啟發(fā)性挫敗視閾下初中化學實驗教學的設計研究
——以“化學實驗測定與探究”教學為例

王豪鐘

(杭州市丁荷中學， 浙江 杭州 310021)

傳統(tǒng)課堂教學效果的評價倚重于學生的外在學習表現，因此，教師急切地給予學生提供各種學習支架，幫助學生“順利”地完成學習任務。學生在學習過程中經歷的“失敗、挫折、困境”的內涵價值沒有深入挖掘。本研究試圖從“挫敗”的視角審思“化學實驗測定與探究”教學策略，從而建構一種全新的化學實驗教學模式。

一、“啟發(fā)性挫敗”教學的緣起與啟示

看似成功的課堂教學可能是一種“無效學習”行為，學習中的“挫敗”能啟發(fā)學生深度思考，他們在“挫敗”的體驗中錨定概念的深層特征進行組織加工，實現新構概念的精致與知識規(guī)律的深度理解。基于上述課堂教學中學生的“外顯成功”與“深度學習”的割裂，摩奴·卡普爾(Kapur，2008)教授通過“失敗情境”教學模式的實驗驗證，結果表明：“啟發(fā)性挫敗”組(初期不提供任何學習支架，僅依靠已構知識經驗探索問題解決，在學生挫敗時通過合作學習形成多種問題解決方案，并通過評價交流與教師的有效指導習得問題解決的最佳路徑)在新構概念理解和遷移的輸入與輸出能力方面明顯優(yōu)于“直接指導組”[1]。卡普爾認為傳統(tǒng)課堂教學倚重于效率的優(yōu)勢卻忽視或剝奪了學習者在挫折中習得能力發(fā)展的良機，由此他提出了“啟發(fā)性挫敗”(或譯成有效失敗)這一概念。

學生也許在短期內不能有效解決問題或沒能形成問題解決的最佳路徑，但從學生長遠發(fā)展來看，學生對問題深層特征的解讀與最佳解決路徑的探索過程實質是促成了他們的問題解決能力和學習創(chuàng)新能力的習得與發(fā)展。

二、“啟發(fā)性挫敗”教學的核心觸發(fā)機制

卡普爾和貝拉可茲可(Kapur & Bielaczyc，2012)簡單地闡述了“有效失敗”教學的原理機制。洛伊布爾等(Loibl et al.，2017)在卡普爾等的基礎上，構建了問題解決和學法導引機制。曹鷺吸納了前兩者的研究，提出了“有效失敗”的2個階段和4個核心機制間的邏輯關系。本文在其基礎上歸納和構建了“啟發(fā)性挫敗”的核心機制，主要包括3個階段6個機制(見圖1)。

(一)階段1：提取與建構期

“啟發(fā)性挫敗”教學階段起始于概念的提取與建構。這個階段適用于前期教學，主要包括2個機制的激活：機制1的激活指的是基于課程標準與教學參考提取和解構核心概念，確定概念學習的目標，同時通過調查法對學生學習經驗進行提取與分析。機制2的激活是在機制1的基礎上確定該核心概念有效建構的認知原點與發(fā)展點，確立認知發(fā)展結構。

圖1 啟發(fā)性挫敗的3個階段6個機制

(二)階段2：生成與探索期

機制1與機制2的觸發(fā)是對概念與學生進行認知結構的探析，目的是在生成與探索期，教師能精準地為學生定制劣構的、有多種解決路徑的問題情境。機制3的激活是指學生盡可能地聯結既有知識和經驗，去解釋、推理、評價陌生復雜的問題情境。從“啟發(fā)性挫敗”的視閾看，由于生成與探索期教師不提供任何學習支架，加之對目標概念特征缺乏深入研究，幾乎都會遭遇挫折與困境。然而，挫敗恰好激活學生已構知識、經驗與目標概念的系統(tǒng)聯結，不斷嘗試多種途徑對問題本質進行追問。

在這個尋覓問題解決的過程中，即使已構知識與經驗已經盡可能地被激活，還不能尋找到問題解決的路徑，他們就可能感知到自身知識的缺位即激活機制4。但是，此時學生只能從綜合角度感知自己知識的不足，難以將缺口知識與目標概念中的某個知識點有效鏈接。正是因為意識到知識缺口的存在，學生才會錨定目標概念的內涵與外延(深層特征)即激活機制5。機制5是“啟發(fā)性挫敗”學習的重要環(huán)節(jié)，機制3與機制4的觸發(fā)實質目的是讓學生注意到目標概念的內涵與外延，并且在后續(xù)的學習過程中將精力聚焦于關鍵問題而非膚淺的信息，從而降低學生的認知負荷。本階段學生主要任務是關注目標概念的內涵與外延，闡述自己的觀點，生成團隊協作下的多樣化的方案。

(三)階段3：整合與鞏固期

整合與鞏固期，通過對學生生成的多樣化解決方案和標準解決方案的討論評價是對實現機制5必不可少的環(huán)節(jié)[2]。在這個過程中，學生能感知到具體知識的缺位即機制4(二次激活)，同時反思問題的深層結構，實現缺口知識與目標概念中知識點的有效聯結。通過類比使得概念的內涵變得明顯的這種教學方法即機制5(二次激活)，能有效促進遷移。洛伊布爾等(Loibl & Rummel，2014)的實證研究表明，同時觸發(fā)機制5的情況下，采用“啟發(fā)性挫敗”教學獲得的學習效果優(yōu)于直接教學。在觸發(fā)機制3～5后，針對學生解決方案建立有效的直接指導變得尤為重要。教師要針對目標概念的內涵特征進行詳細的解釋與歸納，使學生形成系統(tǒng)的概念認知結構。為了實現概念理解的精致，“啟發(fā)性挫敗”學習活動會設計一個與初始問題相似的問題情境讓學生進行遷移反饋，進一步組織和加工目標概念即觸發(fā)機制6，培育學生知識遷移能力。

三、化學實驗教學中的“啟發(fā)性挫敗”設計

(一)基于“啟發(fā)性挫敗”教學的設計模型建構

目前關于“啟發(fā)性挫敗”教學模式的理論模型都是建立在卡普爾提出的“兩大階段、三條原則、四個步驟”基礎之上。張忠華等對“啟發(fā)性挫敗”教學模式進行了系統(tǒng)分析[3]。劉徽等系統(tǒng)概述了國內外對于“有效失敗”文獻研究，通過實證研究發(fā)現“有效失敗”對于學習效果有一定的價值，并且提出了“啟發(fā)性挫敗”的“兩大階段、5個步驟、3個維度”的教學設計模型[4]。本研究是在張忠華、劉徽的研究成果基礎上結合“啟發(fā)性挫敗”的3個階段6個核心機制，構建了“啟發(fā)性挫敗”視閾下實驗教學的設計模型(見圖2)。

圖2 基于“啟發(fā)性挫敗”實驗教學的教學設計模型

“啟發(fā)性挫敗”教學設計模型包括“教學目標設計、學習任務設計、參與結構設計、學習氛圍設計”四個設計維度與“學情目標設計(提取—建構)、教學過程設計(生成—探索、整合—鞏固)、遷移反饋設計(遷移—反饋)”三大設計階段，每個階段包含若干個步驟。下面以“化學實驗測定與探究”實驗教學片段為例，系統(tǒng)論述各步驟的設計原理和實施過程。

(二)“啟發(fā)性挫敗”實驗教學的學情目標設計

本階段包含三個步驟，根據2022版新課程標準、教學參考書確定教學目標，通過調查、訪談等形式提取學生已構知識與經驗，建構目標概念的認識發(fā)展結構圖。

1.基于課程標準和教學參考提取并解構核心概念

依據新課程標準和教學參考書凝練核心概念，解構核心概念的深層特征，錨定概念習得的目標(見圖3)。

圖3 “化學實驗測定與探究”核心概念結構圖

2.提取學生已有學習經驗，建構認知發(fā)展結構

在教學設計前，采用調查法收集了32位學生對于“化學實驗測定與探究”的困惑點，主要體現在以下幾個方面：(1)缺少對實驗原理概念的認識，18位同學對于實驗的設計極度迷茫。(2)只能粗淺地進行簡單裝置的設計，28位同學在設計方案的過程中沒有充分考慮實驗誤差。(3)情境問題給出的儀器，26位同學不能準確描述儀器的作用。(4)情境問題的數據處理，25位同學不能準確處理數據得出結論。所以，本次實驗教學的認知發(fā)展結構是以“化學實驗測定與探究”的原理為認知原點，在此基礎上實現裝置的建構、方案的設計、實驗測定和遷移應用的習得(見圖4)。

圖4 “化學實驗測定與探究”認知發(fā)展結構圖

(三)“啟發(fā)性挫敗”教學過程設計

“啟發(fā)性挫敗”教學范型，具體包括“聯結多種解決路徑的問題情境→激活已構知識與經驗→團隊協作生成多樣化的方案→評價交流反思問題的深層結構→針對學生解決方案建立有效指導”五個步驟。“生成與探索”和“整合與鞏固”協同作用構成了貫穿全過程知識習得的兩個階段。“教學目標設計、學習任務設計、參與結構設計、學習氛圍設計”構成了教學設計的四個維度。無論是知識與技能目標，還是教學設計與實踐的階段、步驟、過程和維度都緊密圍繞和上升到大概念這一層次。其最終目的是提升學生的元認知能力，實現遷移的長期效果。

1.教學目標設計

教學目標設計提出了上位的大概念目標，包括對應的知識目標與技能目標(見表1)。我們可以通過多種途徑實現大概念目標的達成，學生既可以在實驗方案的設計和研討過程中的探索來實現，也可以在方案的修正與實驗的操作過程中促進學生對大概念的深度理解。比如，測定裝置中儀器的作用，我們可以通過學案給出圖示裝置，讓學生闡述該裝置盡可能多的用途以及它的操作方式來幫助學生理解。

表1 “化學實驗測定與探究”教學目標

2.學習任務設計

學習任務是由問題情境以及內嵌于境脈中的活動協同觸發(fā)。情境問題的設計原則要為學生提供多重表征方式和多樣化方案解決的契機。依據學生的最近發(fā)展區(qū)，把握學生需求，著眼于學生的認知發(fā)展需求，不斷調整和尋覓既富有挑戰(zhàn)又能激發(fā)憤悱情緒的復雜問題，避免學生深陷沮喪而無力思考的境地。所以問題的設計需要考慮問題的劣構程度、已構的知識與經驗、問題境脈的吸引力等方面因素，更關注于問題本身促進學生深層的討論、反思、歸納和吸收學習經驗的空間，而不是學生對正確答案的追索。

本研究選取杭州某初中學校九年級學生，共32人，其中男生17人，女生15人，以異質分組的形式分成8組，每個小組4名學生。如在“生成與探索”教學階段，針對問題單討論教學環(huán)節(jié)，通過課堂觀察與對話分析，“啟發(fā)性挫敗”教學的小組表現出的優(yōu)勢體現在以下幾個方面：

第一，考慮到了儀器更多功能性作用，以裝置A為例(見圖5)，典型情境如下：

裝置A 裝置B 裝置C 裝置E

生G6-1：能用于排空氣集氣法，氣體密度比空氣大的從a通入。

生G6-4：能用于排水集氣法，氣體(難溶于水)從b通入。

生G6-3：用于氣體中的除雜，如廣口瓶內裝氫氧化鈉可除去H2中混有的HCl。

生G2-1：可用于氣體制取中防止倒吸的緩沖瓶，氣體從b通入a流出。

生G3-2：測量氣體流速，氣體從a通入，觀察瓶內水中氣泡的速度。

生G5-2：a導管后加一個量筒并且裝置A可以測量氣體的體積。

……

第二，提出實驗方案設計的原理基本都有理由。典型情境如下：

生G1-1：將Na2CO3轉化為BaCO3沉淀。

生G1-2：通過測量BaCO3沉淀的質量，進而通過方程式計算得到Na2CO3的質量，再根據樣品質量求出NaOH的質量。

生G5-3：利用鹽酸將Na2CO3轉化為CO2。

生G5-2：不對，不能用鹽酸要用硫酸，因為鹽酸具有揮發(fā)性，制得的CO2中混有氯化氫氣體會導致測得的CO2質量偏大。

第三，梳理了影響實驗誤差的因素，使實驗方案設計更加周密。典型情境如下：

生G4-3：測定裝置不同構建方式帶來的誤差，即裝置本身配備的局限性。

生G4-1：實驗測定的原理不同帶來的誤差。

生G4-2：化學試劑的選擇帶來的誤差，本實驗用鹽酸誤差會比較大，用稀硫酸更佳。

生G4-4：實驗操作過程是否會引入誤差，比如加酸的速度過快，CO2來不及被堿石灰吸收。

生G6-1：氣體轉化法中生成的CO2氣體沒有被堿石灰全部吸收。

第四，通過初步設計方案的體驗，在這個過程中對建構的知識進行實踐與嘗試，感知自身方案存在的缺陷與優(yōu)勢。學生在體驗“挫敗”的過程中，達成對新構知識的深度理解。同時，擺脫了對老師的過度依賴，能動地轉向自我的內部省察，提升自我效能感[5]。

生成與探索過程的設計，一方面將任務聚焦于問題單討論和初步方案的實踐感知，給后續(xù)實驗測定與探究方案的完善與實施提供適切的支架。另一方面通過合理的延遲結構化的指導，給學生提供充足的自主探究、反思、評價的時間與空間，使得學生針對問題的深層特征進行深度思考并提出多種解決問題方案，為“整合與鞏固”階段的教學創(chuàng)設可探析的對象。

在教學的第二階段“整合與鞏固”階段，針對前一階段初步設計方案的體驗后進行完善形成匯報方案并現場匯報。

[現場匯報]：氣體轉化測定法為例，選取具有代表性的G4、G5組(見圖6)。

圖6 現場匯報G4、G5的裝置測定設計圖

[評價交流]：

生1：G4組反應結束后CO2會殘留在A、B裝置中無法被C中的氫氧化鈉吸收，同時生成的CO2會混有HCl也會被C吸收。

生2：G5組優(yōu)點是用稀H2SO4代替稀鹽酸，同時在最后階段通入除去CO2的空氣，改進了生1提出的誤差問題，但不足之處沒有避免原B、C容器內空氣中的CO2對實驗造成的誤差。

[教師提問]：請同學們思考如何在G5組基礎上減小原裝置內空氣中的CO2對實驗帶來的誤差？

[學生分析]：

生3：增加三通玻璃管于C、D裝置間，在稀H2SO4與樣品反應之前，打開a、b彈簧夾，關閉c彈簧夾，然后再通一會兒空氣。

[歸納提煉]：改進后實驗裝置(見圖7)。

圖7 氣體轉化法的燒堿純度測定裝置設計圖

本階段的重點是學生匯報闡述自己設計的解決方案，通過同伴的交流評價，對小組的問題表征形式和解決方案的優(yōu)劣進行論證對比，深化對關鍵特征的理解。觀照教師歸納的參考性解決方案與自身解決方案的差距與異同，組織加工概念的深層特征，實現“化學實驗測定與探究”設計方案的精致。學生在適應和同化過程中完成知識的習得和思維方式與能力的拓展。

3.參與結構設計

參與結構是指學生進行概念學習的組織方式。在“生成與探索”階段，需要學生對問題情境的深層特征進行自主的剖析，不斷嘗試多種途徑對問題本質的追問。大家通過分享觀點、解釋緣由、批判評價等一系列活動對學習成果進行組織加工，生成自身對問題深層特征的認識，進而形成多樣化的問題解決方案。因此在這一階段采用小組合作的參與結構是較為合適的方式。對于合作小組科學分組的研究，卡普爾發(fā)現混合能力協作更益于學習效率的提高，學生在交互的探究過程中蘊含著巨大的潛能，能力較強的學生表現出較強的助力精神。因此，在“化學實驗測定與探究”教學過程中，采用學習能力強弱混合編組、同伴互助、合作學習、人人參與、互動研究的參與結構，有利于獲得更多樣的解決方案。

在“整合與鞏固”階段，參與結構設計主要分兩個步驟：一是組織加工深層特征，主要方式是自我澄清和同伴互評。自我澄清指的是教師給予每個學生分享自身成果的機會，學生自身針對問題深層特征的理解，解釋和表達解決方案，并在這個過程中加深對概念的深度理解。當然，在學生游走在概念的迷思邊緣時，教師要通過啟發(fā)性提問輔助學生精細自身的解釋、澄清目標概念。同伴互評是指全體學生積極參與對他人方案解決的建議與批判，學生在相互評價過程中對照問題解決方案的優(yōu)缺點，從而增進對概念的深度理解。二是精致目標概念，主要方式是反思整合即完成概念的組織加工后構建自身表征方案和知識結構，對照教師提供的相對正統(tǒng)的解決方案進行對比，尋找差異、完善方案，實現對目標概念的精致和思維方式的拓展。

4.學習氛圍設計

在“生成與探索”階段，主要目的是給學生創(chuàng)設一個“挫敗”發(fā)生的境遇，鼓勵學生對問題解決方案進行多樣化的探究。為防止學生陷入無意義的挫敗而產生沮喪情緒，教師需要給學生提供與目標概念無直接相關的元認知和情感等支架，以創(chuàng)設一個安全的探究環(huán)境。如在“化學實驗測定與探究”教學過程中，問題單討論和方案初步設計環(huán)節(jié)，教師需要傳遞過程性期待高于結果表現的信息。在“整合與鞏固”階段，教師活動主要是成果分享、同伴互評與反思整合三個環(huán)節(jié)。實施過程中教師不僅要營造一種樂于分享、尊重差異、民主研討的氛圍，更為重要的是學生在這個過程中對照反思其他小組的“挫敗”經歷并進行自我省察，最大程度體現“挫敗”的價值。

(四)“啟發(fā)性挫敗”遷移反饋設計

任何教學模式的最終目的都是培育學生在真實境脈下新舊問題聯結后的遷移能力。為了檢驗“啟發(fā)性挫敗”教學的遷移效果，根據“化學實驗測定與探究”的主要大概念，設計了“氧化鐵樣品中氧化鐵的質量分數(雜質不參與反應)的測定”這一遷移后測題，對學生進行紙筆測試和實驗操作考查。

反饋1 請說說測定Fe2O3樣品中Fe2O3的質量分數(假設雜質不參加反應)的實驗原理。

反饋2 請嘗試設計繪制測定裝置的裝置圖。

反饋3 請大家完成實驗操作步驟的書寫。

反饋4 根據你的設計完成實驗操作，分析現象與數據得出結論。

上述反饋主要反映的是學生的“實驗測定與探究”方案的設計能力、實驗操作能力與數據處理能力，旨在考查學生的遠近遷移能力。通過該變式彌合了新舊觀念之間的藩籬，厘清了實際問題情境解決的策略，促進學生新舊認知間的同化和遷移能力的培育。

四、“啟發(fā)性挫敗”實驗教學的實踐思考

(一)有利于豐富教師的教學形式

教師害怕學生陷入失敗的境地，更膽怯于自己的失敗教學，會本能將知識機械地植入于學生大腦，然后讓學生去解決實際問題。“啟發(fā)性挫敗”教學能激勵教師以積極包容的心態(tài)挖掘挫敗的價值，擁抱“啟發(fā)性挫敗”蘊含的正向學習效果。“啟發(fā)性挫敗”的提出促使教師意識到更多有別于傳統(tǒng)教學方式變革的可能性。

(二)有利于降低學生的心理負荷

筆者基于約翰·斯威勒(John Sweller)和弗雷德·G·W·C·帕斯等(Fred G.W.C.Paas)已構建的認知負荷量表測量發(fā)現：在心理負荷維度上，“啟發(fā)性挫敗”教學模式下的教學班級分數(1.750 0)低于傳統(tǒng)教學班級分數(1.872 1)。分析原因在于傳統(tǒng)教學過程中，教師更關注于學生的學習結果，給學生帶來了較大的學習壓力故心理負荷相對較大。而“啟發(fā)性挫敗”下的教學聚焦的是學生的過程性學習，營造一種包容的課堂氛圍，突破了標準答案對學生的禁錮，以“挫折”為最佳契機，學生站在“挫折”的風口上開啟認知與創(chuàng)新能力的深度探索。

(三)有利于提升學生的遷移能力

因為大概念可以彌合短期效益與長期效應的割裂，因此，引入“實驗測定與探究”這一學科大概念作為“啟發(fā)性挫敗”教學遷移能力培育的錨點，學生從“具體”學習經歷中提煉“抽象”的體現專家思維方式的觀念或概念，實現意義遷移的發(fā)生。同時，“啟發(fā)性挫敗”關注學生學習的過程性和反思性也是實現意義遷移的必要條件，學生在安全的心理氛圍下通過自己的挑戰(zhàn)、探究、實踐、反思、提煉，在遷移輸入到遷移輸出的動態(tài)發(fā)展中，不斷提升自己創(chuàng)新思維的能力，為未來學習奠定良好的基礎。▲