建構“化學探究性實驗”校本課程

林考星

摘要：為建立相對穩定、適合本校學生認知特點的“化學探究性實驗”課程發展模式，設置了相應的校本課程。實施中以“認知學徒制”及學生的建模過程作為課程設計的脈絡，以“定性研究”收集到的資料來改進課程。“化學探究性實驗”校本課程的建構為化學實驗和探究式教學提供了可借鑒模式，也對全面落實化學新課程目標起到了積極的推動作用。

關鍵詞：化學探究性實驗；校本課程；認知學徒制

文章編號：1005–6629（2016）7–0023–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 課程背景

化學新課標強調：“通過以化學實驗為主的多種探究活動，使學生體驗科學研究的過程，激發學習化學的興趣，強化科學探究意識，促進學習方式的轉變，在實踐中培養學生的創新精神和實踐能力。[1]”理想的實驗課程設計，不但可以激發學生學習化學的興趣、獲取化學知識、培養學生實驗操作的技能、觀察化學變化和設計實驗的能力，更重要的是能夠加深學生對探究過程模型本質與功能的認識，從而提高學習和研究問題的能力。但目前在高中化學的實際教學中，受限于考試壓力和課時偏少，學生缺乏以實驗為載體的學科方法和探究能力的訓練與培養，制約了化學學科素養的提高。

相對而言，校本課程活動時間和空間較為靈活，有條件保證活動過程的自主性和探究性，為學生提供比較真實的科學探究環境。探究實驗的切合點既可以是課堂學習內容，也可以對物質或原理進行進一步的探究，或結合生活實際和生產實踐進行探究，在兼顧趣味性的同時，重思維、重探究過程，重思維模型的建構，有效整合多元智力，實現知能融合，興趣、知識、探究等要素有機整合，使培養學生化學學科素養的過程最優化，較為完整地體現新課程倡導的自主、合作、探究的學習方式，落實知識與技能、過程與方法、情感態度價值觀的三維教學目標。

2 課程設計

本課程以開展課題式合作探究實驗活動為主軸，突出探究學習、研究學習、操作學習和體驗學習等實踐性學習活動，與國家課程的化學學習形成延伸與互補的關系。

2.1 研究方法

課程發展采用行動研究法，基本流程如圖1。開展研究的教師在教學現場親身參與或從旁觀察記錄，應用“定性研究”（即“質的研究”）的方法，以錄像、訪談、學生互評、交流展示、成果發表等方式，搜集學生反饋的相關信息，記錄學生學習表現，觀察學生的學習進展，研究分析學生探究過程、思考方式、心智模式、探究能力與態度等是否發生顯著的改變。然后評估學生建立科學概念的正確性，比較學生在探究實驗中的思維模式，提供改善建議[2]。同時教師定期反思自己的教學問題，調整或修正所設計的課程計劃，以提高教學質量與教學效率。

2.2 研究對象

研究對象為本校高二選修“化學探究性實驗”校本課程的學生，共32人。由于是自愿選修，參與本計劃的學生，對化學的研究普遍具有較高的興趣，但化學學習成績參差不齊，相當部分學生基礎較薄弱。

2.3 內容確定

選擇內容的原則是“具探究性和拓展性”，兼顧實驗的安全性與創新性。為延伸探究的空間，精選了兩個探究性主題：“原電池”和“配合物”。其中“原電池”學生已有初步知識，后續還將繼續學習，以系統掌握相應的知識。課程選擇原電池是利用它所呈現的較強的探究性，側重開展實驗探究活動，培養學生的探究能力，建立有效的探究模型，反過來促進國家課程的化學學習。

2.4 評價方法

本課程以過程評價為主，結果評價為輔。每次活動均由學生對過程進行反思、闡釋和總結，填寫隨堂評價表，從實驗操作的規范、提出問題的質量、思維的活躍度、創新度、與他人合作的情況以及學習收獲等方面給予自評和互評，量化打分，扣分的地方注明原因，然后由教師評定等級。期中、期末，組織學生將成果在全校展示與發表，進一步提供綜合闡釋、反思、總結的機會，與同學交流自己建構的原電池模型，分享學習成果，體驗學習化學的快樂。最后根據學生的自評、互評、教師的觀察記錄及成果做出綜合評價。

3 課程實施

實施過程中，教師作為參與者和指導者，根據由美國認知心理學家柯林斯和布朗1989年提出的“認知學徒制”的理論[3]與學生互動，為學生提供充足的時間與機會進行模型的建構與調整，以提高他們的建模能力，促進認知發展從實際水平提升到潛在水平。“認知學徒制”是從以教為中心轉向以學為中心、對學習的研究由認知轉向情景、學習環境設計思想的大背景下誕生的一種理論，它將學習者浸潤在專家實踐的真實環境中，培養學生的高級思維和問題解決和處理復雜任務的能力。國內外相關研究認為，“認知學徒制”應用于教學實踐中，能幫助和促進學生獨立地將所學知識和技能，遷移應用到新穎的問題情景中，對培養學生的實驗探究能力具有獨特的優勢。

以“原電池”探究為例，“認知學徒制”的教學策略貫穿整個過程，包括示范、訓練、支架（即“搭建腳手架”）、闡釋、探究與反思等，循序漸進展開活動（圖2）。活動中教師通過觀察的方式進行指導，包括觀察學生執行任務的過程，為學生提供暗示、提醒、演示、修正和提出新的任務等。

3.1 預備活動

“認知學徒制”強調學習是通過參與有目的的模仿活動而構建的，即通過教師的“示范”和學生個體的“訓練”完成學習。本環節為實驗技能訓練階段，學生在教師的標準演示后，按照自己的認知方法，進行基本操作訓練，規范實驗的操作程序，強化實驗安全觀念。主要內容包括：實驗安全教育、常用儀器的使用、稱量、溶液配制等。對學生在實驗中出現的問題及時指出，予以糾正，提醒學生在實驗報告上做好記錄，明確錯在哪里，應該如何做。“認知學徒制”關注學習經驗，對于重要的基本操作技能，教師應充分展示關鍵要領，并要求學生反復練習，直至人人過關。endprint

3.2 活動一：建構單液原電池認知模型

教師通過示范，將原本隱蔽的內在認知過程顯性化，即使思維過程可視化、外顯化，然后給學生呈現需要解決的問題，學生結合他們剛剛學到的認知策略和技能來探究問題，反思方法、闡釋原理、建構模型，教師在期間同步參與或觀察，引導注意、提供暗示與反饋、有針對性地搭建“支架”，提出附加任務與問題等。這是“認知學徒制”教學的一般模式。在該模式下，本環節學生將初步體驗探究實驗的過程，培養觀察與表達能力，訓練思維的嚴密性。

教師進行原電池的演示和講解后（示范），學生兩人一組合作實驗，通過銅鋅原電池的組裝、電流的測試等，發現原電池反應與氧化還原反應的關系，從微觀角度認識到電子通過導線定向移動，在正負極發生得失電子的氧化還原反應，離子在溶液中定向移動，形成閉合回路，從而產生電流。要求學生在實驗報告上及時記錄實驗現象，清晰“闡釋”原理，書寫正負極電極反應式。隨后教師給出新任務：根據學過的以下三個氧化還原反應分別設計原電池。

學生經交流討論，在教師的提示下完成設計，組裝原電池、測試正負極和電流。“認知學徒制”模式下的探究活動，反思機會處于中心地位。在完成每一個原電池的組裝、測試后，教師均須提醒學生對探究過程與認知策略進行反思，將自己的問題解決過程與教師或其他同學的做比較，從中汲取經驗，改進不足，提高探究的效率。最后，通過相互交流，學生進一步總結原電池原理，填寫實驗報告，建立起較為完整的單液原電池思維模型（建構模型）。

3.3 活動二：提煉雙池單液原電池模型

在“認知學徒制”中，概念與認知技能處于運用的情景之中，在變化的情景中通過運用而被學習，而這些變化的情景既有助于深化對概念或認知技能的理解，又有助于構建反映概念、認知技能與問題解決情景之間重要聯系的網絡，從而提高提煉知識、分析和解決問題的能力。本環節進入深化思維階段，設置以“桔子電池”為情景的探究活動，培養學生嚴謹的思維習慣和科學精神，建立實驗探究的思想。活動過程與成果為探究雙池雙液原電池做鋪墊和過渡，同時也使活動更具趣味性。

教師在“示范”單瓣桔子電池的構造后，學生分組實驗，通過交流“闡釋”原理，重新認識單液原電池。然后為學生發布新任務：測試下列兩種情況能否產生電流，并探究原因。

①電極插入兩瓣未分開的桔子

②電極插入兩瓣分開的桔子

學生實驗后，發現只有①有電流產生。引導學生通過討論交流、比較分析、查閱資料等尋找原因。教師根據情況適時提示，提供“支架”：兩瓣間的桔子膜具有“分區而又能讓離子通過”的功能。在學生找到答案并做清晰表達后，教師因勢利導，啟發思考：兩瓣分開的桔子不能產生電流，如何改進才能產生電流？學生以各種可能變因去思考，提出了幾種設想與方案并著手實驗：

A.把兩個桔子瓣分開并部分插入NaCl溶液中

B.用浸濕NaCl溶液的硬紙板或濾紙插在兩個桔子瓣之間

C.用浸濕NaCl溶液的燈芯線連接兩個桔子瓣

D.用導線連接兩個桔子瓣

實驗現象：A、B、C有電流，D無電流。如何解釋實驗結果？教師觀察學生討論的進展情況，根據“認知學徒制”的啟發式策略，以隱性的方式提供幫助：可從微觀和動態的角度展開討論，裝置中正負極分別發生了什么反應，電流是如何產生的？學生在交流討論、相互釋疑的思維碰撞中逐漸達成共識，對A、B、C能產生電流的原理做出完整闡釋，弄清了鹽橋的作用，利用對氧化還原反應概念的理解，從離子、電子的定向移動和相互作用，以及電荷平衡、閉合回路構成等角度形成了對雙池原電池裝置的認識。提醒學生對探究過程進行詳細的記錄，并在實驗報告中對雙池單液原電池的原理和鹽橋的作用做出分析和總結，在教師指導下修正完善，建立起雙池單液鹽橋原電池模型（分析與優化模型）。

3.4 活動三：建構雙池雙液原電池模型

“認知學徒制”中教師搭建“支架”，履行任務中學生還不能自己勝任的那一部分，對學生提供支持，但是及時地“淡出”也十分重要。隨著學生能力的增強，教師應逐漸移走“支架”，減弱學生對“支架”的依賴[4，5]。本環節學生進入更為自由的探究，根據反應Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu自主設計放電穩定的原電池。在問題情景中，通過建構雙池雙液原電池模型，培養學生的問題意識和提煉規律的能力。

首先，學生分組自主設計并連接原電池，發現開始時電流計指針發生大的偏轉，但電流很快衰竭，且兩電極上均有紅色的銅析出。經學生的討論，總結出原因：由于鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，銅在鋅片表面析出，鋅表面也構成了原電池，進一步加速銅在鋅表面析出，致使向外輸出的電流強度減弱。當鋅片表面完全被銅覆蓋后，不再反應，也就沒有電流產生。

如何改進才能獲得穩定而持續的電流？教師搭建“支架”：避免鋅與硫酸銅溶液直接接觸是產生穩定電流的前提，提示學生思考：可否利用已構建的雙池單液鹽橋原電池模型解決這個問題？學生動手探究，兩池都用硫酸銅溶液，發現電流仍不持久，鋅的表面仍有銅析出。指導點到為止，后面的探究交給學生獨立完成。

經過討論、反思，學生認識到負極區的電解質溶液并沒有參加反應，因而想到將其換成硫酸鋅或其他不與負極材料反應的電解質溶液，即可避免在鋅極表面析出銅，并能獲得持續的電流，而接下來的實驗證明了他們的思路是正確的。隨后通過對原理的交流和闡釋，提煉出設計雙液原電池的思路和方法，即：將氧化還原反應拆分為兩個半反應→判斷正負極→選擇電極材料→選擇正負極半電池的電解質溶液。任務完成后，學生及時在實驗報告上總結，補充、調整建構的原電池模型，建立完整的雙池雙液原電池模型（調整與重建模型）。

3.5 活動四：制作氫氧燃料電池演示儀endprint

在“認知學徒制”教學模式中，學生通過模仿、參與、討論、反思和闡釋，獲得基本問題的求解方法、策略和能力后，要增強學生學習的獨立性和自主性，利用他們所習得的思維技能來發現問題、解決問題、驗證假說、獲得結果。本環節進入探究創新階段，開放更大的探究空間讓學生完成實驗計劃，設計制作氫氧燃料電池演示儀，要求電解水（充電）與氫氧燃料電池放電能交替進行，并保證制作的演示儀現象明顯。目標是使學生較完整地體驗科學探究的基本要素，包括“提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、分析論證、評估、交流與合作”，進一步學習科學研究的方法，增進對科學的情感，培養互相協作的配合意識，在分析和解決實際問題中，提高實驗評價、實驗設計能力與創新能力[6]。

教師先給出概念支架：講解并與學生討論教材內（蘇教版高中化學2，第5版42頁）燃料電池的原理（圖3），再由學生分組實驗。

但實驗現象不夠明顯，放電時間很短。原因是什么，如何改進？學生展開討論，提出猜想、設計實驗、制定計劃，小組成員分工協作，對多種可能進行驗證，如采用表面積更大的石墨棒、改變電解液的種類和濃度、提高電解水的電壓、由外界輸入氫氣和氧氣，等等。在真實的任務情境中，學生表現出極大的探究熱情和良好的創新潛質，誠如“認知學徒制”所論述的那樣，真實的任務情境有效觸發了學生探究的“內部動機”。經反復實驗和文獻查閱，學生發現：石墨電極上氣體的活性和附著量是延長電池放電時間的關鍵因素，而充電時吸附在電極上的氫氣和氧氣活性大，因此必須改進石墨電極的制作，提高石墨棒對氣體的吸附量。通過實驗評估、篩選，獲得了幾種效果良好的方法：

A.用棉布或厚濾紙包裹石墨棒

B.用多孔篩狀橡膠纏繞石墨棒

C.用熱的濃硝酸處理石墨棒

D.用活性炭粉填充石墨棒內

這些措施均能有效延長電池放電的時間，解決了氫氧燃料電池演示儀制作中的難題。隨后，學生在演示儀的直觀性、易用性和外觀上也進行了改進。通過活動，學生加深了對電極和電極反應的理解，對設計制作化學電源的過程有了深刻的體驗，同時修正、補充、完善了自己建構的原電池模型（調整與重建模型）。實驗完成后，學生在隨堂實驗數據記錄和實驗報告的基礎上，撰寫并發表論文《氫氧燃料電池演示儀的創新制作》，與他人分享探究成果。

4 課程效果

以上原電池主題實驗各環節的安排，遵循“認知學徒制”的順序原則，逐漸增加有意義任務的難度和多樣性。脈絡清晰的原電池思維模型的建立，為學生解決復雜的電化學問題打下了良好的基礎，有助于學生學會思考復雜問題的方法，養成透過現象看本質的習慣。同時，學生在完成探究任務的過程中，通過設計和操作實驗、討論、反思、闡釋、總結等形式，將復雜的認知過程外顯化（與教師將認知過程外顯化的“示范”作用有所不同），促進了自我修正和自我監控等元認知技能的發展。

探究性實驗課程的構建，充分發揮了化學實驗的教育功能，在激發學習興趣、體驗科學探究、訓練科學方法、培養科學態度、學習化學知識、學會團結協作及表達交流技能等方面取得了較明顯的成效，實驗技能和實驗探究能力方面的進步尤為突出。期末測評中設置了一些問題以測量學生化學探究能力的發展水平，在回答“如何提高銅鋅原電池的電壓”時，70%的學生能深入考慮各種可能的變因，如：溶液中電極面積對電池的影響、鹽橋中電解質濃度對電池的影響、負極區使用不同的電解質溶液等，并能清晰地提出探究實驗的方案及實驗的可行性，說明各種步驟的控制變因與操縱變因，顯示學生的化學探究能力獲得了顯著的發展。

“化學探究性實驗”校本課程的研究和實施給教師的教學理念帶來了真實、根本的改變，并自覺在日常教學行為中貫徹始終，這是接受一般的新課程理念培訓很難達成的。觀念的更新與重塑為日常教學帶來了顯著的變化：教學過程更加重視實驗，千方百計為學生創造動手探究的機會，真心實意從強調知識的學習，轉向重視探究能力的培養，轉向重視提出問題與追尋答案的過程。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003：2.

[2]陳桂生.到中小學去研究教育——“教育行動研究”的嘗試[M].上海：華東師范大學出版社，2000：186～215.

[3]陳家剛.認知學徒制二十年研究綜述[J].遠程教育雜志，2010，（5）：98～102.

[4]王海珊.教與學的有效互動——簡析支架式教學[J].福建師范大學學報，2005，（1）：140～142.

[5]王磊.鷹架式教學：一種有效的教學互動[J].科教文匯，2007，（01上半月刊）：48.

[6]劉知新.化學實驗論[M].南寧：廣西教育出版社，2006：137～139.endprint