人教版高中化學實驗探究水平研究

張嘉新 宮麗紅

摘要：將探究水平重新分類并分析每個探究水平的作用，將其應用于分析新教科書必修部分探究性實驗，探討新教科書培養與提升學生探究水平的方式，進而提出教學建議。對指導中學化學課程合理實施科學探究有積極作用。

關鍵詞：探究性實驗;探究水平;教學建議;高中化學

文章編號：1008-0546（2021）09-0072-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.09.019

科學探究是世界范圍內普遍倡導的一種研究范式，科學探究已經成為學生積極主動地獲取科學知識、認識和解決科學問題的重要實踐活動[1]。化學是一門以實驗為基礎的科學，化學實驗是培養學生科學探究的重要途徑之一。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對于化學實驗提出了明確的學業要求：“有較強的問題意識，能提出化學探究問題，能做出預測和假設。能依據實驗目的和假設，設計解決簡單的實驗方案，能對實驗方案進行評價。能運用實驗基本操作實施方案，具有安全意識和環保意識。能觀察并如實記錄實驗現象和數據，進行分析和推理，得出合理的結論。能與同學合作交流，對實驗過程和結果進行反思，說明假設、證據和結論之間的關系，用恰當形式表達和展示實驗結果[2]”。強調要以科學探究的方式研究實驗。基于此，化學教科書安排了多個探究性實驗，筆者以2019版人教版高中化學必修教科書（下稱新教科書）中探究性實驗為研究對象，分析了這類實驗的探究水平，并對培養和提升學生的探究水平提出了教學建議。

一、探究水平的提出

課程理論專家施瓦布（J.J.Schwab） [3]1962年首次依據教師或教科書與學生在提出問題、設計方案、得出結論三個探究要素中所占地位，將探究水平劃分為三個依次升高的水平，學生的自主性逐步增強，探究活動開放性逐步增強。

此后，教育家赫倫（ Herron）[4]對施瓦布的探究水平體系做了繼承和發展，提出在三個探究水平基礎上加入水平0，該水平的三個探究要素均由教科書或教師提供，不具有任何開放性。各水平特征見表1。

我國研究者張新宇[5]、姚娟娟[6]等也對化學探究性實驗的探究水平進行分類研究。筆者根據赫倫的探究水平分類也對其分類進行了研究。

二、探究水平分類

1.探究要素

筆者在赫倫三個探究要素基礎上，增加方案實施探究要素，共有四個探究要素：問題提出、方案設計、方案實施、結論得出。

問題提出是對整個探究性實驗提出總領性問題，是探究性實驗的起始。

方案設計是依據探究性問題和相關知識設計實驗步驟，決定整個探究性實驗的方向。

實驗實施主要包括儀器選擇和連接，實驗現象的觀察和記錄。化學實驗是認知技能、操作技能的綜合培養。學生是否有能力、有思路進行方案實施將決定實驗能否順利進行，實驗實施是探究性實驗的重要探究要素之一。

結論得出是依據實驗現象和所學知識的綜合分析得出，是整個探究性實驗的重要一環。 新教科書中一些探究性實驗配有該實驗的儀器選擇和連接以及實驗現象的圖片，則該實驗的實驗實施知識對于學生來說，是教科書直接給出的。一些探究性實驗僅給出實驗實施的文字描述，需要學生自主選擇和連接實驗儀器，觀察和記錄實驗現象，是較高水平的考察。另一些探究性實驗的實驗實施由學生自主設計，是更高水平的考察。

2.探究水平分類依據

筆者將新教科書中探究性實驗逐一分析，依據新教科書對探究性實驗各探究要素指導程度的不同，進行探究水平分類。各水平具體特征見表2。

3.探究水平分析

（1）水平0

問題提出、方案設計、方案實施、結論得出均由教科書直接給出為水平0探究性實驗。

水平0探究性實驗的結論是學生完全沒有接觸過的，即使教科書直接給出詳細的問題提出、方案設計、方案實施探究要素，學生也不能夠分析得出探究結論，探究結論必須由教科書直接給出。水平0探究性實驗雖然將各個探究要素都直接給出，但是學生經歷了完整的探究過程，在實驗探究中獲得的知識和方法也為學生提供了新的探究思路，為提升學生探究水平做準備。

例如實驗2-2，教科書正文提出問題：“如果加熱，鈉又會發生什么變化呢[7]”？實驗內容：“將一個干燥的坩堝加熱，同時切取一塊綠豆大小的鈉，迅速投到熱坩堝中。繼續加熱坩堝片刻，待鈉融化后立即撤掉酒精燈，觀察現象（如圖1所示）[8]”。鈉在空氣中加熱學生根據已有知識可以分析出生成物是氧化鈉的實驗結論，但是氧化鈉繼續加熱且生成物顏色由白色變為淡黃色，表明氧化鈉在加熱條件下能與空氣繼續反應，但是學生沒有學習過過氧化物的相關知識，不能結合已有知識分析得出結論，所以實驗結論必須由教科書直接給出;即該實驗四個探究要素均由教科書直接給出，為水平0探究性實驗。學生通過探究性實驗，扎實地學習了過氧化物知識，并能運用到今后的探究性實驗中。

（2）水平1

實驗的問題提出、方案設計、方案實施由教科書直接給出，結論由學生得出為水平1探究性實驗。

學生處于探究水平的初級階段，尚不具備自主提出探究問題、設計實驗方案、進行實驗實施的能力，但是學生可以依據所學知識和教科書給出的探究要素內容分析得出實驗結論，這不僅提升了學生的參與度，鍛煉了學生分析問題能力，而且學生通過參與探究過程得出結論更有成就感。同時在探究性實驗中培養學生多種實驗探究方法和探究思路，水平1探究性實驗對學生的探究水平培養起模板作用，為實驗探究水平提升奠定基礎，所以新教科書中水平1探究性實驗數量最多。

例如新教科書必修1第34頁探究，鈉與水的反應：“①從物質組成及氧化還原反應的角度，預測鈉與水反應的生成物。②在燒杯中加入一些水，滴入幾滴酚酞溶液，然后把一塊綠豆大小的鈉放入水中。從鈉在水中的位置、鈉的形狀變化、溶液顏色的變化等方面觀察和描述實驗現象。分析實驗現象，得出哪些結論？③鈉與水反應的生成物與預測是否一致[9]”？

雖然學生沒有學習過金屬與水的反應，但是學生已經學習過氧化還原反應知識，能夠依據該知識做出合理推斷，并能通過實驗現象驗證自己推斷的結論，即學生有能力自主得出實驗結論。該實驗的問題提出、方案設計教科書都明確給出，在實驗實施環節，不僅明確提出觀察計劃，且配有實驗現象圖片（如圖2所示），由學生分析得出實驗結論，該實驗為水平1探究性實驗。

（3）水平2

問題提出、方案設計兩個探究要素由教科書直接給出，方案實施探究要素，教科書僅給出文字描述，結論由學生自主得出的探究性實驗為水平2探究性實驗。

通過水平1探究性實驗模板的學習，學生已經熟悉探究性實驗的一般思路和方法，了解實驗實施的過程和實驗儀器的選擇與連接，能夠在教科書沒有給出完整的提示的情況下完成該環節。水平2探究性實驗在培養學生依據實驗現象得出實驗結論的基礎上，進一步培養學生的實驗操作能力，學生在這一水平，基礎探究能力得到充分的鍛煉和提升，探究水平穩步提升，探究方法和思路的構建已經基本形成。但是由于知識和探究水平的限制，學生尚不能自主提出探究問題、設計方案和進行完整的方案實施。

例如新教科書必修1第84頁實驗活動2，鐵及其化合物的性質：①提出實驗目的;②給出實驗用品;③給出文字實驗步驟;④提出問題與討論。該實驗所涉及的儀器選擇和連接及實驗結論涉及的知識是學生學習過的，所以學生有能力在教科書不給出完整的實驗實施探究要素情況下，自主得出實驗結論，進一步提升實驗操作能力。該實驗問題的提出，方案設計教科書明確給出，方案實施教科書僅給出文字提示，結論由學生自己得出，該實驗屬于探水平2探究性實驗。

（4）水平3

問題提出由教科書直接給出，方案設計、方案實施、結論得出均由學生自主得出，為水平3探究性實驗。

水平3探究性實驗屬于較高水平的探究性實驗，新教科書引導學生根據所學知識和探究方法框架，對實驗內容進行自主探究。在水平3探究性實驗中，教科書僅給出實驗探究問題，給學生足夠的思考空間，允許學生在預設的框架內不斷嘗試，讓學生親身參與更多環節的科學探究過程。該探究水平的實驗可以發展學生的探究能力，通過自己的努力獲得知識，體驗探究的樂趣，獲得信心，為更高水平的探究打下堅實基礎。但由于一些知識還沒有學習到，學生的探究水平仍有待提高，學生在這一水平尚不能自主提出探究性問題。

例如必修2第70頁探究，烴的分子結構：①實驗目的：借助模型認識烴的分子結構;②方案設計和方案實施教科書沒有給出;③問題和討論。學生已經分別學習了甲烷、乙烯、乙炔的結構式、電子式等知識，該實驗將烴的分子結構放在一個實驗中探究，學生已經學習了足夠的理論知識;參與了大量探究性實驗，學生有能力在教科書僅給出探究問題的情況下完成實驗探究。該實驗探究問題由教科書給出，方案設計和方案實施以及結論得出均由學生自主得出，為水平3探究性實驗。

（5）水平4

問題提出、方案設計、方案實施、結論得出均由學生自主得出為水平4探究性實驗。

水平4探究性實驗是最高水平的探究性實驗，新教科書只在元素化合物模塊設置了一個最高水平的探究性實驗，雖然必修部分探究性實驗的探究水平不做過高要求，但是這個探究水平實驗的出現并不突兀，教科書在元素化合物模塊的探究性實驗的探究水平設置逐步提升。經過教科書的不斷培養，學生有能力進行完全自主的探究。學生獨立進行完整的探究過程，可以更好地培養學生的探究意識和科學精神。

例如必修2第8頁探究，不同價態含硫化合物的轉化：“從含硫物質的轉化關系中選擇一種或幾種，設計實驗實現其轉化，并填寫表格[10]”。學生已經進行過大量元素化合物知識的學習，并且學習了元素周期律，有強大的理論支撐學生進行自主探究。教科書僅做簡略要求，該實驗的四個探究要素均由學生得出，為水平4探究性實驗。

三、新教科書探究性實驗水平統計

統計樣本不同探究水平探究性實驗出現在人教版新教科書化學必修第一冊、第二冊中的具體章節及出現的頻率（見表3、表4），并分析其作用。

由表3、表4可知，新教科書水平0探究性實驗僅在元素化合物部分出現兩次，且都是在正文“實驗x一x”中。這兩個探究性實驗與其匹配的知識內容出現的位置較為靠前，此時的學生的探究水平處于較低狀態，而且這兩個實驗所對應的實驗結論是學生在以前的學習中沒有學習和接觸過的，實驗結論必須由教科書給出，同時為學生提供新的探究思路。

水平1探究性實驗在新教科書的每一章均有分布。在必修階段，學生學習很多化學知識，如氧化還原反應的原理等，可以作為推斷依據。水平1探究性實驗大量出現，涉及不同章節的不同知識，旨在提供大量的探究思路及探究方法，幫助學生更好地理解和記憶新知識的同時，掌握探究模板，為提高探究水平做準備。

水平2探究性實驗共有5個;三個出現在“實驗x—x”，兩個出現在“實驗活動x”。水平2探究性實驗共同特點是：①實驗沒有危險;②實驗藥品、實驗儀器簡單，操作流程不復雜;③實驗現象明顯;④學生已經掌握一些知識，具有推出實驗結論的能力。水平2探究性實驗出現在新教科書某一章的末尾或某一模塊的末尾位置，不僅能調動學生已有知識，還能有效促進知識遷移。

水平3探究性實驗共有3個，其中元素化合物模塊一個，有機模塊兩個。隨著元素化合物知識學習的深入;學生掌握的探究模板數量不斷增加，學生的探究水平不斷提高。在必修一結束部分安排水平3探究性實驗，要求學生自主設計實驗方案、自主進行方案實施，自主得出結論是合理的。有機部分的兩個水平3探究實驗都是搭建模型認識分子結構的實驗，按照正文內容和實驗內容的安排順序來看，有機物分子結構已知。新教科書將這三個實驗設置為水平3探究性實驗，有助于學生對所學知識和探究模板的綜合應用，有助于學生的探究水平的提升。

水平4探究性實驗僅有一個，出現在必修二元素化合物模塊的末尾部分，在這一階段學生已經學習了大量元素化合物知識及元素周期律的知識，掌握了探究性實驗的思路和方法。能夠自主進行高水平的實驗探究。該實驗不僅調動了學生學習過的元素化合物知識、實驗探究模板知識，同時由于各個探究要素均由學生自主得出，學生的思維得到極大的鍛煉，科學探究水平得到極大提升。

總體來說，新教科書水平1探究性實驗安排最多，水平0、水平2和水平3探究性實驗設置較少，水平4探究性實驗僅有一個。而且新教科書中探究性實驗的探究水平并不是單一的直線上升，而是在將學生的探究水平由較低探究水平培養到較高探究水平后，仍然設置較低探究水平的實驗，將不同探究水平的探究實驗穿插排列，不斷地鞏固學生探究水平，教給學生不同的探究方法和探究思路。新教科書試圖將學生帶入到具有探究特征的具體情境中，吸引和引導學生積極參與其中，逐步培養和提高學生探究水平。

四、關于實驗探究水平的教學建議

筆者根據探究水平分類框架及新教科書設置的探究性實驗的探究水平分析，對新教科書各個探究水平的探究性實驗的培養和提升提出教學建議。

1.各水平探究性實驗教學建議

（1）水平0

水平0探究性實驗的探究結論是學生沒有學習過的知識，學生會對實驗現象及結論有強大好奇心，有參與實驗探究的興趣。教師在進行水平0探究性實驗教學時，做好問題提出這個環節就顯得尤為重要。可以采用認知沖突、設疑、引入生活情境的方式提出探究問題，吸引學生注意力。教師在教學中注意實驗節奏緊湊，實驗現象明顯，對每一個探究環節都和實驗現象涉及的知識點都應講授清楚，環環相扣，從而讓學生能夠接受和掌握實驗結論。

（2）水平1

水平1探究性實驗要發揮模板作用，應該讓學生集中注意力全程參與。水平1探究性實驗的實驗結論學生可以由實驗現象推斷出來。教師應在水平0實驗教學的基礎上，引領學生一步一步分析實驗步驟、實驗的儀器的選擇和連接、實驗現象。對于基礎型學生可采用自由討論的方式得出探究結論，對于優秀學生可讓學生自己思考得出探究結論。

（3）水平2

水平2探究性實驗的實驗實施環節僅有文字描述，一些學生可能會不習慣。教師在做好問題提出和實驗方案設計的教學基礎上，在實驗實施環節可提供多樣化的實驗儀器供學生選擇，讓學生根據實驗步驟選擇并連接實驗儀器;由學生描述實驗現象并分析其對應的實驗結論，不全的由其他學生補充，最后由學生共同總結出實驗結論。

（4）水平3

學生初步接觸探究水平較高的探究性實驗，需要教師帶領學生簡要復習涉及的知識，引導學生在一定框架內進行探究，再提出探究問題，帶領學生初步分析實驗。水平3探究性實驗可能包含多個小型探究性實驗，而學生又剛開始自主設計實驗方案，所以可以采用分組實驗的方法，每個小組負責一個實驗，最后一起總結整個實驗的探究結論。教師在教學中應及時指導和糾正學生的實驗操作，遇到共性問題講解給所有學生。

（5）水平4

水平4探究性實驗四個探究要素均由學生自主得出，在此之前學生已具備自主進行實驗方案設計、實驗實施、得出實驗結論的能力，學生能否自主提出探究性問題，是能否達到水平4的關鍵。教師在進行實驗教學前，可先告訴學生要完全自主地完成探究性實驗，激發學生想要勝任的心理，產生較強內驅力完成高水平實驗探究。教師依據實驗內容，引導學生說出幾種物質，讓學生分析幾種物質的區別與聯系，引發學生的思考，給學生充分的思考空間，讓學生自主探究。教師巡堂觀注學生的狀況，及時給予干預和指導。

2.將低水平探究提升至高水平教學建議

一些高水平學生不滿足于教科書提供的探究性實驗的探究水平，針對這種情況，教師可在教學中適當將低水平探究性實驗提升至較高水平。水平0探究性實驗位置靠前，且實驗結論學生沒有學習過，不宜貿然提升探究水平。水平1、水平2、水平3探究性實驗在大量練習后，可以考慮將一些低水平探究性實驗采用較高探究水平的教學方式進行教學。或在進行完較低水平探究性實驗后，及時引入相同類型的探究性實驗，采用較高探究水平的教學方式引領學生進行探究性實驗。

參考文獻

[1]張新宇，王祖浩.國外關于“探究水平”研究的述評[J]。教育科學研究，2009（5）：72-75

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年

版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020

[3]Schwab&Brandwein.The Teaching of Science[Ml.Cam-bridge， Massachusetts： Harvard University Press， 1962

[4] Herron， M.D.The nature of scientific enquiry[J].SchoolRe-vlew，79（2）：171-212

[5]張新宇，占小紅，陳琳.基于探究水平的科學教材活動比較研究[J].化學教學，2012（10）：10-13

[6]姚娟娟，王世存，姚如富，等.高中化學教材中實驗類欄目的探究水平和探究技能研究[J].化學教學，2020 （10）：19-23+29

[7][8][9]化學課程教材研究發展中心.普通高中教科書（化學必修第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2019

[10]化學課程教材研究發展中心.普通高中教科書（化學必修第二冊）[M].北京：人民教育出版社，2019

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