初三學生化學物質鑒別實驗方案寫作能力和論證能力發展初探

麥裕華

摘要：以內地新疆高中班預科45名學生為例，探討學生的物質鑒別實驗方案寫作能力和論證能力，在物質鑒別主題教學活動的變化情況。研究發現，學生的實驗方案寫作能力顯著提高，論證能力變化幅度不大，兩者均處于中等水平。對未來的教學實踐和研究方向提出建議。

關鍵詞：物質鑒別;實驗方案;寫作能力;論證能力;內地新疆高中班

文章編號：1008-0546（2020）09-0081-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

一、問題的提出

科學探究是學生認識科學知識和形成科學過程技能的重要活動。“制訂計劃”是科學探究的重要要素和階段之一，影響著科學探究活動的實施方向和整體成效。初中化學課程要求學生在該階段，需要提出科學探究活動計劃或設計簡單的化學實驗方案。

物質鑒別問題是初中化學課程中能夠聯系豐富的元素化合物知識，考查學生有序和綜合分析能力的復雜性問題，對發展學生的化學實驗知識和思維能力產生重要幫助。在該類問題的解決中，學生需要圍繞問題信息要求，制訂出可行的物質鑒別思路和具體實驗過程，構想出每個實驗步驟的實驗目的、預期的實驗現象及其對應的實驗結論，并且將其寫成詳細和可操作的實驗方案。因此，物質鑒別實驗方案的制訂問題被轉化為寫作問題，要求學生具有相應的寫作能力，也成為一些地區中考化學科目的熱門試題。由于物質鑒別實驗方案的設計過程要綜合考慮化學知識、實驗事實和學生個人推理的相互關系，其實質是需要共同考慮理由、證據和主張的論證過程。受此影響，物質鑒別實驗方案的寫作成效也與學生的論證能力有密切關系。

論證不僅是學生在科學探究中經歷的重要思維活動，也是教師培養學生科學思維方式的重要途徑。論證能力是學生有必要具備的關鍵能力之一，是科學教育研究的重點內容。在已往的教學實踐研究中，研究者初步探討學生物質鑒別實驗方案寫作能力的教學方式和影響因素，但鮮少一并討論學生論證能力的發展問題。內地新疆高中班（簡稱內高班）學生是特別的學習群體，他們的化學學業水平發展值得研究者給予充分的關注。基于此，本研究圍繞內高班預科學生，討論在物質鑒別主題教學活動中，學生的實驗方案寫作能力和論證能力的變化情況。

二、研究方法

1.研究參與者

內高班是國家在內地經濟發達城市的部分重點高中，特別招收新疆初中應屆優秀畢業生就讀的辦學形式。筆者所在學校內高班預科45名學生作為研究參與者，是“民考漢”和漢族學生，其中男生15人，女生30人。他們具有一定的代表性和隨機性，在新疆學習期間未參與過與本研究類似的教學活動。他們在筆者所在學校內高班預科重點補習初中文化課程，化學課程主要是系統復習初中化學課程核心內容和學習高一化學課程部分基礎內容，每周有2課時。

2.研究工具

（1）實驗方案評價表

自編的實驗方案評價表是一種描述學生物質鑒別實驗方案寫作錯誤（共2大類12種類型）的評分表。第一大類錯誤是學生未成功鑒別出物質組成而產生的寫作錯誤，第二大類錯誤是學生成功鑒別出物質組成時表述不當而產生的寫作錯誤。實驗方案的評分要求是：學生存在第一大類錯誤時，教師只考慮鑒別試劑使用的合理性，不考慮實驗操作的表述規范性。學生每鑒別對一種物質的組成可得1分，最多得3分，最少得0分。學生存在第二大類錯誤時，教師要考慮實驗操作的表述規范性，先賦予學生6分。學生每出現一處表述錯誤情況被扣1分，最多得6分，最少得0分。在前期研究中，該評價表已經多位資深初中化學教師編制、試用和修訂，具有專家效度，可以作為評價學生實驗方案寫作能力的依據。前期研究也發現該評價表的使用有助于提高學生的實驗方案寫作表現。

（2）實驗方案寫作測試題

本研究自編3道實驗方案寫作測試題，分別隨機抽取其中1道測試題用于后測和2次延宕測試。測試題圍繞初中化學課程常見的含CO2-、SO2-、Cl-、Mg2+的鹽來設計，問題情境是向學生提供3包未知物質具體組成的粉末，每包粉末均為已知物質的其中一種。學生需要在10分鐘內完成實驗方案的設計，寫出具體的實驗操作、預期的實驗現象和對應的實驗結論，把它們分別鑒別出來。例如，后測的測試題是鑒別NaCl、MgCl2、Na2CO3，可以使用的試劑包括酚酞溶液、稀鹽酸、AgNO3溶液、Na2CO3溶液、BaCl2溶渡、Ba（OH）2溶液、NaOH溶液、蒸餾水。使用實驗方案評價表對學生的實驗方案評分，所得成績視為學生實驗方案寫作能力的水平。由于3道測試題考查內容相似、難度相近、問題解決思路多元化，可以作為判斷學生實驗方案寫作能力的研究工具。

（3）學生論證能力評價表

圖爾敏（Toulmin）論證模型認為論證包括理由、證據和主張等3個基本要素。學生在參與論證時，需要應用論證能力下屬的說理、舉證和立論等3種子能力。本研究對學生論證能力的評價，從3種子能力人手。由于本研究是圍繞物質鑒別實驗問題的教學實踐研究，學生的論證能力及其具體內容也圍繞物質鑒別問題而定。本研究界定物質鑒別問題的論證能力是指學生猜測待鑒別物質的組成，通過設計實驗步驟，根據實驗現象和綜合分析來證明或證偽猜測的能力。其中，說理能力是指提出合適的物質鑒別方法的能力，舉證能力是指列舉合適的實驗現象以支持主張的能力，立論能力是指提出待鑒別物質的組成的能力。

本研究根據科學性和合理性，將3種子能力均劃分為3個級別，分別對應0分～2分，形成論證能力評價表（表1）。使用論證能力評價表對學生的實驗方案評分，所得成績視為學生3種子能力的水平。學生論證能力成績是3種子能力成績之和。

3.研究流程

本研究的教學實踐安排分為2個階段。第1階段是4課時的物質鑒別主題教學活動，融合實驗方案評價表使用和學生獨立實驗操作。

在第1課時，學生建立物質鑒別的基本思路，復習初中化學課程中常見物質的鑒別方法，對一些簡單的物質鑒別問題設計多元化的問題解決思路。

在第2課時，學生學習物質鑒別實驗方案的寫作方法，完成的課后作業是書寫一定量實驗方案。實驗方案評價表隨作業一并發給學生，學生可以通過評價表上的評分細則更了解實驗方案的具體寫作要求，提高個人的實驗方案寫作能力。

在第3課時，學生在化學實驗室獨立完成若干個物質鑒別實驗，實驗題目是學生已經接觸的課堂教學實例和課后作業的部分問題。該教學活動有助于學生親身經歷“假設—設計一驗證”的科學探究過程，了解真實的物質鑒別實驗過程可能出現的問題。學生的課后作業也是書寫一定量實驗方案。

在第4課時，學生先進行實驗方案寫作后測，共用時10分鐘。隨后，筆者先點評測試題的問題解決思路，再進行實驗方案寫作強化訓練和實驗報告寫作教學。該測試可以了解學生在物質鑒別主題教學活動中，形成的實驗方案寫作能力和論證能力的基本情況。學生的課后作業類型與之前相同。

第2階段是物質檢驗和分類提純等其他主題的教學活動，學生的課后作業仍然包括少量的物質鑒別實驗方案寫作任務。在第6課時（與后測相隔1周）、第10課時（與后測相隔3周），分別進行實驗方案寫作延宕測試1、延宕測試2。這2次測試可以了解學生的實驗方案寫作能力和論證能力的自然發展情況。

三、結果與討論

1.學生實驗方案寫作能力的變化

如表2所示，學生的實驗方案寫作能力在后測的成績為2.22分，得分率為0.37。這表示學生在物質鑒別主題教學活動后，其實驗方案寫作能力尚處于起步階段。在延宕測試1和延宕測試2中，學生的成績均比后測有提高，成績為3.69分，得分率為0.62。后測和延宕測試1的成績、后測和延宕測試2的成績均存在顯著差異（t后-延宕1=-4.101，t后-延宕2=-3.993，P<0.001），效應量Cohen's d分別是0.763、0.741，顯示學生實驗方案寫作能力的發展具有中等的效應，而延宕測試1和延宕測試2成績的差異不顯著。

由于學生在延宕測試1和延宕測試2的成績相近且均優于后測成績，這表示在后測后1周，學生的實驗方案寫作能力獲得一定的發展，并且已處于較穩定的中等水平。雖然后續的其他主題教學活動與物質鑒別問題主題關聯不大，學生的實驗方案寫作能力在該教學時間內仍然可以自然發展。這可能因為實驗方案寫作能力是一種連貫化學知識、邏輯思維和寫作的綜合能力，學生需要一定的時間積淀，才能夠有所進步。但是，學生的寫作成績一直并不高，其進步幅度可能達到限度。

進一步分析學生的寫作錯誤類型（表3），除去少量未完成寫作任務的學生，分別有12～14名學生在每次測試中存在第一大類錯誤，他們主要對酸堿鹽和復分解反應知識缺少扎實的知識基礎，而使用錯誤的鑒別試劑或提出錯誤的化學反應。存在第二大類錯誤的學生從后測的28人減少到延宕測試2的13人。在后測中，學生表現出6種寫作錯誤類型，共68次寫作錯誤，主要集中在與固體溶解有關的類型（2）和（6）、實驗結論表述完整的類型（8）。在延宕測試1和延宕測試2中，學生表現出4種寫作錯誤類型，分別有20、14次寫作錯誤，主要集中在實驗結論表述完整的類型（8）。在3次測試中，學生的寫作錯誤類型和數量依次大幅度減少。這表示學生能夠逐步更好地認識物質鑒別實驗方案的寫作要求，對實驗操作給予更規范的表述，但對反映邏輯關系的實驗結論仍然存在一定的寫作錯誤，可能因為部分學生仍然未建立“如果……，則……”的思維方式和表述習慣。

總體而言，學生實驗方案寫作能力的變化情況是：初步形成于物質鑒別主題教學活動，在后續的其他主題教學活動中獲得顯著的自然發展，存在的寫作錯誤類型和數量均大幅度減少，但整體處于中等水平。

2.學生論證能力的變化

表4顯示學生的論證能力在后測的成績為2.89分，得分率為0.48。這表示學生在物質鑒別主題教學活動后，其論證能力也尚處于較低水平。在延宕測試1和延宕測試2中，學生的成績為3.24分，得分率為0.54，與后測成績的差異均不顯著。這表示在物質鑒別主題教學活動后，學生的論證能力雖然略有增長，但是一直處于較穩定的中等水平。

綜合表4和表5，進一步分析3種子能力的成績。由于在3次測試中，分別有15～16名學生未完成寫作任務，或者出現第一大類錯誤中的類型（4），即使用錯誤的鑒別試劑或提出錯誤的化學反應，他們在3種子能力的成績均為0分。具體地，說理能力成績一直處于0.8分左右，學生人數主要集中在1分和0分，在3次測試的分布情況甚少變化。分別有19～21名學生在每次測試中獲得1分，他們主要缺乏通過書寫化學反應方程式給出科學理論證據的意識，未寫出相應內容。其次，舉證能力成績一直處于1.3分左右，學生人數主要集中在2分和0分，在3次測試的分布情況也甚少變化。分別有28～29名學生在每次測試中獲得2分，他們能夠描述合理的實驗現象，為后續的實驗結論提供足夠支持。最后，立論能力成績從0.8分略增至1.0分，學生人數分布在3個等級分數中，其中獲得2分的人數從后測的7人遞增到延宕測試2的20人。這表示隨著學習時間的增長，更多學生能夠給出邏輯全面和嚴密的實驗結論，切實地提高了立論能力。

總體而言，學生論證能力的變化情況是：在物質鑒別主題教學活動后，整體已處于較穩定的中等水平，其中的舉例能力有最好表現，立論能力有明顯進步，說理能力有待發展。

四、結論與建議

1.研究結論

本研究以內高班預科學生為例，探討物質鑒別主題教學活動對學生物質鑒別實驗方案寫作能力和論證能力變化的影響。研究發現，學生的實驗方案寫作能力顯著提高，論證能力變化幅度不大，其中的立論能力獲得較好的提高，這2種能力均處于中等水平。物質鑒別主題教學活動能夠產生一定的教學效果。

2.教學和研究建議

學生物質鑒別實驗方案寫作能力和論證能力的形成與培養需要較長的教學時間。在教學實踐建議方面，日后需要完善物質鑒別主題教學活動的具體安排，可以考慮先強化學生的酸堿鹽和復分解反應知識，并且在使用實驗方案評價表和組織學生獨立實驗操作時，引導學生更深入地理解實驗方案各構成部分的內涵和關系，著重提高學生在問題思考和文字表述的全面性與嚴密性。此外，可以考慮再安排學生完成一定量物質鑒別實驗方案寫作任務，讓學生在不斷獲得有效反饋的寫作過程中，理解實驗方案寫作和論證的實質要求。

在研究方向建議方面，本研究以內高班預科學生為例，所得研究結果可為其他的內高班辦班學校預科化學教師參考。日后可以繼續探索內高班預科學生實驗方案寫作能力和論證能力在不同教學干預下的發展情況，也可以了解本地不同初中化學學業水平學生在該教學活動中相關能力的變化情況，以便增進中學化學教師對該研究問題的認識，選擇和安排更合適和更有效的教學活動。