异的意识。

科学探究与创新意识是化学学科5项核心素养之一，它从实践层面激励学生勇于创新，全面准确理解科学探究与创新意识核心素养，对于发展学生科学探究能力和创新精神有着重要的作用。本文从“基本认识、基本态度、基础知识、基本技能”的角度，对发展学生的科学探究与创新意识核心素养（以下简称：核心素养）进行了反思与研究。

一、基本认识和基本态度

在中学化学实验教学中要引导学生树立对“科学探究与创新意识”的基本认识，形成对该核心素养的基本态度，以广泛凝聚共识，促进核心素养培养的落地，这也是发展该核心素养的认识基础。

1.科学探究是实践活动和认识活动的统一

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，化学学科中的科学实践活动主要通过观察与实验获取事实、数据和证据;科学探究还需要科学认识活动对获取的证据进行分析、判断和推理，并建立观点、结论和证据之间的逻辑关系，因此科学探究是科学实践活动和科学认识活动的统一。

案例1.钠与水反应的实验探究（片段）

（节选自湖南省长沙市长郡中学吴佳怡2019年全省赛课执教的《钠与水的反应》）

【科学实践活动】

（1）在烧杯中加入约一半高度的蒸馏水，滴人2-3滴酚酞试液;

（2）用镊子取一块绿豆大的金属钠（用滤纸吸干表面煤油）;

（3）将金属钠放入上述烧杯中观察实验现象。

【科学认识活动】

在《钠与水反应的实验探究（片段）》的活动过程中，仅依靠实验操作、实践活动、观察辨识等是无法揭示钠与水反应的实质的，需要在对宏观现象进行科学观察获取感性认识的基础上形成基本事实，并对获取的事实进行分析、概括、抽象、推理，转化为事实证据，在“科学实践和科学认识”交替作用下最终揭示出实验现象的本质原因，以及钠与水反应的物质变化和能量转化的本质（表1）。

2.科学探究是科学过程与科学方法的统一

科学探究的过程大致包括：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;科学方法包括比较、分类、类比、归纳、抽象以及分析、判断和推理（归纳、演绎、统计），也还包括变量控制、模型方法等。科学探究过程中融合着上述科学方法的应用、科学方法在科学过程中得以发展和提升。

如在学习分散系及其分类的知识时，通过演示“硫酸铜溶液”与“氢氧化铁胶体”的丁达尔效应实验，发现并提出问题：为何只有当光束通过氢氧化铁胶体时才会出现一条光亮的通路，而通过硫酸铜溶液时却没有，引出对分散质微粒大小的比较，进而对分散系按分散质微粒尺度的差异分为胶体、溶液、浊液等。在对这一知识的探究学习过程中，融合了比较、分类、归纳、推理等科学方法，做到了过程与方法的统一和融合。

案例2.实验探究S02的漂白性（片段）

（节选自湖南省邵阳隆回一中阳葵2019年全省赛课执教的《二氧化硫的漂白性》）

【科学过程】

提出问题：S02使品红水溶液褪色，说明S02具有漂白性。

猜想与假设：是二氧化硫还是二氧化硫水溶液使化学教与学2020年第7期溶液褪色？

【科学方法】

控制变量：使S02分别在有水和无水环境下与品红混合。

【科学过程】

实验设计：将干燥的S02通入品红的无水乙醇溶液。

收集证据：品红的无水乙醇溶液始终不褪色。

【科学方法】

证据推理：干燥的S02不具有漂白性，S02的水溶液才具有漂白性。

【科学过程】

提出问题：S02的水溶液具有漂白性的原因是什么？

【科学方法】

分析推理：S02水溶液的成分复杂，具有HzS03、S02、HSOf、S032-、H+等。

【科学过程】

猜想与假设：可能是上述微粒中的某种粒子使得S02水溶液具有漂白性。

实验设计：分别向品紅水溶液中滴入提供上述微粒的溶液，如HCl、Na2S03、NaHS03、亚硫酸等。

实验实施：分别向品红水溶液中滴入：盐酸、亚硫酸钠溶液、亚硫酸氢钠溶液、亚硫酸溶液。

收集证据：观察现象，收集相关证据：盐酸、亚硫酸钠不能使品红溶液褪色;亚硫酸氢钠、亚硫酸使品红溶液褪色。

【科学方法】

分析推理：含有H2S03、HS03-的溶液可使品红溶液褪色。

解释结论：可能是H2S03、HS03-能与品红发生反应使其褪色。

【科学过程】

查阅资料：H2S03、HsO3可与品红分子化合生成不稳定的无色物质。

上述“实验探究S02漂白性”活动，我们可以认识到：在科学探究提出问题、猜想假设、获取证据等过程中，都渗透和融合了比较、类比、变量控制、分析推理等科学方法，显然，科学探究活动是科学过程与科学方法的统一。

3.科学探究要有问题意识

中学化学实验活动中要引导学生深刻认识到问题是科学探究的起点，因此要在生产、生活和实验活动中发现和提出有探究价值的问题，并依据问题进行合理假设，依据假设设计实验计划和方案进行实验探究。著名学者胡适就曾告诫青年学子保持求知欲望的药方之一就是“时时寻一两个值得研究的问题”，爱因斯坦也曾说：“提出一个问题比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许只是一个数学上或实验上的技巧而已。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度看旧问题，却需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”可见，问题意识是培养和发展学生思维能力、想象力的重要途径。如，拉瓦锡提出的燃烧的氧化学说、阿伏伽德罗的分子假说、阿里尼乌斯的电离学说、玻尔的原子结构模型等，都是从实验中敏锐捕捉和分析问题开始的。

案例3.电解水实验条件的探究

电解水实验是中学化学的经典实验，其教学功能主要体现在以下两点：一是通过电解水可以得到氢气和氧气的事实证明水不是一种元素而是由氢、氧组成的化合物;二是通过所得氢气和氧气体积比为2：1推导出水分子中氢原子和氧原子之比为2：1。因此实验必须要能成功检出产生气体为氢气和氧气，且两者的体积比为2：1。

【提出问题】电解水实验中，一般条件下V（H2）：V（02）>2：1，哪些因素会影响产生气体的体积比呢？

【分析问题】通过查阅资料、实验探究、分析归纳发现反应原理、反应条件、反应装置以及操作过程均能对最终结果产生影响。电解水的反应速率快慢与电解质溶液中离子迁移速率，电解电压、电极材质、电极间距、超电势、溶液的酸碱性等有关。

【解决问题】通过对影响因素的逐个分析和探究，采用铂电极、12%的氢氧化钠溶液、15V电压等条件下进行水的电解实验可以较为快速得到体积比为2：1的氢气和氧气。

电解水实验条件的探究过程，充分体现了在科学实践过程中注重对问题进行分析，从学科本源的视角，找出产生问题的本质原因，再利用分析、推理、类比、变量控制、试验、对比实验等方法逐个寻求解决某个问题的具体方法。

案例4.铁与水蒸气反应实验探究

铁与水蒸气反应是“人教版化学1”教材中的演示实验，使用了还原铁粉与水蒸气反应，但在教师实验中发现诸多问题。

【发现问题】氢气产量极低，实验失败率较高。

【分析问题】旧教材实验将铁粉附着在石棉绒上，由于石棉绒导热性不好，铁粉达不到反应温度，难以反应;现行教材将铁粉堆在一起与水蒸气反应，铁粉与水蒸气接触面积有限，大多数水蒸气未与铁粉接触反应即逸出了试管。

【解决问题】使用一种含铁物质，能与水蒸气充分接触，又要具有很好的导热性便于提升反应温度，经搜索发现一种叫做“钢丝棉”的物质很适合。“钢丝棉”主要成分与还原铁粉类似且蓬松、导热性好。使用湿润的面巾纸部分包住“钢丝棉”后放人试管中，用酒精灯直接加热试管中的“钢丝棉”，将产生的气体通入滴有洗洁精的溶液中。

实验装置如下所示：

装置图1中，粗铜丝中部折成一个u形弯抵住钢丝棉防止其滑动，粗铜丝末端折一个环紧扣在试管中以固定整个钢丝棉，如图所示进行相关操作即可。

上述案例说明，在进行实验探究过程中要根据探究目的不断挖掘问题、显性化问题，从而达到发现“真问题”的目的，通过发现的“真问题”进行资料收集与分析、实验设计与实施、证据获取与解释等过程，完成解决问题的最终目标。

4.科学探究要有证据意识

大学问家傅斯年所说的：有一份材料说一份话，有十份材料说十份话，没有材料不说话，这里的材料就是证据。科学的本质就是基于证据的解释，认识到科学探究是提供证据的重要途径和方式，该途径获取的直接证据包括实验现象、实验事实、实验数据等。科学探究就是要运用获取的现象、事实和数据等经验性证据，经历抽象、分析、推理的理性认识活动，达到解释相关问题的目的。因此，培养学生科学探究过程中收集、整理、加工、应用证据进行解释的能力对发展学科核心素养至关重要。

案例5.氯化钠在水中的导电性实验

在上述“氯化钠在水中的导电性实验”案例中，通过对3个对比实验现象的分析，遵循“现象一结论一观点”的逻辑推理过程，得到了氯化钠溶于水与水作用产生了自由移动离子从而导电的结论（表2）。

5.科学探究要有创新意识

科学探究的本质是实践创新，实践创新使得在此过程中不同学生的操作体验、活动感受、自我反思均各不相同。正是这种实践过程和体验的差异，促使学生在“正常实践”中能有效发现“异常现象”（与学生认知冲突的现象），面对“异常现象”积极质疑，从而对探究进行反思、优化和完善，以此体现出实践创新的价值。

如，用1.0mol/L的氢氧化钠溶液滴定加有酚酞试液的盐酸溶液，当最后一滴氢氧化钠溶液滴入后溶液由无色变为红色，振荡后红色不消失，即为达到了滴定终点，这是描述的正常实验现象。有学生在亲自实践操作中发现：当盐酸溶液变红后1分钟，溶液又变为了无色的“异常现象”，对该现象的科学解释就是学生在科学探究实践中创新意识的体现。

二、基础知识与基本技能

发展科学探究与创新意识核心素养要加强实验基础知识与基本技能的学习理解和实践训练，这是开展实验探究活动的基础和保证。实验基础知识涉及实验室规则、实验安全与环保、实验工作习惯、实验仪器的辨认及其作用与功能、实验药品的性质、分类、保存与使用等;实验基本技能包括药品取用、物质加热、仪器装置连接、玻璃仪器洗涤等。具体而言，在中学阶段要熟练掌握以下实验的基本技能：

1.能进行药品的取用、简单仪器的使用和连接、加热等基本的实验操作

药品的取用包括固体、液体药品的取用，气体的收集（如排水、排气、塑料袋法以及注射器吸气法）等。使用的简单仪器主要包括加热仪器及用品（酒精灯、酒精喷灯、防风罩、水浴、油浴和沙浴）;可加热仪器（直接加热、隔石棉网加热）;计量仪器主要包括质量度量仪器（天平）、液体体积度量仪器（量筒、容量瓶、滴定管）、温度、酸碱性测量仪器（温度计、pH计）等;反应器（如锥形瓶、试管、烧杯、试剂瓶、三颈烧瓶、圆底烧瓶等）;试剂添加仪器及其他（長颈漏斗、分液漏斗、漏斗、蒸发皿、表面皿）等。仪器连接主要是要遵循连接的基本原则：从下到上，从左到右，胶管和橡胶塞连接玻璃仪器。装置撤除应遵循从右到左（如将末端导管从液体中撤除），从上到下;先降温再停保护气，先撤右侧热源再撤左侧热源等。此外，还需掌握加热操作（如先均匀加热后集中加热、外焰加热）、气密性检查（如微热法、液差法）、漏液检查等。

2.能在教师指导下根据实验需要选择实验药品和仪器，并能安全操作，能运用简单的装置和方法制取某些物质

形成从实验目的选择实验原理、实验原理确定实验药品、实验药品及实验条件选择实验装置、实验装置及反应特点确定实验操作等基本思路。因此药品状态和性质以及反应的条件决定了实验仪器的选择。

中学阶段主要涉及固固加热制气体（如加热高锰酸鉀制氧气）、固液加热制气体（如实验室制HCl）、液液加热（如乙酸乙酯的制备、石油的分馏、蒸馏水的制取）、固液混合不加热（如双氧水制氧气、实验室制二氧化碳、浓氨水与石灰石制氨）、固液不加热随开随用型（启普发生器、简易启普发生器等）。

根据不同的实验原理和实验类型，实验装置的构成特点不同，如气体制取实验装置由“发生装置→除杂装置→干燥装置→收集”中的2个或多个组成，在干燥装置的选择中，若是固体干燥剂选择u型管或球型干燥管、若是液体干燥剂选择洗气瓶等。

此外，根据实验需要还会涉及防倒吸装置（如倒扣的漏斗、球型管、安全瓶等）;防堵塞安全装置（试管口棉花团、橡胶管连接的恒压式等）;防污染的安全装置（燃烧式、吸收式、收集式等）。

3.初步学会溶液配制

中学阶段仅有的2个定量实验是一定溶质质量分数的溶液和一定物质的量浓度溶液的配制，都要经过“计算、称量、溶解、移液、稀释或定容”等步骤。操作中应注意的是洗涤液应全部转入配制的溶液中，量筒量取的液体一次性全部加入到烧杯中;使用胶头滴管定容后的溶液应及时转入试剂瓶中保存等。

4.初步学会物质的检验

物质的检验大致包括物质的鉴定、鉴别和推断。鉴定即确认，即确定样品是什么，是指用化学方法来确定未知物质的组成，检验出阴阳离子或组成元素。鉴别即区别，将不同样品区别开，是用一定的物理或化学方法把两种或两种以上已知物质一一区别开。如不用任何试剂加以鉴别、只用一种试剂予以鉴别、任选试剂鉴别等。推断是通过已知实验事实，根据性质一定存在或不存在、可能存在哪些固体或离子或气体等，若为定性层面，只需确定存在（不存在）什么，若为定量层面，还需确定各成分的物质的量。

5.初步学会物质分离、提纯

物质的分离是将混合物中各组分分离开来，获得几种纯净物的过程;物质的提纯是将混合物中的杂质除去而得到目标物质的过程。如混合物分离的物理方法有以下三种类型，一是“固+固”混合物采用加热（升华法）、加水（重结晶、过滤法）及特殊方法（如磁性分离Fe和FeS）;二是“固+液”混合物采用萃取法、蒸发结晶法或过滤法;三是“液+液”混合物采用蒸馏法或分液法等;“气+气”混合物采用降温液化法等。

在中学化学实验教学中引导学生对核心素养形成正确的基本认识和基本态度，熟练掌握化学实验基础知识和基本技能，是我们进一步发展科学探究与创新意识核心素养的关键，需要在教学中以务实的态度落实。