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摘要：化学实验对于全面发展学生的化学学科核心素养有着极为重要的作用。在化学教学中，引导学生从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验，探索未知，有利于核心素养落到实处。要充分发挥实验教学创设情境、探究原理、训练思维的三大作用，在进行化学实验设计时应直指问题生成、以冲突驱动探究、符合最近发展区。
关键词：化学实验设计；创设情境；构建知识；核心素养
从“三维目标”到“核心素养”，是课程改革的方向；重视开展“以素养为本”的教学，是新课程的基本理念。化学实验对于全面发展学生的化学学科核心素养有着极为重要的作用。化学实验有助于激发学生学习化学的兴趣，创设生动活泼的教学情境，帮助学生理解和掌握化学知识和技能，启迪学生的科学思维，训练学生的科学方法，培养学生的科学态度和价值观［1］。在化学教学中，引导学生从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验，探索未知，使核心素养真正落到实处，应该成为化学教学的常态。笔者将结合具体案例谈谈化学实验在教学中的作用以及进行实验设计时应注意的事项。
1化学实验在教学中的三大作用
1.1创设情境，引出问题
建构主义认为，知识学习不是简单的传递过程，而是学习者自主建构过程。真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，设置恰当的情境为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会。因此，教师在教学中应重视创设真实且富有价值的问题情境［1］。以实验为基础是化学学科的重要特征之一，化学实验情境的真实性，是其他情境无法替代的。以精心设计的化学实验情境为载体而引出问题，能有效调动学生的学习积极性。案例1：人教版必修1NH3的还原性教学片段。情境素材1：管道工人用浓氨水检测氯气管道是否漏气。情境素材2：将分别集满NH3和Cl2的两个集气瓶口对口（用玻璃片隔开）立于桌台上，氯气在上（氯气密度大于氨气），氨气在下，如图1所示。快速抽离玻璃片，让两种气体混合，立即看到集气瓶中出现大量的白烟。引出问题：为什么产生白烟？白烟的成分是什么？在这个过程中体现了氨气的哪些化学性质？创设意图：学生已经有了氨气能与氯化氢反应生成固体氯化铵（白烟）的知识储备，通过创设氨气与氯气反应生成氯化铵实验，引导学生从氧化还原反应原理分析推理，氯元素化合价降低，氮元素化合价必然升高，从而构建出NH3具有还原性的事实。将现实生活中工人用浓氨水检测氯气管道是否漏气的真实事例所蕴含的化学原理，设置为直观的实验情境，很自然地引出了问题，直奔教学主题。
1.2探究原理，理解本质
在元素及其化合物教学中，物质性质和物质变化，内容繁多，学生难以掌握。尤其是化学变化中涉及量的问题，学生往往没有理解反应的本质过程，靠死记硬背，学习效果不佳。而设计探究实验，学生通过对宏观现象的观察，运用所学知识、原理分析判断，体验认知思维的构建过程，有利于培养实证推理的思维品质，让核心素养在课堂中真正落到实处。案例2：人教版必修1关于碳酸钠和碳酸氢钠分别与盐酸反应的教学片段。问题：碳酸钠和碳酸氢钠能与稀盐酸反应吗？反应的速率、剧烈程度一样吗？为什么？探究实验：仪器：试管、胶头滴管。药品：浓度均为1.0mol/L的碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液，0.5mol/L的稀盐酸。实验操作步骤：在分别装有5mL碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液的两支试管中，①分别缓慢滴加两滴浓度均为5mol/L的稀盐酸，观察；②分别快速加入一滴管稀盐酸，观察；③再分别快速加入一滴管稀盐酸，观察；④同时振荡两支试管，观察。探究原理：步骤操作①中，在碳酸氢钠溶液中发生：HCO3-+H+=H2O+CO2↑，在碳酸钠溶液中发生：CO32-+H+=HCO3-（H+不足），前者立即产生气泡，后者难以看到气泡；在步骤②中，由于是快速加入一滴管的盐酸，造成局部H+浓度较大，在碳酸钠溶液中生成的HCO3-继续与H+反应，产生少量气泡；在步骤③中，装有碳酸氢钠溶液的试管中，由于上层的HCO3-被H+消耗，其浓度降低，只产生较少量气泡，而装有碳酸钠溶液的试管中，上层生成了较多量的HCO3-，再滴加盐酸时，立即产生气泡；在步骤④中，振荡使上下层液体充分混合，由于碳酸钠溶液中所加入的H+已被消耗，无明显气泡产生，而碳酸氢钠溶液中，下层的HCO3-与上层未反应完的H+混合，反应产生大量CO2。设计意图：通过控制盐酸的滴加量和滴加速率等操作而呈现出来的不同现象，学生获取了解决问题的真实体验和感知，并从宏微关系中探究反应本质，构建对碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应的原理的认知过程。同时，进一步促成“变化观念”的形成：化学变化的多样性和条件的可控性。通过本探究性实验的学习，学生对于解答相关知识迁移性问题，就变得容易了。例如，将20mL1mol/L的Na2CO3溶液缓慢滴加到10mL1mol/L的HCl溶液中，与将10mL1mol/L的HCl溶液缓慢滴加到20mL1mol/L的Na2CO3溶液中，现象一样吗？会产生相同体积（同温同压）的CO2吗？
1.3改进实验，训练思维
教材上的演示实验和探究实验，有其原创性和经典性，但都是在某一特定的教学阶段，根据具体的教学内容而设计的，不一定具有统摄性，甚至个别实验还具有一定的局限性。引导学生对教材上的实验从操作和药品仪器上进行改进，有利于他们加深对原理的认识，有利于他们发散思维的培养。案例3：人教版必修1氢氧化亚铁的性质和制备教学片段。教材第60页这样描述：“为什么在FeSO4溶液中加入NaOH溶液时，生成的白色絮状沉淀迅速变成灰绿色，最后变成红褐色呢？这是因为白色的氢氧化亚铁被空气里的氧气氧化成了红褐色的氢氧化铁。”在实际操作中，往亚铁盐溶液中滴加氢氧化钠溶液（图2）时很快变成了灰绿色（只有几秒钟），学生难以观察到白色沉淀。同时，也很难看到试管中的灰绿色沉淀变为红褐色，在课堂中几乎不能实现（耗时长达2h以上）。在教学中可以设置对比实验，将灰绿色的悬浊液分为两支试管，一支静置，另一支振荡，振荡的那一支试管中可看到灰绿色很快变为墨绿色，粘附在试管上壁的墨绿色物质，较快变为红褐色（约5min）。由此说明，颜色的变化快慢与空气接触的程度有关。由此，学生自然萌生出问题：“若让氢氧化亚铁隔绝空气，不就能长时间看到白色了吗？”引导学生讨论达成此目的的实验改进方案，可以用植物油（原料易得）将反应物与空气隔绝，用长胶头滴管伸入试管底部挤出NaOH溶液（图3），结果很清晰地看到了白色胶状沉淀。进一步设问：FeSO4溶液难以保存，我们能否从制取FeSO4的反应原理（Fe+H2SO4=FeSO4+H2）出发，设计出让生成的FeSO4溶液在非氧化性氛围中与NaOH溶液反应而得到稳定的Fe(OH)2呢？通过步步引导，设计出如图4、图5所示装置。依据探究目的，从化学反应原理出发，运用实验对比，提升了学生的思辨能力，通过合作交流，改进实验，有效培养了学生的创新思维。
2化学实验设计应注意的事项
2.1直指问题生成
在化学实验探究设计中，设计的视角、形式多种多样，可以从过程操作层面设计，也可以从知识原理层面设计，但无论怎样设计，实验设计的实施过程和实验过程中产生的现象，要有利于指向性问题的生成，要目标明确，紧扣主题，一定要有针对性。
2.2以冲突驱动探究
产生的现象和引发的问题要能够引起学生的共鸣，引起学生认知上的冲突，让学生在解决问题的过程中强烈地感受到问题的意义和探究的价值，能有效激发学生的学习兴趣和求知欲。
2.3符合最近发展区
化学实验是实现教学目标和学习目标的一个重要载体，实验设计要关注学生思维的出发点和核心素养的落脚点，关注学生的学习进阶，问题的提出要从学生已有知识出发，要符合学生的最近发展区。例如，选取学生熟悉的知识内容，熟知的药品仪器，以降低探究的起点，有利于由表及里层层推进，让实验设计具有诊断和发展功能，具有层次性。案例4：人教版必修1关于金属钠与水反应的教学。本内容是高一学生系统学习金属元素及其化合物的开始，学生在初中已经学习了金属活动顺序表，知道“金属活动顺序表中前面的金属可以将后面的金属从其盐溶液中置换出来”，于是，设计了如下情境：探究钠与硫酸铜溶液的反应。在思维方式上属于演绎规律中的演绎—预测。学生基于已有认知，预期实验现象是应该有紫红色的金属铜产生，但实验结果是生成蓝色的氢氧化铜沉淀。“反常现象”的原因是什么？教师应引导学生从反应原理上、产物组成上分析。从产物组成的视角分析：氢氧化铜中的铜离子由硫酸铜提供，氢氧根离子从哪来呢？从反应原理来分析，由硫酸铜生成氢氧化铜，应该是盐与碱发生复分解反应所致，由此，提出猜想，钠与硫酸铜溶液反应时生成了氢氧化钠。进而设计实验，探究钠与纯水发生反应。通过钠与水反应后的溶液滴加酚酞变红，说明确实产生了氢氧化钠，至于另一产物氢气，从理论上可从氧化还原反应原理分析，钠失电子价升高，金属钠作还原剂，水中的氧为负二价，不可能得电子，只可能是正一价的氢得电子，故还原产物为氢气，也可以引导学生设计实验，收集气体进行检验。上述关联性的实验设计，唤醒了学生的已知，训练了学生的分析、演绎、推理等思维。
3结语
以素养为本的高中化学实验设计，有待我们每个化学教育工作者不断探索，以促成学生有效开展分类与概括、证据与推理、模型与解释、符号与表征等具有学科特质的学习活动，让化学学科核心素养真正落到实处。
参考文献
［1］中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018.
作者:谢应龙 单位:长沙市实验中学