以学生为中心优化高中化学实验教学的实践策略

董作宝 杨辉振 刘秀莲

【摘要】本文基于2020年修订版普通高中化学课程标准的分析，论述过去化学学科教学存在学生主体地位不突出、教学方法较为落后等问题，提出以学生为中心优化高中化学实验教学的实践策略：引导学生自主设计实验方案，落实化学实验原理教学；学生自主开展实验操作，提高学生的自主学习能力；指导学生自主改进实验方案，发展学生的辩证思维；引导学生自主验证实验效果，提高学生的思维能力和创新能力。

【关键词】以学生为中心 化学实验教学 实践策略

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）26-0070-06

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称化学课标）指出，化学实验是探究和学习化学物质及其变化的基本方法，是学生开展科学探究的一种重要途径。化学课程的大多数理论知识建立在实验现象分析和实验结论归纳的基础上。然而，传统的高中化学实验教学主要是以课堂教学为主，教师讲、学生听，更注重专业理论知识的传授，忽略了学生个性化思维的发展，不利于学生创新精神、创新意识的培养。要想改变这一状况，首先要改变教师的传统教学观念，突出以学生为中心的教育教学理念，构建以学生学为主、以教师教为辅的教学体系。只有这样才能真正激发学生进行化学实验、科學探究的兴趣，从而切实提高化学实验教学的有效性，促进学生化学学科核心素养的全面发展。

根据化学课标所提，高中化学学科核心素养包括宏观辨识与微观探究、变化理念与平衡思想、证据推理与模型认识、实验探究与创新意识、科学精神与社会责任等五个维度。其中，前三个维度旨在培养学生的化学思想方法，第四个维度的目的是让学生在实践中进行创新，第五个维度则指向科学品质、品格培养等更高层次的目标。实验是学生学习化学知识，探究各种物质的关系及物质的相互作用、相互反应的主要路径，是学习高中化学学科理论知识的重要载体。由此可见，有效实施高中化学实验教学，是培养学生化学学科核心素养的重要路径。笔者认为，高中化学实验教学只有通过让学生自主设计或改进实验方案并动手实践操作，突出以学生为中心的教学理念，使教师成为实验教学活动的组织者、合作者、支持者，才能彻底转变过去“填鸭式”的实验教学方式，转变学生的学习方式，使化学学科的学习回归学科本源，同时促进学生形成自主学习的能力，为学生的未来发展创造更大的可能性。

一、引导学生自主设计实验方案，落实化学实验原理教学

根据化学实验原理引导学生自主设计实验，让学生学会解释生活中的化学现象和解决实际问题，这是化学实验教学的一个重要教学目标。设计化学实验方案需要考虑如下四个方面的问题：一是实验方案是否具有可行性，二是实验顺序是否科学，三是实验现象是否直观，四是实验结论是否正确。学生通过自主设计实验方案，不仅能够进一步熟悉所研究的化学物质的基本性质和特性等，激发对化学学科的学习兴趣和热情，而且有利于发展自身的证据推理与模型认识、实验探究与创新意识等学科核心素养。

如在制备碳酸并验证其生成的实验教学中，学生需要充分了解强酸、弱酸等化学物质的各种特性、反应原理，然后才能根据强酸制弱酸的原理设计实验方案。所谓强酸制弱酸原理，是指由于强酸溶于水时完全电离为酸根离子与H+，而弱酸溶于水时则不能完全电离，当强酸与弱酸的盐发生反应时，H+与弱酸根离子结合生成相应的弱酸。完成这个实验的具体流程如下：首先在分液漏斗中装入强酸，然后在大试管中放置固体药品，接着在大试管中装入澄清石灰水，最后拧开分液漏斗的开关阀，观察物质反应现象和结果。实验装置如图1所示，其中①为分液漏斗，②③为两支大试管。为了让学生更加清楚地认识制备碳酸的过程和原理，理解各种反应现象，笔者设置了三个反应实验，并要求学生在按规定做好安全预案的前提下自主制订反应实验方案，然后自主开展实验探究，观察实验现象，并根据实验现象总结出实验结论，最后针对相关现象进行深入分析，进行实验评价，提出改进建议（如表1所示）。

在整个实验教学过程中，为了更好地完成实验设计的任务，学生在教师的引导和帮助下，自主对强酸制弱酸的化学原理进行梳理和开展更有深度的学习，自主学习实验中各种化学物质的反应原理，而且将知识链拓展到了沉淀溶解体系。然后，学生根据相关知识和原理的学习，自主设计实验方案，并经过三次反复修改实验方案，最终设计出合理、有效的实验方案。让学生自主探索的教学方式，不仅能让学生更加深刻地理解各种化学物质的特性、性质，了解化学物质间的反应原理，还可以充分调动学生的学习和探究欲望，提高学生的自主学习能力、解决问题的能力，促进学生化学学科核心素养的发展。

二、学生自主开展实验操作，提高学生的自主学习能力

化学实验具有很强的操作性，学生只有通过实操才能更加准确、深刻地理解化学物质、化学学科，明白学习化学知识的现实意义。引导学生进行广泛的实验操作意义重大：一是要想有序、有效地完成实验操作，学生就要对化学物质、实验用具的使用原理和步骤有清楚、精准的认知，有利于学生更加深刻地理解化学反应原理，以及各种化学物质的性质和特性；二是在实验过程中，学生要严格按照计划、方案进行实验操作，要制订明确的实验目标和科学的实验步骤，有利于发展学生的策划能力、协调沟通能力、统筹能力等；三是在整个实验过程中，学生既要相互监督，确保各实验操作步骤规范、有效，又要相互配合确保实验流程能够有序开展，有利于促进学生合作能力、团队意识的培养；四是在完成实验过程中，教师要以学生为中心，突出学生的个性化学习需求，对学生进行更有针对性的学习指导，有利于充分激发学生的学习主观能动性，提高学生的自主学习能力。

为了充分调动和发展学生的学习能力和实验操作能力，笔者在日常教学中主要采取对学生进行反复实验操作训练的教学方式，取得了较突出的教学效果。比如关于物质的量浓度这一内容的教学，本课教学的目标是让学生掌握在进行物质配比或化学实验时，正确、精准、快速地确定各种化学物质的浓度和用量，并配置出浓度合适的溶液。如在本课中，笔者给学生布置了如下任务：配制100 mL浓度为1.00 mol/L的NaCl溶液。在开展任务学习前，笔者首先要求学生根据“学习能力较强+学习能力较弱”的原则进行分组，然后向学生讲解实验注意事项，接着由各小组学生合作学习配置NaCl溶液需要的原料、原料的特性和特质、化学物质的反应原理，以及学习天平秤、称量纸的用法，并尝试设计溶液配制方案，再进行实验操作。在实验操作过程中，主要由各小组学生根据本组设计的实验方案进行实验操作，笔者则通过巡堂观察学生的实验操作是否规范、科学，使用天平秤称量化学物质的操作是否正确。同时，为了确保各小组学生都能顺利完成实验，提高学生的学习效率和效果，笔者还根据实验内容设置了相应的评价问题（如表2所示），如针对“天平秤的使用”这一内容设计了“称量药品时天平是否调平衡？指针是否归零？用称量纸还是烧杯称量？”等评价问题，然后采取学生自评、组员互评、教师点评的方式，科学、全面地评价学生操作实验的全过程。

在本课教学过程中，笔者通过让学生动手实操的方式，引导学生逐步掌握了天平秤、称量纸等的规范用法，掌握了配备化学溶液的科学方法，取得了较好的实验教学效果。同时，笔者通过多元化评价方式，让学生既要进行自我评价，又要进行组员、小组互评，在促进学生思辨能力、评价能力发展的同时，也较全面地展现了学生的学习情况、学习效果，促使学生较快地掌握各种知识，提高了学生的学习能力。

三、指导学生自主改进实验方案，发展学生的辩证思维

高中化学学科的实验种类和实验内容非常丰富，而且都具有很强的实操性和探究性。在具体的学习过程中，学生表示针对同一个实验会存在不同的实验方案，如何选择最有效的实验方案是学生学习的重点和难点。为了提高学生的实验操作能力，促进学生思辨思维、甄别思维的发展，在具体教学过程中，笔者主要采取让学生自主设计实验方案、自主操作实验方案，并在操作过程中不断改进实验方案的教学方式。教师要引导学生在一步步改进、完善实验方案的过程中，不断加深对化学物质、实验原理、化学物质特性的理解，掌握规范操作实验的步骤和方法，了解各种实验器具的使用方法和维护方法，进而逐步提高学生的学习能力，促进学生化学学科核心素养的全面发展。

如在开展“探究碳酸鈉和碳酸氢钠的热稳定性”这一内容的教学时，笔者以教材所提供的实验方案为基础，在教学过程中逐步引导学生开展三次实验操作，让学生对教材实验方案不断进行改进、优化，形成了实验改进方案I和实验改进方案II，学生的自学能力、合作探究能力、辩证思维在这个过程中得以逐步发展。

本课教学所使用的教材为人教版教材，教材中关于“探究碳酸钠和碳酸氢钠的热稳定性”的实验方案为：实验装置如图2-1所示，利用两根大小试管进行套装，大试管A装入Na2CO3，小试管B装入NaHCO3，小试管B套入大试管A中，然后对两支试管同时进行加热，两支试管分别有导管将气体导入到a、b两支装有澄清石灰水的试管中，验证是否分解生成CO2。在这个实验中，操作的关键点有两个：一是同时加热且Na2CO3的受热温度高于NaHCO3，二是可能分解生成的CO2要分别进行检测。为了让学生更好地完成该实验，笔者设计了“如何实现两种药品同时加热？”“如何实现可能分解生成的CO2分流导出分别检测？”两个思考问题，引导学生对实验关键点进行合作探究。

通过小组合作探究，学生很快发现教材中的实验方案存在实验装置设置不够简便、实验效果不够理想的问题。于是，学生对教材的原实验方案及实验装置进行了改进，形成了实验改进方案I，实验装置如图2-2所示。利用玻璃直导管，在中间放置C石棉网或者铜丝网作为间隔，药品A为Na2CO3，药品B为NaHCO3，利用酒精排灯进行加热以实现A、B两药品同时受热且受热温度基本一致，由于中间有隔断存在，可能产生的CO2会分别通入装有等量澄清石灰水的a、b两支小试管中。通过这样的改进，新的实验方案具有如下三个方面的优点：一是改进后的实验相对于原来的套管实验，装置更加简单；二是利用酒精排灯进行加热，两种药品的受热时间和温度基本上实现同步；三是基本上可以实现可能分解生成的CO2分流导出分别检测。但同时也还存在“由于中间的隔断没有密封，因此有可能会导致少量的CO2气体交叉干扰”的缺点。

为此，笔者引导学生进一步从气体分流的角度改进实验，同时考虑热源的稳定性和同步性。在此基础上，学生对实验改进方案I做了进一步的改进，形成了实验改进方案II：实验装置如图2-3所示，用数控电炉作为热源对放置药品的U型管进行加热，U型管底部用石棉或者铜丝网（C）作为隔断，左右两边分别放置Na2CO3和NaHCO3（A和B），U型管上口分别将气体用导管引入装有澄清石灰水的a和b两支试管中。实验改进方案II具有如下两个方面的优点：一是利用数控电炉作为热源，提高了加热的稳定性和同步性，甚至可以做到以温度作为变量探究Na2CO3和NaHCO3的热稳定性；二是U型管可以很好地将可能产生的气体分流导出。但同时也还存在“数控电炉属相对稀缺的实验仪器，导致实验方案不宜普及”的缺点。

在整个教学过程中，学生在教师的引导下，逐步发现原实验方案存在的问题，并利用现有的实验条件对实验方案进行反复探究，形成了更有效、更科学、更合理的实验方案。在对实验方案进行改进、优化的过程中，学生对相关化学物质的性质、实验装置的配置和使用、实验过程的操作方法，以及对相关实验现象的观察、分析等知识都有了较深刻的理解，学生的学习能力、思维能力等也在这个过程中得到较好地发展。

四、引导学生自主验证实验效果，提高学生的思维能力和创新能力

实验效果是验证实验操作是否成功的主要标准。然而，在实践教学过程中，仍有不少教师将实验效果验证视为教学难点，甚至不知道如何有效开展实验效果验证。通过长期的教学实践，笔者认为要想有效开展实验效果验证教学，应当坚持如下两种思维：一是通过限制不同的实验条件，让学生进行相同的实验操作，然后对不同的实验现象进行对比分析，从而论证实验原理和实验效果；二是通过实验原理的迁移，将实验在空间或时间上进行分割，使实验表征得以凸显，从而验证实验效果。

因此，笔者认为，在实验教学中，化学教师应引导学生对实验原理进行深入分析，依循实验探究的上述两种思维，或是从实验安全性、科学性、规范性和实验现象的直观性等角度，对实验条件变量进行限制；或是将同一实验的不同部分在空间、时间上进行割离，在创新改良实验方案的同时使学生形成良好的实验思维。通过运用不同维度、不同层次的思维，引导学生从实验原理、实验操作、实验效果等方面对同一实验进行对比分析，能够有效发展学生的思维能力和创新能力。

如在开展关于铜和稀硝酸反应的实验教学时，笔者就通过让学生通过反复修改实验方案的方式，促进学生思维能力和创新能力的提高。铜和稀硝酸的反应是人教版高中化学教材中一个重要的实验项目，教材的实验方案是让学生将铜片投入稀硝酸中，然后观察其反应现象：红色的铜片逐渐溶解，同时表面产生无色气泡，无色溶液逐渐变成蓝色，无色气泡逸出液面后迅速变成红棕色。但是，在实践教学中，笔者发现这个实验方案存在如下问题：在根据这一方案进行实验的过程中，多个实验现象会在短时间内同时出现，但由于时间很短，学生难以客观、全面地观察和记录各个实验现象，而且学生之间会相互造成干扰。同时，实验过程中还会出现无色气泡干扰对铜片逐渐溶解的观察、蓝色溶液形成干扰气泡颜色的观察，以及学生不能仔细观察记录无色的NO转变成红棕色的NO2的现象等问题。这样的实验方案很不利于学生对实验原理的认知、实验现象的观察和分析，不利于学生进行深度学习。

要想取得良好的实验教学效果，就要将实验现象逐个分离开来，以便学生进行更好的观察、记录和分析。根据这样的思路，笔者联系原电池反应中的氧化反应、还原反应分别在负极和正极发生的实际，确定利用铜和稀硝酸氧化还原反应设计原电池装置将相关实验现象分离开来。然后，笔者引导学生设计新的实验方案，形成了改进实验方案I，再让学生根据新的实验方案和实验装置（如图3-1所示）观察实验现象：在左边的烧杯中可以观察到铜棒逐渐溶解，无色溶液慢慢变成蓝色；在右边的烧杯中可以看到碳棒表面慢慢生成无色气泡，其逸出液面后，迅速变成红棕色。这一实验方案较教材中的实验方案有了很大改进，能够有效将部分实验现象分离开来，有利于学生观察、记录和分析实验现象。但是，由于整套装置处于相对开放的环境，有害气体NO和NO2不能有效控制和处理，这是改进实验方案I存在的最大问题。

为了进一步优化实验方案，笔者要求各小组学生进行组内研讨，寻找有效处理NO和NO2等气体的方式。经过小组合作探究，学生很快提出了解决方案：利用U型管设计原电池，碳棒一端用胶塞封闭，开两个小孔，一个孔插入碳棒电极，另一个孔插入连接注射器的玻璃导管；接通电路前，先用注射器抽空U型管右端的空气使液面上升至胶塞处，再接通电路（如图3-2所示）。由此，可以观察到如下实验现象：①红色的铜棒逐渐溶解；②铜棒周围的溶液由无色变成蓝色；③U型管右边的碳棒上逐渐逸出无色气泡，无色气泡聚集在上端将液面压下；④最后将注射器中的空气缓缓压入，可以看到无色气体逐渐变为红棕色。经过改进的实验方案II不仅比方案I更易于操作，而且能够更长时间、更直观地呈现部分实验现象。这是因为，一方面由于提前将实验装置中的空气抽走，学生可以较长时间地观察NO气体的颜色，同时通过注射器将抽出的空气再次压入实验装置中，可以更直观地观察NO变成NO2时的颜色渐变过程；另一方面由于整个实验装置是密闭的，有害气体排放污染的问题也得到了有效解决。

在整个实验教学过程中，学生以小组为单位自主观察、记录各种实验现象，并通过记录的数据对各种实验现象进行较深入的分析，发现实验过程中存在的种种问题，然后通过小组合作探究的学习方式，寻找解决问题的有效方案。在此过程中，学生的主体地位得到了全面凸显，学习主观能动性得到了充分调动。这样的教学方式不仅极大地激发了学生的学习积极性，还有效提高了学生的思维能力和创新能力。

化学是一门基于生活、基于实验的科学，要想有效实施化学学科教学，就要坚持“以学生为中心”的教学观念，将学生熟悉、贴近生活实际的化学现象引进课堂教学，并充分调动学生参与实验、改进实验、完善实验的积极性，让学生真正沉潜学习，真正提高学生的学习能力和化学学科核心素养。

参考文献

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注：本文系广西教育科学“十四五”规划2021年度广西高考综合改革专项重点课题“新高考背景下农村高中学生化學实验素养提升的研究与实践”（2021ZJY1738）、广西教育科学“十四五”规划2021年度广西高考综合改革专项课题“新高考背景下学校校本课程开发的实践研究——高中化学校本课程《美丽化学》开发为例”（2021ZJY1753）的研究成果。

作者简介：董作宝（1980— ），广西贵港人，正高级教师，曾获广西优秀教育工作者、广西化学基础教育奖、广西优秀化学教师等荣誉，主要研究方向为高中化学校本课程开发、高中化学试题命制与评价等；杨辉振（1980— ），广西宾阳人，高级教师，主要研究方向为高中化学校本课程开发、高中化学试题命制与评价方面等；刘秀莲（1980— ），广东大埔人，一级教师，主要研究方向为高中化学学科教学。

（责编 蒙秀溪）