學科核心素養(yǎng)視域下的中學化學實驗教學取向研究

黃恭福 鄒海龍

摘要：中學化學教學正經(jīng)歷從“知識傳授”“能力培養(yǎng)”到“素養(yǎng)為本”教學價值觀的轉(zhuǎn)變和飛躍?；瘜W實驗教學應立足于正確價值觀念、必備品格、關(guān)鍵能力三維一體的視角，聚焦關(guān)鍵能力發(fā)展、必備品格形成和正確價值觀念培育的取向。

關(guān)鍵詞：中學化學;化學學科核心素養(yǎng);化學實驗教學;實驗教學取向

化學實驗在煉金術(shù)中萌芽，在醫(yī)藥、冶金工藝中成長，在波義耳、拉瓦錫實驗方法論指引下最終確立為科學。即使在理論和計算化學成為輔助化學家探索未知世界新工具的今天[1]，化學實驗仍然是化學認識的基礎和檢驗化學理論真理性的標準。中學化學新課程以發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)為主旨[2]，化學實驗教學是踐行“素養(yǎng)為本”教學理念、轉(zhuǎn)變教學行為的學科教學關(guān)鍵領域。

1 開展學科核心素養(yǎng)視域下中學化學實驗教學研究的必要性

我國基礎教育界在廣泛開展國際比較研究的基礎上，明確提出了新時代“素養(yǎng)為本”的教學價值取向。開展學科核心素養(yǎng)視域下的中學化學實驗教學既是化學教學理論研究的需要，也是當前化學新課程教學實踐的迫切要求。

首先，《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱：新課標）確立了以發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)為主旨的教學理念，要求緊緊圍繞這一主旨進一步優(yōu)化教學過程、有效提高教育質(zhì)量，發(fā)展素質(zhì)教育，落實立德樹人根本任務。這充分說明學科核心素養(yǎng)視域下的化學教學是新時代、新課程、新教學的必然要求，是引領我國基礎教育課程改革發(fā)展方向的“教學指揮棒”。

其次，我國中學化學教學價值取向正經(jīng)歷從“知識傳授”“能力培養(yǎng)”到“素養(yǎng)為本”的轉(zhuǎn)變和飛躍。為使“素養(yǎng)為本”教學理念真正落實在課堂，使它從一種教學理念、一種教學價值，轉(zhuǎn)化為師生自覺的教學行為，其重要教學策略是創(chuàng)設真實情境和設計驅(qū)動性問題，開展以化學實驗為主的多種探究活動、促進學生學習方式轉(zhuǎn)變、培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實踐能力。

三是，化學實驗作為化學學習特有的、重要的實踐活動，是落實“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)的重要途徑，具有不可替代的支撐作用?？茖W探究是進行科學解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應用的科學實踐活動，其本質(zhì)是實踐創(chuàng)新;創(chuàng)新意識的培育和創(chuàng)新能力的發(fā)展只能在科學實踐活動的體驗中才能得以落實?；瘜W實驗探究是科學探究在化學教學中的主要表現(xiàn)形式，它與科學探究的基本思路和過程是一致的。

吳星（2017）等學者研究認為：無論是從化學實驗研究的對象、過程還是結(jié)果分析，創(chuàng)新都是化學科學探究的重要特征[3]。因此，加強核心素養(yǎng)視域下的化學實驗教學研究有利于深化對“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

四是，化學實驗教學為其他四項學科核心素養(yǎng)發(fā)展提供基礎支撐。課程標準明確指出：化學實驗對于全面發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)有著極為重要的作用?；瘜W實驗作為科學實踐活動離不開科學認識活動的參與和指導，“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”是要求學生形成的化學學科思想和方法，需要依托“化學實驗”這種學科特有的實踐活動?；瘜W實驗作為教的方法（實驗法）、學的方法（做實驗）和化學教學認識方法（實驗方法），是學生學習化學的重要認知工具，必然促進學生觀察方法、假說方法、科學抽象方法以及測量、記錄、條件控制、結(jié)果分析與處理等認識方法和技能的發(fā)展[4]?！翱茖W態(tài)度與社會責任”是對化學學科價值取向的刻畫，不可能完全依靠傳統(tǒng)說教和簡單的師生對話發(fā)展，更需要有實踐活動的經(jīng)歷、體驗。

不同學者也從不同角度和層面，揭示了化學實驗以“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)發(fā)展為重點，全面促進其他四項學科核心素養(yǎng)發(fā)展的功能價值。如陳進前（2019）提出的化學學科核心素養(yǎng)“基礎支撐與重點發(fā)展”互動模式，展示化學實驗教學對各核心素養(yǎng)發(fā)展的不同價值[5]。如圖1所示：化學實驗教學以“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)為重點發(fā)展目標，其他四個學科核心素養(yǎng)起“基礎支撐”作用。

王后雄（2018）則從思維、實踐、價值三個不同層面邏輯梳理化學學科核心素養(yǎng)的相互關(guān)系，科學探究與創(chuàng)新意識作為實踐層面核心素養(yǎng)需要思維層面核心素養(yǎng)的智力支撐，同時也生動、具體、形象展示價值層面的實然追求，如圖2所示[6]。

鄭長龍（2018）則從“實踐—認識—應用”的哲學認識高度，將化學實驗重點發(fā)展的“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)作為化學科學實踐活動的重要內(nèi)容，進一步凸顯了其在化學核心素養(yǎng)發(fā)展中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，如圖3[7]所示。

無論何種認識角度，都充分肯定了化學實驗在重點發(fā)展“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)的基礎上，對其他核心素養(yǎng)的發(fā)展起著支撐、協(xié)同、融合發(fā)展等不同功能。

2 學科核心素養(yǎng)視域下化學實驗教學取向

化學學科核心素養(yǎng)不是彼此孤立、靜態(tài)、割裂的五個具體條目的堆砌，而是相互聯(lián)系動態(tài)發(fā)展的系統(tǒng)，是學生正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力全面發(fā)展的綜合表現(xiàn)?；瘜W實驗為學科核心素養(yǎng)的整體發(fā)展提供了學科特質(zhì)的、獨有的、不可替代的學科實踐活動途徑。學科核心素養(yǎng)視域下的化學實驗教學是在正確價值觀念的指引下（體現(xiàn)社會價值），以關(guān)鍵能力為實踐手段（體現(xiàn)工具和技術(shù)價值），以必備品格為內(nèi)在驅(qū)動力（體現(xiàn)個性心理品質(zhì)價值），指向真實情境下問題解決的一種復雜的教學活動和學習活動。

化學實驗教學中既有動手操作活動也有動腦思維活動和心理活動;既有認識物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化規(guī)律等智力活動，也有豐富的情感體驗和意志品質(zhì)錘煉的非智力活動;既包括化學知識經(jīng)驗的學習，也包括技能經(jīng)驗的習得，更包括實驗觀念、思想甚至化學實驗文化的形成與培育。

顯然，化學實驗教學應在化學學科核心素養(yǎng)全面內(nèi)涵發(fā)展的基礎上，注重從關(guān)鍵能力發(fā)展、必備品格形成和正確價值觀念培育，三個取向上創(chuàng)新化學實驗教學的指導思想和實施策略。

2.1 化學實驗教學應聚焦關(guān)鍵能力的發(fā)展取向

化學科學探究以化學實驗為重要實踐形式，化學實驗本質(zhì)是科學實踐活動，離不開科學思維的理論指導。根據(jù)PTA（基本要素分析法）理論的觀點分析，核心素養(yǎng)視域下的化學實驗教學的關(guān)鍵能力包含科學思維能力和科學探究能力。

2.1.1 科學思維能力

化學實驗教學發(fā)展中具有化學學科特質(zhì)的科學思維有：宏微結(jié)合、符號表征、變化平衡、證據(jù)推理、模型認知以及“實驗—歸納”等學科認識傳統(tǒng)等;此外還有比較與分類、分析與綜合、歸納與演繹、判斷與推理、外在與本質(zhì)、科學假說、類比等重要思維方法。這些思維方法都蘊含著豐富的化學哲學以及形式邏輯和辯證邏輯思想，能在更高層面指導實驗探究活動，確?；瘜W實驗能有更合理的方案、更科學的裝置、更適合的步驟、更全面的分析推理，最終得出更嚴謹?shù)膶嶒灲Y(jié)論。張嘉同認為，“實驗—歸納”是化學科學發(fā)展的認識傳統(tǒng)[8]，而歸納、演繹和類比是形式邏輯三種重要的推理形式，也是得出實驗結(jié)論的重要思維工具?；瘜W科學思維中表現(xiàn)出的外在與本質(zhì)、個性與共性、變化與平衡是辯證邏輯的重要內(nèi)容;比較和分類是“穆勒五法”確定事物因果關(guān)聯(lián)求異法、求同法的思維基礎;分析與綜合更是蘊含著哲學“還原論”和“整體論”思想等?？梢?，化學實驗教學發(fā)展的科學思維能力是多層面、多角度、系統(tǒng)性的。

新課標要求：化學實驗教學要著力研究物質(zhì)性質(zhì)、探究反應規(guī)律，進行物質(zhì)分離、檢驗和制備等不同類型化學實驗及探究活動的核心思路與基本方法。要針對不同實驗類型，探索與實驗內(nèi)容（類型）相匹配的探究角度、活動程序，根據(jù)探究角度對問題本質(zhì)的揭示程度，形成不同水平的認識方式（如宏觀—微觀、系統(tǒng)—孤立、定性—定量……），從而形成結(jié)構(gòu)化的核心思路與學科基本方法。

根據(jù)不同的化學實驗內(nèi)容和類型，“探究角度”有不同的內(nèi)容和表現(xiàn)形式，有抽象概念、思維方法、結(jié)構(gòu)化知識等，“活動程序（特征）”則是對不同實驗實施過程或?qū)嶒灧椒ㄌ卣鞯拿枋龊捅碚?，具體如表1所示。

化學實驗核心思路與基本方法的發(fā)展與具體的實驗內(nèi)容和實驗類型聯(lián)系密切。一是相同的實驗內(nèi)容其探究角度不一定相同。如對物質(zhì)性質(zhì)的探究實驗，既可以選擇從物質(zhì)類別視角設計實驗，也可以選擇從中心元素化合價差異的角度設計實驗探究，還可以從物質(zhì)在溶液中的行為特征（如水解）進行實驗設計。能否選擇以及選擇的探究角度差異體現(xiàn)了學生認識方式的水平差異。如，選擇“物質(zhì)類別”探究體現(xiàn)了認識物質(zhì)的宏觀視角;選擇“化合價”差異探究體現(xiàn)了不同價態(tài)元素或微粒間變化的微觀視角;選擇“溶液中的離子行為（如水解）”探究體現(xiàn)了從宏觀、微觀、符號表征系統(tǒng)研究視角等。

案例1 SO2的性質(zhì)專題復習教學片段

……

[教師]如何鑒別SO2和CO2氣體。

[學生]學生充分思考、討論、交流。

[師生]共同歸納、總結(jié)出多種鑒別SO2和CO2氣體的方法（所需的相關(guān)藥品或操作如下）。

（1）品紅溶液;（2） Ba（NO3）2、 HNO3;（3） H2S（aq）;（4）聞氣味;

（5） FeCl3（aq）;（6） Br2（aq）;（7） I2（aq）;（8）澄清石灰水;……

[教師]精講SO2的主要物理性質(zhì)，并點撥利用氣體溶解性的差異也可鑒別兩種氣體。啟發(fā)學生對上述鑒別兩種氣體的方法進行分類，思考其鑒別的化學原理分別體現(xiàn)了SO2的哪些性質(zhì)？

[學生]分組自主選擇桌面提供的相關(guān)藥品進行實驗探究，驗證實驗設計觀察實驗現(xiàn)象，體驗實驗過程。

[師生]歸納出體現(xiàn)SO2的性質(zhì)包括：

（1） 酸性氧化物（物質(zhì)類別角度）：與NaOH（aq）、澄清石灰水、CaO反應

（2） 氧化性（化合價視角）：與H2S（aq）反應

（3） 還原性（化合價視角）：與FeCl3（aq）、 Br2（aq）反應等

（4） 漂白性（物質(zhì)特殊性視角）

[教師]歸納出研究物質(zhì)性質(zhì)的一般視角：物質(zhì)類別視角（宏觀）、元素化合價視角（宏觀）、電子得失（微觀視角）、物質(zhì)特殊性質(zhì)視角等。

……

案例1中，教師利用學生熟悉的典型酸性氧化物CO2與SO2的鑒別引入，利用問題驅(qū)動啟發(fā)學生盡可能多地設計出鑒別SO2和CO2氣體的方法，再和學生一道梳理出學習物質(zhì)性質(zhì)的基本視角等。

二是不同實驗類別對于學生探究能力培養(yǎng)的價值不盡相同，如驗證性實驗主要是通過演繹加深對所學知識、原理的理解，探究性實驗主要是通過經(jīng)驗歸納、分析推理得出化學知識和規(guī)律等，但這并不意味著驗證性實驗不能培養(yǎng)學生的探究能力，關(guān)鍵在于進行驗證性實驗設計的指導思想，是否將驗證性實驗作為探索知識規(guī)律的重要環(huán)節(jié)來看待。

案例2 向滴有酚酞試液的氫氧化鈉溶液中加入新制氯水溶液紅色褪去的實驗探究活動

[實驗教學方案]

（1） 教師演示實驗后，直接向?qū)W生解釋實驗現(xiàn)象的原因。

（2） 教師告訴學生實驗原理和結(jié)論后，由學生動手操作進行實驗驗證。

（3） 引導學生提出假設，并針對不同的假設設計實驗進行檢驗：紅色褪去的原因是新制氯水中和氫氧化鈉還是新制氯水氧化了酚酞等。

三是活動程序根據(jù)不同內(nèi)容、目的有多種表現(xiàn)形式，并非僵化固定的。同一實驗類別可有多種活動程序。如有學者提出的探究實驗程序還有：“提出問題—假設—實驗—實驗現(xiàn)象觀察—分析—得出結(jié)論—歸納總結(jié)等”[9]。

四是從“實驗中量與質(zhì)的關(guān)系視角”主要是認識和理解不同實驗方法（化學方法、儀器方法）、實驗手段的原理特點和應用范圍，深刻體會用于化學科學研究的現(xiàn)代實驗技術(shù)原理是利用了物質(zhì)實體在光、電、磁等物理性質(zhì)上的差異，而不是傳統(tǒng)化學實驗所依靠的物質(zhì)實體間的化學反應。

從認識論和方法論角度，對不同類型實驗形成的探究角度、活動程序與認識方式就是一種認知模型，借助這種認知模型能加深對物質(zhì)性質(zhì)和變化的理解，提煉形成化學原理和規(guī)律，并用以指導其他實驗探究活動的開展。

2.1.2 科學探究能力

國內(nèi)外關(guān)于科學探究主要有兩種觀點：一是科學探究是過程技能的集合;二是科學探究能力是科學思維和科學推理能力，各國對科學探究能力研究中有些側(cè)重第一種觀點，有些側(cè)重第二種觀點，有些是兩種觀點的融合。如美國科學促進會（AAAS）推出的SAPA課程，溫盛偉、邱寶蘭提出的包括“提出問題”等七個要素模型的科學探究能力評價量規(guī)[10]以及新課標對科學探究的描述等都屬于第一種觀點;徐睿（2012）提出的文獻探究能力和實驗探究能力[11]，劉東方（2018）的科學一般探究能力與探究角度、探究思路相融合的思想[12]屬于兩種觀點的融合等。

科學探究過程技能屬性體現(xiàn)了科學探究實踐活動各環(huán)節(jié)的邏輯關(guān)聯(lián)，為關(guān)涉范圍廣、開放程度大的化學問題解決提供了一種科學研究的工具框架。新課標將化學實驗重點發(fā)展的“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)劃分為4個不同水平并對其認知和行為進行了具體刻畫，屬于“輸入性”的學生核心素養(yǎng)發(fā)展要求;學業(yè)質(zhì)量水平是根據(jù)學習后學生的實際表現(xiàn)刻畫核心素養(yǎng)的外顯行為，屬于“輸出性”的學生核心素養(yǎng)表現(xiàn)要求（鄭長龍，2018）[13]。根據(jù)“化學核心素養(yǎng)的水平劃分”和“學業(yè)質(zhì)量水平”以及化學實驗教學的實踐經(jīng)驗，化學實驗教學“科學探究過程技能”評價分析量表（見表2）對科學探究過程技能的各能力要素按照“水平1～水平4”的實際表現(xiàn)進行具體刻畫，本質(zhì)屬于“輸出性”核心素養(yǎng)表現(xiàn)水平。這對化學實驗教學發(fā)展科學探究過程技能具有指導性、診斷性和發(fā)展性功能，具體如表2所示。

利用上述化學實驗教學“科學探究過程技能”評價分析量表，根據(jù)學生在實驗中的行為表現(xiàn)可診斷學生各能力要素現(xiàn)有水平，并作為關(guān)鍵能力進階提升教學策略的制定依據(jù)。

案例3 如實驗室儲存的硫化鈉晶體長期暴露在空氣中，可能會轉(zhuǎn)化為什么物質(zhì)，請設計實驗進行證明。以“制定計劃”的“水平4”的行為表現(xiàn)為例分析（見表3）。

案例3中需要教師針對性地設計驅(qū)動問題、注重啟發(fā)引導，發(fā)展學生動態(tài)、聯(lián)系、多線性的實驗思維能力，合理選擇進階提升教學策略，從而有效發(fā)展科學探究能力要素的水平。從某種意義上看，化學實驗教學發(fā)展科學探究能力還能以問題解決的實驗探究活動形式進行?？茖W探究能力的發(fā)展與問題解決能力發(fā)展具有相互促進的特點[14]。

2.2 化學實驗教學應關(guān)注必備品格的形成取向

當前，世界各國或教育研究機構(gòu)對核心素養(yǎng)的界定雖不盡相同，但總體上都是注重于“技能”或“能力”層面。我國核心素養(yǎng)不僅關(guān)注能力發(fā)展，還突出強調(diào)了必備品格的形成[15]。必備品格本質(zhì)上是科學品格，體現(xiàn)了學科核心素養(yǎng)的人文性特征。

某種意義上關(guān)鍵能力和必備品格本質(zhì)就是統(tǒng)一的整體，是化學學科素養(yǎng)發(fā)展的兩個方面，也是學科核心素養(yǎng)外顯的科學行為和內(nèi)隱的科學品格的融合。關(guān)鍵能力和必備品格相互促進、相互完善。關(guān)鍵能力的發(fā)展既能有力促進學生必備品格的不斷完善，又離不開必備品格的引領，必備品格能支撐各關(guān)鍵能力在正確方向上發(fā)展，使能力發(fā)展具有方向感和可持續(xù)發(fā)展的動力。

如在化學實驗教學中，可以通過實驗技能訓練和實驗過程體驗，發(fā)展學生嚴謹、細致、求真的科學品格以及尊重、包容、團結(jié)等積極向上的個性心理品質(zhì)等。還可以在實驗教學中融合化學史發(fā)展學生的必備品格，如氧氣的發(fā)現(xiàn)是化學領域里的一場深刻革命，它徹底推翻了錯誤的“燃素說”的束縛，使得化學向著正確方向快速發(fā)展。正如科學史家喬治·薩頓曾說：“無論科學可能變得多么抽象，它的起源和發(fā)展的本質(zhì)卻是人性的”，這正揭示了科學本質(zhì)的人文品格。

2.3 化學實驗教學應融合正確價值觀念的培育取向

化學實驗教學必須堅持“立德樹人”的育人方向，注重“社會主義核心價值觀”在化學實驗教學中的滲透，這是新課程“素養(yǎng)為本”教學的重要價值取向。正確價值觀念體現(xiàn)了學科核心素養(yǎng)育人的社會責任價值;必備品格體現(xiàn)了學科核心素養(yǎng)育人的科學態(tài)度價值;關(guān)鍵能力是學科核心素養(yǎng)發(fā)展學科價值的外在表現(xiàn)，三者融合共同集中承載和體現(xiàn)了化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展的價值取向。

從“學科育人”的角度而言，化學實驗教學應堅持“贊賞化學、感激化學、熱愛化學”的價值觀念。正如周公度（2010）在《化學是什么》中所描述的那樣：化學是社會發(fā)展的推動者、化學是能源的開拓者、化學是材料的研制者、化學是環(huán)境的保護者、化學是美好生活的創(chuàng)造者、化學是新興產(chǎn)業(yè)的支撐者[16]。

學科核心素養(yǎng)視域下的中學化學實驗教學的關(guān)鍵能力取向、必備品格取向和正確價值觀念取向并非彼此割裂分離，而是以化學實驗的實踐活動為載體整體融合、協(xié)調(diào)發(fā)展的，即在關(guān)鍵能力的發(fā)展中有必備品格的訓練更有正確價值觀念的滲透。在化學實驗教學實踐中應根據(jù)不同實驗的特點，積極探索發(fā)展關(guān)鍵能力的有效策略，提煉形成必備品格的主要途徑，最終促使實現(xiàn)化學學科正確價值觀念“深入人心”的價值目標。

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