化学实验组成要素的关系及其教学启示

陈风雷

（江苏省南通中学，江苏 南通 226001）

实验是学生学习化学的重要中介，在学科教学中有着其他教学手段无法替代的功能。正如《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称“2017 年版课程标准”）所指出的，“化学实验是研究和学习物质及其变化的基本方法，是科学探究的一种重要途径”。在讨论如何更好地发挥实验教学功能的语境下，梳理化学实验的组成要素及其关系，是获得对化学实验教学有益启示的独特视角。

一、化学实验的组成要素

化学实验与其他科学实验一样，都是根据一定的目的，在人为控制的条件下，运用相关的仪器与设备，观察和研究有关自然现象及其变化规律的社会实践形式。所以，实验都有“目的、方案、现象和结论”等核心要素，其中方案是获取现象、形成结论、实现目的的关键部分，又由“仪器、药品、条件和步骤”等几个方面组成。［1］下面以苏教版高中化学必修上册教科书中铜与浓硫酸反应的演示实验为例进行阐释。

为了使SPP产生几何相位，需要利用横截面旋转对称的SPP波导.本文采用电介质内核——金属包层波导结构[11]，如图1所示.

为了实现探究浓硫酸与铜反应的性质这一实验目的，教科书用图1 和“将一小片铜片放入试管中，然后加入2 mL 浓硫酸”，按“装置进行实验”并“观察实验现象”等有关文字呈现实验方案。在该实验方案中，仪器有试管、铁架台、酒精灯等，药品有铜片和浓硫酸，条件是加热，步骤包括如图组装仪器、检查装置气密性、添加相应药品、用酒精灯加热、将反应产生的气体依次通入品红和氢氧化钠溶液等等。对应的实验现象是“产生的气体能使品红溶液褪色”以及“铜与浓硫酸反应后的溶液呈蓝色”。学生利用对二氧化硫和硫酸铜的性质，以及质量守恒定律和氧化还原反应规律的已有认知，根据实验现象，并经过一定的推理，就能归纳出“在加热的条件下，浓硫酸能与铜反应生成硫酸铜、二氧化硫和水”的结论，发现其中“浓硫酸能将铜氧化成硫酸铜，自身被还原成二氧化硫”以及“浓硫酸是氧化剂，铜是还原剂”的化学原理，从而实现实验的预期目的。

本文将对高中物理课堂中的研究性教学展开讨论和分析，通过结合自身的经验以及其他学校的探究方式，深入的了解当前高中物理课堂教学中的改革.随着教育体制改革的深入，很多学校都要求本校的学科教学方式进行转变，教师作为知识的传播者也同时担任了课堂改革者的角色.教育模式的改观能够大幅提升教师和学生对学科的积极性，推动校园学习之风的建立.

图1 苏教版教科书中铜与浓硫酸反应的实验装置

由表2 可知，“H2O2具有不稳定性”和“酸性高锰酸钾溶液能与草酸溶液反应”的物质性质，分别对应“产生气体”和“溶液紫色褪为无色”两种截然不同的实验现象，但是在只改变温度条件时，都有温度高反应快、温度低反应慢的表现，从而能揭示相同的化学反应原理。所以，在原理性实验中，虽然也有与性质实验类似的方案、现象和结论的对应关系，但是将物质性质作为结论是暂时性的，化学原理才是实验的最终结论，该原理可以通过对物质性质对应现象的进一步概括提取出来。

二、化学实验组成要素之间的关系

化学实验有多种不同的分类角度和标准。有教师在进行化学实验教学目标分类研究时，以实验所涉学科基本任务，也就是实验目的的不同为标准，把化学实验分为性质实验、原理性实验、分离与纯化实验、制备实验、分析实验等几种类型。［4］用该方法对2017年版课程标准中的18 个学生必做实验进行分类，结果如表1。序号中的B 表示必修课程，X 表示选择性必修课程（阿拉伯数字是原有的编号）。由表1 可知，高中化学课程中的学生必做实验以性质实验和原理性实验为主，分别占27.8%和44.4%。为此，笔者拟以性质实验和原理性实验为对象，讨论实验诸要素之间的关系。

表1 2017 年版课程标准中学生必做实验的分类

首先，要充分利用实验教学手段。化学实验是学生感知、理解和记忆的载体，具有强大的知识教学功能，同时是训练学生思维使其获得全面发展的重要平台。其中，从实验现象中提取物质性质或化学原理的过程，需要涉及比较、分类、抽象、概括、具体化和系统化等思维表现，以及概念、判断、推理等思维形式；设计探究与验证物质性质或化学原理等实验方案，离不开思维的调控，以保障实验方案的科学性、创新性和可行性；通过思维实验让有关的物质性质或化学原理按照实验方案中的操作步骤，在人脑中加以呈现并预测相应的实验现象又需要逻辑推理和想象能力。所以，化学教学要充分利用教科书安排的实验，或根据具体教学内容和学生认知水平增设相关实验，让学生基于实验开展学习活动，同时丰富他们对实验的体验和认识。

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表2 苏教版教科书中探究温度对化学反应速率影响的实验

同样是以探究浓硫酸与铜反应的性质为目的，可以从不同的角度思考产物检验和尾气处理等有关问题，从而设计和选择不同的实验方案。有教师在比较人教版、沪科版、苏教版等化学必修教科书，以及有关学科教学期刊载文中浓硫酸与铜反应实验改进方案的基础上，提出自己的改进意见，共涉及10 多种浓硫酸与铜反应的实验方案。由于化学教学中的“科学知识在整个学科体系中是比较成熟和稳定的，相关的科学教学实验，尤其是验证性实验的现象和结果应该是在可预测范围之内的”。［2］所以这些不同的实验方案，在用常规的化学方法检验反应产物中硫酸铜和二氧化硫时，对应的都是“反应后的溶液呈蓝色”和“产生的气体能使品红溶液褪色”等特征现象，只是相关现象在装置中出现的位置和形式有所不同。［3］也就是说，这些关于浓硫酸与铜反应的不同实验有着目的、方案、现象和结论等相同的组成要素，虽然实验方案有所不同，但都能得到相应的现象和结论，从而实现实验的目的。

由于在化学实验的组成要素中，思维是联结实验方案、现象和结论的重要纽带，这就决定了实验在培养学生思维能力方面有着其他途径难以替代的独特价值。为此，化学教学就要利用好思维在实验中的纽带作用，以获取培养学生思维能力的更多机会。

图2 化学实验组成要素之间的关系

三、对化学教学的启示

综上，就高中化学学科以探究物质性质或化学原理为目的实验而言，方案、现象和结论等要素之间的关系如图2 所示。其中，实验目的与实验结论相对应，实验方案是使物质性质或化学原理（实验结论）以一定现象外显的手段，根据物质性质或化学原理（实验结论）设计的实验方案具有多样性的特点，当设计和选定实验方案时，可以根据物质性质或化学原理（实验结论）通过思维实验预测其实验现象，而观察获取的现象则是通过思维加工概括提取物质性质或化学原理形成结论实现目的的关键性事实材料。换言之，在高中化学学科以探究物质性质或化学原理为目的的实验中，除了让物质性质或化学原理外显为实验现象的过程，需要借助动作技能实施实验方案以外，思维是联结实验方案、现象和结论的重要纽带。

前文讨论的浓硫酸与铜反应的实验，属于以探究物质性质为目的的实验，同时是教科书中的演示实验，还是学生必做实验“B3 不同价态含硫物质的转化”的重要组成部分。由于浓硫酸固有的性质决定它在加热条件下能与铜反应生成硫酸铜、二氧化硫和水，所以无论设计怎样的实验方案来探究浓硫酸的这一性质，其特征现象都可以根据实验方案和物质性质进行精准预测。即使在实验中运用手持技术，使产生气体或发生颜色变化等常规现象被有关曲线所替代，曲线的变化趋势也可以根据物质性质及其量的改变进行预测。

下面再以“B6 化学反应速率的影响因素”为例讨论原理性实验的情况。由于浓度、温度、催化剂等因素对化学反应速率影响的普遍性，以探究影响化学反应速率的因素为目的的实验方案，可以选择不同物质的性质实验，只要在改变有关因素时能产生明显相关的实验现象，就符合实验设计的要求。苏教版高中化学必修下册和选择性必修1 化学反应原理教科书在探究影响化学反应速率的相同因素时，就选择了不同物质的性质实验，同时也对应不同的实验现象。其中探究温度对化学反应速率影响的实验如表2。

其次，要注意优化实验教学程序。化学学科不仅具有“以实验为基础”的基本特征，而且“具有以物质为中心的‘宏观—微观—符号’三重表征的独特思维结构”，［5］实验过程中所获得的“宏观”现象是化学“宏观—微观—符号”三重表征思维活动的起点，这也表明让学生通过实验认识物质性质、理解化学原理是化学教学的基本途径。为了更好地促进学生基于实验的“宏观”现象，开展“宏观—微观—符号”结合的思维活动，教师要有意识地对实验目的、方案、现象和结论等要素进行剖析，深度挖掘其中的思维成分，运用“情境→问题→实验→讨论”等教学程序，促进学生调动个人经验和知识储备积极参与认知的全过程，让他们通过对实验现象的思维加工等活动，在获取有关化学知识的同时提升相应的思维能力。

第三，要深入挖掘实验教学资源。有调查表明，“不同的实验教学方式会带来中学生思维发展过程中思维形式、思维内容和思维类型三个方面的差异”。为此，化学教学要注意利用丰富的实验资源“均衡发展学生各类思维”。［6］除了真实的实验情境或预料之外的实验现象，能引起学生的真实探究与深度学习以外，一些以真实情境为基础的实验习题也是实验教学的重要资源，指导学生结合这些实验习题进行相应的“超越技术限制”的思维实验，不仅能发挥化学实验对其中物质性质和化学原理的探究与验证功能，促进学生通过对性质实验或原理性实验中情境问题的解决，深入理解和掌握有关的物质性质和化学原理，同时能在调动学生思考“是什么”“怎么做”“为什么”等问题的过程中，使他们的分析、综合与评价等高阶思维能力得到同步锻炼。

创新创业教育是高校主动应对市场经济的需求、适应信息化下激烈的全球竞争而提出的重要举措。2012年开始，我国经济增速转向中高速增长;第四次工业革命以互联网、智能制造等创新型技术革新为主导，创新创业对经济的贡献力逐渐增强。据统计，每位在校本科生都有机会接受一次创业教育方面的培训。［1］创新创业教育的目标，是通过创业教育教学，使学生掌握创业的基础知识和基本理论，熟悉创业的基本流程和基本方法，了解创业的法律法规和相关政策，激发学生的创业意识，提高学生的社会责任感、创新精神和创业能力，促进学生创业就业和全面发展。

总之，思维能力是化学学科能力的核心，对学科能力的其他要素具有统摄作用。化学学科要重视实验在教学中的广泛运用，并注意提高实验教学的思维含量，在发挥化学实验德育、智育、美育以及劳动教育等功能的过程中，让学生通过实验诸要素之间的推演或转换获得思维能力的不断进阶，从而实现学科素养的全面提升。