以學生為中心優化高中化學實驗教學的實踐策略

董作寶 楊輝振 劉秀蓮

【摘要】本文基于2020年修訂版普通高中化學課程標準的分析，論述過去化學學科教學存在學生主體地位不突出、教學方法較為落后等問題，提出以學生為中心優化高中化學實驗教學的實踐策略：引導學生自主設計實驗方案，落實化學實驗原理教學；學生自主開展實驗操作，提高學生的自主學習能力；指導學生自主改進實驗方案，發展學生的辯證思維；引導學生自主驗證實驗效果，提高學生的思維能力和創新能力。

【關鍵詞】以學生為中心 化學實驗教學 實踐策略

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）26-0070-06

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱化學課標）指出，化學實驗是探究和學習化學物質及其變化的基本方法，是學生開展科學探究的一種重要途徑?；瘜W課程的大多數理論知識建立在實驗現象分析和實驗結論歸納的基礎上。然而，傳統的高中化學實驗教學主要是以課堂教學為主，教師講、學生聽，更注重專業理論知識的傳授，忽略了學生個性化思維的發展，不利于學生創新精神、創新意識的培養。要想改變這一狀況，首先要改變教師的傳統教學觀念，突出以學生為中心的教育教學理念，構建以學生學為主、以教師教為輔的教學體系。只有這樣才能真正激發學生進行化學實驗、科學探究的興趣，從而切實提高化學實驗教學的有效性，促進學生化學學科核心素養的全面發展。

根據化學課標所提，高中化學學科核心素養包括宏觀辨識與微觀探究、變化理念與平衡思想、證據推理與模型認識、實驗探究與創新意識、科學精神與社會責任等五個維度。其中，前三個維度旨在培養學生的化學思想方法，第四個維度的目的是讓學生在實踐中進行創新，第五個維度則指向科學品質、品格培養等更高層次的目標。實驗是學生學習化學知識，探究各種物質的關系及物質的相互作用、相互反應的主要路徑，是學習高中化學學科理論知識的重要載體。由此可見，有效實施高中化學實驗教學，是培養學生化學學科核心素養的重要路徑。筆者認為，高中化學實驗教學只有通過讓學生自主設計或改進實驗方案并動手實踐操作，突出以學生為中心的教學理念，使教師成為實驗教學活動的組織者、合作者、支持者，才能徹底轉變過去“填鴨式”的實驗教學方式，轉變學生的學習方式，使化學學科的學習回歸學科本源，同時促進學生形成自主學習的能力，為學生的未來發展創造更大的可能性。

一、引導學生自主設計實驗方案，落實化學實驗原理教學

根據化學實驗原理引導學生自主設計實驗，讓學生學會解釋生活中的化學現象和解決實際問題，這是化學實驗教學的一個重要教學目標。設計化學實驗方案需要考慮如下四個方面的問題：一是實驗方案是否具有可行性，二是實驗順序是否科學，三是實驗現象是否直觀，四是實驗結論是否正確。學生通過自主設計實驗方案，不僅能夠進一步熟悉所研究的化學物質的基本性質和特性等，激發對化學學科的學習興趣和熱情，而且有利于發展自身的證據推理與模型認識、實驗探究與創新意識等學科核心素養。

如在制備碳酸并驗證其生成的實驗教學中，學生需要充分了解強酸、弱酸等化學物質的各種特性、反應原理，然后才能根據強酸制弱酸的原理設計實驗方案。所謂強酸制弱酸原理，是指由于強酸溶于水時完全電離為酸根離子與H+，而弱酸溶于水時則不能完全電離，當強酸與弱酸的鹽發生反應時，H+與弱酸根離子結合生成相應的弱酸。完成這個實驗的具體流程如下：首先在分液漏斗中裝入強酸，然后在大試管中放置固體藥品，接著在大試管中裝入澄清石灰水，最后擰開分液漏斗的開關閥，觀察物質反應現象和結果。實驗裝置如圖1所示，其中①為分液漏斗，②③為兩支大試管。為了讓學生更加清楚地認識制備碳酸的過程和原理，理解各種反應現象，筆者設置了三個反應實驗，并要求學生在按規定做好安全預案的前提下自主制訂反應實驗方案，然后自主開展實驗探究，觀察實驗現象，并根據實驗現象總結出實驗結論，最后針對相關現象進行深入分析，進行實驗評價，提出改進建議（如表1所示）。

在整個實驗教學過程中，為了更好地完成實驗設計的任務，學生在教師的引導和幫助下，自主對強酸制弱酸的化學原理進行梳理和開展更有深度的學習，自主學習實驗中各種化學物質的反應原理，而且將知識鏈拓展到了沉淀溶解體系。然后，學生根據相關知識和原理的學習，自主設計實驗方案，并經過三次反復修改實驗方案，最終設計出合理、有效的實驗方案。讓學生自主探索的教學方式，不僅能讓學生更加深刻地理解各種化學物質的特性、性質，了解化學物質間的反應原理，還可以充分調動學生的學習和探究欲望，提高學生的自主學習能力、解決問題的能力，促進學生化學學科核心素養的發展。

二、學生自主開展實驗操作，提高學生的自主學習能力

化學實驗具有很強的操作性，學生只有通過實操才能更加準確、深刻地理解化學物質、化學學科，明白學習化學知識的現實意義。引導學生進行廣泛的實驗操作意義重大：一是要想有序、有效地完成實驗操作，學生就要對化學物質、實驗用具的使用原理和步驟有清楚、精準的認知，有利于學生更加深刻地理解化學反應原理，以及各種化學物質的性質和特性；二是在實驗過程中，學生要嚴格按照計劃、方案進行實驗操作，要制訂明確的實驗目標和科學的實驗步驟，有利于發展學生的策劃能力、協調溝通能力、統籌能力等；三是在整個實驗過程中，學生既要相互監督，確保各實驗操作步驟規范、有效，又要相互配合確保實驗流程能夠有序開展，有利于促進學生合作能力、團隊意識的培養；四是在完成實驗過程中，教師要以學生為中心，突出學生的個性化學習需求，對學生進行更有針對性的學習指導，有利于充分激發學生的學習主觀能動性，提高學生的自主學習能力。

為了充分調動和發展學生的學習能力和實驗操作能力，筆者在日常教學中主要采取對學生進行反復實驗操作訓練的教學方式，取得了較突出的教學效果。比如關于物質的量濃度這一內容的教學，本課教學的目標是讓學生掌握在進行物質配比或化學實驗時，正確、精準、快速地確定各種化學物質的濃度和用量，并配置出濃度合適的溶液。如在本課中，筆者給學生布置了如下任務：配制100 mL濃度為1.00 mol/L的NaCl溶液。在開展任務學習前，筆者首先要求學生根據“學習能力較強+學習能力較弱”的原則進行分組，然后向學生講解實驗注意事項，接著由各小組學生合作學習配置NaCl溶液需要的原料、原料的特性和特質、化學物質的反應原理，以及學習天平秤、稱量紙的用法，并嘗試設計溶液配制方案，再進行實驗操作。在實驗操作過程中，主要由各小組學生根據本組設計的實驗方案進行實驗操作，筆者則通過巡堂觀察學生的實驗操作是否規范、科學，使用天平秤稱量化學物質的操作是否正確。同時，為了確保各小組學生都能順利完成實驗，提高學生的學習效率和效果，筆者還根據實驗內容設置了相應的評價問題（如表2所示），如針對“天平秤的使用”這一內容設計了“稱量藥品時天平是否調平衡？指針是否歸零？用稱量紙還是燒杯稱量？”等評價問題，然后采取學生自評、組員互評、教師點評的方式，科學、全面地評價學生操作實驗的全過程。

在本課教學過程中，筆者通過讓學生動手實操的方式，引導學生逐步掌握了天平秤、稱量紙等的規范用法，掌握了配備化學溶液的科學方法，取得了較好的實驗教學效果。同時，筆者通過多元化評價方式，讓學生既要進行自我評價，又要進行組員、小組互評，在促進學生思辨能力、評價能力發展的同時，也較全面地展現了學生的學習情況、學習效果，促使學生較快地掌握各種知識，提高了學生的學習能力。

三、指導學生自主改進實驗方案，發展學生的辯證思維

高中化學學科的實驗種類和實驗內容非常豐富，而且都具有很強的實操性和探究性。在具體的學習過程中，學生表示針對同一個實驗會存在不同的實驗方案，如何選擇最有效的實驗方案是學生學習的重點和難點。為了提高學生的實驗操作能力，促進學生思辨思維、甄別思維的發展，在具體教學過程中，筆者主要采取讓學生自主設計實驗方案、自主操作實驗方案，并在操作過程中不斷改進實驗方案的教學方式。教師要引導學生在一步步改進、完善實驗方案的過程中，不斷加深對化學物質、實驗原理、化學物質特性的理解，掌握規范操作實驗的步驟和方法，了解各種實驗器具的使用方法和維護方法，進而逐步提高學生的學習能力，促進學生化學學科核心素養的全面發展。

如在開展“探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性”這一內容的教學時，筆者以教材所提供的實驗方案為基礎，在教學過程中逐步引導學生開展三次實驗操作，讓學生對教材實驗方案不斷進行改進、優化，形成了實驗改進方案I和實驗改進方案II，學生的自學能力、合作探究能力、辯證思維在這個過程中得以逐步發展。

本課教學所使用的教材為人教版教材，教材中關于“探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性”的實驗方案為：實驗裝置如圖2-1所示，利用兩根大小試管進行套裝，大試管A裝入Na2CO3，小試管B裝入NaHCO3，小試管B套入大試管A中，然后對兩支試管同時進行加熱，兩支試管分別有導管將氣體導入到a、b兩支裝有澄清石灰水的試管中，驗證是否分解生成CO2。在這個實驗中，操作的關鍵點有兩個：一是同時加熱且Na2CO3的受熱溫度高于NaHCO3，二是可能分解生成的CO2要分別進行檢測。為了讓學生更好地完成該實驗，筆者設計了“如何實現兩種藥品同時加熱？”“如何實現可能分解生成的CO2分流導出分別檢測？”兩個思考問題，引導學生對實驗關鍵點進行合作探究。

通過小組合作探究，學生很快發現教材中的實驗方案存在實驗裝置設置不夠簡便、實驗效果不夠理想的問題。于是，學生對教材的原實驗方案及實驗裝置進行了改進，形成了實驗改進方案I，實驗裝置如圖2-2所示。利用玻璃直導管，在中間放置C石棉網或者銅絲網作為間隔，藥品A為Na2CO3，藥品B為NaHCO3，利用酒精排燈進行加熱以實現A、B兩藥品同時受熱且受熱溫度基本一致，由于中間有隔斷存在，可能產生的CO2會分別通入裝有等量澄清石灰水的a、b兩支小試管中。通過這樣的改進，新的實驗方案具有如下三個方面的優點：一是改進后的實驗相對于原來的套管實驗，裝置更加簡單；二是利用酒精排燈進行加熱，兩種藥品的受熱時間和溫度基本上實現同步；三是基本上可以實現可能分解生成的CO2分流導出分別檢測。但同時也還存在“由于中間的隔斷沒有密封，因此有可能會導致少量的CO2氣體交叉干擾”的缺點。

為此，筆者引導學生進一步從氣體分流的角度改進實驗，同時考慮熱源的穩定性和同步性。在此基礎上，學生對實驗改進方案I做了進一步的改進，形成了實驗改進方案II：實驗裝置如圖2-3所示，用數控電爐作為熱源對放置藥品的U型管進行加熱，U型管底部用石棉或者銅絲網（C）作為隔斷，左右兩邊分別放置Na2CO3和NaHCO3（A和B），U型管上口分別將氣體用導管引入裝有澄清石灰水的a和b兩支試管中。實驗改進方案II具有如下兩個方面的優點：一是利用數控電爐作為熱源，提高了加熱的穩定性和同步性，甚至可以做到以溫度作為變量探究Na2CO3和NaHCO3的熱穩定性；二是U型管可以很好地將可能產生的氣體分流導出。但同時也還存在“數控電爐屬相對稀缺的實驗儀器，導致實驗方案不宜普及”的缺點。

在整個教學過程中，學生在教師的引導下，逐步發現原實驗方案存在的問題，并利用現有的實驗條件對實驗方案進行反復探究，形成了更有效、更科學、更合理的實驗方案。在對實驗方案進行改進、優化的過程中，學生對相關化學物質的性質、實驗裝置的配置和使用、實驗過程的操作方法，以及對相關實驗現象的觀察、分析等知識都有了較深刻的理解，學生的學習能力、思維能力等也在這個過程中得到較好地發展。

四、引導學生自主驗證實驗效果，提高學生的思維能力和創新能力

實驗效果是驗證實驗操作是否成功的主要標準。然而，在實踐教學過程中，仍有不少教師將實驗效果驗證視為教學難點，甚至不知道如何有效開展實驗效果驗證。通過長期的教學實踐，筆者認為要想有效開展實驗效果驗證教學，應當堅持如下兩種思維：一是通過限制不同的實驗條件，讓學生進行相同的實驗操作，然后對不同的實驗現象進行對比分析，從而論證實驗原理和實驗效果；二是通過實驗原理的遷移，將實驗在空間或時間上進行分割，使實驗表征得以凸顯，從而驗證實驗效果。

因此，筆者認為，在實驗教學中，化學教師應引導學生對實驗原理進行深入分析，依循實驗探究的上述兩種思維，或是從實驗安全性、科學性、規范性和實驗現象的直觀性等角度，對實驗條件變量進行限制；或是將同一實驗的不同部分在空間、時間上進行割離，在創新改良實驗方案的同時使學生形成良好的實驗思維。通過運用不同維度、不同層次的思維，引導學生從實驗原理、實驗操作、實驗效果等方面對同一實驗進行對比分析，能夠有效發展學生的思維能力和創新能力。

如在開展關于銅和稀硝酸反應的實驗教學時，筆者就通過讓學生通過反復修改實驗方案的方式，促進學生思維能力和創新能力的提高。銅和稀硝酸的反應是人教版高中化學教材中一個重要的實驗項目，教材的實驗方案是讓學生將銅片投入稀硝酸中，然后觀察其反應現象：紅色的銅片逐漸溶解，同時表面產生無色氣泡，無色溶液逐漸變成藍色，無色氣泡逸出液面后迅速變成紅棕色。但是，在實踐教學中，筆者發現這個實驗方案存在如下問題：在根據這一方案進行實驗的過程中，多個實驗現象會在短時間內同時出現，但由于時間很短，學生難以客觀、全面地觀察和記錄各個實驗現象，而且學生之間會相互造成干擾。同時，實驗過程中還會出現無色氣泡干擾對銅片逐漸溶解的觀察、藍色溶液形成干擾氣泡顏色的觀察，以及學生不能仔細觀察記錄無色的NO轉變成紅棕色的NO2的現象等問題。這樣的實驗方案很不利于學生對實驗原理的認知、實驗現象的觀察和分析，不利于學生進行深度學習。

要想取得良好的實驗教學效果，就要將實驗現象逐個分離開來，以便學生進行更好的觀察、記錄和分析。根據這樣的思路，筆者聯系原電池反應中的氧化反應、還原反應分別在負極和正極發生的實際，確定利用銅和稀硝酸氧化還原反應設計原電池裝置將相關實驗現象分離開來。然后，筆者引導學生設計新的實驗方案，形成了改進實驗方案I，再讓學生根據新的實驗方案和實驗裝置（如圖3-1所示）觀察實驗現象：在左邊的燒杯中可以觀察到銅棒逐漸溶解，無色溶液慢慢變成藍色；在右邊的燒杯中可以看到碳棒表面慢慢生成無色氣泡，其逸出液面后，迅速變成紅棕色。這一實驗方案較教材中的實驗方案有了很大改進，能夠有效將部分實驗現象分離開來，有利于學生觀察、記錄和分析實驗現象。但是，由于整套裝置處于相對開放的環境，有害氣體NO和NO2不能有效控制和處理，這是改進實驗方案I存在的最大問題。

為了進一步優化實驗方案，筆者要求各小組學生進行組內研討，尋找有效處理NO和NO2等氣體的方式。經過小組合作探究，學生很快提出了解決方案：利用U型管設計原電池，碳棒一端用膠塞封閉，開兩個小孔，一個孔插入碳棒電極，另一個孔插入連接注射器的玻璃導管；接通電路前，先用注射器抽空U型管右端的空氣使液面上升至膠塞處，再接通電路（如圖3-2所示）。由此，可以觀察到如下實驗現象：①紅色的銅棒逐漸溶解；②銅棒周圍的溶液由無色變成藍色；③U型管右邊的碳棒上逐漸逸出無色氣泡，無色氣泡聚集在上端將液面壓下；④最后將注射器中的空氣緩緩壓入，可以看到無色氣體逐漸變為紅棕色。經過改進的實驗方案II不僅比方案I更易于操作，而且能夠更長時間、更直觀地呈現部分實驗現象。這是因為，一方面由于提前將實驗裝置中的空氣抽走，學生可以較長時間地觀察NO氣體的顏色，同時通過注射器將抽出的空氣再次壓入實驗裝置中，可以更直觀地觀察NO變成NO2時的顏色漸變過程；另一方面由于整個實驗裝置是密閉的，有害氣體排放污染的問題也得到了有效解決。

在整個實驗教學過程中，學生以小組為單位自主觀察、記錄各種實驗現象，并通過記錄的數據對各種實驗現象進行較深入的分析，發現實驗過程中存在的種種問題，然后通過小組合作探究的學習方式，尋找解決問題的有效方案。在此過程中，學生的主體地位得到了全面凸顯，學習主觀能動性得到了充分調動。這樣的教學方式不僅極大地激發了學生的學習積極性，還有效提高了學生的思維能力和創新能力。

化學是一門基于生活、基于實驗的科學，要想有效實施化學學科教學，就要堅持“以學生為中心”的教學觀念，將學生熟悉、貼近生活實際的化學現象引進課堂教學，并充分調動學生參與實驗、改進實驗、完善實驗的積極性，讓學生真正沉潛學習，真正提高學生的學習能力和化學學科核心素養。

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注：本文系廣西教育科學“十四五”規劃2021年度廣西高考綜合改革專項重點課題“新高考背景下農村高中學生化學實驗素養提升的研究與實踐”（2021ZJY1738）、廣西教育科學“十四五”規劃2021年度廣西高考綜合改革專項課題“新高考背景下學校校本課程開發的實踐研究——高中化學校本課程《美麗化學》開發為例”（2021ZJY1753）的研究成果。

作者簡介：董作寶（1980— ），廣西貴港人，正高級教師，曾獲廣西優秀教育工作者、廣西化學基礎教育獎、廣西優秀化學教師等榮譽，主要研究方向為高中化學校本課程開發、高中化學試題命制與評價等；楊輝振（1980— ），廣西賓陽人，高級教師，主要研究方向為高中化學校本課程開發、高中化學試題命制與評價方面等；劉秀蓮（1980— ），廣東大埔人，一級教師，主要研究方向為高中化學學科教學。

（責編 蒙秀溪）