2023年化学实验教学中实施课堂思政大全

陶杰/卢一卉/李远...作者简介：

陶杰，云南民族大学附属中学（云南 昆明 650031）；卢一卉，李远蓉，西南大学化学化工学院（重庆 北碚 400715）。

原文出处：

化学教育 内容提要：

从教师的实验设计、学生的实验准备、教科书等 3 个维度探查了化学实验教学中恩斯特·马赫所定义的“思想实验”的成分。在此基础上分析挖掘了“思想实验”的教学价值，即教师可借助思想实验优化实验教学设计；学生可借助思想实验优化实验准备问题；教师可用思想实验来彰显化学学科魅力。

期刊代号：g37 分类名称：中学化学教与学 复印期号：2018 年 03 期 关 键 词：

思想实验 化学实验教学 化学教科书 教学价值 我国《义务教育化学课程标准（2011 年版）》从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观 3 个维度来刻画科学素养。而化学实验是落实“情感、态度与价值观”目标的重要手段[1]189，也是落实“过程与方法”目标的重要途径。思想实验

作为一种重要的科学研究方法，与物质实验同属实验范畴，又对物质实验的开展有着统领、指导、反思的作用。中学化学实验教学中是否也存在思想实验成分？思想实验对化学实验教学有着什么样的指导意义？这些均是化学教育工作者需要关注的问题。

一、思想实验简介 恩斯特·马赫在《认识与谬误》[2]中指出“除物质实验以外，还有其他更高的智力阶段的实验，即思想实验……思想实验远远先于物质实验，并且为物质实验作了准备。每个思想者，每个发明者，在实际行动贯彻一种程序以前，必须在头脑中先具有这种程序（思想实验）”。有研究[3]在对马赫思想实验观点梳理的基础上提出思想实验是以科学实验为基础，以逻辑推理为根据，在思想中塑造的虚拟实验，是揭示客观过程或现象的本质联系和规律的一种科学认识方法。另有研究[4]在探索思想实验的根源及发展历程之后，认为“思想实验是依据真实实验为规范性模板而展开的一系列复杂思维逻辑活动”“逻辑作为思想实验构成的框架，贯穿于整个实验的过程和结果，并且统一体现在实验过程和结果的逻辑表述中”“思想实验由客观经验表象作为根基，并且将所公认的原理作为其依托”。

由此可见，思想实验是以真实实验为其操作性模板，以公认的原理作为其依托，以逻辑推理为其根据的一种科学认识方法，具有非实际的可操作性。思想实验与物质实验均属于科学实验的范畴，2 者有着相同的构成要素。由此，可以归纳出思想实验的运行机制，如图 1 所示。

当个体处于新情境时，情境条件会激发个体认知结构中已有的经验事实（图式）。个体通过类比情境和图式，确定问题的类型。在分析已有条件后，个体将认知结构中的经验事实按照它们所遵循的公认原理，运用逻辑推理的方式在假想真实（似真条件）下进行逻辑重构。最终形成能够解决问题的方案（程序）。

二、化学实验教学中的思想实验成分分析 从教学论的角度看，化学实验教学作为一种教学过程，其主要的构成要素应该包括化学实验体系、教师、学生以及承载实验体系的教科书。化学实验体系[5]又包括作为实验对象的物质体系（化学体系），适当的仪器装置和必要的安全措施，合理的实验步骤和规范的操作技术。实验体系的选择一般由教科书承载，探究水平较高的实验活动则可以由教师根据需要对化学体系进行改进或替换。基于此，教师的实验设计、学生的实验准备以及教科书成为了我们探讨化学实验教学中是否存在思想实验成分的基本维度。

1.教师实验设计过程中的思想实验成分 教师作为教学过程的主导，课前需要进行必要的实验教学设计，即实验准备阶段。化学实验教学设计是指化学教师在实施化学实验教学之前，根据教学目标和内容，对实验的目的与内容（化学体系）、教学时采用的方式方法进行系统的规划，以达成教学目标的过程[6]15。这一阶段教师需要对化学实验体系进行综合性的价值考量，进而对实验教学目标、教学方式、教学组织形式等进行设计，从而对实验体系认识论、方法论与教学论功能进行合理调配。这一过程教师需要在头脑中对选定的实验体系要素进行必要的运行，才能形成实验方案和教学设计。因而该过程具有恩斯特·马赫思想实验的特质。

2.学生实验准备过程中的思想实验成分 学生作为学习的主体，其实验问题解决的过程包括问题表征、问题解析、设计实验方案、实施实验方案、检验反思与调整等几个环节，其中问题解析、设计实验方案、实施实验方案是实验问题解决的中心环节[7]。而学生从问题解析到实验方案的设计，需要运用已有的概念和概念运行所遵循的基本原理，以其主观期望为学习起点进行化学概念的逻辑重构。经过在思想中不断地进行尝试与清除错误的过程，形成能自洽的探究方案。该过程同样具有恩斯特·马赫思想实验的特质，只不过逻辑抽象程度要低于教师层次，而教师层次又低于科学研究层次。

3.化学教科书中的思想实验成分（1）教科书中思想实验成分指标的确定 化学教科书是教师进行教学最主要的参考资源，承载了化学教育对学生化学学习的期望。所以化学教科书中的实验是否含有思想实验的成分也是一个值得探讨的问题。有研究[8]认为仿真实验是思想实验在化学教学领域的特定表现。结合恩斯特·马赫对思想实验的定义、思想实验的特点，我们认为化学实验教学的目标水平处于“应用”层次（设计层次）就含有思想实验成分。因此，我们将含有要求学生自主设计实验方案（编号为 a 类型）或实验条件做了理想化处理（编号为 b 类型）或是仿真实验（编号为 c 类型）成分的实验活动认为含有思想实验的成分。因而形成了 3 个研究指标，具体如表 1 所示。

（2）教科书中思想实验成分统计结果

研究选择了人民教育出版社出版的九年级化学（2012 版）和高中化学共 10 本教科书进行了统计分析。统计时不仅考虑了已标注为“实验”的栏目，还考虑了探究活动、课外实验以及以实验为主体的课后习题。经统计发现教材中几乎不含 b 类型、c 类型思想实验，所以仅列出了 a 类型思想实验的统计结果，如表 2 所示。

根据表 2 可知，中学化学教科书中存在着思想实验的成分。启蒙阶段化学教科书中思想实验成分由 6.5%上升到 15.9%，可见教科书对九年级学生的基本要求是掌握基本的实验预习方法、实验设计方法、实验探究方法等。而高中阶段从必修 1 到必修 2 也由 5.9%上升到了 12.5%，进入选修阶段后由于模块的侧重点不同，思想实验的分布也出现了差异，选修 1 的思想实验成分高达 40.0%。但总体而言，除了选修 3 较为特殊和选修 2 的实验本身较少之外，思想实验的宏观分布基本符合了学习进阶的要求，阶段内均呈递增趋势。另外，九年级阶段和高中阶段的思想实验成分比例存在一定差异，由九年级下册到必修 1，思想实验成分由 15.9%下降到了5.9%。由这一突变可以看出，在编写教材时除了考虑知识点的衔接外，可能更多地需要考虑实验技能、探究能力水平方面的衔接。

三、化学实验教学中思想实验的教学功能 从以上分析结果可知，教师的实验设计、学生的实验准备以及教科书中均存在思想实验的成分。由于受到片面追求升学率的影响，我国一些学校的化学教学中出现了用“纸笔实验”“黑板实验”代替“真实实验”，用“做实验题”“讲实验题”代替“做实验”的现象[1]165。这不仅违背了实验教学的初衷，也铸成了阻碍

学生思维品质培养及教学三维目标达成的壁垒。因此，借助思想实验的运行模式以优化化学实验教学，从而促进学生化学思维品质的培养，无疑是有意义的措施。

1.教师可借助思想实验优化实验教学设计 化学实验教学设计需要教师明确“为什么做”“做什么”“怎么做”等问题，囊括了教师实验教学的观念层面和技术层面。调查研究[9-12]显示化学教师（包括职前的化学免费师范生）对化学实验的作用和功能有较清晰的认识，教师实验教学的理念也基本契合当代化学教育对教师的要求。但在实验准备上，35%的教师上课前只用心准备重难点实验；58%的教师认为“已有实验经验，把药品凑齐就可，不需课前详细准备”即可直接在课堂上进行实验[13]。可见，教师有良好的实验观，而对于实验教学之前该准备什么、如何准备等技术层面问题却不知所措。思想实验的运行机制可以为化学实验教学设计提供技术层面的理论指导，从而优化实验教学设计。

（1）教师需要明确实验要研究的问题，将问题拆解成操作性子问题；（2）对该实验认识论、方法论和教学论功能进行考量，同时若实验没有给出化学体系，则教师需要根据教学经验、文献资料等选出适当的化学体系；（3）解构出影响化学体系的自变量和因变量，同时分析出自变量的操作性水平和因变量的操作性指标；（4）对自变量操作性水平和因变量操作性指标进行逻辑重构，形成实验方案，若方案不自洽则需重头来过，直至自洽为止；（5）将逻辑自洽的方案还原成操作性假设，再进一步还原成子问题，子问题再聚合成教学情境中的问题，得出化学实验教学设计。例如在设计“影响化学反应速率因素”实验时，教师需要将该问题拆分为“哪些因素影响化学反应速率？”和“这些因素如何影响化学反应速率？”2 个子

问题。在分析出该实验的实验现象可作为直接证据证明哪些因素对化学反应速率有影响的同时，考量通过该实验学生可以学习设计多因素、多水平实验的方法等认识论、方法论功能。在此基础上根据经验或文献选择典型实验化学体系，比如选择在有催化剂和无催化剂下作为化学体系，证明催化剂有提高反应速率的作用；不同浓度的葡萄糖与高锰酸钾反应证明浓度对化学反应速率有影响等。化学体系选择后，教师需要分析出影响化学反应速率的各个因素及其水平，通过什么指标来观测化学反应速率快慢等。通过在思想中对各因素的各个水平对应的操作性指标的建构，最终形成实验方案。将实验方案还原成操作性假设和教学驱动性问题后，将形成“‘影响化学反应速率因素’的实验教学设计”。

2.学生可借助思想实验优化实验准备问题 化学实验教学效果主要通过学生的外显行为表现出来，所以学生在开始实验前所做的一切准备将显得格外重要。研究[14]表明实验前有 17.1%的学生会认真预习，70.7%的学生有时间就预习，12.2%的学生从不预习。而学生的预习方式大多也只是完成预习报告，看懂实验原理，对于实验法作为化学重要的方法论的认识很浅薄。这样一来化学实验很容易演变成一种纯粹的研究工具，而一旦工具化后，化学实验也将失去其该有的活力，化学实验教学也将变成只是器物层面的照方抓药。

教师应该引导学生运用思想实验进行实验前的准备。（1）创设探究性情境，让学生在情境中产生认知冲突，形成驱动性问题；（2）面对新情境学生需要运用认知结构中的已有概念对问题进行分析、重构，形成对问题自洽的假设性认识；（3）将假设性认识转化成操作性假设；（4）对假设的自变量水平和因变量指标进行操作化处理，形成实验方案。例如学生在准备“ 的氧化性与还原性探究”时，教师需

要先给一个问题情境，比如“补铁剂为什么和维生素 c 一起服用？”。结合 在血液中的功能，学生很容易就会将该问题解构形成“ 具有还原性”的假说。如何证明则是学生需要将假说可操作化的又一思维过程，其中学生面临着氧化剂的选择以及反应结果的预测和推理。这样一来，学生在思想中将整个实验的过程都进行完毕，明确了实验目的，形成了实验方案。在进行实际操作时学生就可以避免照方抓药，同时也经历了科学研究的完整过程。

3.思想实验可以彰显化学学科魅力 学科魅力是一个学科赖以生存最直接的营养来源，而这种魅力需要外显给研究者、学习者，才能激发他们的兴趣。按照水平的高低可将化学学习兴趣分为感知兴趣、操作兴趣、探究兴趣和创造兴趣 4 种水平[6]5，高水平的化学学习兴趣有助于化学学习效果的提升。一直以来，化学的学科魅力和学生高水平的学习兴趣都被认为可以运用将化学与生活相融合的策略来彰显和激发。因此，我们理想化地认为只要强调生活化教学，化学的魅力就理所当然地显现出来，学生也理所当然地培养起化学的高水平学习兴趣。但实际的化学教学告诉我们，这样的策略只是我们的一厢情愿。生活化只是学科魅力的表面层次，极端地强调生活化不仅不能彰显魅力、吸引学习者，反而有把化学简化为一门“外语”（学生反映要背的符号太多）的嫌疑。由此，真正彰显化学学科魅力的其实是化学研究中独有的思想方法、思考问题的独特角度、属于化学的独特思维方式等。而思想实验作为超越器物层面的研究方法，与越来越抽象的化学研究相对应，可以把化学的科学本质呈现给学生。可以让学生经历完整的由化学思想实验形成实验方案，再由物质实验对思想实验进行验

证、矫正、批判的研究过程，从而培养严谨的科学态度和作风，感受化学研究的魅力所在，培养高水平的化学学习兴趣，最终形成正确的科学观。

例如，在进行“空气组成”的教学时，可以将拉瓦锡测定空气组成的实验完整地呈现给学生。我们知道空气是混合气体，要测定其中氧气的含量只需运用一种能与氧气反应且不产生气体的物质，或者产物为固体的物质作为化学体系就可以测出氧气的含量。但什么物质满足条件呢？拉瓦锡经过许多实验后认为汞是最理想的，汞与氧气反应后生成的氧化汞熔点为 500℃且不溶于汞单质中。这样一来汞消耗完氧气之后，密闭容器中汞液体上升的体积就是氧气的体积。后来，拉瓦锡还进一步证明了氧化汞分解后得到气体的性质与空气的一致，从而证明了氧化汞中的氧的确来源于空气。拉瓦锡的实验过程从问题到化学体系的选择，再到实验方案的形成都充满了思想实验的特质，也说明了拉瓦锡实验设计的完美性。通过这一过程，不仅帮助学生理解物质的化学性质和物理性质等相关概念，还让学生感受到在化学实验中实验方案的重要性，体会周密的设计是实验可以成功揭示化学反应本质的基础，从而感受到了化学的魅力所在。

化学实验无论对化学研究还是化学教学而言，无疑都是重要的。但实际的教学情况告诉我们，实验教学效果并不佳。其中原因很多，但最主要的还是缺乏可指导教师、学生有效进行实验的可操作性理论。思想实验与物质实验同属实验范畴，其运行模式可以给探究教学中实验方案设计、学生实验准备等环节提供操作性理论上的指导。而教科书中也存在思想实验的成分，这就要求教师需要更加关注类似于思想实验这样能指导实验教学的理论或方法。需要说明的是，思想实验只是思维层面的实验，其结果还需运用器物层面的物质实验来进行检验与修正，因而若只做思想

实验而忽视思想实验与物质实验的关系，则必将又使实验教学走入另一极端。最后，我们也希望通过本研究可以引起学者广泛关注思想实验与化学教学。

原文参考文献：

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化学实验教学设计

化学实验

化学实验专题

让学生在实验中爱上化学

化学教学中情感教学