基于核心素養的高中化學探究性實驗教學探索

毛海紅　洪茲田

摘? ?要：倡導增進學科理解的教學是核心素養視域下促進課堂轉型的應然要求，而探究性實驗教學立足學科本源，將實驗作為撬動教與學方式轉變的重要支點。以人教版必修二“化學反應限度”的教學為例，探索基于探究性實驗增進對“可逆反應”的理解。通過將實驗探究與問題驅動、活動環節有效融合，提高學生基于探究實驗情境解決真實問題的能力，進而增進學科理解、構建素養為本的思維課堂。

關鍵詞：高中化學；探究性實驗；核心素養；學科理解；可逆反應

1? 問題的提出

素養為本的教學強調精選學科內容，使課程內容結構化、情境化。從“素養為本”的教學實際出發，掌握學科的核心內容、理解學習的過程是課程層面與教學層面理解的基礎，是落實立德樹人根本任務?；趯W科理解視角，開展以生為本的探究性實驗教學，強化了學生學科思想的形成及學科能力的培養，提升了學生的學科核心素養。

探究性實驗教學活動，可使學生主動參與課堂學習，進行積極思考和探索，認真操作和實踐，利用已有的化學知識和實驗基本操作技能，引導學生構思和設計實驗，并對化學知識和實驗技能進行相互轉化，呈現可行的實驗方案來實現化學實驗的目的和要求需要，從而進行培養學生核心素養目標的課堂改革[ 1 ]?；趯瘜W學科內容的認識視角與認識思路不同，將具體的實驗探究內容與與教師引導有效結合，增強學生運用已有知識解決問題的能力，體驗化學知識原理、思維方式在生產生活實際問題中的廣泛應用。

2? 探究性實驗的核心素養功能[ 2 ]

2.1? 培養“宏觀辨識與微觀探析”素養

探究性實驗教學可強化學生利用宏觀與微觀、現象與本質相結合的方法分析和解決化學問題。例如，通過FeCl3溶液與KI溶液的試管實驗，引導學生從宏觀現象入手，分析微觀過程，進而建立可逆反應的概念和反應模型，通過直觀的現象，加深對可逆反應特點的認識，培養“宏觀辨識與微觀探析”的素養。

2.2? 培養“變化觀念與平衡思想”素養

探究性實驗讓學生真實參與到實驗的探究、討論分析過程中，動手實踐，使抽象的概念可視化，切身經歷知識的形成，進一步了解化學變化的本質特征，從不同角度認知化學反應，培養學生“變化觀念與平衡思想”的素養。

2.3? 培養“證據推理與模型認知”素養

探究性實驗教學體現了“學為主體，教為主導”的理念。例如，可通過顏色變化、電流值的變化理解可逆反應，幫助構建化學平衡的模型，通過“宏觀—微觀—曲線—符號”四重表征理解化學反應的限度，幫助學生從多角度直觀地進行概念的建構，培養學生“證據推理與模型認知”的學科核心素養。

2.4? 培養“科學探究與創新意識”素養

探究性實驗是指在教師的引導下，以學生為主體的實驗教學策略。探究性實驗教學活動使得學生的學習過程由被動接受變為主動參與、積極探究，但前提是學生能夠預習、產生疑問，通過提出問題、設計實驗、進行實驗、收集證據、得出結論和反思總結等過程，獲得認知，最終升華為科學探究與創新意識素養的提升。

2.5? 培養“科學態度與社會責任”素養

探究性實驗教學活動中所使用的藥品和用量都必須嚴格按照要求進行，如果出現操作失誤，可能會導致實驗失敗。這就需要學生自行分析失敗原因，并對實驗操作過程進行改進，從而培養學生實事求是的科學態度和嚴謹的科學精神。同時，實驗過程中應綠色環保，盡量不污染環境，從而培養學生的社會責任。

3? 探究性實驗的教學模式

探究性實驗的教學模式如圖1所示。

4? 探究性實驗的教學實施——以“化學反應限度”教學為例

4.1? 探究性實驗教學的基本程序[ 3 ]

4.1.1? 確定內容

以人教版必修二“化學反應限度”的教學為例，學生初次學習化學反應限度，重點在于對可逆反應的理解。在選修四《化學反應原理》的第二章第三節中重點通過可逆反應進行化學平衡模型的建構，進一步對化學平衡和影響平衡的因素進行認識，深化化學平衡原理。另作為本節內容，可對化學平衡的實際應用產生指導價值，同時深化對化學反應限度的理解和應用。

4.1.2? 提出問題

從完全反應到可逆反應，學生的認知能力和實驗能力會進行一次較大的跨越。在此過程中，實驗探究是學習和理解可逆反應的重要途徑，宏觀實驗現象與微觀曲線圖承載的功能截然不同。如何使學生運用實驗進行探究、建立認知模型、運用模型解釋化學現象等是本節課教學中重點要解決的問題。

4.1.3? 設計方案

通過反應“2Fe3+ + 2I-？葑2Fe2+ + I2”，觀察宏觀現象（如：溶液顏色變化）與微觀現象（如：電流方向的變化），讓學生認識可逆反應以及可逆反應的特征，并進一步體會化學反應中限度的廣泛存在，引導學生初步建立平衡的思想，讓學生在探究性實驗教學中深刻感受發現與分析問題、思考與解決問題的過程。

4.1.4? 實驗驗證

基于對核心素養的理解與探究性實驗教學進行整合，將學生帶入實驗，激發他們的學習興趣，使他們能夠積極主動地利用實驗現象進行思考與質疑、分析與推理，最終解決問題。

4.1.5? 得出結論

進行“定性實驗”與“定量實驗”相結合，加深學生對于可逆反應的理解，幫助建構化學平衡的模型，通過“宏觀—微觀—曲線—符號”四重表征理解化學反應的限度，幫助學生從不同角度進行概念建構。

4.1.6? 實踐應用

通過對可逆反應相關實驗的探究性教學，知道可逆反應有一定限度。學生可將探究成果應用到生活實踐中，有利于強化化學學科理解的探究性實驗教學成果。

4.2? 素養目標達成

從宏觀實驗現象入手，設計問題，分析問題，產生新的疑問，呈現微觀電流方向變化曲線，得到實驗現象背后的本質，并用離子反應方程式進行符號表征。學會將宏觀與微觀、現象與本質相結合的方法運用到實驗所產生的現象中，從而發展“宏觀辨識與微觀探析”素養。

在對可逆反應進一步的實驗探究教學中，自主發現問題，做出有依據的假設，通過實驗現象，收集證據，書寫離子反應方程式，建構認知模型，發展“證據推理與模型認知”素養。

4.3? 教學簡要流程

簡要的教學流程如圖2所示。

4.4? 教學實施過程[ 4 ]

4.4.1? 初步實驗，引起思考

實驗探究1：FeCl3溶液和KI溶液發生如下反應：2Fe3+ +2I- → 2Fe2+ + I2，請思考該反應是否為可逆反應？

實驗藥品：1 mol/L KI溶液、1 mol/L FeCl3溶液、CCl4、KSCN溶液等。

實驗儀器：量筒、試管、膠頭滴管等。

小組進行交流與討論，設計實驗可行方案。

分組實驗：在試管中加入約10 mL 1mol/L KI溶液，再加入約1 mL 1 mol/L FeCl3溶液，充分反應后加入等體積的CCl4溶液，振蕩且靜置，在上層液中滴加硫氰化鉀溶液，觀察現象。

實驗現象：分層；下層為紫紅色；上層變血紅色。

設計意圖：經歷該實驗過程，讓學生在實驗中觀察，在觀察中分析問題，發展學生“科學探究與創新意識”的核心素養。

4.4.2? 引發思考，提出問題

問題1：為什么CCl4層會變成紫紅色，上層液滴加硫氰化鉀會變血紅色？

教師指導學生從實驗現象分析實驗產物，確定2Fe3+? + 2I- ？葑 2Fe2+ + I2是可逆反應。結合以上兩點定性了解可逆反應。

問題2：究竟是Fe3+ 沒有充分反應，還是反應逆向進行？

教師引導學生思考，引出下一個探究性實驗。

設計意圖：通過實驗所產生的宏觀現象，引導學生進行分析，培養學生的分析能力，同時要求學生注意發現實驗中存在的問題。

4.4.3? 實驗探究，方法滲透

實驗探究2：能否從定量的角度更直觀的“看出”可逆反應的正向、逆向進行？

實驗藥品：0.1 mol/L FeCl2溶液、1 mol/L KI溶液、1 mol/L FeCl3溶液、碘單質、瓊脂、飽和KCl溶液。

實驗儀器：U形管、石墨電極、微電流傳感器、數據采集器、計算機。

分組進行交流與討論，設計實驗方案。

分組實驗：連接裝置，向U形管正極區加入約10 mL 0.1 mol/L FeCl2溶液，向負極區加入約10 mL 1 mol/L KI溶液和少量碘單質，開始實驗，學生可觀察到電流的變化。反應進行一段時間后，向正極區加入約1滴管1 mol/L FeCl3溶液，得到電流隨時間的變化（圖3）。

小組匯報實驗結果。實驗現象：電流曲線從開始時逐漸減小到平穩，加入FeCl3溶液后，電流由負變正，方向發生變化。

設計意圖：經歷“2Fe3+ + 2I- ？葑 2Fe2+ + I2”定性實驗到“2Fe3+ + 2I- ？葑 2Fe2+ + I2”定量實驗的分析過程，使學生感受探究性實驗教學中發現與分析問題、思考與解決問題的過程，并且在實驗探究活動中提升拓展，滲透育人價值，讓學生在潛移默化中接受教育，培養學生的實驗觀察能力與解決問題的能力。

4.4.4? 問題層層遞進，促進深度理解

問題1：電流為負，說明2Fe3+ +2I-? 2Fe2+ + I2正在向哪邊進行？

電流傳感器的紅線連接石墨，浸人FeCl2溶液的一端；電流傳感器的黑線連接石墨，浸入KI、I2混合溶液的一端。如果FeCl2溶液的一端為正極區，KI、I2混合溶液的一端為負極區，電流應該為正?，F在電流為負，說明FeCl2溶液的一端為負極區，發生氧化反應，電極反應式為：2Fe2+ - 2e- = 2Fe3+；KI、I2混合溶液的一端為正極區，發生還原反應，電極反應式為：I2 + 2e- = 2I-。即反應向逆方向進行。

問題2：向FeCl2溶液的一端加入約1 mL 1 mol/L FeCl3溶液后，曲線出現如圖3所示的突變，說明什么？

電流由負變正，說明該反應方向發生變化。原FeCl2溶液的一端由負極區變為正極區，發生還原反應，電極反應式為：2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+；原KI、I2混合溶液的一端由正極區變為負極區，發生氧化反應，電極反應式為：2I- - 2e- = I2。實驗中通過改變溶液濃度，實現了反應方向的逆轉。

問題3：電流的負與正，說明什么？如果電流為0，表示什么？

電流為負，則說明逆反應速率大于正反應速率；電流為正，則說明正反應速率大于逆反應速率；電流為0，則表示正反應速率等于逆反應速率，即反應達到平衡狀態。

設計意圖：通過問題的層層遞進，促使學生理解可逆反應，同時說明可逆反應有一定限度。

通過對可逆反應的探究性實驗教學，學生知道可逆反應是有一定限度的；通過對可逆反應過程中電流方向變化曲線的分析，加深了學生對可逆反應的理解，在此基礎上建立起化學平衡的概念。

設計意圖：強化學生對本節知識的理解，從而產生強烈的探究意識和學習欲望，以真正達到學科育人、立德樹人的效果，增進對化學學科的理解；同時進一步體現學生的主體性，擴大學生學習的自主權，發展自主學習能力。

4.5? 教學效果反饋

本節課中實驗探究環節探究充分，實驗現象明顯，學生探究積極性高，發現問題，解決問題快速、高效。利用實驗的宏觀現象引出問題，分析問題并設計實驗進行探究，解決問題，突破難點，體現了探究性實驗中問題引導的重要性?；谔骄啃詫嶒灅嫿ɑ瘜W平衡的認知模型。從宏觀實驗現象入手，引導學生收集信息，得出結論，發展學生多角度直觀地進行概念和模型建構[ 5 ]。利用圖像進行進一步的解釋與印證，分析實驗現象背后的本質，并用離子反應方程式、電極反應式進行符號表征，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”素養。

5? 探究性實驗教學的實施建議

5.1? 從定性到定量，提升問題解決能力

探究性實驗教學從定性分析到定量分析，不但更高效地完成教學任務，而且學生能熟練掌握并遷移應用本節課知識，應用到生產生活中實際問題的解決，培養學生獨立思考的能力，提升基于學科理解的探究性實驗教學模式。

5.2? 深入挖掘探究性實驗的教育教學價值

探究性實驗教學有利于加深對化學概念性知識的理解，對于概念性知識，可以通過探究實驗的形式使學生積極參與，并利用實驗中所產生的現象去分析、解決問題，從實驗中去認識學科性知識，再將這些知識運用到實踐中，從而加深學生對學科知識的理解和認知。

5.3? 增強“科學探究與創新意識”素養

基于探究性實驗教學培養學生科學探究與創新意識、增強學生設計實驗的能力，學生由宏觀現象提出問題進行思考，并對實驗進行討論、設計，加以驗證實驗設計的可操作性，在進行探究時對遇到的實驗現象隨時記錄，注意分析、思考實驗現象，從而增強學生的求知欲望和創新能力。

參考文獻：

［1］ 周揚. 基于培養學科核心素養的高中化學探究性實驗研究[D].北碚：西南大學，2020.

［2］ 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：3-4.

［3］ 毛海紅，洪茲田，葉建偉.基于技術視角發展核心素養的“原電池”教學[J].實驗教學與儀器，2020，37（2）：17-20.

［4］ 李南方，汲東昌.Fe3+與I-反應可逆性的數字化實驗設計[J].實驗教學與儀器，2018，35（5）：39-40.

［5］ 洪茲田，羅德炳，張賢金.基于學科核心素養培養的高三化學復習教學重構：以“有機制備實驗”復習教學為例[J].化學教學，2019（6）：60-65.