基于證據(jù)推理的科學(xué)探究：實(shí)驗(yàn)、評(píng)價(jià)及反思

楊硯寧

摘要：利用數(shù)字傳感技術(shù)對鐵釘銹蝕實(shí)驗(yàn)中的異常現(xiàn)象進(jìn)行探究，并以此實(shí)驗(yàn)背景編制原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)題，嘗試在區(qū)域?qū)W生學(xué)業(yè)質(zhì)量監(jiān)測中將實(shí)驗(yàn)操作考查與紙筆測試有機(jī)融合。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)；探究；檢測；評(píng)價(jià)；反思

文章編號(hào)：1008-0546（2017）02-0013-03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.02.003

當(dāng)前，核心素養(yǎng)模型逐漸滲透到各國教育改革的諸多領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是基于核心素養(yǎng)推進(jìn)課程改革，二是基于核心素養(yǎng)推進(jìn)教育評(píng)價(jià)。日前公布的普通高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提出了“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等五種核心素養(yǎng)?？茖W(xué)探究是義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)的五大主題之一。在化學(xué)教學(xué)中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行科學(xué)探究的重要方式。化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究可以促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)概念、激發(fā)興趣與動(dòng)機(jī)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、懷疑精神和求證精神（證實(shí)或證偽），養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，理解科學(xué)本質(zhì)。但是，成功實(shí)施實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)還存在許多問題和挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：第一，化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的內(nèi)容和指導(dǎo)思想需要進(jìn)一步明確。目前的化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究仍然以驗(yàn)證原理和培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)基本操作為主線，化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的其他功能尚未充分挖掘。第二，化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究應(yīng)避免只“探”不“究”。在實(shí)驗(yàn)探究中，學(xué)生雖然“動(dòng)手”了，完成了操作目標(biāo)，卻沒有積極“動(dòng)腦”思考，這是目前實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中出現(xiàn)的較普遍現(xiàn)象。第三，化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用不夠。在探究教學(xué)中應(yīng)不斷提高實(shí)驗(yàn)的技術(shù)含量，應(yīng)增加現(xiàn)代技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。[1]

“金屬防護(hù)和廢金屬回收”是上教版九年級(jí)化學(xué)第五章第三節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，“鐵釘銹蝕實(shí)驗(yàn)”是本節(jié)的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。如何以實(shí)驗(yàn)探究為載體，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)、懷疑精神和求證精神？怎樣在學(xué)業(yè)質(zhì)量監(jiān)測中將實(shí)驗(yàn)考查與紙筆測試有機(jī)融合？筆者進(jìn)行了嘗試與探索。

一、實(shí)驗(yàn)探究與改進(jìn)

1. 實(shí)驗(yàn)操作

取幾枚潔凈無銹的鐵釘，分別放入試管中（如圖1所示）進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：在試管①中加入少量干燥劑（生石灰或無水氯化鈣），再放一團(tuán)干棉球，把鐵釘放在干棉球上，塞緊橡皮塞；在試管②中注滿迅速冷卻的沸水，使鐵釘完全浸沒，塞緊橡皮塞；在試管③中加入少量蒸餾水，使鐵釘?shù)囊话虢]在水中。[2]

2. 異?，F(xiàn)象

由于該實(shí)驗(yàn)是鐵釘?shù)木徛趸钑r(shí)間比較長，為了便于觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，筆者選取了區(qū)域內(nèi)一所學(xué)校兩個(gè)實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生進(jìn)行家庭實(shí)驗(yàn)。學(xué)生交流討論實(shí)驗(yàn)方案，選取實(shí)驗(yàn)用品：曲別針、大頭針、鐵釘、自制蒸餾水、玻璃杯、一次性塑料杯、保鮮膜、膠帶等。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一周時(shí)間，每天學(xué)生觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)拍照并將照片發(fā)至班級(jí)QQ群（如圖2所示）。在一周后的課堂教學(xué)中，教師組織學(xué)生分組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析原因、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：金屬銹蝕與水、空氣等物質(zhì)有關(guān)，還與金屬內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)。許多學(xué)生提出疑問：鐵釘銹蝕的必要條件是氧氣和水同時(shí)作用，為什么在無水或無氧的條件下（如圖1中①②），鐵釘仍然會(huì)生銹呢（如表1所示）？

3. 揭示本質(zhì)

對于學(xué)生的疑問，教師并沒有直接答疑解惑，而是把此問題作為新的課題引領(lǐng)學(xué)生繼續(xù)開展深入探究。

【課堂調(diào)查】你們是如何得到“迅速冷卻的沸水”？

學(xué)生的操作方法主要有以下三種：敞口冷卻，密封條件下自然冷卻，密封條件下用冷水迅速冷卻。

【做出假設(shè)】圖1中，試管②中鐵釘生銹可能與氧氣有關(guān)。

【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】教師采用數(shù)字傳感儀測定不同沸水樣品中溶解氧含量（如圖3-6所示）。

【分析實(shí)驗(yàn)】分析不同沸水樣品中溶解氧量的數(shù)據(jù)可知：自來水中溶解氧的含量較高，所以教材要用沸水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在冷卻沸水過程中，密封條件下可以減少氧氣的再次溶解。密封條件下用冷水或冰使沸水迅速降溫，可以大幅減少水中溶解氧的含量，但是不能把溶解在水中的氧氣除盡，因而鐵與氧氣、水共同作用而生銹。加干燥劑的試管①也是類似的情況：即使加入少量干燥劑、再放一團(tuán)干棉球、塞緊橡皮塞，試管①中的仍含有少量水蒸氣。加之蘇州地區(qū)空氣濕潤，如果橡皮未塞緊，由于密封不嚴(yán)會(huì)有更多水蒸氣進(jìn)入試管內(nèi)，導(dǎo)致鐵釘生銹。

通過深入探究，學(xué)生明確了家庭實(shí)驗(yàn)中鐵釘銹蝕的原因，在此基礎(chǔ)上教師因勢利導(dǎo)，讓學(xué)生查閱資料，深入研究并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)①的改進(jìn)方案是：先烘干試管，再放入干燥器中冷卻。實(shí)驗(yàn)②的改進(jìn)方案是：第一步，將蒸餾水煮沸并密封冷卻；第二步，將冷卻后的蒸餾水加入接近試管口處，再放入一節(jié)比鐵釘稍長的鎂帶（已打磨光亮），以除去水中殘留的微量氧氣；第三步，一分鐘后再放入一枚鐵釘，立即用膠塞塞緊試管。[3]

二、跟蹤檢測

將實(shí)驗(yàn)考查與中、高考緊密聯(lián)系、有機(jī)融合，既可以增加考查的有效性，又可以促進(jìn)中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)正常開展[4]。因此，筆者發(fā)揮考試評(píng)價(jià)的導(dǎo)向功能，以“鐵釘銹蝕的實(shí)驗(yàn)探究”為背景，編寫了一道原創(chuàng)實(shí)驗(yàn)考查題，以培養(yǎng)學(xué)生的收集證據(jù)、分析推理能力。

1. 命制試題

為了探究鐵銹蝕的原因，小明按圖7所示的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

小明預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：試管Ⅰ、試管Ⅱ的鐵釘不生銹，試管 Ⅲ中的鐵釘生銹。但是，經(jīng)過一周觀察，發(fā)現(xiàn)三支試管中鐵釘都生銹了。聽取小明的匯報(bào)后，老師和小明進(jìn)一步探究：用不同的方法處理四份相同體積的自來水，用數(shù)字傳感器測定水樣中溶解氧（如表2所示）的含量，并按圖7所示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：一天后，試管Ⅱ（選用2號(hào)水樣）中的鐵釘有輕微生銹，從第二天到第七天鐵銹不再增加。

參考所給數(shù)據(jù)分析：①小明的實(shí)驗(yàn)中：試管Ⅰ中釘生銹的因可能是_________ ；

試管Ⅱ中釘生銹的原因可能是_______________ 。

②用數(shù)字傳感器測定水樣中溶解氧含量的目的是________________ 。

2. 監(jiān)測分析

針對三支試管中鐵釘都生銹的“異?，F(xiàn)象”，命題者給出了研究方案和測定結(jié)果，目的是給學(xué)生答題以提示和引導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與考試評(píng)價(jià)的有機(jī)融合。在區(qū)域內(nèi)十所初中學(xué)業(yè)質(zhì)量測試中，該題共3分，平均1.62分，得分率54%，得分率與學(xué)生實(shí)驗(yàn)開展率基本吻合。由此可見，對于開放性、探究性的實(shí)驗(yàn)試題，如果學(xué)生沒有親自實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手實(shí)踐，就無法獲取直接體驗(yàn)，不能準(zhǔn)確解答也就不足為奇了！不過，需要關(guān)注的是， 盡管義務(wù)教育階段十分重視教育公平，但是數(shù)字傳感技術(shù)還未普及所有學(xué)校，教師在命制試題時(shí)還應(yīng)充分關(guān)注。

三、反思

評(píng)價(jià)是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，其主要功能有三個(gè)：一是促進(jìn)學(xué)生的有效學(xué)習(xí)，二是改善教師的教學(xué)，三是完善課程實(shí)施方案。評(píng)價(jià)既要考核學(xué)生知識(shí)與技能掌握的程度，又要評(píng)價(jià)學(xué)生的科學(xué)探究能力和實(shí)踐能力[5]。 筆者以“鐵釘銹蝕實(shí)驗(yàn)”為載體，基于教學(xué)實(shí)際創(chuàng)設(shè)評(píng)價(jià)試題，既能檢測課標(biāo)落實(shí)情況，又符合核心素養(yǎng)評(píng)價(jià)的需要。

1. 檢測落實(shí)課標(biāo)的效果

通過分析區(qū)域內(nèi)十所學(xué)校質(zhì)量監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，就監(jiān)測試題的平均分來看，實(shí)驗(yàn)班屬于領(lǐng)先水平，這是因?yàn)榻處熢谌粘＝虒W(xué)重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開齊開足學(xué)生實(shí)驗(yàn)。而數(shù)字傳感技術(shù)使用較好的A、B、E、H四所學(xué)校，由于學(xué)生分析問題、解決問題的能力較強(qiáng)，也取得了良好的成績。有些學(xué)校成績較差，主要與教師不重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及學(xué)校硬件設(shè)備配置不到位有關(guān)。

2. 評(píng)價(jià)核心素養(yǎng)的工具

什么樣的情境或任務(wù)能讓學(xué)生表現(xiàn)出核心素養(yǎng)？揚(yáng)州大學(xué)吳星教授指出：化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)體現(xiàn)在整體任務(wù)、復(fù)雜情境、結(jié)構(gòu)不良的問題解決的關(guān)鍵和特征表現(xiàn)。編制源自教材、能夠考查學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的原創(chuàng)題，有利于考查學(xué)生的觀察品質(zhì)、思維品質(zhì)及分析問題、解決問題的能力。對實(shí)驗(yàn)異?，F(xiàn)象的捕捉與分析，更能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度、批判精神和創(chuàng)新意識(shí)。

總之，化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，正如著名化學(xué)家傅鷹先生所說：“化學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，只有實(shí)驗(yàn)才是最高法庭?！被谧C據(jù)推理的實(shí)驗(yàn)探究及其教學(xué)評(píng)價(jià)，對教學(xué)方式、學(xué)習(xí)方式、評(píng)價(jià)方式的變革具有積極的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 畢華林，萬延嵐. 化學(xué)的魅力與化學(xué)教育的挑戰(zhàn)[J].化學(xué)教學(xué)，2015（5）：3-7

[2] 王祖浩，王磊.義務(wù)教育教科書：化學(xué)（九年級(jí)上冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：127

[3] 潘國榮，李勇文，陳正美.探究“鐵的銹蝕條件”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教育，2016，37（11）：73-75

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[5] 中華人民共和國教育部制定.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012：39