关于中学化学教学实验改革问题的思考

1一个目前很难回答的问题

根据高中化学课程标准（实验）的设计和规定，除去在大部分教学模块中都有建议必做（包括课堂演示）和选做的实验之外，还专门为喜爱化学或喜欢动手做实验的学生设计了一个《实验化学》模块（选修）。这在过去的中学化学教材中是罕见的，应该认为在诸多中学化学教学模块的设计方案中，是一种有新意的方案。但是如何实现这个方案设计时的主要思想，却难以一蹴而就，需要一个摸索和试验的过程。教材编写者做了很大的努力，按照课标要求和目前中学的客观条件，以及实验内容的可行性和趣味性，形成了目前提供给实验区高中选用的这个模块教材。

教材得到了审查专家们的初步肯定和支持，同时提出了很多宝贵的意见和建议。其中有一个具有根本性质的问题：“究竟是实验化学，还是化学实验”？这是一个很好的问题，也是一个目前很难回答的问题。促使我们再一次从化学教育和教学改革的角度来审视和探索中学化学教学实验的教育价值和实验化学课程的教育目标问题。

2 化学学科的特点决定了化学必定是一门实验性科学

化学的基本任务在于认识和识别物质，并在此基础上研究和发现物质间存在本征差异的外在和内涵因素，从而使之成为分离、鉴别、合成和设计新物质的基础。由学科的任务和特点可以看出，化学在研究物质世界时，更着重于物质的个性。在积累了大量有关个别物质的数据及经验之后，人们试图从中找出某些共性，并进一步构成学科理论，使得对物质世界的认识逐步由分立的经验数据进步为系统的，便于传承的科学知识。后者也就是已为人们熟知的所谓由感性到理性的认识过程的跨越。从神龙尝百草的传说到李时珍编撰《本草纲目》的历史记载中，都可以找到类似的认知轨迹，也就是说，这种以研究对象的个性为基础逐步形成对大量客观事物共性（包括对它们之间某些差异的变化规律性在内）的认识方法，是一种已为人们广泛应用于各个领域的方法。实践证明，这是一种行之有效的科学方法。

认识和识别事物，从来就是人类维持正常生活和发展智力过程中不可或缺的基本要素。但是作为科学的化学，对此却附加了极为严格的律条，即所谓的“双盲原则”。它要求在相同的客观条件下，任何正常人用同样的方法（或技术）在认识或识别某个确定的物质时，都能够得到相同的结论。亦即对物质的认识或识别不应当带有任何主观的色彩。由于物质的存在形式、所处的状态、以及研究主体之外的杂质的干扰，往往会掩盖本来面目，而科学又从不寄希望于人们都能具有超凡的“透过现象看清本质”的能力，所以不仅要求严格地确定实验时物质体系所处的环境条件（包括温度、压强、大气组成、存放物质的器皿材质等等），而且要求以纯净物为研究对象（在此基础上，可以进一步研究有着确定组成的混合物,包括溶液及其他分散系等）。这是化学是一门实验性科学的最基本也是最重要的注解之一。

宇宙间的物质都是由它们的原子或分子以某种结合或聚集方式组成的，这是化学学科的基本假设和学科基础。但是在20世纪80年代之前，由于缺乏能够用于直接观察或操纵单个或少数个（相对于阿伏加德罗常数而言）原子分子的技术手段，人们只能采用通过对大量原子分子行为的统计平均表现来完成对物质的认识与识别。这种 “见著而知微”的方法，虽然有经得起反复验证的实验事实为依据，但是有时却过分依赖于研究者的经验或灵感，当研究对象比较复杂或影响因素较多时，所得结论的不确定性往往很高。C60的发现史就是一个耳熟能详的例子。自从有关原子结构的实验结果和相应的理论得到普遍接受之后，以微观粒子为观察对象的实验方法和技术，特别是以扫描隧道显微技术为代表的一系列能够直接用于单个或少数个原子分子的技术的发展和进步，人们已经可以直接获得有关原子分子的静态或准动态特性的信息；核磁共振和电子自旋共振技术、质谱技术、和几乎遍及整个频谱的发射与吸收光谱技术的不断完善，人们能够迅速而且准确地获得有关原子、分子、晶体、固体表面的结构信息；可调谐及超短脉冲激光技术和时间分辨技术的发展和应用，不仅有助于了解大多数介稳物种的静态与动态行为，而且为了解在不同条件下物质变化过程的细节提供了可能。目前，人们对物质的认识和识别水平，已远非经典化学方法和前辈化学家的经验与灵感所能比拟的了。现代化学的进步，对实验技术的依赖已成为不争的事实。化学的实验性科学特征在此得到进一步的强化。

另一方面，以传统化学实验模式为主的化学合成（包括相关的研究工作）和分析分离工作，仍然是化学工作的主体，每年登录的新化合物已达到千万种的数量。化合物之间的差别虽然可以体现在组成、结构和反应活性等方面，但是存在差别是确认新化合物的基本前提，所有这些工作，包括合成、鉴定、鉴别的完成，都是在实验室内进行的。所有成果也都具有实验性科学的特征。

近年来，理论方法在化学研究工作中的作用和重要性，越来越受到重视。在不少领域中，理论方法和实验方法被视为研究者解决化学问题时能够起到互相启发、互相补充的两种研究手段。但是在现阶段，理论对于化学物质或化学过程所作预见的不确定性依然较大，往往需要通过实验方法予以校核和提供修正的思路。从而说明，就化学而言，目前的理论研究工作仍然要以实验研究为基础。

3 化学实验体系的基本组成和它们的教育价值

作为一门实验性科学，通过实验活动学习化学应当是重要途径之一。虽然化学实验的教学或训练目标可以区分为：学习观察和测定化学物质的性质的一般方法；观察典型化学体系在反应时发生的现象及实验条件对反应情况和结果的影响、验证与其相关的理论或规律；合成某些简单化合物的化学原理和影响产率或速率的方法；学习应用简单化学仪器装置和化学实验基本操作，如溶解、过滤、蒸馏、配制试剂溶液与浓度的标定、以及制备收集和探究气体物质性质时的常用方法等。就中学化学教学实验而言，如果在区分职业性要求和素质性要求的原则基础上达成共识的话，应当认为它们的教育价值并不是等同的。

服务于教学和探究目标的实验体系，可以大致区分为三个必要的组成部分, 即（1）经过优选后确定的化学体系，通常以影响因素或变量尽可能少的实验体系为首选，因为实验现象或结论的不确定性越低，越有利于初学者获得比较确定的结果，以便认知过程更好地符合循序渐进和少而精的原则；（2）合理的并有明确探究目标的实验步骤和安全措施；（3）必需的试剂、仪器装置及合乎规范的操作技术，三者缺一不可。但是就学习和探究化学而言，化学体系的选定往往起着关键的作用。因为在选定化学体系时，往往要求事先对于探究目标的化学本质或预期现象进行深入而全面的思索和实验设计（这也是化学实验要求预习的原因之一），涉及到的方面很多，这个过程将十分有利于学习化学。所以，通过实验学习化学原则的体现，首先应当提高对这个过程的重视程度。即使在比较简单的经典教学或演示实验中，也可以举出许多实际的例子。例如对金属的观察，中外教材都比较偏爱单质钠。钠是一个常见元素，但是人们熟悉的主要是它的化合物。金属钠和食盐中的“钠”所形成的极大差异，对于初学者来说，具有振聋发聩的作用。其次金属钠在存放期间所发生的外观变化，和金属钠被切开后所呈现的非常典型的金属光泽，可以使学生知道，为什么化学要以纯净物为研究对象（何况金属钠比较柔软，容易观察到它的未经氧化的真面目）。通过和此前已经熟悉的铁、铜、镁等金属单质的对比，学生对金属的部分共性的了解将得到进一步的深化。更重要的是，加深了对它们之间存在着差异的认识。化学源于生活，化学实验中用到的观察和思辨方法之所以优于生活经验，在于它的科学严谨性。又如在讨论发生离子反应的条件时，作为生成难溶物或沉淀的典型化学反应体系，中学教材中几乎无例外地都以生成AgCl或BaSO4的反应为首选，这是因为这两个反应体系在产生沉淀时，几乎和溶液的酸碱性无关，因而结论的不确定性远低于其他的反应体系，如CaCO3、Al(OH)3等等。在化学发展过程中，一些极为重要的发现或研究成果，如拉瓦西所设计的探究空气组成的实验、泽维尔所完成的对HI-OCO的飞秒化学研究等等，都可以作为上述看法的依据,也应当成为初学化学者认真学习和反复体会的范例。

合理的并有明确探究目标的实验步骤和安全措施同样重要，但是它依从于所选择的化学体系。包含着实验者对化学体系的探究目标；过程的设想或推测；以及对于所用试剂、产物和仪器装置性能的了解。这时的学习范围虽然局限于选定的化学体系，但是所考虑的方面却比较广泛，涉及到某些物质的动态性质、包括反应的剧烈程度（过程）、 反应产物的特性（包括毒性和后处理）等方面。这方面的化学知识和经验通常只有亲身实践过的人，才能真正得到。也许可以作为重视实验、重视过程方法的教育的注解之一。

必需的试剂、仪器装置及合乎规范的操作技术也是不可或缺的组分之一，前者关系到完成实验工作的物质条件，后者就广义的教育价值而言，可以视为学习使用工具的方法。各个领域和各种行当常用的工具也许并不相同，但是都有使用工具的要求。学会使用工具，进而做到灵巧和熟练，本来就是人类和其他动物的主要区别之一，工具的使用促进了人类的手和脑的发展，从而形成生产力中最为重要、能够自动地发展和改善的要素之一。化学实验基本操作训练的教育价值也在于此，此外还有培养科学作风、科学习惯、学会观察实验现象和学习“见著而知微”的化学思维方法的作用。

4对《实验化学》模块教学目标的思考

基于以上的讨论，我们应当看到，由于化学学科的飞速发展和广泛地应用，涉及的理论和技术越来越深奥复杂，化学物质的组成、结构和反应越来越奇特， （例如大家都熟知的C60）， 除去能够通过组成和结构的调控，从而可以成为具有特殊功能的高分子体系（如具有铁磁性、形状记忆、能对外界物理或化学信号产生选择性响应、能够成为激光介质等功能的高分子体系）外，还有近年来备受关注的难以胜数的介稳物种（如自由基、等离子体、准分子等）、超分子和能够自发形成的有序与无序的分子缔合体系等等，所涉及的化学反应更是“光怪陆离”，难以尽述。这些在现代化学研究室中已经成为众所熟知的研究课题的内容，虽然在现行的基础化学以及大学化学教材之中没有得到充分地反映，但是由于和材料、信息、生命、环境、及医药等领域的关系日益密切，因而和社会发展的关系却越来越贴近，正在成为促进基础及专业化学教学改革的巨大推动力。高中化学课程标准中“基础性、时代性和选择性”原则的提出，体现了对基础教育改革和社会发展之间的互相制约、互相促进关系的认识和应对的策略。全面地领会以上的原则，将有利于我们对中学化学实验改革，特别是对《实验化学》模块的构建和实验。

根据课程标准的设计，学生在选修《实验化学》模块之前，已经完成了初中化学和高中化学必修（I）、（II）的学习，对于化学实验所需的基本方法和基本操作已有所了解，还有部分学生曾经接触过或体验过实验探究活动。据此《实验化学》模块的教学目标，可能有两种不同的考虑。一种以经典的化学教学实验模式为主，即提供成熟的实验方案、必需的仪器和试剂，由学生在课程规定的学时内，按照实验步骤进行实验，同时完成预习、实验、记录和书写实验报告的全过程。另一种考虑则以引导学生进行探究性实验的模式为主，不过分重视知识的数量及技能的多样化和娴熟程度，以实现过程方法、情感态度价值观的教育目标为着眼点，亦即期望通过完整的、有预期目标的实验探究性活动，使学生体验到科学实验是一种自我教育、获取活的知识和提高自身能力的重要途径，整个探究过程中和挫折伴随而生的困惑，不仅可以锻炼自己的意志，提高战胜困难的信心，并激发出自己的潜能。在这种积极思维的状态下，书本知识和老师同学的建议才能转化成为创新思维的催化剂。

前一种方案是我们所熟悉的，有利于把握整个教学过程（包括进度、资源供应、安全等）。就三维教育目标而言，也可以顾及，只是比较测重于知识技能目标。但是不容回避的是，在基础教育阶段，照方抓药式的被动感和偏于验证性质的实验活动，多年的教学实践证明，在提高学生对科学的兴趣、诱发探究积极性和培养自主学习的信心等方面并不很有效。也是这次基础化学教育改革过程中需要着重解决的一个主要方面。

后一种方案的前提是，基础教育阶段应以满足素质性要求为主，着眼于三维教育目标的全面落实，科学（包括化学）教育的任务，不仅在于使学生掌握一定数量的，具有基础性和时代性特征的科学知识，更应当把提高学生的科学素养、促进全面发展、成为能够适应新世纪持续发展需要的高素质人才的目标放在首位。化学实验探究活动有着条件比较简单易行，而且和人们的日常生活比较贴近，作为研究对象的化学物质，几乎是俯拾即是。由《科学美国人》杂志社汇集的美国中小学生近期参与科学博览会（ Science Fair）的探究性课题，就有数千之多，其中与化学相关者约占1/3左右，题材极其丰富，涉及面非常广泛，决非一般教科书或化学竞赛题所能比拟。它使我们看到，只要有了自由想象和思维的空间，在学校、家长和社会各界的支持和引导下，中小学生在科学探究活动中的积极性和创造性将得到充分的发挥，并和课堂教学形成良好地互动和互补关系。在实验探究活动中，不仅原有的知识得到巩固，并且可能获得课堂教学无法提供的新知识和新感受。由于探究目标明确，任务具体，实验过程中所用到的方法和基本操作，将自然地转化为内在的科学习惯和科学素养，足以补偿人们担心的某些基本操作训练的缺失，何况后者并非都是人人须知的啊！

综上所述，是否可以认为，前者较多地保留了传统化学教学实验的特征，而后者则比较符合高中化学课程标准中《实验化学》模块的精神？

5 开展实验化学教学的设想和建议

化学实验单独设课是一个新事物，缺少可以借鉴的蓝本，也难以找到适当的参比系，加之目前教学资源和物质资源的不够充分，课程的组织和过程控制必然存在着较多的不确定因素，这些问题的妥善解决，应当允许有一个较长的探索和逐步完善的过程。但是以探究性学习的要求和方法来改进我们的实验教学，仍然是大有可为的。在必修和选修教材中包含的演示或课堂实验，以及学生参加过的某些实验探究活动中，有着丰富的可供学生再次进行实验探究的题材。或要求探讨某种分离技术的改进或优化；或摸索提高某个合成实验的产率和产物纯度；或探究某些实验结论对反应条件的“依赖性”；或探索混合物组成对物质体系性质的影响等等，都可以成为通过实验学习化学的有效途径。例如对乙醇氧化为乙醛的反应中热铜丝催化作用的探究，就是一个很好的实验探究题目。是否只有铜才能起着催化剂的作用，其他金属也有类似的作用吗？热的氧化铜或氧化亚铜是否也有催化作用？乙醛的生成可否用银镜反应来检测？人的嗅觉会比银氨络离子更灵敏吗？催化剂不仅能够改变反应速率，而且具有选择性（课标中无此要求，从实验中可以新知识形式呈现，并为学生所了解。其实这是催化剂的最重要特征，因为改变反应速率的方法很多，如温度、浓度（或压强）、表面积等，但是大都不具备选择性的特征）。通过实验探究过程，学生将找到这些问题的初步答案，加深他们对化学学科特点和探究方法的理解，三维教育目标也可以得到落实。通过实验学习化学和化学是一门实验性科学的感性认识，将有助于学生对化学的学习，从而更好地体现设立实验化学选修模块的初衷。此外，可以看到，《实验化学》更具有读本的性质，并起着实验指示书、参考用手册的作用。这是《实验化学》教材不同于其他模块教材之处。