高中化學必修新教材探究實驗設計特點比較研究

摘要： 從科學探究本質、探究過程技能和探究過程水平三個維度分析2019版人教版、魯科版和蘇教版高中化學必修教材探究實驗的設計特點。結果顯示，教材探究實驗對科學探究本質內容的呈現不夠全面；探究過程技能以觀察、比較、推斷與預測、分析與解釋技能為主；所呈現的探究過程水平基本在水平1或水平2。

關鍵詞： 高中化學教材； 探究實驗； 科學探究； 對比分析

文章編號： 1005-6629（2024）07-0014-07 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

“科學探究”作為化學學科核心素養之一，是化學學科在實踐層面上育人的具體體現［1］。探究實驗是化學教材中最具探究屬性的活動，其特征在于明確以解決問題為核心，旨在使學生親身體驗探究的過程和思路［2］。對化學教材中探究實驗設計特點的研究可以充分挖掘出探究實驗的素養功能，有助于提升科學探究教學的實踐水平。

1 研究背景

作為科學素養的核心要素之一，科學探究已成為國際科學教育改革的主要趨勢［3］。教材中的探究實驗不僅為學生提供了參與真實科學探究的機會，而且還具有引導學生進行自主探究，建構學科知識，掌握探究技能和發展科學探究素養等多方面的功能價值［4］。

關于教材中探究實驗的研究，從實驗改進［5，6］和實驗教學［7］的層面來探討的比較多，而關于教材探究實驗設計的研究還比較少。陳俞文等［8］分析了人教版高中化學教材探究實驗的知識類型和探究水平；鄭柳萍等［9］分析了人教版初中化學教材中探究欄目的內容特點等。可見，不論是從研究對象還是研究內容上看，對不同版本高中化學新教材探究實驗設計特點的相關研究仍較為不足。

必修課程是全體學生全修全選的內容，對于化學學科核心素養發展和科學探究能力的培養具有普適性［10］，因此，選擇使用范圍廣泛且具有代表性的2019版人教版“探究”、魯科版“活動·探究”和蘇教版“實驗探究”欄目中的探究實驗選擇2019版人教版“探究”、魯科版“活動·探究”和蘇教版“實驗探究”欄目中的探究實驗為研究對象，雖然各欄目的定位不完全一致，但本質在于“探究”二字，欄目定位共同點在于兼顧實驗的開放性和探究性進行設計，為學生理解科學知識及其產生過程，啟迪科學思維和發展科學探究素養提供了重要支持。）為分析單元，對比分析不同版本新教材中探究實驗設計的特點，可以為進一步深化探究實驗教學提供參考。

2 研究設計

目前對教材探究實驗設計特點的研究，大致可分為三類：一是從探究實驗的開放性水平分析，如張新宇等［11］根據教師與學生在探究活動環節中的角色地位，構建了科學教材“五環節、三水平”的探究水平分析框架。二是從探究過程技能視角分析，如龔正元［12］對化學教材的探究過程技能設計進行了研究。三是基于探究實驗的功能視角，如楊文源等［13］從支持構建科學概念、使用探究過程技能和樹立對科學探究本質的理解3個角度構建了評價生物教材探究實驗文本的分析框架。Lederman等［14］認為科學探究包含探究本質和過程技能兩個部分，二者分別從認識論和實踐層面詮釋了科學探究的內涵。教材探究實驗的設計不僅應該為學生理解科學探究本質和掌握探究過程技能提供有效支持，還需考慮其探究過程水平應與學生的能力水平相契合。

因此，從科學探究本質、探究過程技能和探究過程水平三個維度構建高中化學教材探究實驗設計特點的分析框架，分析不同版本高中化學必修教材探究實驗設計的特點，為新教材的使用和探究教學的開展提供參考。

2.1 科學探究本質

科學探究本質指科學家所從事活動的特征，解釋了科學家是如何進行工作的［15］。Lederman等［16］提出了科學探究本質的8個條目（1） scientific investigations all begin with a question and do not necessarily test a hypothesis; （2） there is no single set of steps followed in all investigations; （3） inquiry procedures are guided by the question asked; （4） all scientists performing the same procedures may not get the same results; （5） inquiry procedures can influence results; （6） research conclusions must be consistent with the data collected; （7） scientific data are not the same as scientific evidence; （8） explanations are developed from a combination of collected data and what is already known.），楊文源等［17］在此基礎上構建了科學教材中科學探究本質的分析框架（如表1所示），借鑒此科學探究本質框架進行分析。

2.2 探究過程技能

探究過程技能指學生在探究過程所需要用到的思維方式和操作技能。美國科學促進會提出13種探究過程技能，包括基礎技能（觀察、測量、分類、交流與質疑、預測、推論、空間或時間關系的使用、數字的使用）和綜合技能（下操作性定義、控制變量、數據解釋、提出假設、實驗）［19］。在此基礎上，姚娟娟等結合新課標對探究過程技能的要求，構建了探究過程技能的分析框架（如表2所示）［20］。

2.3 探究過程水平

探究過程水平是指學生在探究過程中所表現出的自主性或獨立性的程度。依據新課標中化學學科核心素養“科學探究”的要求［22］，將科學探究的要素“提出問題、猜想假設、制定實驗方案、獲取證據、形成結論、交流評價”作為二級維度，構建如表3所示探究過程水平分析框架。

3 研究過程

3.1 分析對象

選擇2019版人教版“探究”欄目、魯科版“活動·探究”欄目和蘇教版“實驗探究”欄目中探究實驗為分析對象，并依據分析框架對探究實驗進行編碼。

3.2 編碼標準

為保證編碼的相對客觀性，由2位學科教學（化學）專業的研究者依據分析框架對3版教材中的探究實驗文本獨立分析統計統計說明：為了體現完整性，將欄目前后的必要連接部分也納入其中進行分析。用出現指標“1”的次數與各版本總探究實驗的數目的占比表示該指標在該版教材中的占比。）。在評定過程中，科學探究本質和探究過程技能的所有指標均采用“1”或“0”評定，若符合某一指標的描述，則評定為“1”，反之則評定為“0”。對于探究過程水平的指標，用“1”“2”“3”和“4”分別表示“水平1”“水平2”“水平3”和“水平4”，若教材未體現具體的科學探究過程，則用“0”進行評定。

3.3 示例說明

以人教版教材中的探究“不同價態含硫物質的轉化”實驗為例，進行示例說明，如圖1和表4所示；在編碼時，將欄目前必要的連接文本“那么，在實驗室如何實現不同價態含硫物質的互相轉化呢？”納入其中分析。

3.4 信度分析

利用SPSS26.0軟件對2位研究者的編碼結果進行內部的一致性和相關性檢測，Kappa值為0.883，說明編碼可靠性較好。最后對評定不一致處重新討論，達成一致后確定最終評定結果。

4 研究結果分析

4.1 科學探究本質分析

3版教材探究實驗對科學探究本質的呈現情況如圖2所示。從整體上看，3版教材探究實驗對科學探究本質內容呈現的豐富程度不同，均較為重視探究實驗中問題的導向作用（1-1、 1-3），其探究流程均不按固定步驟進行（1-2），能夠體現論證邏輯一致性的科學思維（1-6），凸顯了證據和數據差別（1-7），能注重解釋的形成過程（1-8）。

值得注意的是，3版教材對指標1-4的呈現均較弱，只有魯科版關注到過程性因素的影響，出現在“補鐵劑中鐵元素價態的檢驗”中，讓學生思考補鐵劑中的維生素C、添加劑等成分對實驗結果可靠性的影響，促進學生對探究結果是否受到其他因素影響的思考。另外，指標1-5體現相對較低，分析發現，教材中探究實驗給定實驗方案的情況較多，可能使得學生難以理解不同探究設計方案對研究結果產生的影響。

4.2 探究過程技能分析

3版教材探究實驗中探究過程技能統計結果如圖3所示。基礎技能中，主要凸顯觀察、比較、推斷與預測技能，對測量技能練習偏少。教材多用“適量”“一些”等詞來描述用量或不給出具體用量，對學生測量技能的要求偏低。教材對展示與表述技能培養略顯不足，實際教學中可設計分享匯報、調查實踐等多樣化活動，將探究思維方法外顯，提高學生探究能力。

綜合技能中，3版教材均突出對分析與解釋技能的訓練，也較為重視對“形成并驗證假設”和“數據（圖表、符號）表征”技能的培養。相對而言，對“識別并控制變量”技能訓練要求偏低，只是在“影響化學反應速率的因素”探究實驗中明確了變量控制的思想。

4.3 探究過程水平分析

3版教材探究實驗中探究過程水平的統計結果如圖4所示。整體看來，在必修階段學習中，探究實驗所呈現的探究過程水平基本處于1、2水平，由教材直接提供相關表述，或引導學生進行思考。值得注意的是，在猜想假設和制定實驗方案環節，出現水平3的情況較多。在具體實施時，對于必修階段學生的能力水平而言具有一定難度。教師在實際教學時可根據學情和課標要求，可適當調整探究實驗教學難度，給予學生預測和方案設計思路引導。

5 結論與建議

5.1 研究結論

通過以上分析，發現3版教材探究實驗設計具有如下特點：

（1） 教材探究實驗設計對科學探究本質內容呈現不夠全面，較為關注問題導向、論證邏輯一致性、探究流程靈活性、證據和數據差別、解釋的形成過程等。相比之下，對于“科學家使用相同的過程可能不會獲得一樣的結論”，整體關注不夠。

（2） 在探究過程技能維度，基礎技能以觀察、比較、推斷與預測為主，對測量技能的使用頻率整體偏低；在綜合技能上教材均比較關注分析與解釋技能，但對于識別并控制變量技能呈現都較少。

（3） 在探究過程水平維度，各環節的探究過程水平多數處于1、 2水平，較為符合必修階段學生的能力水平發展要求。也有部分探究實驗在猜想假設、制定實驗方案環節處于3水平，對于學生的能力水平要求較高。

5.2 教學建議

5.2.1 重視追問和反思，加深對科學探究本質的理解

不同探究實驗蘊含的科學探究本質豐富程度不同，教師可對探究實驗本身特點進行分析，挖掘值得重點發展的科學探究本質內容。如在探究“鈉與水的反應”實驗中，教材要求學生根據鈉在水中的位置、溶液顏色變化等現象得出結論，教師可重點強化學生對“論證邏輯一致性”的理解，設計諸如“你認為‘證據-結論’之間具有何種關系”的問題進行追問。

此外，真實探究過程中不可控制的預期結果應該被傳遞到課堂，可針對性設計如“本實驗中哪些因素會影響實驗的結果？如何保證實驗的準確性？”等問題，促進元認知反思，以增進對“科學家使用相同的過程可能不會獲得一樣的結論”的理解。

5.2.2 強化測量技能訓練，加強變量控制的思路引導

針對探究實驗中測量技能的使用頻率整體偏低這一特點，教師需關注實驗中藥品具體濃度和用量，對教材中沒有給出濃度或用量的實驗予以必要補充，加強量筒、天平、容量瓶等測量儀器的使用技能訓練，強化“量”的意識。

針對教材對“識別并控制變量”技能培養不足的情況，在設計對比實驗教學時，有意識地加強變量控制的思路引導，顯性呈現各變量之間的關系，如試管體積大小、溶液的體積、溫度、壓強等變量的處理方法，再以表格的形式將設計方案中的自變量、因變量和無關變量顯性化呈現，引導學生控制變量進行實驗驗證，以培養學生的變量意識。

5.2.3 基于教材特征和學情特點，合理調整探究過程水平

教師在實際教學中，可結合教材內容特征和學生認知發展特點，根據實際情況設計和調整探究任務的水平層次，為學生自主探究提供“支架”。如“鐵鹽和亞鐵鹽的性質”探究實驗要求學生自主預測FeSO4和FeCl3的性質并設計實驗方案，對于學生能力要求略高。一方面，教師可先以FeSO4為范例引導學生從“價-類”二維視角預測物質性質，再讓學生自主進行FeCl3的性質預測，以降低探究過程水平。另一方面，可依托“資料卡片”呈現教材所給實驗試劑的性質，為學生提供知識儲備，降低認知負荷，從而支撐學生從顯色反應和氧化還原視角選取實驗試劑設計實驗方案。

此外，已有研究表明［23］，我國中學化學教師對科學探究本質及科學探究過程的理解還相對不足，制約了探究實驗教學活動的開展，所以教師還有必要不斷地進行理論學習和文獻研讀，加深對科學探究本質和過程的理解，提高探究式教學的質量水平。

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（四川師范大學教改課題“一流本科課程（線下型）《中學化學課程標準與教材研究》（20210047SKC）”；四川師范大學教改課題“核心課程《中學化學課程標準與教材研究》（20220118XKC）”。）