基于科學探究與實踐素養發展的教學活動設計與實施

伍小斌

摘要： 科學探究與實踐是初中化學核心素養的重要組成部分。通過多種途徑，如重視發散思維以確立多樣探究任務、強化問題假設以增加學生探究深度、豐富數據形式以培養分析提煉能力、加強資料分析以培養自主學習能力等，可以深化學生的探究體驗，發展學生的實踐能力，從而發展學生的科學探究與實踐素養。

關鍵詞： 科學探究與實踐； 探究能力； 數據分析； 自主學習

文章編號： 10056629（2023）10003905 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

科學探究與實踐既涉及經歷化學課程中的實驗探究，基于學科和跨學科實踐活動形成的學習能力，也涉及綜合運用化學等學科的知識和方法，通過一定的技術手段，在解決真實情境問題和完成綜合實踐活動中展現的能力與品格［1］。科學探究與實踐是化學核心素養的重要組成部分，也是科學學習的主要方式［2］。通過科學探究與實踐，不僅有助于學生建構對學習內容的深入理解，也有利于提高學生的科學探究能力，發展實踐能力。

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課程標準”）指出，要引導學生自主學習，開展以化學實驗為主的多樣化探究活動，重視學科實踐活動［3］。然而，就當前探究與實踐活動而言，存在較為明顯的不足：一是探究與實踐目標不明確，指向不清晰；二是探究與實踐過程注重形式，用時短，學生雖然有所體驗，但思維深度明顯不夠；三是技術應用較為傳統，難以符合教學數字化的需要，影響對數據的分析與問題的探究。

落實科學探究與實踐要求，可以基于三方面設計并實施活動。一是設計指向真實問題解決的科學探究活動；二是運用簡單技術和工程方法設計、制作與使用相關模型和作品的活動；三是通過網絡查詢等方法獲取和加工信息的自主學習活動［4］。在教學中，通過多種途徑確立探究任務，開展深層次的科學探究，借助技術深化數據分析，并對實驗結果進行深入反思。

1 重視發散思維，確立多樣探究任務

課程標準要求根據學生認知發展水平，精心設計探究活動，有效組織和實施探究教學［5］。教材中的實驗往往具有一定的探究成分，值得基于探究視角進行設計與實施。此外，還可引導學生發散思維，基于實驗異常、實驗拓展、聯系生活實際等多個視角確定科學探究任務。

1.1 基于實驗異常確立探究任務

在科學實驗探究時，有時可以順利得到預測的現象，得出預設的結論。不過，出現“意外”也很常見，有時甚至會影響實驗結論的得出。對此，教師往往忽視這些現象，或簡單地將現象歸結于操作不當，進而把結論“硬生生”地引到“正確軌道”上來。殊不知，這樣的教學處理，不僅使學生錯過了絕佳的探究機會，更可能使學生輕視實驗的價值。為此，對于“異常現象”，不要急于下結論，可讓學生通過細致描述、交流討論，進而確立探究任務去解決。

例如，在用4%的NaOH溶液和8%的CuSO4溶液反應制備Cu（OH）2實驗時，有些學生發現并未得到預期的藍色沉淀，而是淺綠色沉淀。這說明可能生成了其他物質，具體是什么原因呢？教師可據此引導學生確立探究問題：反應物的質量比是否會影響得到沉淀的成分呢？以此為基礎，學生可以調整反應物的質量進行實驗探究，進而通過查閱資料形成新的理解。需要注意的是，探究只要得出反應物的質量比會影響得到沉淀的成分即可，不宜要求學生記得具體的反應產物，更不能要求學生記住反應的化學方程式。

1.2 基于實驗拓展確立探究任務

在探究教材實驗時，不少實驗都是淺嘗輒止。教師往往不鼓勵學生提出問題，或者對于學生提出的問題不置可否，這在較大程度上影響了實驗促進探究與思維發展的價值實現。其實，教材實驗也是深化學生思維、引導學生開展拓展探究的最佳載體，要善于引導、鼓勵學生提出問題，進行拓展探究。

例如，在用H2O2制取氧氣時，教材實驗要求為：先在燒瓶中加入50mL水和0.5g MnO2，然后在分液漏斗中加入30mL15％的H2O2溶液。對于加入MnO2，其作用是催化劑，比較容易理解。但對于加入50mL水，學生往往不明其所以然，甚至認為多此一舉。于是，教師組織學生進行分析，發現加入水之后會影響H2O2溶液的濃度，因而提出“加入適量水以減緩H2O2的分解速度，確保制取反應平緩進行”的探究任務。

1.3 基于生活實際確立探究任務

化學在生活中有重要應用，學習化學的目的之一就是要運用所學知識理解生活現象、解決生活問題。在探究教學中，可以聯系與學生密切相關的生產生活情境，組織學生進行思考與討論，鼓勵學生提出探究問題，以此作為探究任務引導學生開展深度探究。

例如，在冬天進行輸液時，時常在輸液管上加一個一次性的輸液加熱棒，以消除藥液溫度與體溫的差異。那么，加熱棒里的成分是什么，其進行加熱的原理又是什么呢？經查閱資料，發現說法存在一定差異，但均表述主要成分含有還原性鐵粉、炭粉和氯化鈉等物質。據此，可提出“如何確定加熱棒是否含有鐵粉、炭粉、氯化鈉”的探究任務。

2 強化問題假設，增加學生探究深度

課程標準指出，學生應能主動提出有探究價值的問題，從問題和假設出發確定探究目標，設計和實施探究方案，獲取證據并分析得出結論［6］。有時探究過程會流于形式，一個重要原因就在于缺乏問題的引導，學生對于操作、現象、結果等均缺乏預設，也就使得整個過程浮于表面。因此，教師可基于真實問題情境，引導學生提出假設，通過設計實驗、收集證據、分析交流等探究環節解決問題，培養學生的科學探究能力。

案例1 如何確定加熱棒是否含有鐵粉、炭粉、氯化鈉

（1） 假設1：加熱棒內可能含有氯化鈉

將加熱棒內的物質放入燒杯中，加水充分溶解，通過過濾操作得到濾渣和濾液。取適量濾液于試管中，滴加適量的硝酸銀溶液和稀硝酸，若出現白色沉淀，說明濾液中含有Cl-。用鉑絲蘸取濾液，在無色火焰上灼燒，若觀察到火焰顏色為黃色，說明濾液中含有Na+，從而確定加熱棒內含有氯化鈉。

（2） 假設2：加熱棒內可能含有鐵粉

用磁鐵靠近濾渣，發現一些黑色粉末會被吸引。但有學生提出質疑，認為黑色物質四氧化三鐵也能被磁鐵吸引。于是，通過交流討論，設計了如圖1所示的實驗裝置開展探究。因為四氧化三鐵和氫氣在高溫下反應生成鐵和水，當沒有觀察到無水硫酸銅粉末變藍時，可推理得出黑色粉末中不存在四氧化三鐵。

進而，又有學生提出質疑，認為被磁鐵吸引的黑色粉末還可能是鈷粉、鎳粉，為此，在查閱資料的基礎上又設計了如下實驗：取適量的能被磁鐵吸引的黑色物質置于試管中，加入足量的稀鹽酸進行反應，然后向試管中加入足量的H2O2溶液（能將Fe2+轉化為Fe3+），再滴加硫氰化鉀溶液。若溶液變為血紅色，則可證明溶液中含有Fe2+，從而得出加熱棒中含有鐵粉這一結論。

（3） 假設3：加熱棒內可能含有炭粉

把部分未被吸引的黑色粉末點燃，并將產生的氣體通入足量的澄清石灰水中，若石灰水變渾濁，可得出加熱棒內含有炭粉。

該探究實驗基于學生的生活經驗或常見現象而提出，如運用焰色反應檢驗Na+，滴加硫氰化鉀檢驗Fe3+等實驗操作。雖然整體存在較大難度，但通過教師的指導、學生查閱資料以及交流研討，在降低難度的同時，有助于培養學生搜集信息、提出假設、設計與實施方案、分析并得出結論的能力，進而發展創新思維。此外，學生能提出某些質疑，如被磁鐵吸引的黑色物質還可能是四氧化三鐵、鈷粉、鎳粉等，則受益于物理學科相應內容的學習，體現了科學探究實驗跨學科融合的特征。

3 豐富數據形式，培養分析提煉能力

課程標準指出，能運用簡單的技術與工程的方法初步解決與化學有關的實際問題，完成社會實踐活動［7］。使用傳統方式開展實驗時，數據獲取的類型受到很大限制，數據轉換也存在操作難點，這在較大程度上制約了數據加工深度。在數字技術加持下，實驗現象的可視化程度明顯提高，據此開展的定量研究，可深化數據處理方法，培養分析提煉能力。還可結合相關原理，融合跨學科知識，制作工程產品，培養學生的技術與工程實踐能力。

3.1 融合信息技術設計探究活動

課程標準指出，引導學生經歷真實的探究過程，注重運用現代化技術手段，加強探究活動中的科學思維［8］。在實驗教學中，也要善于運用傳感器等現代化技術手段獲取實驗證據，開展定量探究，建構數學模型，促進學生科學思維的發展。

案例2 借助數字技術探究“稀鹽酸和氫氧化鈉溶液反應”

探究稀鹽酸和氫氧化鈉溶液反應，一般的實驗操作為：在盛有3mL氫氧化鈉稀溶液的試管里，滴加1滴酚酞試液，酚酞試液顯紅色，再向試管里逐滴加入稀鹽酸，邊滴邊振蕩，直到紅色剛好褪去。以溶液從紅色變為無色來判斷反應的發生或終止，該實驗屬于定性研究。

若運用信息技術開展探究，則可按圖2所示連接好實驗裝置，在燒杯中先加入氫氧化鈉溶液，然后滴加稀鹽酸溶液，用玻璃棒攪拌，通過數字采集器的處理，在計算機上可顯示出相關數據。若以時間作為橫坐標，pH作為縱坐標，可繪制出溶液的pH隨時間變化的曲線圖，如圖3所示，該數學模型直觀形象地表現了反應過程。若要探究稀鹽酸和氫氧化鈉溶液反應時的溫度變化，則可通過溫度傳感器在計算機上顯示相應的曲線圖。

有了曲線圖之后，不必經過多描述即可得出結論。可從數學模型的視角，引導學生對曲線圖進行解釋，發現各階段的典型特征，培養學生的建模思維。如對于pH變化曲線圖，可發現反應經歷了從氫氧化鈉的量逐漸減少到鹽酸的量逐步增加等幾個階段，當經過pH=7的階段時說明既沒有氫氧化鈉也沒有鹽酸，也就意味著兩者恰好完全反應。

3.2 基于工程制作設計實踐活動

課程標準指出，能制作把科學原理轉化為技術產品的簡單裝置，應用形象的模型演示抽象的科學原理［9］。工程制作是實踐性很強的一項活動，在工程制作前，教師引導學生提出相關問題，通過查閱資料、交流討論為實踐做準備。在工程制作后，教師也要及時組織學生對作品進行評價，反思實踐過程。

案例3 設計自救呼吸器

某研究性學習小組設計了自救呼吸器，其目的是為了在缺氧環境或出現高濃度有毒有害氣體環境下逃生時使用（見圖4）。圍繞該呼吸器，學生通過查閱資料，發現生氧藥品一般選擇超氧化鉀（KO2）。反應原理為超氧化鉀與人體呼出的水、二氧化碳反應。于是，學生提出KO2與NaO2哪一種物質更合適作為生氧藥品的問題，并提出要從生氧速度的角度進行比較。

為此，學生通過查閱資料，找到了使用兩種物質時生氧速度與時間關系的曲線圖（見圖5）。經過討論發現，KO2生氧速度雖然較慢，但波動較小，持續時間較長，氧氣浪費也較少。

在制作和使用了自救呼吸器后，又組織學生進行思考：設計自救呼吸器時，為確定制氧劑的用量，需要查閱哪些數據？學生討論后發現，需要了解人體每分鐘呼吸次數、呼出氣體中的水蒸氣和二氧化碳含量，以及每次呼吸耗氧量等信息。

該實踐活動通過制作自救呼吸器，運用了大氣壓、人體呼吸等物理學、生物學等跨學科知識，基于曲線圖的分析選擇生氧藥品，有助于提高學生解決問題的能力，培養學生的創造性思維。

4 加強資料分析，培養自主學習能力

課程標準指出，自主學習能力體現在：自主確定學習目標、選擇學習策略、監控學習過程、反思學習過程和結果［10］。在前面各部分中，已經將查閱資料作為獲取證據的重要途徑。其實，在科學探究與實踐中，查閱與分析資料也屬于重要的學習方式。教師可通過設計引導性問題或驅動性任務，引領學生基于資料收集、分析與應用，開展自主學習。

案例4 查閱、分析“質量守恒定律發現史”資料

在學習質量守恒定律時，可以依托科學探究史開展學習活動。

（1） 確定學習目標：通過有關質量守恒定律發現史的學習，培養守恒觀，了解科學探究的方法，發展質疑批判的精神。

（2） 選擇學習策略：查閱文獻，交流討論，教師補充。

科學史一：1673年，波義耳通過在密閉的曲頸瓶中加熱金屬后得到金屬灰，冷卻后打開容器，發現金屬灰質量比原來金屬質量增加了。

科學史二：1703年，施塔爾提出“燃素學說”，其主要觀點有：①燃素是組成物體的一種成分，一般條件下被禁錮在可燃物中；②燃素在可燃物燃燒時會分離出來，且燃素可穿透一切物質。燃素學說具有體系優勢，它是化學領域第一個把各種化學現象統一起來的原理［11］。

科學史三：1756年，羅蒙諾索夫將錫放在密閉的容器內燃燒，錫發生了變化，生成白色氧化錫，容器及容器里的物質的總質量，在煅燒前后是沒有變化的。他又反復實驗，把銅、鐵、鉛等金屬放在容器中煅燒，得到相同結果。他雖然沒能徹底地否定燃素，但他卻是第一個較為清楚地表達了化學反應中質量守恒的思想。由于多種原因，羅蒙諾索夫的發現和他闡述的質量守恒思想對當時科學思想的進步并沒有產生明顯的影響［12］。百年后才引起了學術界的贊揚和驚奇。

科學史四：1777年，法國化學家拉瓦錫在密閉容器中研究氧化汞的分解和合成時，發現化學反應前后各物質的總質量相等。通過大量的實驗，他發現了化學反應過程中質量守恒這一規律性，并在1789年出版的著作《化學綱要》中用清晰的語言把質量守恒定律表達出來［13］。拉瓦錫的研究成果很快就被許多化學家所了解。

（3） 推進學習過程：設計問題，解決問題。

在學生閱讀科學探究史前，教師預設了3個問題，要求學生帶著問題閱讀科學史，并通過交流和討論解決問題。①按照“燃素學說”，物質燃燒后質量會發生什么變化：變小；你有什么證據可以證偽“燃素學說”是不恰當的：如鐵、鎂在氧氣中燃燒后質量是增加的；那當時為什么這個學說很受歡迎呢：這與18世紀統治科學界的機械論自然觀相適應，可以解釋有關燃燒方面的許多問題。②羅蒙諾索夫重做波義耳實驗是基于什么假設：金屬加熱后增加的質量可能來自空氣的假設。③波義耳錯過了發現質量守恒定律的一個重要原因是什么：打開容器前沒有稱量容器的總質量。

在討論過程中，學生也提出了問題，如羅蒙諾索夫、拉瓦錫為什么使用多種物質做同樣的實驗？學生通過分析，認為需要秉持科學態度，經過很多次重復實驗，才能使得證據更充分，使結論具有普遍性。此外，學生還提出了“為什么羅蒙諾索夫的成果不如拉瓦錫的成果影響大”的問題，通過討論，學生認識到積極發表成果以及通過多種方式傳播成果的重要意義，從而深化了對于科學本質觀的理解。

（4） 反思學習過程和結果。

在學生設計探究實驗的基礎上，引入科學探究史，使學生經歷與科學家相似的探究過程，促進學生對教材白磷燃燒實驗需要密封的理解。通過科學史實的分析比較，有助于培養學生的證據意識和批判性思維，領悟科學思想和科學本質。

正如課程標準指出的，創設真實問題情境，倡導“做中學”“用中學”“創中學”，開展項目式學習，重視跨學科實踐活動［14］，這為科學探究與實踐活動的設計指明了方向。科學探究、工程和技術實踐、自主學習等活動是科學探究與實踐的主要途徑，這些活動不是涇渭分明，互不相干，而是緊緊融合、相互促進的，在科學探究中既可有工程和技術實踐，又可進行學生自主學習能力的培養。

參考文獻：

［1］［2］［3］［4］［5］［6］［7］［8］［9］［10］［11］［14］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［12］劉瑞， 鄭長龍， 白玉琴. 燃燒問題——波義耳與燃素學說［J］. 化學教育， 2009，（10）： 76～78.

［13］姜鵬， 鄭長龍， 袁緒富. 關于“質量守恒定律”化學史教學的幾個問題的討論［J］. 化學教育， 2008，（9）： 77～78.

*2022年浙江省教育科學規劃課題“學習質量診斷：區域教育質量管理轉型的行動研究”（編號：2022SC010）；2021年浙江省教研課題“培養初中生自主學習能力新探索——學生自制微課”（編號：G2021031）研究成果。