阿姆斯特朗的试验室教学法

拉瓦锡《化学基础论》（1789）中部分仪器贝采里乌斯（1779-1848）的部分仪器其他书籍中介绍的仪器装置1855年《博物新编》1871年《化学鉴原》舍勒（1742-1786）制取氧气启普（1808-1864）发生器结论：跟200多年之前比，我们中学化学实验的仪器没有多大变化。许多校长们不愿意带客人看化学实验室，原因是“没什么看点！”看看物理实验室看看生物实验室看看别的实验室比较引发思考究竟我们的化学实验能够向人们展现怎样的美好形象？怎样才能激发学生的学习兴趣，更好地帮助学生了解化学、学好化学？怎样才能与时俱进、反映时代气息？……这样，化学实验及化学实验教学现代化就成了我们必须思考和研究的问题。主要内容1化学实验教学为什么要现代化？2什么是“现代化”3化学实验教学怎样才算现代化4传感器在化学实验教学中的应用1化学实验教学为什么要现代化？实验教学现代化可以减少繁琐、低效的实验运作，更加突出实验思维过程，显著地提高教学效果。同时，也能优化实验环境，显著地减少人身伤害事故和环境污染。实验教学现代化能让学生初步了解和学习学习现代实验技能，为他们全面地提高科学技术素养，手脑并用，更好地发展并顺应现代社会需要奠定良好的基础。化学实验教学为什么要现代化？实验教学现代化能让学生生动地感受现代化学和现代化学实验在泛分子水平开展微观探究、深入化学过程探究，强化理论指导作用以及研究的跨学科性等重要特点。现代化学实验是现代科学与现代技术越来越紧密地结合的范例之一。因此，化学实验教学现代化有利于学生更好地了解现代科学和现代技术，也有利于培养他们的创新意识，有利于创新人才的成长。

实验教学现代化能够展现现代化学实验的美好形象，激发学生的学习兴趣，减少恐惧感，促进他们学好化学。实验教学现代化能实现与时俱进、反映时代进步，鼓励积极进取、革新的精神，等等。化学实验教学为什么要现代化？为什么要研究化学实验教学现代化？对于什么是化学实验教学现代化、怎样实现化学实验教学现代化等问题，人们大多或明或暗，缺少深入的理性思考，凭着感觉从事，使得化学实验教学现代化的实践难合人意。针对这个情况，有必要对化学实验教学现代化做专门的思考和讨论。2什么是“现代化”现代化是一种社会和文化的变迁现象，常被用来描述人类社会从工业革命以来所经历的涉及社会生活诸领域的深刻的变革过程。狭义的现代化仅指使社会具有现代先进科技水平。

广义的现代化有多种不同的解释，例如指称近代以来世界各国追求欧美国家近现代价值目标、寻求新的出路的过程，包括学术知识的科学化政治的民主化经济的工业化社会生活的城市化思想领域的自由化和民主化文化的人性化等与西方化的内涵相近。现代化的文化色彩很多研究认为，由于东西方文化存在差别，国家和地区之间存在差异，西方化并不是现代化的唯一模式。随着现代化的发生，社会文化各个方面都要随之发生变化。它使人类思想以惊人的速度和数量增长与传递，不同文化之间的差别在缩小，学习的机会扩大，技术飞速发展并且在专业技术领域方面差别扩大。现代化是人类文明的一种深刻变化现代化的核心是“人性的解放”和“效率的解放”，是社会文明要素的创新、选择、传播和改革交叉进行的过程，是追赶、达到和保持世界先进水平的国际竞争，因而是人类文明的一种深刻变化。现代化是社会科学的重要研究课题，在这个研究领域，有多种不同的现代化理论。教育现代化教育领域的现代化即教育现代化，其界定及主要内容存在着多种不同意见。通常认为，教育现代化是用现代先进教育思想和科学技术武装人们，使教育思想观念、教育内容、方法与手段以及装备等逐步提高到现代世界的先进水平，培养出适应参与国际经济竞争和综合国力竞争的新型劳动者和高素质人才的过程。教育现代化的核心教育现代化包括教育观念现代化、教育内容现代化、教育装备现代化、师资队伍现代化、教育管理现代化等；也有人认为，教育现代化包括教育普及化、教育终生化、教育个性化、教育国际化和教育信息化。教育现代化是对传统教育的超越，是传统教育在现代社会的转化。教育现代化的核心是实现人的现代化。3化学实验教学怎样才算现代化化学实验和化学实验教学的现代化不能简单地搬用社会现代化的思维框架。但是，必须认真地考虑“人性的解放”和“效率的解放”问题；考虑思想观念的现代化、内容的现代化、方法的现代化、装备的现代化以及评价的现代化等问题，努力实现化学实验教学的创新、改革和超越式发展。“补课”/革旧布新从历史的角度看，近代科学起源于西方，是一种西方文化，我国的化学教育从一开始就受到读经讲经教育的严重干扰，到了现在又受到应试教育的严重掣肘。在多数地方，化学实验教学的现代化实际上是补课的问题，或者是革旧布新的问题，必须在各方面做出全面的努力，否则就难以成功。3.1化学实验教学观念现代化化学实验教学是不是现代化，首先要看观念是不是现代化。观念现代化要体现“人性的解放”，在思考和研究化学实验和化学实验教学问题时，首先必须做到以人为本，尤其要注意以学生为本，绝不能“见物不见人”、心中无学生。其次，要以学生的发展为本，重视发展他们的聪明才智及创造性潜力，使他们既实现“脑的解放”也实现“手的解放”，全面、持续、健康、快乐和有个性地发展。体现“人性的解放”第三，要真正地把学生作为学习主体，让他们自主地学习，要发挥并协调好教师与学生的主动性和能动性。第四，近代科学是伴随着解放人性的“文艺复兴”运动产生的。“文艺复兴”运动启示我们：不但要努力传承人类的文明和智慧，弘扬人文精神；而且要反对盲从，反对抹杀学生的人性，把学生当作灌注知识的被动容器，禁止危害学生健康的反人道、反文明行为。这4条可以简单地概括为人本观、发展观、主体观、人道和人性精神，也适用于其他教育教学活动。体现“人性的解放”体现“效率的解放”要体现“效率的解放”，首先要调动人的主动性，发挥并协调好教师的主导积极性、能动性和学生的主体积极性、能动性，没有教师与学生的主动性、积极性和能动性相互协调、配合，就不可能有“效率的解放”。体现“效率的解放”第二，要强化教师与学生“双主体”的理性意识，注重价值的导向、内容的选择，注重通过方法、手段和装备的改进来提高实验技术过程的效率。概括地说，“双主体”协调观，实验观、效率观、实验理性等，都是实现“效率的解放”所必须的。实验观正确的实验观包括：正确看待和处理化学实验教学的地位、目的、任务和方法等问题。实验观现代社会离不开科学，科学已经成为现代社会人的生存方式的重要因素，实验不但是搞好科学教学的重要手段，是现代社会培养后备人才和合格公民，使他们手脑协同发展的重要育人手段，也是科学教育的重要目标之一；实验的根本目的是认识包括人自身在内的自然界，处理好人与自然的关系，实现人类更好的发展；不但要重视实验及实验教学方法的效率，还要重视实验及实验教学方法的价值，重视人的能动性的发挥，等等。实验观实际上，实验教学不仅为学生建构化学知识提供直接的和间接的经验基础，为学生学习应用化学知识提供实际的情境和场所，是学生自主地建构化学知识的必要条件，而且是完整地了解化学、学习化学必不可少的，必须明确地作为化学课程过程方法目标的主要内容之一。实验观对于当前的化学教学来说，怎样看待实验教学与知识教学，怎样看待实验教学与知识教学的关系，实验教学是为知识教学服务还是为学生的发展服务，是关系着实验教学地位的重要问题之一。把实验仅仅看作是为知识教学服务的工具，很容易造成实验像“使唤丫头”那样“用则唤来，不用挥去”的状况。实验理性实验是科学和技术结合的结晶，有很强的技术性，需要讲究实验理性。对于实验活动来说，要实现“人性的解放”，就必须具有价值理性。要实现“效率的解放”就必须讲究工具理性。从根本上说，没有“人性的解放”就没有“效率的解放”，首先要讲究价值理性，还要讲究工具理性。重视化学实验教学是前提要做到化学实验教学观念现代化，重视化学实验教学是前提。在作为欧洲现代化运动“前奏”的“文艺复兴”运动中，科学方法和科学实验起了开路先锋作用：没有科学方法和科学实验，就不能摧毁僵化死板的经院哲学体系，就难以开创探索人和现实世界的新风气，就不能为17到19世纪自然科学的大发展打下坚实的基础。“文艺复兴”时期的实验成就伽利略通过多次实验发现了自由落体、抛物体和振摆三大定律，使人对宇宙有了新的认识。他的学生托里拆利经过实验证明了空气压力，发明了水银柱气压计。法国科学家帕斯卡发现液体和气体中压力的传播定律。英国科学家波义耳发现气体压力定律。笛卡儿第一次对折射定律提出了理论上的推证、第一次明确地提出了动量守恒定律，对碰撞和离心力等问题曾作过初步研究，给后来惠更斯的成功创造了条件……3.2化学教学中实验及其装备现代化第二，化学实验教学要现代化，必须实现实验装备的现代化。说到化学实验教学的现代化，人们往往首先关注化学实验的现代化，特别是化学实验装备的现代化。其实，化学实验装备的现代化是一个历史的过程，或者说，化学实验装备具有历史性，它跟化学科学的发展，跟不同时期化学科学所关注的问题的演变有关。3.2.1化学实验及其装备的现代化回顾（此处省略1830字）3.2.2化学教学中实验及装备的现代化回顾化学实验及其装备的现代化发展历程可以发现：现代化学的许多重大突破都与化学实验手段的改进、发明和创造紧密相关。化学实验手段是制约化学科学研究的重要因素，常常能够起到决定性的作用。在不同的发展时期，化学科学研究的问题不同，研究对象不同，所采用的研究方法、手段也不同，实验装备会发生很大的变化。中学化学实验的近代色彩化学课程内容的发展与化学学科发展的基本逻辑是一致的。中学化学具有基础性，肯定要涉及近代化学关注的物质的组成、结构和反应关系3个基本问题。这决定了中学化学实验及其装备必然会有很强的近代色彩，不可能也不应该是完全现代化的。要适当反映现代化学的特点但是，中学化学课程也应适当地涉及现代化学的内容，还必须具有时代性和选择性，中学化学实验及其装备也要适当反映它的现代化特点，反映现代化学对组成、结构、功能和过程调控等基本问题的关注。即使在引导学生初步认识物质的组成、结构和反应关系3个基本问题时，也可以使用现代化的手段。中学化学实验基础性和时代性的平衡现实的中学化学实验及其装备应该处理好基础性和时代性的平衡，以选择性帮助处理好基础性和时代性的平衡，并且适应不同地区、学校的实际，满足不同的需要。现代化学实验装备的配置跟传统装备不同，现代化学实验装备大多精度很高、价格昂贵，需要开发要求较低、价格适于推广的“教学级”仪器设备供应学校所需，或者组织建立现代化学实验中心，作为共有资源由学区各校共享。模拟实验根本不是实验有人把用电脑和多媒体技术模拟实验也归属于化学实验的现代化，这样的认识是错误的：模拟实验根本不是实验，用电脑和多媒体技术模拟实验取代化学实验实质上是对化学实验的反动，必须坚决反对。3.3化学实验教学内容现代化第三，实验教学内容需要现代化。历史启示我们，在讨论化学实验及其装备的现代化时，不能离开研究的问题，不能离开具体的化学内容。要实现化学教学中实验及其装备的现代化，必须恰当地选择实验教学的内容，协调好实验教学内容的时代性、基础性和选择性，必须做到：协调好实验教学与理论教学的关系要尽量注意实验教学内容与理论教学内容的相互联系；实验教学课时与理论教学课时应该有合理的比例；在学业测量中，实验考查内容与理论考查内容也应该有合理的比例。反映化学的基本问题和现代特点，解决好基础性与时代性的矛盾化学的基本问题是物质的组成问题、结构问题和化学反应（关系）问题，它们在基础化学中应该占有主体地位。另一方面，现代化学的视野大大扩展，对物质组成、结构和化学反应的认识也有了很大发展，关注比原子和一般分子复杂得多的物质系统的功能和过程调控，这些内容也应该得到适当的反映。突出未来社会公民需要具备的实验意识、知识和技能现代社会是化学化的社会，现代社会的公民必须具备必要的化学知识、技能，需要具有较强的实验意识，否则在面临跟化学有关的问题时就难以作出正确的决策。在这方面，基础教育化学课程承担着重要的责任，需要重视和开展有关的研究。解决好纯粹化学与应用化学的矛盾在教材的编写方面，目前“由生活到化学，由化学到社会”似乎成了主导模式。由此会涉及大量的应用性内容，混杂大量的技术问题，会产生基础性与应用性的矛盾、纯粹化学与应用化学的矛盾，需要妥善解决好。解决好知识技能教学与兴趣培养的关系对化学探究的兴趣、内在的动机和需要，是学生主动学习化学、学好化学的最有效的动力。因此，化学教学内容要结合现代学生的特点，充分考虑培养、激发他们的学习兴趣等内在动力的需要，安排有利于培养、发展和激发学生学习兴趣的实验内容。解决好系统性、结构性与个别性、零散性的矛盾化学研究对象本来就具有个别性特点，新课程对应用性的强化，以及教科书的应用性内容和课题式编写，使得教学内容的零散性更为突出，系统性大受影响，实验内容更是如此，给教与学都带来很大困难，多年来微词、批评不绝于耳。针对这个问题，化学实验教学内容的现代化还应该妥善地确定主线，注意解决好系统性、结构性与个别性、零散性的矛盾，努力建立、加强、改进其系统性。解决矛盾、协调关系的主要途径解决好各种矛盾、协调好各种关系不是一件容易的事，需要做出艰苦的努力。大体上看，需要下列措施相互配合：（1）通过课程模块的设置解决有关矛盾、协调各种关系。（2）通过地方课程和校本课程的设置解决有关矛盾、协调各种关系。（3）通过增加选做和阅读内容解决各种矛盾、协调有关关系。（4）设置若干系列实验。可以设置的系列实验启蒙实验系列经典实验研究系列探究实验系列现代实验系列绿色实验系列生活化实验系列3.4化学实验教学方法现代化在学校建立化学教育之前，化学人才的培养主要是在化学家的作坊式实验室中以师-徒传授的方式实现的，没有正式的授课活动，学徒在完成实验操作任务的过程中一边摸索，一边体会，一边阅读有关书籍，一边向“师傅”请教。17世纪末，欧洲的大学中开始有了教授化学的教授并且出现“讲坛实验”表演。到了19世纪初，一些卓越的化学家在实验室里讲授化学课程。后来，又出现了专供教学用的化学实验室。李比希的实验教学方法李比希认为，“学习化学的真正中心点在于实际工作”，只有在实验室里才能培养出名副其实的化学家。1824年，他想方设法把一座废弃的营房改建成供教学用的化学实验室，对学生系统地进行实验训练：大学生们先是学习定性分析和定量分析，然后再搞无机合成，提取天然产物，最后，在毕业之前进行独立的研究工作。通常总是由李比希提出一个重大问题，让学生们各自从不同方面进行研究。学生们的实验研究取得了不少引人注目的好成果。李比希用这种方法培养出了许多优秀的化学家，李比希的化学实验室为各国青年化学家所向往，使得法国原来在化学科学的领导地位日显衰落。19世纪后半期19世纪后半期，自然科学课程的地位在欧洲得到了提高。在赫胥黎、斯宾塞等人极力主张的影响下，化学也成为中学的一门课程。不仅实科中学开设了自然学科，古典中学也增设了自然科学课程。自此，中学化学实验开始形成。当时，欧洲研究化学教学的专家，例如德国的阿伦德、威尔布兰德、奥斯特华德、英国的阿姆斯特朗等人都非常重视实验在化学教学中的作用。阿姆斯特朗的“实验室教学法”阿姆斯特朗认为自然科学中最珍贵的是它的科学方法，方法的教学应该成为自然科学教学的基本任务；学校必须有一个以上学生实验室，尽量造成好像是首次研究某问题的情境，把化学教学时间的大部分用于让学生独立地实验，以诱导学生发现化学原理和原则，学会科学思维方法。这种方法最先施行于英国中等学校。阿姆斯特朗的“实验室教学法”阿姆斯特朗的“实验室教学法”，受到大英协会化学教学法委员会赞同。后来，法、德、美各国也先后效仿而一时风行于欧美乃至于其他地区，产生很大的影响，对于中学普遍建立学生用化学实验室并开展学生实验室实验起了积极的推动作用。我国实验教学的探究性在这以后，化学教学方法逐渐分化为教室教学法(课堂教学法)和实验室教学法两大类型，化学实验成为中学化学教学活动的一部分。到了20世纪之后，这两类方法逐步呈现相互配合、相互渗透的趋势，化学实验成为中学化学教学的一个重要环节和有机组成部分并且逐步出现多种形式。但是，实验教学的探究性在我国逐渐淡化，被读经讲经式的传统教育改造。探究实验教学方法的“回归”随着建构主义思潮在我国的日益传播，以基础教育课程改革为契机，探究教学在我国日益受到重视。但是，这仅仅是探究实验教学方法在我国的“回归”或者甚至是初步“涉足”。它是不是能够在我国“站稳脚跟”、长期坚持，还要经受时间的考验，切不可以掉以轻心。更需要创新、改革和超越设置探究实验系列、现代实验系列、绿色实验系列，以及与社会化学化背景对应的生活化实验系列；改革实验教学方法，引导学生参与实验设计，增强学生对实验方案的理解，发展学生的实验思维和创新能力；尝试建立实验教室等等，都是化学实验教学方法现代化的重要举措和内容。需要深入研究制度、教材以及方法自身的改进、创新和发展等。3.5化学实验教学评价现代化从根本上说，实验观以及“人性的解放”和“效率的解放”应该是实验教学评价的基本取向。是不是重视实验的教学功能，是不是有利于“人性的解放”和“效率的解放”，这是评价化学实验教学是不是实现现代化的实质标准。要具体地考察实验教学活动的目标；是不是以人为本、以学生的发展为本、以学生为学习主体、重视学生的学习主动性和个性化，教学共同体中的人际关系是否协调。实验教学活动的效率如何。当前特别要注意考察是不是重视实验教学、实验教学的地位等等。要做到两个“坚决”要坚决扭转实验教学陷于停顿、被无形取消的局面；坚决摒弃违背“以人为本”“以学生的发展为本”“以学生为学习主体”的不当做法。还要重视……为实现化学实验教学评价的现代化取向，不但要重视目标知能的测量评价，还要重视兴趣、态度、能力、观念等个性发展目标的测量评价；不但要重视目标达成结果的测量评价，还要重视主体性、合作性、活动表现、过程方法有效性等过程性测量评价，以及评价工具本身的有效性、操作性和可行性、简便性评估。建构，改革，实现化学实验教学评价现代化不是一件容易的事：一方面，建构理想的现代化评价体系需要不懈地探索和实践。另一方面，需要以极大的决心和毅力，广泛地动员和组织多方力量来抵制并改革陈旧的、实力强大的旧评价体系，跟传统的旧习惯不停歇地抗争。对系统评价的根本标准要衡量实现化学实验教学评价是否得当，需要对化学实验教学评价系统进行构建和评价，评价的根本标准是：看它是不是有利于化学实验教学的开展和提高效率，是不是有利于化学实验教学的发展和现代化。目前，我们的化学实验教学评价只不过是在考试中放几道实验题而已，极不完善，实验题的编制和设计也需要改进，需要做出很大的努力。4传感器在化学实验教学中应用的问题传感器在中学化学实验教学中的应用时间不长，大约是从20世纪90年代后半期开始的，其背景是现代微电子技术、现代信息技术以及人工智能等现代技术的迅速发展。4.1从TI实验系统到“手持技术”德州仪器(TexasInstruments)是全球著名的半导体公司，通常简称TI。它在1954年生产出首枚商用晶体管；以后又相继发明第一块集成电路（IC）、手持式电子计算器、单芯片微型计算机、单芯片商用数字信号处理器（DSP）等等。1998年9月，TI公司与教育部签署了就数理科教学技术进行合作的备忘录。TI在上海在上海，他们先是跟华东师范大学合作，在中学数学教学中推广使用其生产的图形计算器取得成功。随即，他们又跟复旦大学物理系沈元华等先生合作，同时也跟笔者合作，希望应用他们的图形计算器和CBL数据采集系统开发一批中学物理、化学实验。这些成果的一部分在2000年汇集成《TI技术在研究型实验中的应用》一书，由上海科技教育出版社出版。其他公司的跟进后来，美国另外一家公司以及日本、以色列的公司也来推介过他们的类似产品（卡西欧用掌上电脑代替了图形计算器）。但是，笔者这方面的工作没有继续下去。现在国内有多种这类系统品牌“手持技术”所谓手持技术“又称掌上技术，是由数据采集器、传感器和配套软件组成的定量采集各种常见数据并能与计算机联机的实验技术系统”。TI实验系统主要由传感器、CBL数据采集器、图形计算器以及有关软件构成，“手持技术”跟TI实验系统基本相相似，不同点在于把图形计算器换成了功能更好的掌上电脑或者笔记本电脑。建议称为“传感（式）实验”从实质上看，传感器是这类技术的核心和基础。因此，把这类技术称为基于传感器的实验技术比较恰当，相应的实验可以简称为“传感（式）实验”。4.2传感实验与化学实验教学的现代化基于传感器的传感实验能不能给化学实验教学带来革命性的变化，实现化学教学现代化？化学实验活动内容大家都知道，化学是一门以实验为基础，研究物质及其化学变化的科学，它离不开对物质及其变化的观察。为了进行这些观察，常常需要对物质进行分离、提纯，需要人为地创造、控制某些条件，排除干扰，突出主要因素，使某种(或某些)物质实现预期的化学变化，以便进行观察和研究，从而认识物质的组成、结构、性质、变化、制取或者应用等等。化学实验活动内容识别物质是认识物质的基础，是从观察物质的颜色、通常状态、气味、硬度、密度、熔点、沸点、挥发性(或蒸气压)、溶解性(或溶解度)、导电性(或导电率)、导热性等物理性质开始的，有时还要观察金属光泽、味道、机械加工性能(可塑性、延性、展性、强度……)、潮解性、铁磁性等物理性质，甚至要观察物质的化学性质。化学实验活动内容在观察物质的化学性质时，通常要观察物质跟金属反应情况、跟非金属反应情况、可燃性、跟水反应情况、氧化性、还原性、酸性、碱性，跟酸、碱、盐或氧化物反应的情况，跟有机物反应的情况、稳定性、所属类别的通性表现等，有时还要观察跟所属类别通性不同的特殊性质、能说明结构特点的性质、有重要应用的性质、跟相似物质区别的性质、跟特殊条件有关的性质等。化学实验活动内容物质的化学变化常常涉及物态变化现象(气体、沉淀的生成)、颜色变化现象、发光现象、发热现象、声音现象、电现象、磁现象、机械运动现象、溶解性变化现象、生成物的状态和数量、反应现象随条件的变化、反应速率、反应程度、反应结果等，有时还有异常现象、意外现象。化学实验活动内容此外，还要观察实验装置，观察使用的主要仪器、附属的仪器、仪器的空间位置、仪器的连接顺序、仪器的连接方式、仪器连接顺序跟实验过程的关系、装置各部分