建構(gòu)“化學(xué)探究性實驗”校本課程

林考星

摘要：為建立相對穩(wěn)定、適合本校學(xué)生認知特點的“化學(xué)探究性實驗”課程發(fā)展模式，設(shè)置了相應(yīng)的校本課程。實施中以“認知學(xué)徒制”及學(xué)生的建模過程作為課程設(shè)計的脈絡(luò)，以“定性研究”收集到的資料來改進課程。“化學(xué)探究性實驗”校本課程的建構(gòu)為化學(xué)實驗和探究式教學(xué)提供了可借鑒模式，也對全面落實化學(xué)新課程目標起到了積極的推動作用。

關(guān)鍵詞：化學(xué)探究性實驗；校本課程；認知學(xué)徒制

文章編號：1005–6629（2016）7–0023–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 課程背景

化學(xué)新課標強調(diào)：“通過以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，使學(xué)生體驗科學(xué)研究的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強化科學(xué)探究意識，促進學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。[1]”理想的實驗課程設(shè)計，不但可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣、獲取化學(xué)知識、培養(yǎng)學(xué)生實驗操作的技能、觀察化學(xué)變化和設(shè)計實驗的能力，更重要的是能夠加深學(xué)生對探究過程模型本質(zhì)與功能的認識，從而提高學(xué)習(xí)和研究問題的能力。但目前在高中化學(xué)的實際教學(xué)中，受限于考試壓力和課時偏少，學(xué)生缺乏以實驗為載體的學(xué)科方法和探究能力的訓(xùn)練與培養(yǎng)，制約了化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的提高。

相對而言，校本課程活動時間和空間較為靈活，有條件保證活動過程的自主性和探究性，為學(xué)生提供比較真實的科學(xué)探究環(huán)境。探究實驗的切合點既可以是課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，也可以對物質(zhì)或原理進行進一步的探究，或結(jié)合生活實際和生產(chǎn)實踐進行探究，在兼顧趣味性的同時，重思維、重探究過程，重思維模型的建構(gòu)，有效整合多元智力，實現(xiàn)知能融合，興趣、知識、探究等要素有機整合，使培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的過程最優(yōu)化，較為完整地體現(xiàn)新課程倡導(dǎo)的自主、合作、探究的學(xué)習(xí)方式，落實知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度價值觀的三維教學(xué)目標。

2 課程設(shè)計

本課程以開展課題式合作探究實驗活動為主軸，突出探究學(xué)習(xí)、研究學(xué)習(xí)、操作學(xué)習(xí)和體驗學(xué)習(xí)等實踐性學(xué)習(xí)活動，與國家課程的化學(xué)學(xué)習(xí)形成延伸與互補的關(guān)系。

2.1 研究方法

課程發(fā)展采用行動研究法，基本流程如圖1。開展研究的教師在教學(xué)現(xiàn)場親身參與或從旁觀察記錄，應(yīng)用“定性研究”（即“質(zhì)的研究”）的方法，以錄像、訪談、學(xué)生互評、交流展示、成果發(fā)表等方式，搜集學(xué)生反饋的相關(guān)信息，記錄學(xué)生學(xué)習(xí)表現(xiàn)，觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)進展，研究分析學(xué)生探究過程、思考方式、心智模式、探究能力與態(tài)度等是否發(fā)生顯著的改變。然后評估學(xué)生建立科學(xué)概念的正確性，比較學(xué)生在探究實驗中的思維模式，提供改善建議[2]。同時教師定期反思自己的教學(xué)問題，調(diào)整或修正所設(shè)計的課程計劃，以提高教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效率。

2.2 研究對象

研究對象為本校高二選修“化學(xué)探究性實驗”校本課程的學(xué)生，共32人。由于是自愿選修，參與本計劃的學(xué)生，對化學(xué)的研究普遍具有較高的興趣，但化學(xué)學(xué)習(xí)成績參差不齊，相當(dāng)部分學(xué)生基礎(chǔ)較薄弱。

2.3 內(nèi)容確定

選擇內(nèi)容的原則是“具探究性和拓展性”，兼顧實驗的安全性與創(chuàng)新性。為延伸探究的空間，精選了兩個探究性主題：“原電池”和“配合物”。其中“原電池”學(xué)生已有初步知識，后續(xù)還將繼續(xù)學(xué)習(xí)，以系統(tǒng)掌握相應(yīng)的知識。課程選擇原電池是利用它所呈現(xiàn)的較強的探究性，側(cè)重開展實驗探究活動，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，建立有效的探究模型，反過來促進國家課程的化學(xué)學(xué)習(xí)。

2.4 評價方法

本課程以過程評價為主，結(jié)果評價為輔。每次活動均由學(xué)生對過程進行反思、闡釋和總結(jié)，填寫隨堂評價表，從實驗操作的規(guī)范、提出問題的質(zhì)量、思維的活躍度、創(chuàng)新度、與他人合作的情況以及學(xué)習(xí)收獲等方面給予自評和互評，量化打分，扣分的地方注明原因，然后由教師評定等級。期中、期末，組織學(xué)生將成果在全校展示與發(fā)表，進一步提供綜合闡釋、反思、總結(jié)的機會，與同學(xué)交流自己建構(gòu)的原電池模型，分享學(xué)習(xí)成果，體驗學(xué)習(xí)化學(xué)的快樂。最后根據(jù)學(xué)生的自評、互評、教師的觀察記錄及成果做出綜合評價。

3 課程實施

實施過程中，教師作為參與者和指導(dǎo)者，根據(jù)由美國認知心理學(xué)家柯林斯和布朗1989年提出的“認知學(xué)徒制”的理論[3]與學(xué)生互動，為學(xué)生提供充足的時間與機會進行模型的建構(gòu)與調(diào)整，以提高他們的建模能力，促進認知發(fā)展從實際水平提升到潛在水平。“認知學(xué)徒制”是從以教為中心轉(zhuǎn)向以學(xué)為中心、對學(xué)習(xí)的研究由認知轉(zhuǎn)向情景、學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計思想的大背景下誕生的一種理論，它將學(xué)習(xí)者浸潤在專家實踐的真實環(huán)境中，培養(yǎng)學(xué)生的高級思維和問題解決和處理復(fù)雜任務(wù)的能力。國內(nèi)外相關(guān)研究認為，“認知學(xué)徒制”應(yīng)用于教學(xué)實踐中，能幫助和促進學(xué)生獨立地將所學(xué)知識和技能，遷移應(yīng)用到新穎的問題情景中，對培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力具有獨特的優(yōu)勢。

以“原電池”探究為例，“認知學(xué)徒制”的教學(xué)策略貫穿整個過程，包括示范、訓(xùn)練、支架（即“搭建腳手架”）、闡釋、探究與反思等，循序漸進展開活動（圖2）。活動中教師通過觀察的方式進行指導(dǎo)，包括觀察學(xué)生執(zhí)行任務(wù)的過程，為學(xué)生提供暗示、提醒、演示、修正和提出新的任務(wù)等。

3.1 預(yù)備活動

“認知學(xué)徒制”強調(diào)學(xué)習(xí)是通過參與有目的的模仿活動而構(gòu)建的，即通過教師的“示范”和學(xué)生個體的“訓(xùn)練”完成學(xué)習(xí)。本環(huán)節(jié)為實驗技能訓(xùn)練階段，學(xué)生在教師的標準演示后，按照自己的認知方法，進行基本操作訓(xùn)練，規(guī)范實驗的操作程序，強化實驗安全觀念。主要內(nèi)容包括：實驗安全教育、常用儀器的使用、稱量、溶液配制等。對學(xué)生在實驗中出現(xiàn)的問題及時指出，予以糾正，提醒學(xué)生在實驗報告上做好記錄，明確錯在哪里，應(yīng)該如何做。“認知學(xué)徒制”關(guān)注學(xué)習(xí)經(jīng)驗，對于重要的基本操作技能，教師應(yīng)充分展示關(guān)鍵要領(lǐng)，并要求學(xué)生反復(fù)練習(xí)，直至人人過關(guān)。endprint

3.2 活動一：建構(gòu)單液原電池認知模型

教師通過示范，將原本隱蔽的內(nèi)在認知過程顯性化，即使思維過程可視化、外顯化，然后給學(xué)生呈現(xiàn)需要解決的問題，學(xué)生結(jié)合他們剛剛學(xué)到的認知策略和技能來探究問題，反思方法、闡釋原理、建構(gòu)模型，教師在期間同步參與或觀察，引導(dǎo)注意、提供暗示與反饋、有針對性地搭建“支架”，提出附加任務(wù)與問題等。這是“認知學(xué)徒制”教學(xué)的一般模式。在該模式下，本環(huán)節(jié)學(xué)生將初步體驗探究實驗的過程，培養(yǎng)觀察與表達能力，訓(xùn)練思維的嚴密性。

教師進行原電池的演示和講解后（示范），學(xué)生兩人一組合作實驗，通過銅鋅原電池的組裝、電流的測試等，發(fā)現(xiàn)原電池反應(yīng)與氧化還原反應(yīng)的關(guān)系，從微觀角度認識到電子通過導(dǎo)線定向移動，在正負極發(fā)生得失電子的氧化還原反應(yīng)，離子在溶液中定向移動，形成閉合回路，從而產(chǎn)生電流。要求學(xué)生在實驗報告上及時記錄實驗現(xiàn)象，清晰“闡釋”原理，書寫正負極電極反應(yīng)式。隨后教師給出新任務(wù)：根據(jù)學(xué)過的以下三個氧化還原反應(yīng)分別設(shè)計原電池。

學(xué)生經(jīng)交流討論，在教師的提示下完成設(shè)計，組裝原電池、測試正負極和電流。“認知學(xué)徒制”模式下的探究活動，反思機會處于中心地位。在完成每一個原電池的組裝、測試后，教師均須提醒學(xué)生對探究過程與認知策略進行反思，將自己的問題解決過程與教師或其他同學(xué)的做比較，從中汲取經(jīng)驗，改進不足，提高探究的效率。最后，通過相互交流，學(xué)生進一步總結(jié)原電池原理，填寫實驗報告，建立起較為完整的單液原電池思維模型（建構(gòu)模型）。

3.3 活動二：提煉雙池單液原電池模型

在“認知學(xué)徒制”中，概念與認知技能處于運用的情景之中，在變化的情景中通過運用而被學(xué)習(xí)，而這些變化的情景既有助于深化對概念或認知技能的理解，又有助于構(gòu)建反映概念、認知技能與問題解決情景之間重要聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)，從而提高提煉知識、分析和解決問題的能力。本環(huán)節(jié)進入深化思維階段，設(shè)置以“桔子電池”為情景的探究活動，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)乃季S習(xí)慣和科學(xué)精神，建立實驗探究的思想。活動過程與成果為探究雙池雙液原電池做鋪墊和過渡，同時也使活動更具趣味性。

教師在“示范”單瓣桔子電池的構(gòu)造后，學(xué)生分組實驗，通過交流“闡釋”原理，重新認識單液原電池。然后為學(xué)生發(fā)布新任務(wù)：測試下列兩種情況能否產(chǎn)生電流，并探究原因。

①電極插入兩瓣未分開的桔子

②電極插入兩瓣分開的桔子

學(xué)生實驗后，發(fā)現(xiàn)只有①有電流產(chǎn)生。引導(dǎo)學(xué)生通過討論交流、比較分析、查閱資料等尋找原因。教師根據(jù)情況適時提示，提供“支架”：兩瓣間的桔子膜具有“分區(qū)而又能讓離子通過”的功能。在學(xué)生找到答案并做清晰表達后，教師因勢利導(dǎo)，啟發(fā)思考：兩瓣分開的桔子不能產(chǎn)生電流，如何改進才能產(chǎn)生電流？學(xué)生以各種可能變因去思考，提出了幾種設(shè)想與方案并著手實驗：

A.把兩個桔子瓣分開并部分插入NaCl溶液中

B.用浸濕NaCl溶液的硬紙板或濾紙插在兩個桔子瓣之間

C.用浸濕NaCl溶液的燈芯線連接兩個桔子瓣

D.用導(dǎo)線連接兩個桔子瓣

實驗現(xiàn)象：A、B、C有電流，D無電流。如何解釋實驗結(jié)果？教師觀察學(xué)生討論的進展情況，根據(jù)“認知學(xué)徒制”的啟發(fā)式策略，以隱性的方式提供幫助：可從微觀和動態(tài)的角度展開討論，裝置中正負極分別發(fā)生了什么反應(yīng)，電流是如何產(chǎn)生的？學(xué)生在交流討論、相互釋疑的思維碰撞中逐漸達成共識，對A、B、C能產(chǎn)生電流的原理做出完整闡釋，弄清了鹽橋的作用，利用對氧化還原反應(yīng)概念的理解，從離子、電子的定向移動和相互作用，以及電荷平衡、閉合回路構(gòu)成等角度形成了對雙池原電池裝置的認識。提醒學(xué)生對探究過程進行詳細的記錄，并在實驗報告中對雙池單液原電池的原理和鹽橋的作用做出分析和總結(jié)，在教師指導(dǎo)下修正完善，建立起雙池單液鹽橋原電池模型（分析與優(yōu)化模型）。

3.4 活動三：建構(gòu)雙池雙液原電池模型

“認知學(xué)徒制”中教師搭建“支架”，履行任務(wù)中學(xué)生還不能自己勝任的那一部分，對學(xué)生提供支持，但是及時地“淡出”也十分重要。隨著學(xué)生能力的增強，教師應(yīng)逐漸移走“支架”，減弱學(xué)生對“支架”的依賴[4，5]。本環(huán)節(jié)學(xué)生進入更為自由的探究，根據(jù)反應(yīng)Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu自主設(shè)計放電穩(wěn)定的原電池。在問題情景中，通過建構(gòu)雙池雙液原電池模型，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和提煉規(guī)律的能力。

首先，學(xué)生分組自主設(shè)計并連接原電池，發(fā)現(xiàn)開始時電流計指針發(fā)生大的偏轉(zhuǎn)，但電流很快衰竭，且兩電極上均有紅色的銅析出。經(jīng)學(xué)生的討論，總結(jié)出原因：由于鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，銅在鋅片表面析出，鋅表面也構(gòu)成了原電池，進一步加速銅在鋅表面析出，致使向外輸出的電流強度減弱。當(dāng)鋅片表面完全被銅覆蓋后，不再反應(yīng)，也就沒有電流產(chǎn)生。

如何改進才能獲得穩(wěn)定而持續(xù)的電流？教師搭建“支架”：避免鋅與硫酸銅溶液直接接觸是產(chǎn)生穩(wěn)定電流的前提，提示學(xué)生思考：可否利用已構(gòu)建的雙池單液鹽橋原電池模型解決這個問題？學(xué)生動手探究，兩池都用硫酸銅溶液，發(fā)現(xiàn)電流仍不持久，鋅的表面仍有銅析出。指導(dǎo)點到為止，后面的探究交給學(xué)生獨立完成。

經(jīng)過討論、反思，學(xué)生認識到負極區(qū)的電解質(zhì)溶液并沒有參加反應(yīng)，因而想到將其換成硫酸鋅或其他不與負極材料反應(yīng)的電解質(zhì)溶液，即可避免在鋅極表面析出銅，并能獲得持續(xù)的電流，而接下來的實驗證明了他們的思路是正確的。隨后通過對原理的交流和闡釋，提煉出設(shè)計雙液原電池的思路和方法，即：將氧化還原反應(yīng)拆分為兩個半反應(yīng)→判斷正負極→選擇電極材料→選擇正負極半電池的電解質(zhì)溶液。任務(wù)完成后，學(xué)生及時在實驗報告上總結(jié)，補充、調(diào)整建構(gòu)的原電池模型，建立完整的雙池雙液原電池模型（調(diào)整與重建模型）。

3.5 活動四：制作氫氧燃料電池演示儀endprint

在“認知學(xué)徒制”教學(xué)模式中，學(xué)生通過模仿、參與、討論、反思和闡釋，獲得基本問題的求解方法、策略和能力后，要增強學(xué)生學(xué)習(xí)的獨立性和自主性，利用他們所習(xí)得的思維技能來發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、驗證假說、獲得結(jié)果。本環(huán)節(jié)進入探究創(chuàng)新階段，開放更大的探究空間讓學(xué)生完成實驗計劃，設(shè)計制作氫氧燃料電池演示儀，要求電解水（充電）與氫氧燃料電池放電能交替進行，并保證制作的演示儀現(xiàn)象明顯。目標是使學(xué)生較完整地體驗科學(xué)探究的基本要素，包括“提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進行實驗與收集證據(jù)、分析論證、評估、交流與合作”，進一步學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法，增進對科學(xué)的情感，培養(yǎng)互相協(xié)作的配合意識，在分析和解決實際問題中，提高實驗評價、實驗設(shè)計能力與創(chuàng)新能力[6]。

教師先給出概念支架：講解并與學(xué)生討論教材內(nèi)（蘇教版高中化學(xué)2，第5版42頁）燃料電池的原理（圖3），再由學(xué)生分組實驗。

但實驗現(xiàn)象不夠明顯，放電時間很短。原因是什么，如何改進？學(xué)生展開討論，提出猜想、設(shè)計實驗、制定計劃，小組成員分工協(xié)作，對多種可能進行驗證，如采用表面積更大的石墨棒、改變電解液的種類和濃度、提高電解水的電壓、由外界輸入氫氣和氧氣，等等。在真實的任務(wù)情境中，學(xué)生表現(xiàn)出極大的探究熱情和良好的創(chuàng)新潛質(zhì)，誠如“認知學(xué)徒制”所論述的那樣，真實的任務(wù)情境有效觸發(fā)了學(xué)生探究的“內(nèi)部動機”。經(jīng)反復(fù)實驗和文獻查閱，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：石墨電極上氣體的活性和附著量是延長電池放電時間的關(guān)鍵因素，而充電時吸附在電極上的氫氣和氧氣活性大，因此必須改進石墨電極的制作，提高石墨棒對氣體的吸附量。通過實驗評估、篩選，獲得了幾種效果良好的方法：

A.用棉布或厚濾紙包裹石墨棒

B.用多孔篩狀橡膠纏繞石墨棒

C.用熱的濃硝酸處理石墨棒

D.用活性炭粉填充石墨棒內(nèi)

這些措施均能有效延長電池放電的時間，解決了氫氧燃料電池演示儀制作中的難題。隨后，學(xué)生在演示儀的直觀性、易用性和外觀上也進行了改進。通過活動，學(xué)生加深了對電極和電極反應(yīng)的理解，對設(shè)計制作化學(xué)電源的過程有了深刻的體驗，同時修正、補充、完善了自己建構(gòu)的原電池模型（調(diào)整與重建模型）。實驗完成后，學(xué)生在隨堂實驗數(shù)據(jù)記錄和實驗報告的基礎(chǔ)上，撰寫并發(fā)表論文《氫氧燃料電池演示儀的創(chuàng)新制作》，與他人分享探究成果。

4 課程效果

以上原電池主題實驗各環(huán)節(jié)的安排，遵循“認知學(xué)徒制”的順序原則，逐漸增加有意義任務(wù)的難度和多樣性。脈絡(luò)清晰的原電池思維模型的建立，為學(xué)生解決復(fù)雜的電化學(xué)問題打下了良好的基礎(chǔ)，有助于學(xué)生學(xué)會思考復(fù)雜問題的方法，養(yǎng)成透過現(xiàn)象看本質(zhì)的習(xí)慣。同時，學(xué)生在完成探究任務(wù)的過程中，通過設(shè)計和操作實驗、討論、反思、闡釋、總結(jié)等形式，將復(fù)雜的認知過程外顯化（與教師將認知過程外顯化的“示范”作用有所不同），促進了自我修正和自我監(jiān)控等元認知技能的發(fā)展。

探究性實驗課程的構(gòu)建，充分發(fā)揮了化學(xué)實驗的教育功能，在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、體驗科學(xué)探究、訓(xùn)練科學(xué)方法、培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度、學(xué)習(xí)化學(xué)知識、學(xué)會團結(jié)協(xié)作及表達交流技能等方面取得了較明顯的成效，實驗技能和實驗探究能力方面的進步尤為突出。期末測評中設(shè)置了一些問題以測量學(xué)生化學(xué)探究能力的發(fā)展水平，在回答“如何提高銅鋅原電池的電壓”時，70%的學(xué)生能深入考慮各種可能的變因，如：溶液中電極面積對電池的影響、鹽橋中電解質(zhì)濃度對電池的影響、負極區(qū)使用不同的電解質(zhì)溶液等，并能清晰地提出探究實驗的方案及實驗的可行性，說明各種步驟的控制變因與操縱變因，顯示學(xué)生的化學(xué)探究能力獲得了顯著的發(fā)展。

“化學(xué)探究性實驗”校本課程的研究和實施給教師的教學(xué)理念帶來了真實、根本的改變，并自覺在日常教學(xué)行為中貫徹始終，這是接受一般的新課程理念培訓(xùn)很難達成的。觀念的更新與重塑為日常教學(xué)帶來了顯著的變化：教學(xué)過程更加重視實驗，千方百計為學(xué)生創(chuàng)造動手探究的機會，真心實意從強調(diào)知識的學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)向重視探究能力的培養(yǎng)，轉(zhuǎn)向重視提出問題與追尋答案的過程。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學(xué)課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003：2.

[2]陳桂生.到中小學(xué)去研究教育——“教育行動研究”的嘗試[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2000：186～215.

[3]陳家剛.認知學(xué)徒制二十年研究綜述[J].遠程教育雜志，2010，（5）：98～102.

[4]王海珊.教與學(xué)的有效互動——簡析支架式教學(xué)[J].福建師范大學(xué)學(xué)報，2005，（1）：140～142.

[5]王磊.鷹架式教學(xué)：一種有效的教學(xué)互動[J].科教文匯，2007，（01上半月刊）：48.

[6]劉知新.化學(xué)實驗論[M].南寧：廣西教育出版社，2006：137～139.endprint