基于科學史的“元探究”教學在化學學科中的應用

潘振蓓 姜建文

摘要： 元探究即為“探究的探究”，科學史為元探究的進行提供了豐富的素材。嘗試挖掘元探究的內涵，界定什么是元探究教學，以及探討如何進行元探究教學。并通過具體的化學學科案例設計來進一步闡明觀點。在此基礎上提出進行元探究教學的優勢和局限性。

關鍵詞： 元探究; 科學史; 課堂教學; 化學教學

文章編號： 1005-6629（2018）11-0056-05中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

從上世紀五六十年代起，探究作為一種科學教學方式被越來越多的人接受。施瓦布[1]認為科學應被視作一種概念結構，它隨時可能因發現新的證據而被修改。施瓦布還認為，探究性教學中包含兩種探究。一是對科學知識本身的探究，科學被看作探究過程的指導，“科學即探究”;二是教與學這個過程的教學方法、方式上的探究，教與學的過程本身是一種探究，“探究性教與學”。這兩層含義是完整形式科學探究教學思想的組成部分。他指出，一方面，它的材料要展現科學作為探究;另一方面，學生要被引導在這些材料中進行探究，他要學會辨認它們的組成部分，檢查這些部分間的關系，注意到每個部分所扮演的角色，通過研究發現探究的一些優點與缺點。簡而言之，課堂應該參與到探究的探究中[2]。這種“基于探究的探究”，也是探究的一種形式，可以稱其為“元探究”。

1 元探究與元探究教學

1.1 何謂元探究

元探究教學，是基于科學研究問題下，對該問題的科學研究的探究過程再次進行探究的一種教學方式，旨在幫助學生認識到科學知識的構成和獲得過程。

元探究的探究對象為對研究某科學問題而進行的各探究活動。對于中學教學來說，這類探究活動多為科學史上科學家所進行的探究。因此，豐富的科學史正是最適合使用元探究教

學的素材。

其實，這種教學方式并不罕見。在課堂上往往運用科學史來融入某個教學片段，或進行整體設計的教學[3～6]，這種已經包含科學家探究過程的教學，對其某個片斷重溫時，也就是在進行一次“元探究”。但是，它與元探究教學方式的區別在于，元探究教學方式更加注重提供科學家探究過程的完整性，通過對其完整的探究過程的探討，進而明確探究的問題，明確探究過程中各要素之間的關系。

當然，元探究的教學不僅可以基于科學史，還可以結合當今科技發展的新進展。在提供素材時對同一問題的不同假說都是可以被提供的，重點是要包含探究的過程，以方便學生進行分析。這種基于探究過程的對比分析，可以幫助學生集中認識科學知識的構成和獲得過程，關注探究應注意的問題，提高探究能力，從而提升科學素養。

1.2 元探究教學

元探究教學，以呈現包含探究過程的材料為探究載體，一方面呈現科學知識即探究，一方面在于關注探究教與學過程，是兩者的結合，是包含兩個維度的完整的探究教學。元探究教學通過不同的探究材料，更能體現科學知識本身即為探究，更注重引導學生關注探究的組成部分。

從課堂環節來看，元探究的教學應包括以下方面（見圖1）： 第一，確定研究的主題。第二，師生收集該教學內容下包含探究過程的多樣化素材。第三，確定需要明晰的問題，如研究問題、收集的證據、技術的作用、研究使用的方法、數據的解釋、得到的結論等。第四，思考分析。第五，討論總結，判斷本質，分析成功或失誤的原因，從中得到經驗教訓。第六，分析是否有新的問題，在該探究過程中是否產生新的不明確的想要探究的問題。

確定需要明晰的問題是元探究教學的重要環節。不同的探究過程，探究的側重點會有所不同，探究過程也很少會包含所有的探究活動要素。典型的活動要素主要包括研究的問題、收集的證據、對證據的解釋、所用技術及作用、得到的結論幾個環節。在不同環節需要關注不同的元探究問題。

對于研究問題維度，元探究問題應包括： 提出了怎樣的問題、為何會提出這樣的問題、針對研究問題提出怎樣的假說、對同樣的問題為何會提出不同的假說、這種假說是基于何種證據提出的等。

對于收集證據維度，元探究問題應包括： 如何收集證據、證據是否可分為不同類型（來源等）、證據是否需要進一步處理、證據可信度如何、證據的收集方法有哪些、是否采取合適的收集方法、是否采用合理的方法和工具對證據進行處理、對證據是否持有批判的態度等。

對于證據的解釋維度，元探究問題應包括： 證據起到了什么作用、能否正確認識并理解證據的作用、證據是否與假說相關（證據與假說的關系如何，是否支持假說）、證據與解釋有何關系、是否充分、解釋過程中是否尊重證據等。

對于探究過程中所用的技術及作用維度，元探究問題應包括： 用何種技術手段、起到了怎樣的作用、是否有更佳的方式等。

對于得出結論維度，元探究問題應包括： 得出了怎樣的結論、結論是如何得出的、結論的合理性如何、原因是什么、結論與證據是否一致等。

2 案例分析

我們以氯氣的發現為例進行元探究教學。

2.1 確定研究主題

氯氣的本質是什么？對一種未知的物質是如何確定其本質的？

2.2 收集素材

由學生查閱資料，教師進行補充，找出氯元素的發現史[7]。師生共同提煉出如下主要內容。

2.2.1 舍勒對軟錳礦的分析

從1771～1774年，舍勒花費三年時間，對軟錳礦進行了認真分析。他發現該礦石不溶于稀硫酸和稀硝酸，但卻能溶于鹽酸中。在對其沉淀物進行分析過程中，他預言有一種新金屬（錳）存在。但在前期處理過程中，常常使他感到十分難受的是，每次在軟錳礦粉中倒入鹽酸后，就會立即冒出一種令人窒息的黃綠色氣體，使他“肺部極為難受”。于是，在預言了錳元素之后，他著手于這種氣體的研究，發現它能使藍色紙條變白，也能使有色花朵和綠葉褪色;另外，還能腐蝕金屬;更奇怪的是在這種氣體中昆蟲會立刻死亡，火也立即熄滅。由此，舍勒斷定這是一種新物質（氯氣）。舍勒相信燃素說，認為是由于“脫燃素的錳”（MnO2）從鹽酸中奪去了燃素而產生了這種氣體，所以稱它為“脫燃素的鹽酸”。

2.2.2 貝托雷的氯水光解實驗

1774年，當貝托雷了解到舍勒的發現后，就著手對這一新氣體進行研究，發現黃綠色氣體確實如舍勒所言，具有漂白作用，于是將其介紹給紡織工業，以代替日曬漂白法，從而推動了漂染工業的迅速發展。在生產過程中，人們發現氯氣盡管具有漂白作用，但真正對漂白質量起關鍵作用的是次氯酸鹽的濃度。為進一步研究氯氣水溶液的性質，1785年貝托雷將黃綠色氣體溶于水后露置在日光下進行觀察，發現生成了鹽酸并放出了氧氣。據此，他認為這是氯氣的簡單分解過程，如下式所示： 氯——鹽酸+維持生命的空氣（氧）。認為氯是鹽酸和氧之間“聯合松弛的化合物”。

2.2.3 蓋·呂薩克的鹽酸氣合成實驗

1809年，蓋·呂薩克和泰納合作，總結了前人有關氯研究的經驗教訓，不從分解的角度進行思考，而將純黃綠色氣體與氫氣混合，結果無論是靜置數日還是稍稍加熱或露置日光下，發現都生成了鹽酸氣，并且無任何水分產生，從而否定了貝托雷的觀點。他認可拉瓦錫的氧化理論中“一切酸中均含有氧”的觀點，認為氯氣是某種“基”的氧化物，與氮、硫、碳生成的酸根相似，仍然堅持氯不是一種元素而是一種化合物。后來，化學家想盡各種辦法，利用金屬、紅熱木炭、磷等任何一種吸氧劑進行實驗，企圖從氯中分解出氧來，以證明蓋·呂薩克見解的正確性。不過，均沒有從黃綠色氣體的分解中見到氧的蹤跡。那么，這究竟是元素還是化合物？

2.2.4 戴維的氯氣分解實驗

1810年，戴維在發現了堿類和堿土類一系列元素之后，也試圖用電解法來探討氯的本質。最初，他在銅管中用電池將木炭燒至白熱，讓氯氣通過其表面，結果沒有得到氧氣。于是，他分析了以前有關這方面的所有研究工作，感到只有認為氯是一種元素，才能合理地解釋所有的實驗現象。經過一番認真研究之后，他在英國皇家學會上發表了自己的新觀點，以大量的實驗事實論證了氯是一種元素，而不是什么化合物，結束了長達半個多世紀以來的爭論。同時，他也對酸的本質問題進行了思考，認為鹽酸的主要成分是氫，氯氣中并不含有氧，氫有可能是使物質顯酸性的主要原因。

1813年，法國人庫特瓦從海藻植物中發現碘之后，戴維和蓋·呂薩克先后又獨立地確證它是一種元素，其性質與氯相似。于是，氯和碘分別是一種元素，鹽酸和氫碘酸都是無氧酸便很快得到了科學界的認可。

2.3 確定需要明晰的問題

通過表格設計，引導學生對收集的素材進行分析，展示需要關注的問題，重點關注證據的收集、對證據的解釋以及得到的結論之間的關系是否符合科學原則。表1呈現了對舍勒、蓋·呂薩克和戴維實驗的分析結果（因篇幅關系，省略對貝托雷實驗的分析）。

2.4 思考分析

在教師引導下，學生分組對科學發現過程中各科學家的工作圍繞元探究問題展開思考和分析。如表2提供了在研究問題維度、收集證據維度、證據解釋維度、得出結論維度，引導學生深入分析元探究問題下的科學發現過程。可以發現，元探究過程是一個充滿反思，不斷叩問的過程。

2.5 討論總結

引導學生分析以上過程，發現氯的本質是單質。整個過程是一個不斷反思的過程。學生可以關注到科學家在收集證據與得出結論方面的關系，從而認識到氯是一種元素的認識是如何得來的。如果給你一種未知的物質，你如何去判斷其存在和本質。意識到科學發展的曲折性，意識到得到正確的結論不僅需要嚴密的論證，需要基于證據的解釋，還要敢于相信事實。

3 元探究教學的優勢和局限性

3.1 優勢

運用元探究的探究教學，學生由于處于一個相對開放的外部環境，沒有太多指向性問題，能夠集中關注探究的過程，關注探究各要素之間的關系，因而能更加理解知識的構成與獲得更多知識形成過程的體驗。并且由于問題答案需要學生自己從素材中提煉，還能夠培養學生閱讀和分析的能力素養。

元探究教學旨在解決目前探究式課堂中存在的探究僵化、探究形式化的問題，旨在引導師生關注探究組成部分及各部分之間的聯系，如不僅僅是停留在收集證據上，而在于更關注證據與解釋之間的聯系、解釋與結論的關系等等，達到關注探究各部分之間緊密聯系的導向作用的目的。

3.2 局限性

同時我們也發現，與實驗探究相比較，學生的部分能力，如獨立提出猜想與假設的能力、制定計劃的能力、進行實驗的能力沒有得到訓練和培養。元探究教學因其特殊的載體需要，在化學教學中的應用，與化學史結合是一條有效的途徑。因此在化學教學中的應用，應挖掘含有豐富研究過程的內容。

要使得這種探究方法行之有效，其關鍵在于教師所提供的素材要盡可能多樣化，要設置具有引領作用的問題來充分調動學生思考、發言，對一系列相關問題進行“辯論”，所謂“理不辯不明”。但要注意不要淪為聲高的較量，既要“辨”，又要“辯”。“辨”是“辯”的基礎。關鍵是在思考的基礎上關注探究過程中各要素的關系。

參考文獻：

[1][美]國家研究理事會著.羅星凱等譯.科學探究與國家科學教育標準[M].北京： 科學普及出版社， 2004： 16， 24.

[2]Joseph J. Schwab. The Teaching as Enquiry. The Teaching of Science [M]. Harvard University Press， Cambridge， Massachusetts， 1962： 65.

[3]葛秋實，王秀紅.基于化學史的教學設計： 與科學家對話——重溫氯的發現之旅[J].化學教育， 2011，32（01）： 35～36， 57.

[4]吳瓊英.化學史融入探究教學的實踐與反思——以“質量守恒定律”為例[J].中學化學教學參考， 2017，（13）： 20～22.

[5]劉玉榮，詹利平.融合化學史和生活的二氧化碳教學設計[J].化學教育， 2017， 38（17）： 5～9.

[6]張娟，姜建文.基于化學史的“元素周期表”教學設計[J].化學教育， 2017， 38（17）： 75～81.

[7]丁緒賢.化學史通考[M].北京： 中國大百科全書出版社， 2011： 136～146.