核心术语
◆化学实验〓◆化学教学实验〓◆化学实验教学〓◆实验方法〓◆实验法
◆认识论〓〓◆动机〓〓〓〓〓◆方法论〓〓〓〓◆教学论〓〓◆人文教育
影响化学实验教学的因素很多,这些因素相互作用,共同构成化学实验教学系统这个整体。教导者、学习者、实验教学内容和教学方法,以及实验器材设施等是化学实验教学系统的构成要素。除了这些显性要素外,化学实验教学系统还有一些隐性的支持要素,例如保障系统、管理系统、开发研究系统、教师训练系统等。
一、 化学实验与化学实验教学
化学实验是人们以化学事物为作用对象的实验活动。吴俊明.中学化学实验研究导论[M].南京: 江苏教育出版社,1997: 7.根据实验主体和实验目的的差异,可以将化学实验划分为两大类型: 科研类化学实验和教学类化学实验。科研类化学实验的实验主体是化学学科的科学研究人员,目的是为了研究和认识人类未知的化学事物及其规律,其大部分的研究结果不仅对于研究者本人而言具有创新性,而且对于整个人类而言都具有创新性的贡献。除了化学学科科学研究之外,还存在化学教育科学研究。在化学教育教学领域进行科学研究时,人们也会经常采用实验的方法来开展研究活动,并称之为“化学教育实验”或“化学教学实验”。这类实验,其实验主体是从事化学教育教学及研究工作的人,研究对象是人(教师或学生),研究内容是化学教育教学的过程,并具有上述科学研究的基本属性。因此,科研类化学实验有上述两类之分。教学类化学实验的实验主体是各级各类化学教育教学中的教师和学生,是为化学教学目的服务的,向下一代传递人类已有化学知识和经验,其大部分的实验过程和结果是巩固或者拓展学生的认知结构,对学生而言可能是崭新的,但对人类社会而言基本不具有创新性贡献,是一种简约的、高效的、重复的再现或模拟。当实验内容为中学化学教学内容时,这种教学类化学实验也就是人们通常所称的中学化学教学实验。
由此可见,化学教学实验有广义和狭义之分。广义的化学教学实验既包含化学教育教学研究领域的化学教学实验(即科研类化学实验),也包含化学教学领域中的化学教学实验(即教学类化学实验)。而狭义的化学教学实验仅指后者,即等同于教学类化学实验。我们所指的化学教学实验属于狭义的概念。
化学实验教学是指教师将化学实验置于一定的化学教学情景下,为实现一定的化学教学目的,而展开的一系列教学活动。化学实验教学是化学教学的重要组成部分,要服从和服务于化学教学的总体安排。需要指出的是,化学教学实验和化学实验教学是密切相关的。前者特指化学教学活动中的实验,而后者指以化学教学实验为媒介的整个化学教学活动,两者是局部和整体的关系,互为依赖。
二、 演示实验与学生实验
根据实验主体的不同,中学化学教师习惯将化学教学中的实验分为演示实验和学生实验。
演示实验是由教师在教学过程中为配合化学教学内容的教授而面向全体学生进行示范操作的一种教学实验,它历史久远,运用广泛,是化学教学中最基本的实验教学形式之一。教师在演示实验时,应注意以下基本要求: ① 准备充分,确保成功;② 现象明显,易于观察;③ 操作规范,注重示范;④ 演讲结合,启迪思考;⑤ 简易快速,按时完成;⑥ 保护环境,注意安全。
学生实验是由学生在课堂上或实验室中为完成实验课题而自己动手操作的一种教学实验。在化学教学中,学生实验还有一些具体的表现形式,如随堂实验(或边讲边实验)、实验室实验、实验习题、实验设计等。教师在组织学生实验时,应注意以下基本要求: ① 明确要求,指导预习;② 细致观察,巡回指导;③ 重视难点,提示辅导;④ 科学求实,完成报告;⑤ 适时反馈,沟通交流。
淡化演示实验和学生实验的分类刘知新.化学教学论[M].第三版.北京: 高等教育出版社,2004: 188.
在当前的化学实验教学改革中,经常可以听到这样的说法: “变演示实验为学生实验”或“变演示实验为边讲边实验”。之所以出现这种情况,是因为在化学教学大纲和化学教科书中就已经对什么实验为演示实验,什么实验为学生实验作了明确规定;“大纲”和“教科书”中的规定,是就全国而言的,而在具体的化学教学中,各个地区、各所学校之间的差距较大,有条件的学校希望多给学生提供一些亲自动手操作的机会,因而,主张变演示实验为学生实验。
演示实验和学生实验是根据化学教学中实验主体的不同而进行的一种人为划分。化学新课程并没有刻意进行这样的分类。教师可根据所在学校和学生的特点,来决定某一个实验是采用演示实验还是采用学生实验。化学新课程虽然淡化演示实验和学生实验的分类,但倡导“学生亲自动手完成实验”。
三、 中学化学实验方法与实验法
在化学教学中,我们经常从认识活动的角度,使用“实验方法”、“实验方法论”;从教学活动的角度,使用“实验法”等。
测量溶解热的实验中学化学国家课程标准研制组.义务教育课程标准实验教科书·化学(下册)[M].上海: 上海教育出版社,2001: 153.
[实验1]取3只烧杯,各注入100mL水,用温度计测量水的温度。
[实验2]将两药匙氯化钠、两药匙硝酸钾、两药匙氢氧化钠分别加入上述3只烧杯中,搅拌至固体全部溶解,测量溶液的温度。
[案例分析]
本案例中的两个化学实验,是“物质的溶解”一节“活动与探究”栏目的实验。通过这样两个实验,一方面是使学生认识物质溶解于水形成溶液时,通常伴随热量的变化(温度升高或降低);另一方面是使学生体验科学探究的过程,初步学会通过定量实验来研究物质性质的方法。为了实现这一化学教学目标,可以对这两个实验的教学进行如下设计:
① 由学生来完成这两个实验,通过学生亲身的实验探究活动来获得实验数据;② 运用表格对所获得的实验数据进行处理;③ 对所获得的实验数据进行小组交流和讨论;④ 通过比较、归纳,得出结论。
实验方法是科学认识活动中感性阶段的一种重要认识方法,它着重从认识方法论的层面来回答如何进行化学实验的问题。例如“案例研讨”中的[实验1]和[实验2]。所有其他条件都没有变化,改变的只有一个因素,即“改变溶质”。这里所用的就是实验方法中的“实验条件的控制”方法。
实验法是化学教学中经常使用的一种重要的教学方法,它着重从教学方法论的层面来回答如何进行化学实验的问题。例如“案例研讨”中的实验。教师应通过提问、谈话或讨论等方法,使学生理解[实验1]中为什么要各取100mL水,[实验2]中的药品为什么都取相同的药量;如何正确地进行固体药品的取用、搅拌、测量等化学实验基本操作;怎样绘制表格来记录实验数据;哪些溶液有腐蚀性,实验中应注意哪些安全问题,应如何处理实验后的溶液;等等。
从上面的分析可以看出,科学方法论和教学方法论对于有效地开展化学实验及实验教学,都是不可缺少的。
四、 中学化学实验的教育功能
化学是一门以实验为基础的自然科学,从化学科学的形成和发展来看,化学实验起到了十分重要的作用。化学实验不但是化学科学的基础,而且也是中学化学教学的基础。化学实验对于提高化学教学质量,全面落实培养科学素养的目标,具有其他教学内容和形式所不能替代的作用。“以提高学生科学素养为主旨”的基础教育化学新课程,从“知识与技能”、“过程与方法”和“情感态度与价值观”等三个维度提出了化学新课程的目标体系;倡导“以科学探究为主的多样化的学习方式”;重视学生的“亲身经历和体验”;强调“创设生动活泼的学习情境”。这些新的课程理念在中学化学中的落实和实施,都离不开化学实验。因此,为了更好地实现化学新课程的教育目标,这要求我们有必要重新审视化学实验在中学化学教育教学中的功能。
(一) 化学实验的认识论功能
从认识论的角度来看,化学教学过程是一个特殊的认识过程。因此,教学过程中学生获得知识的过程也应符合人类认识事物的规律,即从感性到理性,再从理性到实践。而对于化学课程教学而言,学生感性认识的获得在很大程度上来源于化学实验,所以化学实验对于学生完成化学学习的认识过程起着非常重要的作用。
化学实验能引发学生的化学教学认识,化学实验是提出化学教学认识问题的重要途径之一。学生在学习化学时,当其已有知识和经验即“当前状态”和学生目前未知但准备去探究的新知识,如物质的性质、变化、现象、化学概念、理论等“目标状态”之间产生差距,这种差距就是化学教学认识问题。
其次,化学实验能为学生认识化学科学知识提供化学实验事实。化学事实性知识指的是反映物质的性质、制法、用途、存在等多方面元素、化合物及其应用的知识。一方面化学实验能够为学生认识元素化合物知识、学习化学概念和理论提供化学实验事实。在化学新课程中许多概念、理论的形成,大都是从认识元素、化合物的性质开始的,而要感知元素、化合物的性质,则必须通过生动形象的化学实验,让学生通过化学实验中物质变化的现象,感知化学事实,通过对化学事实的分析、对比、归纳、总结,形成化学概念、化学理论和化学观念。
另一方面,化学实验能为学生检验化学理论、验证化学假说提供化学实验事实。化学是研究泛分子(包括分子及类分子)的科学,宏观看现象,微观找原因,宏观加微观,是化学的重要方法。“宏观看现象”离不开实验,实验是化学实现宏观—微观联系的基础和保证。所以,化学是一门以实验为基础的科学。从总体来看,实验不但为化学科学中概念和假说的形成提供基础材料,为化学科学的形成和发展提供科学事实,而且可以检验科学假说,否定错误的假说,支持和完善科学理论。因此,化学科学研究和化学教学都离不开化学实验。
(二) 化学实验的动机功能
从心理学的观点看,青少年学生普遍具有强烈的好奇心和求知欲,对新奇的事物具有浓厚的兴趣和探究欲望,而化学实验正是具有这种特点。化学学习兴趣是指学生对化学学习的一种带有情绪色彩的特殊的活动倾向,它是促进学生探究物质及其变化规律性的一种重要内在动力,具有较强的动机功能。按照水平高低,可将化学学习兴趣分成“感知兴趣”、“操作兴趣”、“探究兴趣”和“创造兴趣”等四种水平。这四种学习兴趣的水平是逐渐升高的,低水平是高水平的基础,高水平是低水平的发展。教师在教学中一方面要注意鼓励和保护学生的感知兴趣和操作兴趣;另一方面又不停留于此,要积极培养和提高学生的探究兴趣和创造兴趣。化学实验中五彩缤纷的实验现象能够引起学生浓厚的认识兴趣,而这种认识兴趣是学习动机中最现实、最活跃的成分。学生对化学实验的兴趣是认识兴趣中一种重要的表现形式,是学生对化学实验的一种带有强烈感情色彩的特殊的活动倾向,是促进学生进一步探究物质及其变化规律的一种重要的内驱力,具有较强的动机功能。
生活中你一定会有这样的体会: 在吃米饭和馒头等富含淀粉的食物时,长时间的咀嚼就会感觉到甜味。这是由于淀粉在唾液酶的作用下,发生了水解反应。请你设计实验,探究用化学方法水解淀粉的条件。(摘自人教版《有机化学基础》(选修)第83页)
[案例分析]
这一科学探究选取了学生日常生活中的物质,要求学生自行设计实验,让学生感悟到生活中处处有化学,化学处处都有用。当学生对化学实验产生浓厚的兴趣时,他就会积极探究、仔细观察,并在实验活动中产生愉快、满足、兴奋等情感体验,促使化学实验顺利完成,同时使化学实验兴趣得到进一步强化,并逐渐转化为学习化学的强烈动机。
(三) 化学实验的方法论功能
新课程中的化学实验不仅是一种实践活动,它更是一种方法和过程,学生通过亲历科学实验探究的过程,一方面获得有关的化学知识,掌握有关的化学实验技能;另一方面体验化学实验的科学方法,如观察的方法、实验的方法、实验记录的方法、对实验数据和事实的处理方法、科学抽象的方法、假说的方法、模型的方法。如此经过长期的训练和积累,就能逐渐达到新课程中要求的培养学生科学素养的总目标。
1. 研究氯气的性质[山东科技版《化学1》(必修)第12页]。
根据提示: 氧气、氢气等都是非金属单质。初步预测氯气能跟哪些物质反应,并设计实验验证预测。
2. 食醋总酸含量的测定[江苏教育版《实验化学》(选修)第74~78页]。包括方案设计、操作、数据记录与结论、交流与讨论等。
3. 蓝瓶子实验[人教版《实验化学》(选修)第5~7页]。通过控制实验条件探究哪些因素对亚甲基蓝振荡反应的影响,实验中运用对比实验法,并以实验报告的形式反映探究过程及其结果。
[案例分析]
案例中的三个实验都是通过“过程”对学生进行“科学方法”教育的案例。实验中用到了“测定”、“实验条件控制”、“实验现象记录”、“表格化处理”、“绘制图表”等实验方法。
(四) 化学实验的探究功能
课程标准指出: “化学实验对于实现高中化学课程目标具有不可替代的作用,学生在设计实验方案、进行实验操作、观察记录现象、进行数据处理、获得实验结论的过程中,不仅能获取知识、技能和方法,提高探究能力,还能形成良好的情感态度和价值观。”由此可见,高中化学新课程特别强调实验探究能力的培养,力图使化学实验在培养学生科学素养的过程中发挥更为积极的作用。
化学实验是进行科学探究的重要方式,在实验探究过程中,学生可以形成基本的化学实验技能,发展实验能力。反过来,化学实验又是学生学习化学和顺利进行探究活动的基础和保障。通过化学实验增进学生对科学探究的理解,发展学生的科学探究能力,化学教师应不断从生产、生活实际中挖掘素材,研究开发适合于探究学习的化学实验,充分发挥化学实验的探究功能。例如,新课程中安排多类型、多角度、多形式的实验,充分体现了学生的自主性和探究性,而学生设计实验又通过实验方案的设计、实验操作、实验现象的观察记录、实验数据的统计处理和分析推理得出结论的全过程来体现探究式学习。
原电池组成条件的探究
1. 请你利用给出的实验用品组成原电池,比较不同原电池产生电流的情况。实验用品: 铜片,锌片,铁片,碳棒,稀硫酸,蔗糖溶液,酒精,导线,电流表,烧杯。
2. 分析每个原电池中发生氧化还原反应的物质是什么,并写出反应的化学方程式。
你的结果:
电极溶液是否产生电流发生氧化还原反应的物质氧化还原反应的化学方程式
〓[摘自山东科技版《化学与生活》(选修)第56页]。
[案例分析]
该案例就是让学生通过探究理解“原电池组成的条件”的规律,同时学生在探究过程中学习药品取用和有关仪器使用,掌握有关操作技能,加深了对氧化还原反应本质的理解,并在这一探究过程中,加深理解观察、科学方法(思维)和实验是进行科学探究的手段。
(五) 化学实验的人文教育功能
“情感、态度、价值观”已作为化学新课程的教育目标被提出,化学教育又是科学教育的一个重要内容。在科学教育中渗透方法、态度、价值、情感、责任等人文内涵,使学科知识与人文内容相联系,体现科学教育与人文教育的融合,是现代科学教育的一个重要趋势。化学实验作为化学教育内容的一个重要方面,在人文教育方面起着其他内容无法替代的作用。首先,化学实验可以培养学生实事求是、严肃认真的科学态度,一切从实际情况出发,如实地反映实验中观察到的实验现象和化学事实。其次,化学实验不仅为学生提供丰富的感性材料,同时还能引导学生用辩证唯物主义的观点来认识和分析化学事实,形成科学的世界观和价值观。第三,化学实验还可培养学生关爱社会、关爱自然、与人合作的情感,在实验过程中经历成功与失败的情感体验,同时通过实验还可以对学生进行安全教育,等等。
(六) 化学实验的教学论功能
无论是作为实践活动的实验(实验探究活动),还是作为认识活动的实验(实验方法论),都是在一定的化学教学活动中进行的,因而,它还具有重要的教学论功能。
化学实验能够创设生动活泼的教学情景。布朗(J.S. Brown)等人在《情景认识和学习文化》一文中首次提出了情景认知的观点,认为: 知识是具有情景性的,知识是在情景中通过活动与合作而产生的;当学习发生在有意义的情景中才是有效的;只有在情景中呈现的知识,才能激发学习者的认知需要,从而产生学习动机和学习兴趣。因此,情景创设是现代化学教学设计的重要内容之一。
所谓化学教学情景就是指在化学教学中能够激起学生学习积极性的各种景物。化学教学情景的创设,可以采取化学实验、化学问题、小故事、科学史实、新闻报道、实物、图片、线图、模型、景象资料和互联网等多种形式。而化学实验则是创设生动活泼的化学教学情景的最常用的一种形式。王后雄.试析高中化学新课程教科书实验的教学功能[J].天津师范大学学报: 基础教育版,2008(9): 4547.
“彩色喷泉实验”
图21
在氨的导入环节,设计一个“彩色喷泉实验”,即在圆底烧瓶中装有干燥的氨气,胶头滴管中装有酚酞试液。挤压胶头滴管,打开活塞,形成漂亮的彩色喷泉(如图21)。
[案例分析]
这种利用产生神奇现象的化学实验导入的方式,往往能很快吸引学生的注意力,并使学生产生强烈的探究欲望。