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1、例谈高中化学实验探究的教学设计北京市陈经纶中学 曹宇辉崇文区教育研修学院 傅志杰摘要：高中化学课程改革以培养学生科学素养为宗旨，积极倡导让学生亲身经历以探究为主的学习活动，而化学实验就属于科学探究的一种重要方式和途径，学生掌握基本的实验方法，具备一定的化学实验技能和实验能力，是进行科学探究活动的基础和保证。新教材的必修模块突出科学探究活动的设计，探究教学可划分为两种过程，一是发现知识的探究，二是解决问题的探究。在新课程教学实践中我们应该重视实验和各类实践活动，提倡自主探究、合作交流的学习方式，鼓励学生敢于质疑，敢于创新，最终促进学生的终身可持续发展。关键词：高中化学实验探究教学设计一、背景分析
2、在国家颁布的化学课程标准中要求让学生有更多的机会主动地体验探究过程，在知识的形成、联系、应用过程中养成科学的态度，获得科学的方法，在“做科学”的探究实践中逐步形成终身学习的意识和能力。义务教育初中化学新课程“将科学探究作为课程改革的突破口”，倡导以科学探究为主的多样化的学习方式，激发学生的主动性和创新意识，促使学生积极主动地学习。高中化学新课程在义务教育化学课程的基础上，进一步倡导“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程”“重视探究学习活动，培养学生的科学探究能力”。随着北京市2007年进入高中新课程，化学实验探究教学已成为一种重要的教学模式。以培养学生科学素养为主旨的化学
3、新课程改革，其突出特征就是强调科学探究。高中化学新课程给予化学实验更充分而全面的关注。在高中化学课程标准中，无论是在课程理念、课程目标、内容标准，还是在教学建议、评价建议、教科书编写建议、课程资源的开发与利用建议中，都对实验进行了系统的讨论。高中化学课程改革以培养学生科学素养为宗旨，积极倡导让学生亲身经历以探究为主的学习活动，培养他们的好奇心和求知欲，发展他们对科学本质的理解，培养他们的科学探究能力。而化学实验就属于科学探究的一种重要方式和途径，学生掌握基本的实验方法，具备一定的化学实验技能和实验能力，是进行科学探究活动的基础和保证。在大力开展科学探究的新课程改革推动下，化学实验也被注入了新鲜
4、血液，格外引起化学教育教学的重视。课程标准中的“活动与探究建议”里提供了许多实验活动，原因之一就是为了突出学生的实验探究活动，转变学生的学习方式。二、高中新课程模块的实验探究内容分析新课程突出以学生的发展为本，倡导自主、合作、探究的学习方式，对新教材的设计和呈现提出了新的要求，即以学生的学习为中心，为自主、合作、探究式学习提供支撑。可以说，以事实性知识的呈现为中心还是以学生的学习为中心，成了新旧教材的分水岭。科学探究内容的教学和学习目标的实现，必须让学生亲身经历丰富多彩的探究活动。普通高中化学课程标准（实验）在内容标准中对各个主题的学习都提出了探究活动的具体建议，这就为教师理解和实施“科学探究
5、”教学提供了有效的指导。对于“活动与探究建议”中的探究活动，可以从不同的角度对其进行分类，以便于教师把握。新教材的必修模块突出科学探究活动的设计，让学生尽可能通过探究活动来学习化学知识。教材在内容的呈现上，不是把现成的结论直接告诉学生，而是从学生已有的生活经验出发，创设生动活泼的学习情景，引导学生自己去发现和提出问题、做出假设和猜想，设计方案，并通过观察、实验、阅读、思考、讨论等活动，获得对知识的理解。在课程内容方面，教学大纲只是从演示实验和学生实验两个方面规定了教学中的实验内容。而新课程必修模块则在这方面有了非常大的改变。首先，从实验内容的范围来看，不仅要让学生“初步学会物质的检验、分离、提
6、纯和溶液配制等实验技能”，还要“认识实验、假说、模型、比较、分析等科学方法对化学研究的作用”，“体验科学探究的过程，学习运用以实验为基础的实证研究方法”，“树立安全意识，能识别化学品安全实验标识，初步形成良好的实验工作习惯”等等。可见，课程内容对于实验的挖掘是非常全面的。其次，从实验内容的涵义来看，不仅规定了学生要学习的实验内容，而且还在“活动与探究建议”中给出了相应的各种实验活动。教学大纲仅重视告诉学生在化学实验中应该学什么、学到什么程度，而课程标准还进一步提供了如何学、怎样学的弹性建议。三、实验探究教学设计及案例分析探究教学设计是在对教学环境中的探究活动所涉及的各种因素进行系统分析的基础上
7、，对探究教学活动进行合理规划的活动过程，也是一个把一般教学设计原理运用到探究教学中去的过程。在这个过程中，设计者一定要牢牢把握教学环境中探究活动的特点，根据不同的内容和环境灵活地对教学活动进行周密的安排。在化学教学中，以过程与方法为轴线开展实验教学，既重视学生知识与技能的建构，又强调学生情感、态度与价值观的提升，应是开展实验教学的最终目标。1形成新知识的实验探究这种探究课的教学设计是形成新知识的探究，强调内容的重要性。因为知识是探究活动得以开展的基础，如果缺乏必要的知识，探究活动显然无以为继。每一学科的基本知识和基本结构是不会有很大变化的，而这些基本知识和基本结构则为学生今后的发展和处理人间事
8、务提供了必不可少的基础。因此要根据内容来确定教学目标，安排探究活动，整个探究教学序列的安排要符合学科的内容架构。（1）化学实验条件的探究以蔗糖的水解为例。人教版高一必修2第三章第四节基本营养物质中的实验3-6“蔗糖的水解”，如何证明蔗糖水解的产物是葡萄糖的教学片断体现了由演示法、问答法和探究法三种方法融合而成的实验探究教学模式的组合教学方法（见下图）。在现实化学教学中，许多教师缺乏对实验条件的深入分析。比如，探讨影响化学反应速率因素的实验，不少教师只是演示给学生看，先出现现象的反应速率快从而得到影响速率的因素，很多教师到此为止，而没有对实验中溶液为何采用相同浓度或相同温度进行分析。这其实是一种
9、重要的科学方法变量控制。因为只有这样，反应速率才仅与其中一种因素有关。所以，教师深入分析教材中的实验内容，挖掘出其中蕴涵的探究因素，通过探究性实验真正促进学生科学素养的提高。（2）化学性质的探究例如必修2第四章学习二氧化硫的化学性质时，设计实验验证SO2和NaOH溶液发生反应。此实验无明显现象，学生设计实验：可以用加入指示剂的方法验证。向滴有酚酞的NaOH的红色溶液中通入SO2，红色褪去，证明发生反应。有学生提出：溶液褪色也可能因为SO2具有漂白性使红色酚酞变成了无色的物质。学生分析：方法一：向上述刚好褪色的溶液中再滴入一些NaOH溶液，若红色复出，则是因为第一种解释对，否则第二种解释正确；方
10、法二：加热褪色后的溶液，若红色不再复出，则是因为第一种解释对，否则第二种解释正确。然后学生进行实验，得出结论。学生设计SO2的还原性应表现在它与氧化剂的反应上，可通过SO2与卤素单质水溶液、过氧化氢等氧化剂的反应来证明它的还原性。学生进行实验，观察实验现象。但是发现SO2和双氧水无明显现象，教师可马上追问如何设计实验证明SO2和双氧水是否发生反应。学生分析：SO2和双氧水若发生反应生成SO42-，可通过检验SO42-的存在证明。学生设计实验并证明。教师通过以上一些实验探究活动可以使学生更好地掌握SO2的化学性质。不过教师在讲授新的元素化合物知识时如果进行探究活动就要强调基本知识，以便于通过探究
11、活动获得比较系统的知识。下图是南京师范大学化学教育研究所的孙同明和李广洲的文章问题解决教学与中学化学实验中提出化学实验问题解决教学的实施程序2应用新知识的实验探究以氯水成份的探究为例。关于人教版必修1第四章第二节富集在海水中的元素-氯，一位老师设计了如下的关于氯水成份探究的教学流程（见下图）。本节课采用实验探究教学模式。在探究氯水使滴有酚酞的NaOH溶液褪色原因时，分为五个阶段：（1）创设问题情境阶段：通过教师创设问题情境，激发学生探究褪色的兴趣。这一步骤对学生的元认知策略、问题解决技能和态度学习均有十分重要的意义。它主要是让学生形成清晰的目的图式，奠定解决问题的方向，引起学生对探究活动的动机
12、和兴趣。因此教学者必须提供有一定难度的问题。（2）提出假设阶段：一种假设是同学认为是氯气与水反应生成的HCl和HClO中和了NaOH碱性所致；另外一种假设是同学认为是氯气与水反应生成的HClO具有强氧化性使红色酚酞变成了无色的物质。在这个步骤中，一些一般的认识策略和智慧技能得到了学习。由于这一步是问题解决十分关键的一步，因此，首要的教学事件就是教师或其他指导者不要对学生进行过多的干涉，即使有时学生的假设看起来相当幼稚。只有这样，我们才能使学生真正获得问题解决的能力，也只有这样，对科学的本质、科学家工作的真谛学生才能真正领略到。第二，有时学生的注意偏离了问题本身，教师不妨给予简单的提醒，但这种提
13、醒决不能干涉学生对问题的思考，仅仅帮助学生提起元认知的监控作用，不偏离目标而已。（3）设计实验方案阶段：在分组讨论中学生将自己各种假设汇总，在相互交流中相互分析、相互纠正形成正确的实验方案过程。此过程尽量地展现学生的思维，通过学生与学生的交流、评价，相互补充、相互纠正形成正确的认识，教师是创设各种学生需要的条件，为学生解决问题提出帮助，调动学生积极参与学习过程。就设计过程而言，学生主要是在进行智慧技能的学习，因此，教师必须为学生提供充足的验证条件，有实验的还要提供完备的实验设备。对验证过程，教师不妨以一个参与探究者的身份，参与到活动中去，对个别重要条件予以言语提醒，但和上面过程一样，不要急于去
14、干涉学生的活动。（4）实验验证阶段：学生通过上述分析设计实验方案并实际操作。培养学生的实验动手能力和观察能力。这一步骤对于智慧技能、认知策略、言语信息的学习起作用。（5）解决问题得出结论阶段：学生通过实验现象的分析讨论，得出正确结论。在这个阶段学生会逐步学习分析实验的现象、得出结论的技能和进行小组合作的态度和方法。当学生通过口头或书面的形式表达出来时，表明学生已经把新的言语信息与以往的认识结构联系了起来，也即通过了语义编码过程。这个策略的习得对学生今后的学习是很有帮助的。然后教师布置实验习题巩固加深学生对氯水成分的认识，培养学生灵活运用知识解决问题的能力。进一步训练学生对科学探究的一般过程与方
15、法的认识和掌握。在本节课中教师就是选取氯水的成份这个知识点展开探究活动的。让学生根据实验目的和原理设计评价方案，独立完成有关实验。可以说实验探究的过程是一个不断优化实验、优化思维的过程，对学生而言难度虽大，但可以有效地训练他们的实验能力，培养学生的创新精神和实践能力，培养学生在观察中发现、在发现中思索的能力，实现知识、技能的统一。教师在指导学生探究性实验过程中，应充分发挥学生的主体作用，并从多方面开发学生的思维，使学生始终处于不断探索的情境中。从而激发学生的创新思维，提高学生的创新能力。这种探究课的教学设计是应用新知识的探究，强调对学生探究技能和思维能力的培养。即要把能力的培养作为第一依据。至
16、于选择什么内容，则是次要的事，只要通过这种内容的学习能够培养出学生特定的能力即可，内容只不过是获得能力的媒介而已。这种设计有时甚至可以要求根据能力的序列发展，重新编排内容，至于内容的体系如何，则是另一回事。例如我们在必修1中学习元素化合物中可以设计一些探究实验：对于CO32-和HCO3-结合H+能力，甲认为HCO3-结合H+能力强，理由是在等质量的碳酸钠和碳酸氢钠固体中加入等体积等浓度的盐酸，碳酸氢钠固体中产生气体速率快；乙认为CO32-结合H+能力强，理由是在同一温度下同浓度碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液的pH，前者大于后者。可以启发学生设计实验：取相同体积、相同浓度的碳酸钠的碳酸氢钠溶液放入同一
17、试管中，再滴加盐酸，如果马上有气泡产生，则是HCO3-先结合H+；如果是滴入一定量盐酸后才产生气泡，则是CO32-先结合H+。3实验探究教学分析及其要注意的问题上述两类探究设计的优点是明显的。内容取向强调基本知识，便于通过探究活动获得比较系统的知识，而且这种取向更便于利用现有的教科书。能力取向则立足于能力的发展，大大地促进了学习的迁移性，使学生的能力得以迅速提高。探究教学设计的两种路径探究活动有两种过程，一种是发现的过程，一种是问题解决的过程，所谓发现的过程就是探究者根据一定的原理，对事物进行有目的的观察后，得出具有逻辑合理性的概念、原理或规律等；所谓解决问题的过程，就是探究者综合运用各种概念
18、、原理或规律来解决一个比较复杂的问题的过程。前者更多地具有归纳的意味，而后者则运用的是演绎思维。不管哪类设计从探究的本意来说，可以激发学生的学习兴趣，激励他们的探究精神，磨练克服困难，获取成功的喜悦。在化学实验探究活动中教师和学生的活动可以概括为下图：通过探究性实验的开展，一是有利于增强学生学习化学的浓厚兴趣，调动学生的学习积极性。二是有利于发展学生的智力，有效地培养学生的实验操作能力，观察能力，思维能力和创造能力。三是有利于培养学生的科学态度。在新课程教学实践中我们应该重视课程内容与现实生活的联系，重视实验和各类实践活动，重视研究性学习，提倡自主探究、合作交流的学习方式，鼓励学生敢于质疑，敢
19、于创新，最终促进学生的终身可持续发展。在进行实验探究教学设计时要注意以下问题：（1）探究的选题要注意适度、能引起学生兴趣和具有可操作性。第一，选择的探究内容对于学生来讲，通过对他们已有的知识、能力的提取和综合，是可以进行探究并能得到结果的，但是，这些内容对学生来讲决不能毫无疑问、不费努力即可解决。适宜的难度要求探究的内容具有适度的不确定性，其变量的多少要以学生能够掌握和控制为限度，过多的变量使学生产生过多的疑惑。第二，能够满足学生现实需要的内容能够引起学生兴趣。这也是当代科学教育把目光转向学生生活、选择切合学生实际内容的原因之一。学生有一种天生的好奇倾向，喜欢探索未知世界，喜欢探究问题的答案。
20、随着问题的解决，学生的好奇心得到了满足，也同时感受到了成就感，这些成为他进一步探究的动力所在。第三，探究教学的特征决定着探究内容应具有可操作性，即探究内容是可以通过有步骤的探究活动得到答案的问题。一是探究的结果与某些变量之间具有因果联系，这种因果联系通过演绎推理是可以成立的。二是这种因果联系在现有条件下可以通过探究活动而证明。所谓现有条件，即是一方面是指现有的物质条件，如学习材料、实验设备等。另一方面指学生已有的知识准备、技能准备等。（2）以学生为主体，教师是学生学习的高级合作者，是引导者、组织者、促进者。探究教学在实质上是一种模拟性的科学研究活动。具体说来它包括两个相互联系的方面：一是有一个
21、以“学”为中心的探究学习环境。这个环境中有丰富的教学材料、各种教学仪器和设备等，而且这些材料是围绕某个知识主题来安排，而不是杂乱无章；有民主和谐的课堂气氛，使学生很少感到有压力，能自由寻找所需要的信息、自己作种种设想、以自己的方式检验自己设想。总之，这种环境要使学生真正有独立探究的机会和愿望，而不是被教师直接引向问题的答案。二是教师给学生提供必要的帮助和指导，使学生在探究中能明确方向。这种指导和帮助的形式与传统教学中教师的作用有很大的不同，主要是通过安排有一定内在结构、能揭示各现象间的联系的各种教学材料，以及在关键时候给学生必要的提示等。实验的成功，结论的得出，将使学生初步尝试科学探究的乐趣，
22、从而激发学生的学习积极性和主动性，使他们在主动探究的同时，受到科学方法的训练，逐步认识和熟悉科学思维的一般规律。这有利于培养学生的创新精神和实践能力，提高学生的科学素质。由于实验、讨论是以小组形式进行，可充分调动每个学生参与的积极性，比传统教学要求学生承担更多的管理任务，使他们真正成为自主的思考者和学习者，从而取得良好的教学效果。教师在学生进行探究活动时应做到认真倾听学生的讨论、意见，必要时要介入学生的讨论中去，最后还要进行点评。主要参考文献1刘知新主编，化学教学论，北京：高等教育出版社，1990年。化学教学系统论，南宁：广西教育出版社，1998年。2毕华林，刘冰，化学探究学习论，济南：山东教育出版社，2004年。3（美)ShirleyRSterg，易进译，学生作为研究者，北京：中国轻工业出版社，2002年内蒙古师范大学学报(教育科学版)等。