指向科学实践的化学教育模式

摘要

在全球科技竞争加剧的背景下，化学竞赛成为激发科学探索热情、培养科技创新人才的重要手段。Top of the Bench是英国皇家化学会主办的全国性化学竞赛，旨在通过搭建平台，激发学生学习化学的热情和探索欲。该竞赛强调理论与实践结合，关注合作探究，为参赛者提供了一个将课堂知识应用于实际问题解决的平台。通过梳理Top of the Bench历届活动，挖掘其独特的竞赛特点，以期为我国化学教育提供启示。

关键词

英国皇家化学会 / 化学竞赛 / 化学教育 / 科学实践 / 问题解决能力

科学教育正在成为各个国家赢得未来科技创新竞争优势的重要“砝码”而广受重视。竞赛活动作为一个选拔和培养人才的高效平台也日益受到关注。在科学教育的大背景下，近年来我国先后颁布了《教育部等十八部门关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》^［1］《以创新要素赋能教育高质量发展》^［2］等重要文件，强调培养学生的合作能力和科学实践能力，推动跨文化交流和可持续发展。为响应在“双减”工作中做好科学教育加法^［3］，2022年颁布《面向中小学生的全国性竞赛活动管理办法》^［4］，旨在满足学生不同发展需要，培育学生成为兼具科学探索热情、创新思维和实践能力的未来科学人才。

在此宏观政策导向下，从化学竞赛视角借鉴国际先进教育策略，更新我国化学竞赛模式，拓宽化学教育思路，以及整体提升公众科学文化素养具有重要研究意义和实践价值。笔者从英国皇家化学会Top of the Bench竞赛活动梳理入手，挖掘其特点，全面阐述其内在的教育价值，并进一步探讨其对我国化学教育的深刻启示，旨在为我国化学教育改革提供有益的参考和借鉴，推动化学教育向更高水平发展，为提升全民科学素养贡献力量。

1 Top of the Bench简介

Top of the Bench是由英国皇家化学会主办的一项历史悠久的全国性化学竞赛，该赛事至今已成功举办超过20年，每年面向英国所有中学开放。具体标准见表1。

比赛由区域预赛和决赛两部分组成。历届预赛环节包括实践任务、书面理论测试和团队任务。学生还可以在预赛中见到一些英国皇家化学会成员，并与他们谈论与化学职业相关的话题。全国决赛于每年春季在英国的一所大学举行，当天的活动包括：化学知识的个人测试、团队实践练习、互动讲座、颁奖典礼等。

Top of the Bench作为一项面向所有适龄中学生的全国性化学竞赛，旨在通过理论测试、实践挑战和团队协助等活动，强调易参与性和团队成员的多样性，激发学生学习化学的热情和探索欲，培养团队协作和解决问题的能力。因此，每位学生都有机会以新的眼光看待化学，并将实践和团队合作技能付诸实践。这样一种以化学竞赛为载体，让学生对自己的各项能力进行反思并锻炼提高的方式，对于学生未来的职业规划和人生发展来说，都是不可多得的机会。

2 历届决赛活动介绍

Top of the Bench作为一项举办了20余年的竞赛活动，仍然能够独树一帜，保持高度影响力和魅力，充分说明其在活动设计上有其独特的前瞻性和创新之处：致力于满足学生多元发展需要，设置丰富的挑战活动（表2）^［5］。这些竞赛活动扎根于实践，参赛者从化学视角主动探索现实问题。

3 Top of the Bench决赛典型试题解析及试题特点分析^[5]

3.1 2024年低年级决赛试题解析——以第12题为例

（1） 考试题目。

［12］硬水和软水。

国内有些地方的水是软水，而有些地方的水是硬水。硬水中含有溶解的镁离子（Mg²⁺）和钙离子（Ca²⁺）。

［12-1］镁和钙都在元素周期表的第二族。表3给出了第二族元素原子的一些信息。

［12-1-1］预测钙的原子半径（nm）。

［12-1-2］当原子发生反应并失去电子时，会形成正离子，如Mg²⁺。新形成的离子上带正电荷的大小是由失去电子的数量决定的。给出Mg²⁺中的电子数。

［12-2］一种硬水是硫酸钙岩石在雨水中溶解形成的。硫酸钙的化学式是什么？

A.CaSO₄ B.Ca₂SO₄

C.CaSO₃ D.Ca₂SO₃

［12-3］另一种硬水是雨水和空气中的二氧化碳与白垩以及石灰石中的碳酸钙反应形成的，反应生成碳酸氢钙溶液。写出这个反应的方程式。

肥皂可以用来测试水的硬度。软水和肥皂混合后起泡效果很好，但硬水不行。在硬水中，钙和镁离子与肥皂发生反应，形成一种固体浮渣。只有当肥皂与所有的离子发生反应时，肥皂的其余部分才能形成泡沫。在泡沫形成之前需要的肥皂越多，水样就越硬。

［12-4］一名学生正在研究5个水样本的硬度。

使用的方法如下。

第一步，量取5 cm³的水，放入试管内，煮沸。

第二步，一边摇晃沸腾的试管，一边逐滴加入肥皂溶液。

第三步，记录制造泡沫所需的肥皂量。

结果如表4所示。

［12-4-1］计算用样本B形成泡沫所需的肥皂的平均体积，答案保留小数点后1位。

［12-4-2］哪个水样品最硬？并解释是如何得出结论的。

（2） 试题解析。

［12-1-1］实际值为0.174 nm（允许在0.190和0.161之间的任何数值）。

［12-1-2］镁离子中的电子数为10。

［12-2］A.CaSO₄ 。

［12-3］碳酸钙+（雨）水+二氧化碳→碳酸氢钙（溶液）（无“雨水”“溶液”字样亦可视为正确）。

［12-4-1］9.1+8.9+9.2=27.2，27.2÷3=9.07，平均体积=9.1 cm³ （精确到十分位，未精确到十分位亦视为正确）。

［12-4-2］样品C。因为它需要最多的肥皂才能形成泡沫。（需要同时提供正确样本和理由才能得分）

3.2 2024年高年级决赛试题解析——以第9题为例

（1） 考试题目。

利用试管反应分析水中的杂质。

［9-1］可以用沉淀反应来鉴别水中离子的存在。哪个选项正确地描述了沉淀反应？

A.溶液中的物质混合，制成可溶性产物。

B.溶液中的物质混合，制成不溶性产物。

C.将不溶性反应物混合，制成可溶产物。

［9-2］溶液中一些不同阴离子和阳离子的试验结果分别见表5和表6。

一名学生分析了5个已知被污染的水样，结果见表7。

［9-2-1］鉴定样品A中存在的阴离子。

［9-2-2］鉴别样品B中溶解的盐。

［9-2-3］样品E的结果一定不止一种盐，请解释原因。

（2） 试题解析。

［9-1］B。

［9-2-1］SO₄^2-或者硫酸根离子。

［9-2-2］AlCl₃或者氯化铝。

［9-2-3］测试表明溶液中存在两种阴离子：硫酸盐和卤化物离子。因为每种盐只能含有一种阴离子，所以样品必须含有两种盐。

4 Top of the Bench竞赛试题特点

4.1 注重试题双轨设计

每届的“Top of the Bench”竞赛活动都精心设计了针对不同发展阶段中学生的两套笔试试题，以确保比赛的公平性和挑战性，同时突出了竞赛活动的包容性和学生的广泛参与。2024年，Top of the Bench决赛笔试试题设置了低年级组和高年级组两套试题，试题由基础化学知识和主题知识两部分组成。在考查内容上，低年级组试题侧重对化学基础知识的考查，如考查硬水和软水中的物质组成和软水、硬水的鉴别。在同样涉及水溶液情境的高年级组试题中，考查水溶液中的离子行为——沉淀反应，同时高年级组试题对分析和推理能力提出了更高的要求。在同一主题情境中，试题设计者通过聚焦不同层次的知识和思维水平，设计出满足不同发展阶段要求的笔试试题。

4.2 注重基础巩固和主题深化

每套试题划分为两部分：一部分涵盖了一般性的化学知识，旨在测试学生对基础化学知识的掌握程度；另一部分则聚焦当年特定主题的化学知识，探查学生对现实生活问题的关注和解决问题的能力。在2024年有关水的主题中，通过在“水在乙醇生产中的应用”“利用试管实验分析水中的杂质”“纯净水”情境中设计试题，使水的组成、结构、性质和应用进一步整合深化。同时促进学生关注真实问题，如水污染、水资源短缺等现实挑战，激发学生运用所学知识解决实际问题的热情，培养科学探究精神和社会责任感。

4.3 注重试题的教育性

这些试题不仅内容丰富，而且多采用情境化的问答方式，通过设置真实化学情境，引导学生运用所学知识进行分析和解决问题。在解答过程中循循善诱，激发学生的探索欲和创新思维，使得整个竞赛过程既充满知识性，又富有趣味性和挑战性。如给出第二主族元素的原子半径，引导学生预测钙原子的原子半径，在答案设置中也只是给出一个参考范围，可见Top of the Bench更加关注试题的启发性、教育性、开放性和探究价值，通过解答过程实现知识的内化和思维的提升。

4.4 注重培养合作解决问题的能力

Top of the Bench通过理论测试卷和实践操作两种竞赛模式相结合，一方面能够较为全面地评估团队和个人的能力，另一方面也使学生拥有一个更为丰富多彩的学习体验。结合个人与团体的竞争元素，学生既能够独立思考，又能在团队合作中锻炼沟通与协作能力。例如，在“探究物质在水中的溶解度如何随温度变化，并了解如何利用溶解度变化从海水中获得盐”这一实践活动中，团队需要在有限的时间内根据答题手册上的指导，共同面对每一个环节遇到的问题。这不仅锻炼学生理解和应用化学知识的能力，还培养学生在合作中解决问题的能力。

5 Top of the Bench 竞赛活动对我国化学教育的启示

5.1 强化科学实践，培养学生科学品质

“Top of the Bench”极具前瞻性地将个人竞争和团队协作两种模式巧妙地融合，在2024年决赛实践挑战环节精心设计“探究物质在水中的溶解度如何随温度变化，并利用溶解度变化规律从海水中获得盐”“分析加碘盐，以支持公共健康”等实践探究活动，在实验、分析、应用等环节团队成员集思广益，碰撞出思维的火花，不仅照亮了他们的求知之路，也使这段竞赛之旅更加丰富多彩。随着现代社会竞争的愈演愈烈，合作和共享价值也日益受到重视。我国化学试题更关注学生的个人能力，甚至以排名和分数强化学生个体之间的竞争，启示我国化学教育不仅要关注学生个人的科学实践能力培养，同样需要注重学生的团队协作能力和思维的包容性，以培养学生的自信心、交流能力、合作解决问题的能力和批判性思维等重要科学品质^［6］。

5.2 聚焦真实情境，培养学生社会责任感

通过“调查三种替代燃料中哪一种是汽油的最佳替代品”“识别用于制造可生物降解塑料杯的塑料类型”等实践活动，关注人类面临的能源危机、环境污染等重大生存问题，鼓励学生思考如何运用化学知识来解决现实生活中的能源和环境等问题。在这一过程中，学生学会从化学的角度审视和评估不同材料和能源的环保性能，激发他们探索新型环保材料、推动绿色化学发展的热情和责任感，不断地拓展学生的科学视野，培养学习兴趣^［7］。“三新”时代强调“无情境不命题”，同时要注意教学与命题的立意相一致，启示我国化学教育更应该注重真实问题情境^［8］。在化学教育中选择体现时代性的教育内容，重视社会生活和科技发展的现实融入^［9］，以“激发青少年的好奇心、想象力、探求欲，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体”^［3］。

5.3 开展多元评价，激发学生探索热情

Top of the Bench竞赛通过精心设计个人理论测试卷和团队实践挑战，为化学教育评价提供了一个实践导向和教育典范。如2024年决赛以“水”为主题，通过设置低年级测试卷、高年级测试卷和团队实践挑战项目，满足了学生不同发展阶段的成长需要，点燃了学生对化学的浓厚兴趣和探索热情。罗宵山和王后雄通过对加拿大化学奥赛进行简要的介绍，认为其试卷难度层次分明，最后指出我国的化学竞赛可以适当降低难度，关注对学生能力的考查^［10］。这启示我们要突破只关注知识的传统命题范式，关注评价这一重要环节^［11］，充分利用“考试指挥棒作用”^［12］。注重评价方式和评价维度的多元化，将理论测试和实践探究有机结合，促进学生不断学习和成长，激发学生的好奇心和探索欲，以培养具有探究热情、创新思维和实践能力的未来科学人才^［13］。

5.4 倡导科学思维，提升全民科学素养

英国化学会Top of the Bench竞赛的一大亮点，在于其不仅是一个充满知识性的学习平台，更是一个兼具趣味性和挑战性的竞技场，其广泛的受众群体使得更多的中学生有机会深入探索化学的奥秘，体验科学探究的乐趣。引导学生运用所学知识分析和解决问题，强调循循善诱，激发学生对知识的渴望和探索^［14］。我国的化学试题多以选拔为目的，缺乏面向大众的趣味性和包容性，忽视了试题的教育价值。我们不应仅仅满足于培养少数化学精英的传统教育模式，而应将科学教育的触角伸向更广泛的群体。通过普及化学教育，让更多的人理解科学、热爱科学，从而在全社会形成一种积极向上的求知氛围，推动整个社会的科技进步和文明发展^［15］。

参考文献

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基金资助

安徽省质量工程重点教学研究项目“高校-中学协同下化学师范生科普能力培养的实践研究”(2023jyxm0506)