中学化学中的实验与思维

时间：2024-05-04

李岚

摘要：实验是化学思维的重要基础。化学实验思维是关于化学实验目的、原理、过程、现象和结果的思维活动，是化学学科核心素养的重要成分。化学实验思维系统是由目的思维、原理思维、操作（包括观察）思维，以及现象思维、评价思维、应急决策思维和综合思维等要素构成的复杂系统。基本原理思维是化学实验思维的核心。实验设计及实施是养成化学实验思维的重要环节。提高学生的化学实验思维水平需要改进课程、教材和评价。

关键词：化学思维; 化学实验思维; 化学实验思维系统; 中学化学

文章编号： 10056629（2019）1000803 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 实验是化学思维的重要基础

思维是人脑借助于内隐或外显的语言或动作、表象表现出的对现实事物的间接的、概括的加工形式和反映过程，它反映一类事物共同的、本质的属性和事物间内在的、必然的联系，是人类认识世界、改造世界的最重要的工具。化学思维是关于物质（实物材料）组成、结构、性质、变化和相互联系的思维，是化学的灵魂，也是化学学习最重要的内容[1]。要开展化学思维必须具备有关事物的丰富的感知觉材料，而实验正是提供这些材料的最有效的来源。因此，实验是化学思维的重要基础。化学科学的形成和发展历史生动地证明了化学思维和实验的密切联系。例如：

元素是化学最基本和最重要的概念，没有科学的元素概念就没有化学科学。中国古代和古希腊的先贤虽然早就分别臆测水、火、木、金、土和火、土、水、气是组成万物的“元素”，由于没有实验事实支持，它们不可能导致化学科学的建立。直到17世纪下半叶，波义耳（Robert Boyle， 1627～1691，英）通过实验发现有些物质“用一般方法不能再分解为更简单的某些实物”，指出“元素应当是某些不由任何其他物質所构成的原始的和简单的物质或完全纯净的物质”，从而为化学元素作了一个朴实的定义，“把化学确立为科学”。

道尔顿（John Dalton， 1766～1844，英）提出原子论，是以他对空气组成、混合气体扩散和分压问题的实验研究为基础的。他推论空气是由大小、重量都不同的原子组成，从而使思维进入微观领域。他用原子的化合与化分来解释、说明各种化学现象和各种化学定律之间的内在联系，成功地抓住了化学的核心和本质问题;又进一步用原子思维对当时人们了解的、彼此孤立的各种化学变化资料进行综合、整理，经过不断完善，最终形成说明化学现象的统一理论，“给整个科学创造一个中心”，开启了“化学中的新时代”[2][3][4]。

分子概念的提出也离不开实验：盖·吕萨克（GayLussac J L， 1778～1850，法）等人综合多个实验结果作出结论：各种气体在彼此起化学作用时常以简单的体积比相结合;在同温同压下，相同体积的不同气体，无论是单质还是化合物，都含有相同数目的原子（他和道尔顿一样，把各种元素的“简单原子”跟化合物的“复杂原子”统称为“原子”）。但道尔顿认为，不同物质的原子大小一定不同，因此在相同容积内不同物质不可能含有相同数目的原子，坚决反对盖·吕萨克的结论。为了解决盖·吕萨克和道尔顿的争论，阿伏伽德罗（Ameldeo Avogadro， 1776～1856，意）以盖·吕萨克的实验为基础，进行合理的假设与推理，引入分子概念，圆满地解决了这个争论，也使化学对物质的理性认识上升到新的层次。

物质的结构是化学的核心问题。化学家们对物质结构的认识，是建立在最初为解释种种实验现象而提出的同分异构、原子价、碳四价学说以及碳链、基团概念、立体化学模型等认识基础上的。没有有关的实验，就不能形成对物质结构的认识，也没有物质结构认识的深入和发展。

质量守恒定律、质量作用定律、化学平衡原理、催化作用原理，等等，关于化学反应的认识无一不是建立在实验基础之上的。

上述史实说明，没有实验提供思维材料，就没有对物质组成、结构、性质和变化的思维，也就没有对物质组成、结构、性质和变化的认识。

还必须指出，实验不仅是获得化学思维材料的主要来源，也是对化学思维进行检验、发展的重要手段。

总之，实验是人类化学思维的重要基础。

2 做好化学实验需要思维

要做好化学实验必须积极地开展化学实验思维，没有化学实验思维的实验过程充其量不过是照方抓药的过程，不可能做好化学实验。

化学实验思维是化学思维的重要组成部分，其中既有抽象思维成分，又有实验操作（动作）思维成分。

化学实验思维水平是化学学科核心素养的重要成分。化学教学要关注学生的化学实验思维，化学实验教学尤其要注意逐步提高学生的化学实验思维水平。

2.1 化学实验思维系统的分析

人类的化学思维离不开实验，化学实验也离不开思维。要说清这个问题，需要对化学实验思维作深入的分析。

教学中的化学实验是人们创造或者控制一定的条件，使实验物质（试剂）发生纯化、强化和典型化的化学变化，以便组织学生的观察、思考、讨论等学习活动，从而达到一定教学目的的实践活动，是由实验试剂、实验原理、实验条件、实验装置、操作方案、实验结果以及实验主体（实验者）等要素构成的复杂系统。实验结果是各要素协同作用下系统运行的产物。

对于中学化学实验来说，其系统要素除了实验原理和实验物质（试剂）、实验条件、实验装置、实验操作、实验结果以及实验主体（教师或学生）之外，还有观察主体（学生）。操作主体跟观察主体常常是分离的，这是中学化学实验系统跟一般的化学实验系统的显著区别。中学化学实验系统的各要素都要受教学对象——中学生的特点和中学的实验条件所制约。这种复杂关系可用下图示意[5]：

化学实验思维是关于化学实验的目的、原理、过程（包括方法及运作）、现象和结果的思维活动。与化学实验系统对应，化学实验思维也是一个复杂的系统。为了化学实验系统有效地运行（即做好实验），实验者需要通过目的思维来明确实验的目的，通过原理思维来明确实验的化学原理、装置原理、操作原理，明确实验的预期现象和结果，需要通过过程思维来确定实验的过程、方法和运作，需要对发生的现象和结果进行判断、评价，以及时地采取有效的应对措施，即进行观察思维（现象思维）、应急决策思维和结果处理思维，还需要对整个实验方案和实际过程进行综合思维。可见，化学实验思维系统是由目的思维、原理思维、操作（包括观察）思维，以及现象思维、评价思维、应急决策思维和综合思维等多种要素构成的复杂系统。

2.2 基本原理是化学实验思维的核心

在化学实验思维系统的诸要素中，包括化学反应原理、装置原理和操作原理在内的原理思维决定着实验目的能否有效实现，也决定着实验的现象、过程和结果，因而是整个实验思维系统的核心。掌握实验原理的基本规律，有效地、创造性地开展原理思维，是实验思维取得成效的关键。

3 养成化学实验思维的重要环节

科学实验能促进学生手脑并用、全面发展，有利于人才，特别是创造性人才的成长。实验思维是科学实验的核心，而良好的实验思维是我国基础教育中比较薄弱的一块。要改变这个现状，需要物理、化学和生物学科等协同做出努力。

为了提高学生的化学实验思维素养，需要让他们在化学实验思维指导下进行化学实验的设计与实施训练，需要引导他们适时地进行小结、提升。

3.1 在化学实验思维指导下进行实验设计

实验设计在化学的研究和学习中具有重要的作用。早在18世纪后半叶燃素说流行之时，拉瓦锡（AntoineLaurent de Lavoisier， 1743～1794，法）为了证实自己对燃素说的怀疑，特别设计实验来推翻燃素说并提出科学的燃烧理论，促进了逻辑思维在化学认识活动中的应用。基于化学事实概括元素概念的成功以及化學逻辑思维的需要，刺激化学家们通过化学实验来获取更多、更有力的实验事实，促使他们运用逻辑思维指导实验设计、改进实验、提高实验的科学水平，不但为具有学科特点的化学实验思维方式的形成奠定了最初的基础，也使实验设计由此逐步成为化学研究与化学学习中的重要工作。

中学化学实验设计的内容包括实验目的与教学目标设计、实验原理设计、实验试剂选择与加工、实验装置设计、实验操作和观测方案制订以及实验及教学效果评价设计等方面。在中学化学实验教学中，应该有计划、分步骤地对各方面的设计进行思维训练。

在思维训练中应注意有效的思维策略的渗透、评价和总结、强化。例如，在目标设计中渗透综合策略、缺点排除策略、系统测定策略;在实验原理设计中渗透原理物化策略、组合策略、强化或弱化策略、渐进策略、简化策略、变换输出策略、技术模拟策略、技术置换策略、综合策略等[6]。

3.2 实验思维化，在化学实验思维指导下实施实验方案

实验实施不但可以强化对实验设计的体验，还可以发现设计中的疏漏，有利于进一步完善实验设计、强化设计思维。

在实践中，学生常常会因为赶时间出现方案实施与实验思维脱钩现象，或者出现实施疏漏现象。对此，教师应加强指导、加强管理。

3.3 改进、完善教材

跟知识传授比较，现有教材忽略实验训练，特别是化学实验思维的训练，不利于化学实验思维的养育，也是造成目前化学实验教学滑坡的重要原因之一。为改变这种现状，我们课题组通过研究和实践形成了下列有效方案：

（1）比对不同版本教材，就实验的思路、目标、学生活动方式以及栏目设置、编排次序等选择最佳的实验方案，或者整合成最佳实验方案，供教师授课演示或学生分组实验;

（2）增加实验中主要步骤的思维活动要求;

（3）设计单元实验教学，适当增加实验设计任务，对学生能力的培养目标，实验设计的创新性、开放性等，逐步提高要求，优化、提升学生化学实验的思维品质;

（4）习题实验化。把部分习题改编成实验习题，增加学生设计实验、开展实验思维活动的机会。

3.4 积极开展实验思维教学及评价研究