基于化學實驗活動發展學生認知能力的研究與探索

許虹宇 王蕾 曹寶 王靜姝 張顏濤 周興偉

摘要：實驗教學、實踐活動對發展學生核心素養有著不可替代的意義和價值。研究團隊運用認知學習理論深度剖析了當前實驗活動中存在的問題，積極尋找解決問題的策略方法。探索建構學習認知過程模型、實踐活動行動學習模式，建立實驗活動實施策略工程體系，挖掘多種實驗教學策略，為發展學生科學精神、認知能力和實踐能力進行實踐應用和探索，以解決利用實驗活動突破認知障礙、提升教學質量的關鍵問題。

關鍵詞：化學實驗活動；認知能力；行動策略

《中國學生發展核心素養》從三個領域（社會參與、自主發展和文化基礎）、六大素養（責任擔當、實踐創新、學會學習、健康生活、科學精神、人文底蘊）和十八個要點的層面對核心素養框架進行了描述[1]$$。2019年教育部發布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，對實驗教學與實踐能力提出了要求，實驗教學再次受到關注[2]$$。如何開展實驗教學以真正提高學生的認知能力、實踐能力，發展學生的創新思維；如何將實踐育人的理念轉化為人才培養的動力，是理科課堂教學人才培養的核心任務。

通過文獻梳理發現，關于認知能力和教學研究主要有以下兩個方面：一是心理學層面認知理論的研究；二是教學中認知能力培養策略的研究。教學中認知能力培養主要集中在基于學科教學的宏觀性培養，對于具體某項認知能力培養的研究還不多見，更缺少針對認知活動表現的研究；對于基于實驗活動的認知能力、認知能力水平層級的深入研究較為鮮見，開展基于實驗活動問題的認知行為研究、基于思維能力的優化升階研究變得極其重要而迫切。

從2002年科研立項“探究性學習教學方式研究”開始，在后續的“中學化學實驗設計與創新的研究”“真實情境的化學核心素養考查及教學策略研究”，再到全國教育科學“十四五”規劃教育部專項課題“立德樹人背景下義務教育階段香港與內地學生價值素養培育路徑比較研究”的調研之中，我們注意到實驗教學各階段存在諸多的問題：①學生在實驗中的參與度不高，還存在講實驗、看實驗、想實驗的情況。②實驗活動對學習內容知識建構的支撐力不足，還不能起到幫助學生深層次理解知識、體會原理的作用。③實驗問題的設置缺乏對于學生實驗素養培養的系統性。④缺少針對實踐活動實施的行動模型，缺乏科學合理的實驗環節建構，科學合理的實驗流程管理、環節規范和實驗績效評價體系。⑤缺乏對實驗活動多元課程資源的開發。⑥缺少實驗活動的學業質量評價體系。⑦學生參與實踐活動的機會過少，給學生創新實踐的空間還不足等問題。

為落實好課程育人任務，完成素養育人的培養要求，對基于化學實驗活動發展學生認知能力的研究進行總結梳理，確定了解決問題的過程與方法（見表1）。

基于化學實驗活動發展學生認知能力的研究與探索以實踐觀為統領，以認知學習理論研究為基礎，以建構學習認知過程模型、實踐活動行動學習模式為抓手，以運用高效的實驗教學策略支持學生實踐能力培養為目標，以優質資源和課程體系為內容承載工具而開展。用實驗活動實施策略工程來表征行動建構模式、實施策略、行走路徑的成果與學科觀念、實踐能力、核心素養之間的脈絡關系。挖掘多種實驗教學策略，為發展學生科學精神、認知能力和實踐能力進行有意義的實踐應用和探索。運用調查研究、理論建構、實驗對比、課題研究、實證分析、演繹推理等方法和手段，主要解決以下問題：

一是通過學習認知過程模型、實踐活動行動模型建構，解決學習過程與認知過程、實驗活動與能力培養的割裂問題，強化對問題研究的理論指導性、科學性和規范性。

二是通過建立實踐活動實施策略工程圖，解決了育人能力指向不明確，研究方向、維度不清晰的問題。

三是通過實驗普及性開展研究，解決實驗活動中學生參與水平不高，動手實踐能力差的問題。

四是通過實驗優化創新的研究，解決實驗對學生認知深度的建構、思維能力的高階培養效果發揮還不明顯的問題。

五是建課例群、案例庫、作品集，形成課程資源體系，解決了實驗實踐資源匱乏的問題。

六是開展實踐性實驗課程研發，解決了實驗活動路徑單一、內容固化、形式單調的問題。

（一）提出了實驗活動普及性開展策略

1.開發生活代用品實驗箱

開發了學生的自主實驗箱，具有靈活性、便利性、自主性特點，彌補了實驗活動開展受限問題，增強學生實驗體驗。同時，實驗箱可以幫助學生完成興趣實驗、實驗作業，養成實驗思維，培養實驗信息感知能力和品質。

2.構建了“以賽評教”的實驗教學評價方式

通過診斷學生在做實驗過程中呈現出的知識、能力、情感等方面的綜合發展水平來確定教師的教學水平的評價模式。主要采取隨機性和限時性兩種評價方法。同時研制了實驗操作考核評價標準，實驗操作考核題目，制定了實驗教學評價考核方案。

（二）提出了發展認知能力的實驗活動創新優化策略

1.實驗創新優化設計

研制了實驗創新設計評價標準。針對教材實驗、習題實驗、學生實驗，從實驗現象顯性化、提高實驗成功率、實驗結論得出邏輯層級結構、實驗對知識理解建構支持程度、實驗原理解析準確度等進行改進、增設或替換的優化設計。優化后的實驗能夠為學生知識建構、能力培養、高階思維形成、問題解決提供更強的價值支持，也能更好地完成化學素養的培養與達成。

2.數字可視化實驗研究

開展了利用數字化實驗系統的實驗研究，同時探索了將手機、高清攝像機等數碼產品引入實驗中，借助數碼科技的連拍、灰度值等技術的應用，增強實驗的可視性、數據性、圖像性轉化。幫助學生形成微觀想象力，建立微粒觀，建立宏觀現象和微觀本質的聯系；同時將化學反應的微觀過程轉化為數理分析，幫助學生分析和洞察微粒的變化和反應過程，培養學科理解能力。以此成果研發的課例“測定補血劑中鐵元素含量的實驗設計”在全國多項大賽之中獲獎。

3.課堂實驗活動設計與實施

在實驗創新優化設計基礎上，研究優化實驗在課堂上的應用和實施。開發實驗在課堂學習的價值力，梳理實驗活動在課堂教學中開展策略，使實驗活動發揮對學生學習助力的最佳價值。探索了探究活動、小組活動、問題設置等組織實施策略。開展實驗教學“研課、研評、研展、研討”四研主題活動，評選出了優秀案例、課例。

4.實驗習題的研究

通過構建系統性、序列性的相關實驗問題、實驗習題體系，幫助學生建立深度思維邏輯[3]。開展凸顯實驗習題的學科特色人教版教材習題改編活動，建立實驗素養階梯性培養的習題邏輯設置策略。形成了“實驗基本技能———實驗方法了解———定性實驗———制備實驗———定量實驗———探究實驗———實驗實踐活動”的遞進設計思路，建立實驗習題庫，編制了《實驗導學》叢書，開展了“六技”教學技能展示大賽。

（三）開發了實踐型實驗活動實施路徑

1.跨學科實驗課程

以學科實驗研究為基礎，開展跨學科實驗融合課程研究。以基地校開展活動為主體，建立跨學科研究活動小組，通過確立相關主題，研制開發通過多學科整合，以實驗為基礎綜合性開展問題學習和研究。跨學科實驗綜合課程為學生提供實驗模擬平臺和實踐空間，引導學生在解決實際問題的過程中建立問題意識、形成創新精神和實踐能力，進而內化為學科素養。

2.實驗家庭作業

開展了學科課后實驗作業研究，拓展了學生的作業形式，發揮了實驗對學生學習助力作用。開發形成家庭實驗作業資源包，通過實驗作業，激發學生的學習興趣，引發學習思考，內化學習能力，提高科研素養。

3.科普家庭實驗

將實踐活動與科普推廣相結合是課后拓展實驗活動的方向之一。選編部分符合學生認知水平、引發學生深度思考的科普實驗、實踐活動，建立學生科普實驗實踐資源集，編寫了《實驗與實踐》科普專著。

4.項目化學習

根據學生的認知能力水平，圍繞學科知識拓展、學科知識與生活實踐、學科知識與職業規劃、學科高新科技、跨學科知識融合項目等內容。開發項目化學習主題，組織開展項目化學習。通過項目化學習，學生的實踐能力、問題解決能力、綜合分析能力、科研能力、團隊合作意識、社會責任感等顯著提高。項目化學習實踐讓學生從課上走向課下，從學科走向多元，從學校走向社會，凸顯實踐育人綜合價值。

實驗活動在實施研究過程中，積累了大量的實踐活動資源。例如：實踐活動課程、案例，如《家庭實驗作業》《跨學科實踐課程案例》《項目化學習案例》《社會實踐活動案例》《校本課程案例》；科普活動成果資源，如《科普家庭實驗》《實驗與實踐》《健康與生活》《走進化學百科》科普叢書；教學案例、作品，如《實驗教學優秀案例成果集》《實驗課堂教學大賽案例》《實驗創新優化設計作品集》《實驗導學》；實施方案、制度、標準，如《實驗操作考評方案》《實驗優化創新評價標準》《教學儀器裝備行業標準》等。

2002年，學院課題“探究性學習教學方式研究”標志著研究的起點，經歷了從2004年課程教材研究所重點課題“在新課改形勢下教學模式研究”、省教育學會重點課題“中學化學實驗設計與創新研究”、中國教育學會“十三五”重點課題“真實情境的化學核心素養考查及教學策略研究”、黑龍江省教育科學規劃2017年度重點課題“核心素養視閾非連續文本功能與使用策略研究”，到全國教育科學“十四五”規劃2021年度教育部專項課題“立德樹人背景下義務教育階段香港與內地學生價值素養培育路徑比較研究”，在20余年的研究與積累中，研究成果在國家、省級的多種類型、多種模式的研討會、展示會展示，通過全省化學學科多層次、多角度賽事、項目、課題等交流活動的歷練，取得如下應用效果：

（一）促進學習方式改變，有效提升了學生的認知能力、思維水平

成果的應用為學生提供了解決疑難問題、破解思維障礙、尋找科學答案的行動路徑。增強了學生的自主探究、協同發展的空間，幫助學生以行動學習的方式建構關鍵能力和思維品質。不僅成為學生學習新知識、建構科學理論的工具，還成為創造性解決問題的武器，得到廣大師生的高度認同。近年來，中高考中實驗探究、推理分析、問題解決、設計優化等試題的得分率有較大幅度提高。

（二）有力提升了教師實驗教學水平和研究能力

成果通過全省實驗課題研討會、“實驗五環節”大賽等主題教研活動，幫助教師建立用學科內和學科外“行動思維”研發案例的思想、以實施流程和要素幫助教師開展個性化實踐研究，提升了教師的教學水平和研究能力。十幾名教師運用該成果在教育部基礎司、中國教育裝備行業協會舉辦的實驗說課大賽、實驗創新大賽上獲得優異成績。項目主持人作為點評專家先后4次承擔實驗說課大賽的現場評審、6次網絡評審。

（三）建立了多元的優質資源，輻射作用及成效顯著

應用該模式研發的化學實驗課例集、視頻資源、習題資源，被人民教育出版社出版的義務教育《化學》教材、教學用書采用，印證了成果的科學性和價值。創設的行動學習新模式、構建的活動任務設計單、實踐課程體系和網絡空間資源，獲得廣大教師的認可，說明成果可復制、可推廣。

“以課例為載體的系列化教研模式研究與實踐”“初中化學實驗課有效性研究與實踐”“高中化學實驗改進與實驗研究”分別獲得2015、2018年黑龍江省基礎教育教學成果一等獎。

依據研究成果，主編了系列科普叢書《走進化學百科———健康與生活》；《實驗與實踐》等系列科普書籍在化工出版社出版；主編參編的教材、教輔資料10本；發表論文20多篇。

（四）獲得國內同行的高度認可

該成果在省內外得到廣泛推廣應用，到省外交流發言10余次，展示課30余節。成果在教育部基礎教育司、中國教師發展基金會、中國教育裝備行業協會、中國知網聯合舉辦培訓活動中做介紹；項目主持人作為專家參加高中理科及小學科學教學裝備配置標準8個學科制修訂項目結題鑒定會，參與2022版新課程方案、新課程標準的修訂工作，承擔義務教育學業質量測評任務等。

參考文獻：

[1]林崇德.中國學生發展核心素養：深入回答“立什么德、樹什么人”[J].人民教育，2016（19）.

[2]中華人民共和國教育部.關于加強和改進中小學實驗教學的意見[EB/OL].（2019-11-28-）[2022-11-21].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html.

[3]許虹宇.實驗導學，初中、高中[M].哈爾濱：黑龍江教育出版社，2010：1-160.

見習編輯/張婷婷