基于翻轉課堂的科學探究典型案例研究

夏建華+宮朋飛

摘要：以“探究鈉燃燒實驗中黑色產物的成因”為例，探索了在翻轉課堂模式下將科學探究的主要環節置于課前和課中進行，以有利于提升科學探究的品質，促進師生交往、積極互動，拓展課堂的開放性。

關鍵詞：翻轉課堂；科學探究；控制變量；鈉燃燒

文章編號：1005–6629（2015）2–0036–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

翻轉課堂，是指在信息化環境中，教師提供以微課為主要形式的學習資源，學生在上課前學習微課并完成進階練習或相關任務，師生在課堂上一起完成作業答疑、協作探究和互動交流等活動的一種新型的教學模式。在翻轉課堂中，教學組織形式從“課堂授課聽講+課后完成作業”轉變為“課前自主學習+課堂協作探究”。從教學設計的角度看，翻轉課堂是一種在線教學和課堂教學相結合的混合式教學設計[1，2]。我們認為，作為理科課程的翻轉課堂，不僅要關注知識的傳授（微課學習知識點，課堂上鞏固強化知識），更要關注讓學生通過科學探究獲取知識。翻轉課堂的教學中如果都是知識傳授型教學模式，那科學探究就會被淡化。而化學學科有很多知識是通過探究獲得的，高中化學課程標準也指出：“通過以化學實驗為主的多種探究活動，使學生體驗科學研究的過程，激發學習化學的興趣，強化科學探究的意識，促進學習方式的轉變，培養學生的創新精神和實踐能力?！睘榇?，在翻轉課堂課題研究中，我們探索了知識傳授型、科學探究型和習題訓練型三種翻轉課堂教學模式。

科學探究的基本過程主要有提出問題、猜想與假設、設計實驗、進行實驗、觀察現象、結論與解釋等要素構成，而表達與交流、反思與評價則滲透在上述各要素的發生過程中。傳統課堂上，面對一個真實的探究過程，要在短短的一堂課中完成探究的全過程，通常很難實現。即使是勉強完成，也可能是點到為止，學生很難發生高品質的思維活動和高質量的交往與互動。在翻轉課堂教學模式下，學生有更多的時間在課前圍繞微課提出的問題完成部分探究過程（如提出假設、設計實驗等），課堂上則能圍繞核心問題在互動基礎上進行余下的探究活動。本文擬以“探究鈉燃燒實驗中黑色產物的成因”為例，研究基于翻轉課堂的科學探究基本模式。

1 微課的設計及教學基本思路

本節課的教學對象是已學過鈉的相關知識的高二學生，學生在學習《化學1》時都知道鈉燃燒時生成淡黃色過氧化鈉的事實，但實際上鈉燃燒時還有大量的黑色物質出現（詳見人教版教科書插圖）。本課題設計的意圖是讓學生通過科學探究來解決這一認知沖突。

1.1 課前——觀看微課、設計實驗方案

學生在課前觀看教師制作的微課（見表1），觀察到鈉燃燒后產物中有較多的黑色物質。為探究黑色物質是什么，學生根據教師在微課中提出的4個假設，自主地上網查詢相關信息，設計實驗方案。

1.2 課堂——完成科學探究

1.2.1 交流、研討、完善實驗方案

學生以小組為單位交流、研討各自設計的實驗方案，然后各組在班級交流。全班同學針對4個假設逐一討論相關的方案，最后在教師的指導下形成共識。

1.2.2 進行實驗、觀察現象、結論與解釋

學生分組各完成一個假設的驗證實驗。各小組在班級匯報交流各自的實驗現象、結論與解釋。

本節翻轉課堂的科學探究過程中各要素及其行為主體結構如下：

2 翻轉課堂主要教學過程

2.1 課前觀看微課，設計實驗方案

學生課前在翻轉課堂平臺上自主觀看微課，在網上獲取金屬鈉和石棉網的成分，針對教師提出的4種假設自主設計實驗方案。

2.2 課堂完成探究，得出結論

2.2.1 展示和研討，形成實驗方案

學生以小組為單位交流、研討各自設計的實驗方案，然后各組在班級交流本組討論后確定的實驗方案。全班同學針對4個假設逐一討論相關的方案，最后優選出可行的實驗方案如表2所示。

在交流與互動的過程中，教師針對性地引導學生對相關方案進行分析和評價，如針對假設3，學生共提出三種方案：

方案1：將除去表層的鈉置于玻璃管中，通入二氧化碳氣體后，點燃金屬鈉，觀察產物顏色。

方案2：將除去表層的鈉分別置于玻璃管中，將空氣和純氧分別通入試管中，點燃金屬鈉，比較燃燒后產物顏色。

方案3：將除去表層的鈉分別置于玻璃管中，將空氣和除去二氧化碳的空氣（將空氣通入堿石灰）分別通入試管中，點燃金屬鈉，比較燃燒后產物顏色。

教師根據上述方案，提出如下問題讓學生反思和評價：

驗證假設3的三個方案中，哪些方案不合理？哪個方案最優？說明理由。

學生分組討論后，對這三個方案進行了如下評價：

方案1只能證明Na能在純的CO2中燃燒，但并不能表明Na能和濃度約為0.03%的空氣中的CO2反應。該方案存在的問題是沒有控制好實驗的變量，方案中出現了氣體成分和濃度都不同的兩個變量。

方案2也沒有控制好實驗的變量。純氧和空氣比較，除了不含二氧化碳外，其氧氣的濃度也不同，出現了氣體成分和濃度都不同的兩個變量。

方案3較好地控制了實驗的變量——兩種氣體中唯一不同的是二氧化碳含量。如果黑色產物明顯減少，則表明黑色產物與CO2有關。

再如有同學針對假設1～4提出了一個總的驗證方案：將除去表層的鈉在通有氧氣的玻璃管中加熱，如果沒有黑色物質出現，表明假設4不成立，假設1、2、3中可能有一種或多種假設成立；如果產物中有黑色物質出現，表明假設4成立，假設1～3不成立。

此時，教師適時點撥學生進行思考：針對黑色產物，教師只提出了其中的四種假設，可能還有更多的假設，如物質聚焦狀態、高溫下顏色的改變等等。在此基礎上學生認識到在假設未窮盡的情況下，用非此即彼的思維方式設計方案可能會出現錯誤，從而引導學生辯證地對該方案進行了如下的評價：

（1）該方案中，如果無黑色產物出現，不能證明假設4成立，也不能證明假設1、2、3中可能會有一種或多種假設成立，因為假設沒有窮盡，黑色物質還可能是其他原因造成的。

（2）該方案中，如果有黑色產物生成，不能證明假設4成立，理由同上；也不能排除假設1、2或3，因為產生黑色物質的原因可能不止一個。

2.2.2 進行實驗，觀察現象，解釋現象，得出結論

學生分4個組分別完成驗證假設1～4的相關實驗，然后分享各組觀察到的實驗現象，得出結論。

驗證假設1：

教師引導學生對實驗結論進行了充分的討論，引導學生得出探究結論后強調：通過上述探究，我們驗證了假設1～4，表明黑色物質的成因較復雜，與石棉網、鈉表面的煤油、空氣中二氧化碳和鈉中含有鐵元素等多種因素有關，而且還可能與其他因素有關，如高溫下過氧化鈉的顏色、物質的聚焦狀態等等。

3 反思

3.1 翻轉課堂讓科學探究更精彩

因為有了翻轉課堂的課前微課學習，使得科學探究過程中的提出問題、猜想與假設和設計實驗等過程前移，讓學生有足夠的時間在課前實施科學探究的核心環節——設計實驗。該環節需要一定的時間讓學生獲取信息，并進行分析與思考，對學生的邏輯思維、辯證思維和創造性思維要求較高。從教學過程可以看出，學生能根據已有知識和經驗，圍繞相關假設，運用控制變量的方法設計出科學、嚴謹的實驗方案。這種基于個體知識和經驗的方案經過小組的分享與討論，有的被否決，有的被修改。各小組的方案經過全班同學的討論后臻于完善。在全班討論過程中，教師針對學生設計的方案進行點撥，引導學生分析和評價方案的優劣，篩選出可行的實驗方案。接著，讓學生分組進行實驗，觀察現象，得出結論并進行解釋。

在本節課的科學探究過程中，設計實驗方案，論證實驗方案，進行實驗，觀察現象，得出結論及解釋等主要過程都是以學生為主體完成的。教學中學生經歷了科學探究的全過程，學習了控制變量的科學方法，提升了思維的品質，培養了分析問題、解決問題的能力和化學實驗與探究的能力。應該說是一節基于翻轉課堂的科學探究典型案例，對化學教學中高效實施科學探究有著積極的借鑒作用。

3.2 翻轉后的課堂教學成為師生交往、積極互動的過程

因為學生已經在課前設計了實驗方案，課堂教學的主要任務就是展示、交流、研討實驗方案，這個過程是以小組合作和全班討論的方式進行的，課堂上充滿了鮮活的生生互動、師生互動場景，學生成為學習的主體，教師則是學生學習的引領者。如在討論假設3的三個實驗方案時，教師以畫龍點睛式的點撥，把學生的思維引向深處，讓學生運用控制變量和設計對比實驗的思想，通過積極的互動，分析方案1和方案2中存在的問題，形成了完善的實驗方案，同時也提升了學生的思維品質。這種高效的互動促進了教學方式的變革，學生在互動中提高了學習參與度，促進了對知識的理解，培養了思維能力，提高了合作與交流素養。

3.3 翻轉后的課堂拓展了教學的開放性

翻轉后的課堂，不僅讓教學從課堂延伸到課前和課后，更重要的是提升了教學的開放性，給教師教學也帶來了挑戰。因為學生有足夠的時間在課前獲取信息、設計實驗方案，課堂上會呈現出形形色色的實驗方案，學生評價方案時也會展露出獨特的觀點和視角，這既要求教師具備較高的專業素養，又要求教師課前要充分做好相關知識的學習和研究，這樣才能應對各種不同的教學生成。如學生針對四種假設提出了用一個實驗驗證四個假設的方案時，因為邏輯思維和辯證思維能力受限，導致學生錯誤地認為黑色產物只可能是四種假設中的一種，其實這種黑色物質不僅可能是四種假設中的多種，還可能是其他因素產生的。這種情況下，教師適時地捕捉到這些生成性要素，設計出開放的、深層次的問題啟迪學生思考，培養了學生的邏輯思維能力和辯證思維能力，提升了學生的科學素養，同時也把探究從課堂延伸到課外，讓部分學有余力的學生有進一步探究的空間（提出并驗證其他假設）。正是這些高質量的開放性教學情景，讓翻轉課堂模式下的科學探究邂逅了無法預約的美麗生成，構成了促進學生發展的一道亮麗的風景線。

參考文獻：

[1]鐘曉流，宋述強，焦麗珍.信息化環境中基于翻轉課堂理念的教學設計研究[J].開放教育研究，2013，（1）：60～61.

[2]趙興龍.翻轉課堂中知識內化過程及教學模式設計[J].現代遠程教育研究，2014，（2）：55～61.