基于学科核心素养的中学化学实验课程构建的实践研究

文∣张立云 刘国英

一、研究的背景

《义务教育化学课程标准(2011年版)》[1]中指出，义务教育阶段的化学课程是科学教育的重要组成部分，应体现基础性。化学是一门以实验为基础的学科，在教学中开展以实验为主的科学探究活动，有助于激发学生对科学的兴趣，引导学生在观察、实验和交流讨论中学习化学知识，提高学生的科学探究能力。

《普通高中化学课程标准(2017年版)》[2]中提到学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任” 5个维度，其中“科学探究与创新意识”更是培养创新人才的重要维度，化学实验教学及亲历实验的过程是培养学生独立思考和运用所学知识分析问题、解决问题的能力的重要手段。

二、问题的提出

(一)化学教师自身实验能力和素质亟待提升

2016年10月，在珠海市中学化学教师实验能力大赛中，参赛教师先后要参加笔试和实验操作现场比赛的抽签，并在限定时间内完成自己抽到的实验进行现场操作。

统计参赛化学教师笔试答卷，出错率较高的是：不清楚容量瓶的使用、不熟悉萃取的操作、酯化反应的有关注意事项等一些最基础的初、高中化学实验及操作原理；同时，针对笔试中的不定项选择题，能做全对的教师也较少，得分率也不高。具体统计数据详见表1。

表1 珠海市中学化学教师实验能力大赛笔试答卷分类统计情况列表

从表1数据可看出，六类题型中，初中教师有四类基本实验答对率低于80%，这就说明初中化学教师自身对于一些基本的化学实验和操作原理已经遗忘或者原本就不太了解；高中化学教师的笔试成绩高于初中教师。

参赛化学教师对出自课本中的演示实验操作不熟练，部分教师花费不少时间进行思考，导致不能在规定的时间内完成自己抽到的现场实验操作比赛；又或者在实验操作过程中出现错误、失误，甚至还有少数教师在比赛过程中因慌张而打破仪器，导致实验操作失败。比赛结束后，我们对参赛化学教师进行了问卷调查，归因分析如下：①教师实验基本功不扎实；②教师自身的惰性；③学校平时开展实验研究氛围不浓；④学校实验教师缺岗，实验教学没有正常开设而弱化教师的实验能力；⑤信息化手段应用过多，更愿意“看实验”，而不愿意“做实验”，其中青年教师更是以PPT或者视频演示的居多。因此，化学教师自身实验能力和素质亟待提升。

(二)学生科学素养与操作技能亟须提升

从2014年开始，珠海市已在高中阶段招生考试工作中增加了化学实验操作考查，且命题出自《义务教育化学课程标准(2011年版)》，学生要完成八个基础实验中的4个化学实验，由学生在考试现场抽取其中的一个并在规定的时间内独立完成。在4个化学实验操作考查试题不变的前提下，对珠海市某区初中学生过去3年进行化学实验操作考查，对比列表见表2。

表2 珠海市某区初中学生连续三年化学实验操作考查情况对比列表

表3 高中生化学实验学习情况调查问卷统计表(节选)

学生问卷调查表明学生是喜欢自己做实验的，也很希望教师能多做实验，但珠海市仍有学校没有按照国家颁布的课程标准的要求去开设教师演示实验和学生分组实验，更多的是停留在讲实验和看实验的层面，学生学习化学的兴趣大打折扣，更谈不上培养学生的化学学科核心素养，因此，要加大力度规范学校的实验开设，并对现行教材中的实验进行补充和完善，以更好地提升学生的科学素养与操作技能。

(三)新课程改革亟须构建化学实验课程

随着新一轮课程改革的实施，高考内容改革不断的深入，高考化学试题也将进一步强化能力立意的命题思想，突出对化学学科核心素养的考查。因此，我们要顺应课程改革新要求，针对现行中学化学教材中有关实验教学内容的不完整进行研究和完善，构建化学实验教学课程内容和教学案例专集，为培养和发展学生核心素养奠定实验基础。

三、中学化学实验教程的构建与实践研究

(一)“教材”中化学实验的现状及问题

1.偏重于教师演示实验与改进实验，缺少学生分组实验与信息化实验的设置

珠海市选用人民教育出版社出版的《普通高中课程标准实验教科书·化学》(以下简称“教材”)在实验内容设置方面，注重增加教师演示实验和改进实验，缺少课外探究实验、学生分组实验以及信息化实验的设置。

2. 探究性化学实验可操作性不强

化学实验是进行科学探究的主要方式。如表4

表4 《普通高中课程标准实验教科书·化学》实验类型与分布

所示，“教材”设置有较多的探究性实验，在整套教材中包含的 8 个模块中，科学探究共计 38 个，占实验总量的20%。但是没有具体的实施方案与教学说明，更缺乏相应的实验视频以及微课等辅助教材的配置，对于课时有限的化学课堂而言其可操作性不强，真正可用于课堂实验教学的不多。

3.可操作化学课外探究实验不足

“教材”中实验内容注重与生产、生活实际的联系，突出化学知识在日常生活中的应用。但此类实验在课后组织学生开展探究时一般通过网上搜索与文献收集，特别是针对教学设备设施陈旧，学生处于全封闭学习环境的学校而言，开展课外探究实验基本落空。因此，亟须编写一套操作性强的课外探究实验辅助教程。

4.化学实验分散，信息化实验较少

“教材”中涉及的化学实验在必修一和必修二与选修三、四、五中的编排过于分散，信息化实验更多的是在科学视野或者习题中出现，让学生真正能够动手操作的实验少之又少，这与信息化发展趋势不相符，也无法让学生亲历实验过程，体会化学实验的科技元素与魅力。

(二)中学化学实验教程的内容构建

建构主义理论的核心是以学生为中心。强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构，即学习者并不是被动地接收信息，而是根据过去的知识经验主动选择、寻找信息，然后加以解释。建构主义教学观就是创设一定环境和支持，促进学习者主动建构知识的意义。

图1 化学实验课程编排

依据化学课程标准，结合化学学科特点，我们规划图1“4大类10小类”实验课程为研究内容。

1.教师演示实验

化学演示实验是学生获得化学感性知识的重要源泉。课堂上，教师演示实验操作的示范对于学生实验能力的培养是不可低估的。

2.学生分组实验

学生分组实验是学生学习化学最直观、最重要的手段，是学生培养化学实验能力、学好化学学科的关键步骤。其中，课外趣味实验——以兴趣小组或者社团活动形式进行实践。在教师的指导下，学生开展自主实验。把更多的机会给学生，让他们利用课外时间学会用实验解决问题。甚至可以充分利用课外资源，开展家庭小实验和形式多样的课外实验活动。

3.科学探究实验

新课程改革的一个重要特点就是学生学习方式的改变，即由原来的“接受式学习”转变为“探究式学习”，倡导让学生亲历以探究为主的学习活动，培养他们的好奇心、求知欲和科学探究能力，而开设以学生为主体的校本选修课是科学探究实验最佳途径。

(1)创新改进实验——针对课本上一些实验现象不明显、甚至难做成功的实验，或者是课本上有这个知识点，但没有实验栏目等这一类的内容进行研究，通过改进实验方法、改变实验装置等，达到实验现象明显、操作简单又安全的改进与创新。

(2)微型环保实验——针对环保教育理念进行的研究内容。所谓化学微型实验就是以尽可能少的化学试剂来获取所需化学信息的实验方法与技术，以兴趣小组社团活动形式研究。

4.信息化实验

(1)手持技术实验——一种高科技的、现代化的方法，是实验改革和发展的有效手段。在手持技术实验中，可应用不同的实验仪器、装置；具有广泛性和综合性。计算机、数据采集器、传感器和相应软件与其他化学仪器的整合会更加突出手持技术实验的信息化、现代化的综合应用。

(2)化学微视频——通过举办市级中学化学实验微课比赛，汇集共享优质教育资源。

(三)中学化学实验教程的编排

1.体现核心素养

《普通高中化学课程标准(2017年版)》中指出：化学核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”五个维度。化学实验课程的设计与编排、课程的落实和评价以及实验成果的应用都充分体现化学学科核心素养的培养过程。

(1)加强实验现象分析，培养学生的宏观辨识与微观探析的意识。“教程”中的每一类实验均应提供实验的宏观现象、微观解析、曲线变化以及反应方程式，以上四重表征(宏观、微观、曲线、符号表征)对于培养学生的宏观辨识与微观探析的意识具有重要意义。

(2)注重实验数据处理，培养学生的变化观念与平衡思想。质变与量变的关系以及反应中的平衡思想在化学实验教学中是重点，更是难点。实验教学中数据的设置上，要体现量变引起质变的观念以及物质在变化过程中是遵循元素守恒的观念。

(3)重视实验探究过程，培养学生的模型认知与证据推理等思维品质。实验教学中注重化学实验模型建构，有意识培养学生对模型的认知过程，并应用预测同类型的反应模型，在掌握实验原理模型的同时，学会利用原理和已有知识作为证据来推理不同情境中的实验类型。

(4)实验形式多样化，培养学生的科学探究与创新精神。化学实验本身就是一个探究和创新的过程，教师应精心设计探究活动，采用多种形式的探究手段，利用学生实验、探究实验、演示实验、信息化实验等形式多样的实验活动，激发学生的科学思维和创新精神，为学生亲自对同一实验的不同改进提供思路。

(5)创设生活情境，培养学生的科学态度与社会责任感。教师可选用生活、生产中的实验实例，引导学生利用课堂中学到的化学知识解决生活中的实际问题，融入实验的绿色化、简易化，让学生体会化学与生活的联系，同时增强学生的科学精神和社会责任感。

2.构建课例模型

化学实验课程的开设和设计种类繁多，但总结起来，不管课程属于哪种性质，课程中的课例应遵循“课例主题选取”“教学环节设计调整”“确定实验方案”“课堂实施记录”“课后研讨报告”等五个核心环节，据此梳理课例实践的核心环节。具体的流程如图2。

图2 课例研究基本步骤

下面以基于广东教育出版社出版的《中学化学实验教程》中的课例实践为例[5][6]，详细说明如何依据课程标准和教材，密切结合学生已有经验，开展有序而深入的实验探究。让学生在熟悉的现象中发现新的问题，建立新知识，解决新问题，完善理论，提高科学素养，为学生思维品质的提升和问题解决能力的发展奠定了基础。

基于《中学化学实验教程》的课例实践

一、实验目的

1.掌握直接碘量法测定维生素C的原理及其操作

2.掌握电位滴定法测定维生素C的原理及其操作

3.掌握维生素C的测定方法

二、实验原理

(1)维生素C又称抗坏血酸Vc，分子式C6H8O6。Vc具有还原性，可被I2定量氧化，因而可用I2标准溶液直接测定。其滴定反应式：

(2)电位滴定法随着滴定剂的加入，由于发生化学反应，待测离子浓度将不断变化；从而指示电极电位发生相应变化；导致电池电动势发生相应变化；计量点附近离子浓度发生突变；引起电位的突变，因此由测量工作电池电动势的变化就能确定终点。

三、实验药品及仪器

实验药品和试剂：饱和碘水(1.4×10-3mol/L)、淀粉指示剂、2 mol/L乙酸、维生素C

主要仪器：电子天平、量筒、烧杯、酸式碱式滴定管、锥形瓶(250 mL)、洗瓶，手持技术仪器(氧化还原传感器)等

四、实验步骤

I.维生素C的测定(直接碘量法)

用酸式滴定管向锥形瓶中加入10.00 mL维生素C溶液，加入1 mL 2 mol/L乙酸溶液，5～6滴淀粉溶液，立即用标准碘液(酸式滴定管)进行滴定至溶液刚好呈现蓝色，30秒内不褪色，即为终点，记下体积，平行滴定2～3次，计算维生素C的百分含量。

II. 维生素C的测定(电位滴定法，手持技术)

(1)组装下图装置，利用配套的针筒代替传统的滴定管，让标准液能够更均匀、更匀速地滴落；利用物理实验常用地光电门装置，快捷地统计出到达滴定终点所用的标准液的滴数。

图3 滴定装置

(2)通过设置相应函数，在手持技术软件上实时描绘出滴定的曲线及相应的滴定数据。

五、学生分组实验，完成相应的实验并完成实验数据分析

原始数据记录表

3.体现多元评价

课程对学生的评价采用过程性和结果性相结合，既重视学生学习过程中的能力发展，又注重学生对实验结果分析处理能力的培养，让学生的化学素养真正得到提升。成绩构成：过程性评价(见表5、表6)×50%+结果性评价(考试)×50%。

表5 学生自主实验情况评定表

表6 学分评定及等级评估参考标准

《中学化学实验教程》既为学校校本课程的开发和建设提供范本，也为珠海市化学实验教学提供有力的支撑。2020年上半年疫情常态化防控期间学生居家自主在线学习，教师无法回学校做演示实验，便充分发挥《中学化学实验教程》作用，通过扫描《中学化学实验教程》封底的二维码即可让学生观看演示实验，开创网络教学新空间。

教师可以将中学化学实验按不同类型进行编排，通过组织学生查资料、提设想、明思辨、动手做、观实验和写实验报告等形式，让他们亲历探究过程，激发学习兴趣，培养学生科学探究能力，发展学生核心素养，同时还可丰富、完善中学化学实验课程体系。

未来，我们还将继续探索为培养学生的科学思维、实验探究、实践创新和学考背景下化学实验教学的有效开展，为进一步提高化学实验教学质量提供实践性参考。发展学生核心素养，实现化学高效课堂与深度学习是我们继续前行和努力的方向。

本文系珠海市教育科研“十三五”规划第二批(2017年度)重点课题“基于学生核心素养的中学化学实验课程内容建构与教学的研究”(2017KTZ03)的研究成果。