基于翻轉(zhuǎn)課堂的科學(xué)探究典型案例研究

夏建華+宮朋飛

摘要：以“探究鈉燃燒實驗中黑色產(chǎn)物的成因”為例，探索了在翻轉(zhuǎn)課堂模式下將科學(xué)探究的主要環(huán)節(jié)置于課前和課中進行，以有利于提升科學(xué)探究的品質(zhì)，促進師生交往、積極互動，拓展課堂的開放性。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂；科學(xué)探究；控制變量；鈉燃燒

文章編號：1005–6629（2015）2–0036–04 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

翻轉(zhuǎn)課堂，是指在信息化環(huán)境中，教師提供以微課為主要形式的學(xué)習(xí)資源，學(xué)生在上課前學(xué)習(xí)微課并完成進階練習(xí)或相關(guān)任務(wù)，師生在課堂上一起完成作業(yè)答疑、協(xié)作探究和互動交流等活動的一種新型的教學(xué)模式。在翻轉(zhuǎn)課堂中，教學(xué)組織形式從“課堂授課聽講+課后完成作業(yè)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢n前自主學(xué)習(xí)+課堂協(xié)作探究”。從教學(xué)設(shè)計的角度看，翻轉(zhuǎn)課堂是一種在線教學(xué)和課堂教學(xué)相結(jié)合的混合式教學(xué)設(shè)計[1，2]。我們認為，作為理科課程的翻轉(zhuǎn)課堂，不僅要關(guān)注知識的傳授（微課學(xué)習(xí)知識點，課堂上鞏固強化知識），更要關(guān)注讓學(xué)生通過科學(xué)探究獲取知識。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)中如果都是知識傳授型教學(xué)模式，那科學(xué)探究就會被淡化。而化學(xué)學(xué)科有很多知識是通過探究獲得的，高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)也指出：“通過以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，使學(xué)生體驗科學(xué)研究的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強化科學(xué)探究的意識，促進學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力?！睘榇耍诜D(zhuǎn)課堂課題研究中，我們探索了知識傳授型、科學(xué)探究型和習(xí)題訓(xùn)練型三種翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。

科學(xué)探究的基本過程主要有提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗、進行實驗、觀察現(xiàn)象、結(jié)論與解釋等要素構(gòu)成，而表達與交流、反思與評價則滲透在上述各要素的發(fā)生過程中。傳統(tǒng)課堂上，面對一個真實的探究過程，要在短短的一堂課中完成探究的全過程，通常很難實現(xiàn)。即使是勉強完成，也可能是點到為止，學(xué)生很難發(fā)生高品質(zhì)的思維活動和高質(zhì)量的交往與互動。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，學(xué)生有更多的時間在課前圍繞微課提出的問題完成部分探究過程（如提出假設(shè)、設(shè)計實驗等），課堂上則能圍繞核心問題在互動基礎(chǔ)上進行余下的探究活動。本文擬以“探究鈉燃燒實驗中黑色產(chǎn)物的成因”為例，研究基于翻轉(zhuǎn)課堂的科學(xué)探究基本模式。

1 微課的設(shè)計及教學(xué)基本思路

本節(jié)課的教學(xué)對象是已學(xué)過鈉的相關(guān)知識的高二學(xué)生，學(xué)生在學(xué)習(xí)《化學(xué)1》時都知道鈉燃燒時生成淡黃色過氧化鈉的事實，但實際上鈉燃燒時還有大量的黑色物質(zhì)出現(xiàn)（詳見人教版教科書插圖）。本課題設(shè)計的意圖是讓學(xué)生通過科學(xué)探究來解決這一認知沖突。

1.1 課前——觀看微課、設(shè)計實驗方案

學(xué)生在課前觀看教師制作的微課（見表1），觀察到鈉燃燒后產(chǎn)物中有較多的黑色物質(zhì)。為探究黑色物質(zhì)是什么，學(xué)生根據(jù)教師在微課中提出的4個假設(shè)，自主地上網(wǎng)查詢相關(guān)信息，設(shè)計實驗方案。

1.2 課堂——完成科學(xué)探究

1.2.1 交流、研討、完善實驗方案

學(xué)生以小組為單位交流、研討各自設(shè)計的實驗方案，然后各組在班級交流。全班同學(xué)針對4個假設(shè)逐一討論相關(guān)的方案，最后在教師的指導(dǎo)下形成共識。

1.2.2 進行實驗、觀察現(xiàn)象、結(jié)論與解釋

學(xué)生分組各完成一個假設(shè)的驗證實驗。各小組在班級匯報交流各自的實驗現(xiàn)象、結(jié)論與解釋。

本節(jié)翻轉(zhuǎn)課堂的科學(xué)探究過程中各要素及其行為主體結(jié)構(gòu)如下：

2 翻轉(zhuǎn)課堂主要教學(xué)過程

2.1 課前觀看微課，設(shè)計實驗方案

學(xué)生課前在翻轉(zhuǎn)課堂平臺上自主觀看微課，在網(wǎng)上獲取金屬鈉和石棉網(wǎng)的成分，針對教師提出的4種假設(shè)自主設(shè)計實驗方案。

2.2 課堂完成探究，得出結(jié)論

2.2.1 展示和研討，形成實驗方案

學(xué)生以小組為單位交流、研討各自設(shè)計的實驗方案，然后各組在班級交流本組討論后確定的實驗方案。全班同學(xué)針對4個假設(shè)逐一討論相關(guān)的方案，最后優(yōu)選出可行的實驗方案如表2所示。

在交流與互動的過程中，教師針對性地引導(dǎo)學(xué)生對相關(guān)方案進行分析和評價，如針對假設(shè)3，學(xué)生共提出三種方案：

方案1：將除去表層的鈉置于玻璃管中，通入二氧化碳氣體后，點燃金屬鈉，觀察產(chǎn)物顏色。

方案2：將除去表層的鈉分別置于玻璃管中，將空氣和純氧分別通入試管中，點燃金屬鈉，比較燃燒后產(chǎn)物顏色。

方案3：將除去表層的鈉分別置于玻璃管中，將空氣和除去二氧化碳的空氣（將空氣通入堿石灰）分別通入試管中，點燃金屬鈉，比較燃燒后產(chǎn)物顏色。

教師根據(jù)上述方案，提出如下問題讓學(xué)生反思和評價：

驗證假設(shè)3的三個方案中，哪些方案不合理？哪個方案最優(yōu)？說明理由。

學(xué)生分組討論后，對這三個方案進行了如下評價：

方案1只能證明Na能在純的CO2中燃燒，但并不能表明Na能和濃度約為0.03%的空氣中的CO2反應(yīng)。該方案存在的問題是沒有控制好實驗的變量，方案中出現(xiàn)了氣體成分和濃度都不同的兩個變量。

方案2也沒有控制好實驗的變量。純氧和空氣比較，除了不含二氧化碳外，其氧氣的濃度也不同，出現(xiàn)了氣體成分和濃度都不同的兩個變量。

方案3較好地控制了實驗的變量——兩種氣體中唯一不同的是二氧化碳含量。如果黑色產(chǎn)物明顯減少，則表明黑色產(chǎn)物與CO2有關(guān)。

再如有同學(xué)針對假設(shè)1～4提出了一個總的驗證方案：將除去表層的鈉在通有氧氣的玻璃管中加熱，如果沒有黑色物質(zhì)出現(xiàn)，表明假設(shè)4不成立，假設(shè)1、2、3中可能有一種或多種假設(shè)成立；如果產(chǎn)物中有黑色物質(zhì)出現(xiàn)，表明假設(shè)4成立，假設(shè)1～3不成立。

此時，教師適時點撥學(xué)生進行思考：針對黑色產(chǎn)物，教師只提出了其中的四種假設(shè)，可能還有更多的假設(shè)，如物質(zhì)聚焦?fàn)顟B(tài)、高溫下顏色的改變等等。在此基礎(chǔ)上學(xué)生認識到在假設(shè)未窮盡的情況下，用非此即彼的思維方式設(shè)計方案可能會出現(xiàn)錯誤，從而引導(dǎo)學(xué)生辯證地對該方案進行了如下的評價：

（1）該方案中，如果無黑色產(chǎn)物出現(xiàn)，不能證明假設(shè)4成立，也不能證明假設(shè)1、2、3中可能會有一種或多種假設(shè)成立，因為假設(shè)沒有窮盡，黑色物質(zhì)還可能是其他原因造成的。

（2）該方案中，如果有黑色產(chǎn)物生成，不能證明假設(shè)4成立，理由同上；也不能排除假設(shè)1、2或3，因為產(chǎn)生黑色物質(zhì)的原因可能不止一個。

2.2.2 進行實驗，觀察現(xiàn)象，解釋現(xiàn)象，得出結(jié)論

學(xué)生分4個組分別完成驗證假設(shè)1～4的相關(guān)實驗，然后分享各組觀察到的實驗現(xiàn)象，得出結(jié)論。

驗證假設(shè)1：

教師引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)論進行了充分的討論，引導(dǎo)學(xué)生得出探究結(jié)論后強調(diào)：通過上述探究，我們驗證了假設(shè)1～4，表明黑色物質(zhì)的成因較復(fù)雜，與石棉網(wǎng)、鈉表面的煤油、空氣中二氧化碳和鈉中含有鐵元素等多種因素有關(guān)，而且還可能與其他因素有關(guān)，如高溫下過氧化鈉的顏色、物質(zhì)的聚焦?fàn)顟B(tài)等等。

3 反思

3.1 翻轉(zhuǎn)課堂讓科學(xué)探究更精彩

因為有了翻轉(zhuǎn)課堂的課前微課學(xué)習(xí)，使得科學(xué)探究過程中的提出問題、猜想與假設(shè)和設(shè)計實驗等過程前移，讓學(xué)生有足夠的時間在課前實施科學(xué)探究的核心環(huán)節(jié)——設(shè)計實驗。該環(huán)節(jié)需要一定的時間讓學(xué)生獲取信息，并進行分析與思考，對學(xué)生的邏輯思維、辯證思維和創(chuàng)造性思維要求較高。從教學(xué)過程可以看出，學(xué)生能根據(jù)已有知識和經(jīng)驗，圍繞相關(guān)假設(shè)，運用控制變量的方法設(shè)計出科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灧桨?。這種基于個體知識和經(jīng)驗的方案經(jīng)過小組的分享與討論，有的被否決，有的被修改。各小組的方案經(jīng)過全班同學(xué)的討論后臻于完善。在全班討論過程中，教師針對學(xué)生設(shè)計的方案進行點撥，引導(dǎo)學(xué)生分析和評價方案的優(yōu)劣，篩選出可行的實驗方案。接著，讓學(xué)生分組進行實驗，觀察現(xiàn)象，得出結(jié)論并進行解釋。

在本節(jié)課的科學(xué)探究過程中，設(shè)計實驗方案，論證實驗方案，進行實驗，觀察現(xiàn)象，得出結(jié)論及解釋等主要過程都是以學(xué)生為主體完成的。教學(xué)中學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)探究的全過程，學(xué)習(xí)了控制變量的科學(xué)方法，提升了思維的品質(zhì)，培養(yǎng)了分析問題、解決問題的能力和化學(xué)實驗與探究的能力。應(yīng)該說是一節(jié)基于翻轉(zhuǎn)課堂的科學(xué)探究典型案例，對化學(xué)教學(xué)中高效實施科學(xué)探究有著積極的借鑒作用。

3.2 翻轉(zhuǎn)后的課堂教學(xué)成為師生交往、積極互動的過程

因為學(xué)生已經(jīng)在課前設(shè)計了實驗方案，課堂教學(xué)的主要任務(wù)就是展示、交流、研討實驗方案，這個過程是以小組合作和全班討論的方式進行的，課堂上充滿了鮮活的生生互動、師生互動場景，學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，教師則是學(xué)生學(xué)習(xí)的引領(lǐng)者。如在討論假設(shè)3的三個實驗方案時，教師以畫龍點睛式的點撥，把學(xué)生的思維引向深處，讓學(xué)生運用控制變量和設(shè)計對比實驗的思想，通過積極的互動，分析方案1和方案2中存在的問題，形成了完善的實驗方案，同時也提升了學(xué)生的思維品質(zhì)。這種高效的互動促進了教學(xué)方式的變革，學(xué)生在互動中提高了學(xué)習(xí)參與度，促進了對知識的理解，培養(yǎng)了思維能力，提高了合作與交流素養(yǎng)。

3.3 翻轉(zhuǎn)后的課堂拓展了教學(xué)的開放性

翻轉(zhuǎn)后的課堂，不僅讓教學(xué)從課堂延伸到課前和課后，更重要的是提升了教學(xué)的開放性，給教師教學(xué)也帶來了挑戰(zhàn)。因為學(xué)生有足夠的時間在課前獲取信息、設(shè)計實驗方案，課堂上會呈現(xiàn)出形形色色的實驗方案，學(xué)生評價方案時也會展露出獨特的觀點和視角，這既要求教師具備較高的專業(yè)素養(yǎng)，又要求教師課前要充分做好相關(guān)知識的學(xué)習(xí)和研究，這樣才能應(yīng)對各種不同的教學(xué)生成。如學(xué)生針對四種假設(shè)提出了用一個實驗驗證四個假設(shè)的方案時，因為邏輯思維和辯證思維能力受限，導(dǎo)致學(xué)生錯誤地認為黑色產(chǎn)物只可能是四種假設(shè)中的一種，其實這種黑色物質(zhì)不僅可能是四種假設(shè)中的多種，還可能是其他因素產(chǎn)生的。這種情況下，教師適時地捕捉到這些生成性要素，設(shè)計出開放的、深層次的問題啟迪學(xué)生思考，培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維能力和辯證思維能力，提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，同時也把探究從課堂延伸到課外，讓部分學(xué)有余力的學(xué)生有進一步探究的空間（提出并驗證其他假設(shè)）。正是這些高質(zhì)量的開放性教學(xué)情景，讓翻轉(zhuǎn)課堂模式下的科學(xué)探究邂逅了無法預(yù)約的美麗生成，構(gòu)成了促進學(xué)生發(fā)展的一道亮麗的風(fēng)景線。

參考文獻：

[1]鐘曉流，宋述強，焦麗珍.信息化環(huán)境中基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的教學(xué)設(shè)計研究[J].開放教育研究，2013，（1）：60～61.

[2]趙興龍.翻轉(zhuǎn)課堂中知識內(nèi)化過程及教學(xué)模式設(shè)計[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2014，（2）：55～61.