中小學生在化學實驗中差異性表現的實證研究

凌一洲 郁志珍 顏曉紅 任澤中

摘要： 利用現場觀察、文本分析、訪談法，比較了22名中學生和28名小學生在完成相同化學實驗時的差異性表現。從方法、認知、情意3個維度分析了參與者在動手操作、觀察現象、記錄結果、得出結論等各階段的差異，得出充分發揮化學實驗育人價值的教學啟示。

關鍵詞： 中小學生; 化學實驗; 差異性表現; 實證研究; 教學啟示

文章編號： 10056629（2019）7003005中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

學生的核心素養水平應該隨著年齡（學歷）的提升而同步提升，具體體現在學科認知由淺顯到深入、解決問題的情境由簡單到復雜、思想觀念由模糊到內化等[1]。

因此，在理想狀態下，如果讓中學生、小學生完成同一個化學實驗，并比較學生表現水平的差異，應該會發現中學生與小學生相比，方法、認知、情意等各方面都得到了顯著發展。

但是，在實踐中并非完全如此。通過研究中學生、小學生的差異性表現，可以更好地理解學生在不同年齡階段的具體特點，進而得出充分發揮化學實驗育人價值的教學啟示。

1 研究對象

選取江蘇省某中學的22名高中一年級學生、某小學的28名小學高年級學生為參與者。由同一位教師擔任中學生、小學生的授課教師。在小學生實驗過程中，另有2位教師全程看護、陪同，以確保安全。

2 研究方法

本研究采用現場觀察、文本分析、訪談法對參與者進行跟蹤調查。

2.1 現場觀察法

通過現場觀察，可以記錄學生在實驗各階段的動作、語言、情緒等現場表現。

在中學、小學分別開設以可視化微型化學實驗為主題的校本課程，課程的教學組織形式均以分組實驗為主，中學生、小學生每2～3人為一組，以小組為單位合作完成實驗。

在課堂上，教師和助教需觀察和記錄學生的語言、行為、神態等表現，包括實驗操作的熟練程度、實驗觀察的完整程度、實驗記錄的準確程度、實驗過程的情感變化等。

2.2 文本分析法

使用文本分析法，可以分析學生撰寫實驗報告和課程總結的內容。

在每次實驗結束后，各小組需要完成實驗報告，包括“實驗步驟”、“實驗結果”、“實驗結論”等內容，鼓勵學生在文字描述的基礎上，用符號、示意圖、實驗照片等輔助表達。分析這些實驗報告，可以了解學生對單個實驗的理解程度和思維發展程度。

在課程臨近結束時，每位學生需要完成課程總結，形式和內容不限，可以包括“對課程的總體評價”、“自己的收獲與遺憾”、“對某個印象深刻的實驗的再思考”等內容。分析這些課程總結，可以了解學生的關注重心、認知層次、情感態度等多方面的信息。

2.3 訪談法

利用訪談，可以進一步了解學生對實驗的態度和實驗過程中的感受。

對學生的訪談分為兩部分： 當堂實驗課后和下次實驗課前的現場訪談。在當堂實驗課后，教師隨機挑選學生進行個別訪談，訪談問題為： ①實驗操作的難度大不大？有沒有遇到困難？②實驗是否有趣？實驗過程中是否心情愉悅？

在下一次實驗課前，教師在查閱學生實驗報告的基礎上，隨機挑選學生以小組為單位進行團體訪談，形式與答辯類似，主要詢問學生對實驗結果的理解。

3 研究過程

在中小學開設課程，課程內容以動手操作的可視化微型化學實驗為主，包含“氫氧化鈉與氯化鈷反應的微型實驗”“置換反應中金屬樹的觀察”“電解反應中金屬樹的觀察”等相同的實驗。采用相同的實驗，是為了控制變量，即盡量控制除了學生年齡（學歷）以外的因素。在實驗設計時，有意采用了與教材實驗不同的形式與方法（例如上述3個實驗都在載玻片上完成，與教材中出現的儀器完全不同），避免中學生因為已經做過類似實驗而造成結果的差異。

每次上課，首先由教師講解實驗步驟，學生聆聽;然后，由學生動手實驗、觀察現象、記錄結果、得出結論，教師作現場觀察;最后，每次實驗結束后，教師將抽取學生訪談，每組學生還需完成實驗報告;在學期期末，學生需撰寫課程總結。結合現場觀察、實驗報告、課程總結和訪談結果，可以分析學生在化學實驗各階段的行為、認知與情感，并進一步比較中學生、小學生在這些方面的差異。

4 研究結果與討論

4.1 典型案例

在不同實驗中，中學生、小學生呈現的差異表現較為一致，本文以“氫氧化鈉與氯化鈷反應的微型實驗”為典型案例介紹研究結果，并進行深入比較。“氫氧化鈉與氯化鈷反應的微型實驗”過程在載玻片上進行，先在載玻片上滴加少量氫氧化鈉溶液，然后在氫氧化鈉溶液上滴加一滴氯化鈷溶液，觀察兩者反應的現象。在授課時，教師為小學生詳細講解實驗操作步驟，對中學生則簡略介紹。本實驗的難度較低，且實驗原理、操作、現象等都不與教材實驗重復，使中學生、小學生都能完成實驗并產生自己的理解。實驗報告、課程總結和學生訪談的結果如下。

中學生學生A我覺得可視化技術不僅僅可以用在微型化學實驗中，還可以用于密度可視化、流體可視化，利用密度差，光會在其中發生折射，利用這些細微的變化再來進一步反映客觀事實……本課程較傳統課程有著極大的不同，學生可以在做中學，對于真理的探究不會因為課程而結束，從被動的接受到主動去求知思考技術的其他用途;產生對探究的興趣

學生B在親自動手操作了一個又一個實驗后，對原本抽象模糊的化學概念有了較為清晰的理解，對我在平時化學學科的學習上有了很大的幫助……在校本課程中，不只是單獨地進行實驗操作，更是培養了同學們的團隊協作能力……加深對學科的理解;培養團隊協作能力

學生C我想，倘若這樣的技術用于醫學方面，如微型創口的快速愈合或許也有作用……當然，該實驗在將來的作用，還有待發掘思考技術的其他用途

小學生學生D我們迫不及待地開始了實驗……接下來會發生什么呢？我好奇地望著液滴……聚精會神地盯著它，興奮地觀察著它的變化，我的心完全被它吸引了……我不禁兩眼放光，仿佛見到了海底的紅珊瑚……可是，紅色加無色溶液怎么會形成別的顏色，會發生這么大的變化呢？我疑惑不解起來……我們可以用富有觀察力的眼睛去發現大自然的神奇之處。等到長大了，它們的秘密就會變成知識，刻在我們的腦海里表達對化學實驗的喜愛;感嘆化學反應的神奇;產生繼續探索的欲望

學生E還有美麗的沉淀小實驗……每一滴都要小心小心再小心，十分謹慎，一步有錯，滿盤皆輸……便完工啦！從旁邊看去，似乎有紅綠相間的山峰，又好似是片片彩云漂浮在天空中，美麗極了……最后，要感謝×老師給我們提供材料，為我們打開化學世界的大門感嘆化學實驗的嚴謹;感嘆化學反應的美麗

學生F這是一門讓人著迷的課程，它將我們帶入神秘的化學世界……這個過程必須非常小心，稍一疏忽就會失敗……最終，大家齊心協力，完成了任務，兩種液體相互滲透，產生奇妙現象……生出一種朦朧之美，一種撲朔迷離、騰云駕霧的感覺油然而生……課程雖然結束了，但那一幕幕精彩的畫面、一陣陣歡樂的笑聲還在我腦中盤旋，感謝學校安排這么有趣的課程，感謝授課的×老師的辛苦付出感嘆化學實驗的嚴謹;感嘆化學反應的美麗、有趣

當堂實驗課后訪談的結果表明： （1）大部分中學生都認為實驗操作難度不大，少數認為難度較大（木夾的高度需要反復調節，才能使手機清晰對焦）;而大部分小學生認為難度較大，需要教師或其他小組至少一次的幫助。（2）幾乎所有小學生都認為實驗很有趣，非常期待每周的實驗課;大部分中學生認為實驗有趣，但小部分認為實驗現象（與大象牙膏、法老之蛇等相比）比較平淡。下一次實驗課前訪談的結果可以對表1作交叉驗證。

4.2 分析與討論

為便于研究，可以將學生在化學實驗中的表現分為方法、認知、情意3個維度分別討論。

4.2.1 方法維度的差異

與已經受過實驗方法訓練的中學生相比，小學生剛剛接觸化學實驗，其實驗方法只能來源于教師的現場引導和生活經驗的借鑒。

在操作層面，中學生能規范地完成實驗，準確得出結論，但實驗觀察的指向性很強，容易對實驗的現象和過程形成刻板印象。例如，在訪談中發現，所有中學生都認為沉淀反應的現象就是“溶液變渾濁，生成某色沉淀”，因此幾乎所有中學生都認為觀察沉淀反應，只要觀察產物顏色即可。

相比之下，小學生操作的規范性、觀察的目的性、表述的嚴謹性相對較弱。例如，在實驗時用滴管取液后可能會平放或倒置，搭建鐵架臺的順序有誤，沒有觀察和記錄到關鍵的現象等。

4.2.2 認知維度的差異

中、小學生在認知水平上存在明顯差異，根據皮亞杰的認知發展理論[2]，中學生的認知正處于形式運算階段，而小學生處于具體運算階段，即中學生的思維活動不需要具體事物的支持，而小學生需要。例如，即便小學生已經看過氫氧化鈉與硫酸亞鐵反應的實驗視頻（包括白色沉淀在空氣中變黃的過程），但仍然很難把氫氧化鈷沉淀變黃與氫氧化亞鐵變黃聯系起來;而中學生可以構建氫氧化亞鐵變黃的化學模型，并用模型解釋首次遇見的氫氧化鈷變黃的現象。這種模型認知的能力反映出中學生的思維能脫離內容，做出具有邏輯性和創造性的思考，而小學生則不能。

又如，中學生能主動從微觀層面思考化學反應的本質（溶液中2種離子結合，生成分子），宏觀微觀相結合地理解實驗（生成的分子不溶于水，在宏觀層面表現為固態沉淀）。小學生在實驗時僅僅“觀察并描述對象的外部形態特征及現象”，即從宏觀層面辨識實驗現象。

上述認知層面的差異狀況與我國課程標準對各階段學生的認知要求存在差異有關。小學科學課程標準[3]僅要求小學生“了解與認知水平相適應的科學知識”，具體而言，僅需“初步了解常見的物質的變化”。因此大部分小學生僅僅發現了物質顏色和狀態的變化，甚至小部分未意識到物質的狀態變化（僅認為“兩種液體相互滲透”，而未意識到液態變為固態）。高中化學課程標準[4]要求學生認識“一定條件下各類物質可以相互轉化”（沉淀反應有新物質生成），“元素在不同物質中可以具有不同價態”（二價鈷離子可以被氧化成三價）等，提出了更高的要求。

4.2.3 情意維度的差異

在情感態度層面，小學生的態度更加積極，愉悅感更加強烈。具體而言，一是懷有更強烈的好奇心和實驗熱情，在實驗前滿懷期待，在實驗時感嘆化學的神奇、有趣、美麗;二是對實驗的態度更加重視和嚴謹，認為實驗是嚴肅的事情，要“小心小心再小心”;三是具有團隊合作與交流的意愿，每位組員都能積極參與其中。

在價值追求層面，中小學生都以“求真”為基礎，但在此基礎上，中學生傾向于“求善”（即“追求化學之用”），小學生傾向于“求美”（即“追求化學之美”）。從實驗目的上看，中學生更注重實驗結論的得出，而小學生更在注重驗過程的體驗。從實驗價值上看，中學生更關注實驗結果的應用，而小學生更關注實驗本身的趣味和美感。通過訪談發現，中學生的實驗目的性較強，認為做實驗主要是為了發現物質的性質，發現物質的性質是為了決定物質的用途，因此常常只搜集自己需要的證據（忽略其他關系不大的實驗現象）;相反，小學生的實驗目的較為純粹，大多認為做實驗是因為好奇、有趣、美麗，例如“因為不知道所以要做實驗”、“化學真奇妙”、“現象很美麗”等，因此盡可能會全面地觀察、記錄實驗現象。

5 教學啟示

無論在中學還是小學，化學實驗的實施和應用都應該承擔培育科學素養的作用。中學化學實驗教學可以按照課程標準的要求進行;對小學而言，化學實驗可以作為常規實驗的補充和拓展，承擔“科學知識”（了解化學啟蒙知識）、“科學探究”（體驗科學探究的基本過程、發展思維能力）、“科學態度”（激發對化學的學習興趣、滿足對未知化學世界的好奇心）、“科學、技術、社會與環境”（樹立正確的化學觀，防止小學生受到社會對化學工業片面的負面印象的誤導）等方面的育人價值。

但是，對中學和小學而言，化學實驗的教學目的和側重點應該隨著學生能力水平的提升而改變，以有效發揮化學實驗教學的良好功能。對小學而言，化學實驗側重對現象的觀察，為學生提供感性認識，增強知識的直觀性，同時激發學生的興趣;對中學而言，化學實驗側重對現象的分析與討論，為學生的知識積累提供情境，為實驗探究提供證據，為意義構建提供支撐。這體現了實驗目的與學生的核心素養水平層級的同步提升。

5.1 強化實驗的方法功能

現階段，教師在認知和行為上，都容易忽視實驗的方法維度層面的教學功能[5]。然而事實上，通過化學實驗教學，學生不僅應該習得組裝鐵架臺、滴加液體等化學基本操作，還應該形成微宏結合、變化平衡等化學觀念，掌握實驗假設、設計、觀察、記錄、分析等一般實驗方法和實驗思維。

在小學階段，教師應該培養學生盡早形成良好的實驗操作習慣，突出體驗經歷和思考探究的價值，引導學生用科學的視角看待實驗。在中學階段，教師仍應該強調嚴謹的實驗操作，注重科學方法的滲透，強化化學學科觀念的培育。

例如，小學生在觀察實驗現象時比較隨意和盲目，教師應該引導學生在實驗中積累經驗、尋找規律，發現化學反應的典型現象是顏色變化、生成沉淀、生成氣體等，便于將來有指向性地觀察現象，以提高學習效率。而中學生在實驗觀察時指向性過強，只關注自己最需要的現象，甚至為了迎合考試時格式化的標準答案的需要，朝著“統一”的方向觀察，久而久之容易對化學產生刻板印象，且不利于發現異常現象、形成發散性思維。此時教師應該引導學生突破預設立場的局限，全面地觀察現象，形成生動深刻的印象，同時鼓勵學生發現異常現象并做進一步的探究。

5.2 強化實驗的認知功能

面向中小學生的實驗教學，都需要學生基于實驗結果（反應現象），分析背后的影響因素（反應本質），進而認識物質的組成、性質、用途（化學知識）。

教師應盡可能創設生動活潑的教學情景，降低學生的認識難度。尤其是對處在具體運算階段的小學生而言，新知識的引入最好以已知的具體情景為鋪墊，例如在介紹空氣具有氧化性時，可以創設“氫氧化鈷在隔絕空氣時不變色，但暴露在空氣中變黃”的情景。對到達形式運算階段的中學生而言，應發展模型認知、證據推理等需要一定邏輯基礎的關鍵能力，例如在已知“氫氧化亞鐵在空氣中變色”的基礎上，要求學生解釋“氫氧化鈷在空氣中變色”的原因。

5.3 強化實驗的情意功能

實驗的情意功能常常處于“說起來重要，做起來次要”的地位，在本研究發現中學生很少關注化學之美，相反，小學生更容易從實驗中獲得強烈的愉悅感、滿足感。這是因為，學生很容易對未知的、新奇的事物產生直接的興趣，因而小學生常常驚嘆于化學的神奇，但隨著閱歷的增加，常規的實驗對學生的吸引力會逐漸降低，學生做實驗的熱情也會逐漸消退。

為提升中學生對實驗的興趣，一方面可以引入實驗現象直觀新異的趣味實驗，另一方面要引導學生從感受化學之美（沉淀的色彩豐富、紋理細膩、形狀動感等）深入到鑒賞化學之美（從反應物的種類、濃度、量、滴加順序等角度探析沉淀顏色、紋理、形態等具有美感的原因），從表面（反應現象）的興趣升華到本質（反應抽象的因果關系）的興趣。用這種方法加強美育在學科中的滲透[6]，保護學生的好奇心和探究熱情。

致謝： 楊建、程鵬、謝建、蔣麗君、徐潔等老師為本研究的實地授課提供了場地安排、時間協調、器材準備等方面的便利，在此表示感謝。

參考文獻：

[1]朱鵬飛. 研究化學學科核心素養需要關注的幾對關系[J]. 化學教學， 2018， （6）： 12～18.

[2]盧濬. 皮亞杰認知發展理論對教育的影響[J]. 教育研究， 1989， （5）： 23～28.

[3]中華人民共和國教育部制定. 全日制義務教育科學課程標準（實驗稿）[S]. 北京： 北京師范大學出版社， 2001.

[4]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[5]王強， 周婧， 郭明， 等. 化學實驗在小學科學教育中的教學功能研究[J]. 化學教育， 2014， 35（12）： 45～48.

[6]江樂霄， 王偉. 初中化學中的美育： 功能、類型及實踐策略[J]. 化學教學， 2018， 40（7）： 23～27.