在單元教學活動中提升學生科學探究素養(yǎng)

范吉彥

摘要：以重要概念和方法為切入口，以經(jīng)歷科學探究的過程為主要方法，以實驗報告和反思為主要評價依據(jù)，通過單元教學活動重新設(shè)計“氧氣的制取和性質(zhì)”學生實驗，闡述培養(yǎng)學生科學探究核心素養(yǎng)的實踐過程。

關(guān)鍵詞：初中化學;學生實驗;科學探究;單元教學;活動設(shè)計

文章編號：1008-0546（2022）03x-0002-05??? 中圖分類號：G632.41??? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.001

近幾年，義務(wù)教育課程改革和中考改革不斷推進。課程標準指出，培養(yǎng)學生“科學探究與創(chuàng)新意識”，讓“科學探究”和“化學實驗”成為化學課程改革的重要“突破口”，在教學實踐中從理論角度重新審視化學實驗教學，落實科學實驗方法、科學探究過程，有著重要價值。但在教學中科學探究如何實施？與實驗的關(guān)系如何？學生的科學探究能力怎樣培養(yǎng)等？仍然是亟待研究和解決的難題。

一、問題背景

1.核心素養(yǎng)中的“科學探究”

從2016年開始，“核心素養(yǎng)”一詞成為教育和課改的新熱點。中學生核心素養(yǎng)將“理性思維”“批判質(zhì)疑”“科學探究”等要素納入其中。吳星認為，核心素養(yǎng)中的“科學探究與創(chuàng)新意識”是化學學科實踐能力的體現(xiàn)，包括對化學問題的猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)推理得出結(jié)論并作出解釋，對科學探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力[1]?？茖W實驗與探究活動意味著對科學知識的加工、消化、吸收，以及在此基礎(chǔ)上的內(nèi)化、轉(zhuǎn)化、升華，是形成素養(yǎng)的橋梁?；瘜W課程需要通過演示實驗、學生驗證實驗、探究性實驗，基于生活的課外實驗等活動過程培養(yǎng)學生的“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)。其中，探究性實驗是指由教師給出或?qū)W生自定探索課題，讓學生自己擬定實驗方案，制訂實驗步驟，獨立地運用實驗手段，探索未知的現(xiàn)象或數(shù)據(jù)，并在獲得的現(xiàn)象或數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過科學抽象總結(jié)出結(jié)論的一種實驗形式[2]。利用探究性問題的提出，教師可以引導學生更好地經(jīng)歷科學探究的過程，參與實驗探究，調(diào)動學生的主動性，通過親身體驗提升科學探究素養(yǎng)。

2.學生實驗教學與科學探究素養(yǎng)現(xiàn)狀

在目前的初中化學教學中，學生實驗教學和科學探究素養(yǎng)情況不甚理想。主要體現(xiàn)在以下三個方面。第一，學生實驗過程中只是按照老師提供的實驗步驟“照方抓藥”般一步步做實驗，只動手、不動腦，實驗中的錯誤無法及時發(fā)現(xiàn);完成實驗后也沒有及時充分的反思實驗中的成敗和得失，沒有形成獨立自主的思考和動手能力：這樣在實驗課上只收獲了技能的操練和知識的重復，沒有思想方法的綜合體悟。第二，以探究為核心的實驗教學需要充裕的時間去落實多樣化的教學手段，但課程的教學時間有限。在中考壓力下，一節(jié)簡短的40分鐘課堂內(nèi)，無法落實讓學生體驗完整實驗探究的過程。而教材教參上的探究主題，有些需要大量的時間、設(shè)備、準備，有些又與學科核心概念無關(guān)，學生即沒有精力也沒有興趣去完成額外的課外探究。第三，無論是傳統(tǒng)紙筆測試的評價方式，還是中考改革后的實驗考試，都無法對實驗探究過程進行評價，無法通過評價激勵學生對于科學探究的興趣。

二、以單元教學為整體設(shè)計單元實驗探究活動

單元教學是課程教學的一種基本形式，是根據(jù)特定的單元內(nèi)容來進行的教學活動[3]。而單元學習活動是化學學科核心素養(yǎng)形成與發(fā)展的重要途徑，單元學習活動促進了學生的深度學習。學習活動的設(shè)計，即對學習活動任務(wù)的構(gòu)思與計劃。教師需要從單元主題上找到承載核心素養(yǎng)的核心概念和方法為突破口，通過跨課時活動目標和計劃，串聯(lián)出一個連續(xù)式、遞進式的學生能力發(fā)展過程，使單元學習成為一個綜合性問題的探究過程，并提供發(fā)展性評價的方式方法。如圖1所示流程，筆者嘗試利用單元學習活動設(shè)計的方法，針對化學學習中重要概念和知識點提出探究主題，利用跨課時活動將科學探究活動的不同板塊分散到新課教學、作業(yè)評價、學生實驗課中，引導學生在預(yù)習、實驗、反思中充分設(shè)計拓展探究性實驗，落實化學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

在相關(guān)單元教學-跨課時探究活動流程中，學生的深度學習不僅在課堂上，也延續(xù)到了課堂外。教師需要對單元教學中的學生課內(nèi)外活動的內(nèi)容、任務(wù)進行整體構(gòu)架和規(guī)劃，并對學生在活動過程中可能出現(xiàn)的問題、困惑進行充分預(yù)設(shè)，進而設(shè)定學生核心任務(wù)的目標和評價標準，形成預(yù)案。

三、以“氧氣的制取與性質(zhì)”實驗為例，設(shè)計單元活動的過程與方法

初中化學學生實驗中，“氧氣的制取與性質(zhì)”是學生第一次接觸和實踐實驗室制取氣體實驗，也是與“催化劑”這個核心概念密切相關(guān)的實驗，在氧氣的實驗室制法這個單元小節(jié)中，氯酸鉀制氧氣和雙氧水制氧氣都用到了二氧化錳作為催化劑。學生在學習的過程中容易對催化劑的概念應(yīng)用模糊不清，選擇這個實驗主題具體說明跨課時單元活動的開展。

1.抓住核心概念和重要方法，設(shè)計單元實驗活動目標與評價

在氧氣這一教學單元中，氧氣的助燃性、氧氣的實驗室制法、催化劑為三個核心概念和重要方法，以此為切入口，設(shè)計單元課時活動：氧氣的性質(zhì)和制取演示實驗和學生實驗，跨課時活動-催化劑的探究。

在制定單元課時活動目標時，要依據(jù)單元教學目標細分，將具體的演示實驗和學生實驗?zāi)繕寺鋵嵉礁髡n時中去。比如，將“通過實驗活動，理解實驗室制取氧氣的原理，學會實驗室制取氧氣方法”這一單元教學目標，細分為第二課時的“通過觀察氯酸鉀制氧氣的演示實驗，知道氯酸鉀制氧氣的反應(yīng)原理和裝置，描述實驗現(xiàn)象，書寫化學方程式”;第三課時的“通過觀察雙氧水制氧氣的演示實驗，知道雙氧水制氧氣的反應(yīng)原理和裝置，描述實驗現(xiàn)象，書寫化學方程式”;第四課時（學生實驗）的（1）完成、觀察氧氣的性質(zhì)實驗;（2）規(guī)范搭建實驗裝置，安全完成氯酸鉀制氧氣，并用排水法收集氧氣;（3）檢驗氧氣”。這些傳統(tǒng)實驗活動的教學目標，都可以通過紙筆測試和實驗操作考核進行評價。

通過跨課時活動，將單元目標中的“通過探究活動，初步認識二氧化錳在雙氧水分解、氯酸鉀分解中的催化作用”落實到位。根據(jù)科學探究的過程，將單元目標具體細化并體現(xiàn)為：“（1）針對催化劑概念的三要素：加速反應(yīng)、質(zhì)量不變、化學性質(zhì)不變，發(fā)現(xiàn)并提出探究問題。（2）針對提出的問題，通過一定的邏輯推理和想象，作出假設(shè)或預(yù)測。（3）圍繞假設(shè)聯(lián)系所學的本單元化學知識，利用對比實驗方法，選擇合適的試劑、儀器，設(shè)計簡單實驗的操作步驟，設(shè)計合理的觀察和記錄的方法。（4）能完成自己設(shè)計的簡單實驗，客觀記錄實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，通過歸納、分析，驗證猜想的有效性，認知化學事實和化學規(guī)律之間的關(guān)系。（5）能用規(guī)范的化學用語描述化學反應(yīng)和原理。能針對實驗結(jié)果，對自己的探究過程提出改進和反思，并書面表達和交流探究的過程與成果?！蓖瑫r，嘗試建立過程性的評價標準，通過學生和教師的星級自評互評，以及教師的建設(shè)性評語，促進學生科學探究素養(yǎng)的發(fā)展。

2.跨課時活動任務(wù)與計劃安排

跨課時活動設(shè)計的原則，是根據(jù)氧氣單元的課時目標和計劃，將探究活動中“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”部分，合理安排進單元課時的課內(nèi)和課外，如表1所示，在活動水平、工具、策略、評價等方面細化設(shè)計，歸納并最終提出核心任務(wù)要求。

3.創(chuàng)設(shè)探究情境，引導學生提出問題、設(shè)計方案

在氧氣的制取單元課時內(nèi)容中，涉及到二氧化錳做分解反應(yīng)催化劑相關(guān)核心概念，以往學生僅僅理論學習，背出相關(guān)概念，然后在學生實驗時體驗相關(guān)實驗原理和操作。在本單元活動設(shè)計中，教師會在第二課時引導學生針對催化劑的定義的三要素提出探究性問題：“探究二氧化錳在氯酸鉀分解反應(yīng)中的催化作用？質(zhì)量是否不變？化學性質(zhì)是否不變？”并設(shè)計簡單的實驗驗證。在第三課時，引導學生更靈活的提出有關(guān)探究性問題：“探究二氧化錳在雙氧水分解反應(yīng)中的作用;探究雙氧水分解的條件：二氧化錳/加熱/加熱&二氧化錳;探究其他金屬氧化物能否做雙氧水分解的催化劑;探究催化劑的質(zhì)量對催化反應(yīng)的影響”等等。結(jié)合實驗預(yù)習報告單（活動任務(wù)單）布置任務(wù)。

4.引導學生針對實際問題設(shè)計改進實驗方案

在單元課時2布置任務(wù)后，教師需要批改評價學生的探究實驗設(shè)計，統(tǒng)計學生在實驗設(shè)計初稿中犯的錯誤，在接下來的課時中和課后進行針對性的指導。表2 是本次實施過程中統(tǒng)計的學生的問題和教師的指導。

可以看到，學生的問題主要集中在催化劑的作用、對比實驗方法、和實驗設(shè)計的簡便安全可行性這三方面。經(jīng)過這樣一個實驗設(shè)計和改進的過程，學生對于核心概念的認識，對于對比實驗方法的理解，對于理論與實踐的區(qū)別認識都有了很大的提高。

5.綜合學生設(shè)計方案，進行課內(nèi)和課外探究實驗，記錄現(xiàn)象

結(jié)合課前，課內(nèi)實驗的預(yù)習，以及拓展探究實驗的設(shè)計，學生就能在40分鐘的學生實驗課中有比較充裕的時間完成實驗。教師需要根據(jù)學生的拓展實驗方案額外準備所需的實驗儀器和設(shè)備。相較于往年的學生實驗課，充分的預(yù)習工作使得學生實驗的成功率有明顯提升，同時縮短了教師課前的講解用時和學生課內(nèi)實驗用時。實踐表明，教師只需要花5分鐘再次強調(diào)實驗中的細節(jié)規(guī)范，大多數(shù)學生需要花20-25分鐘左右完成課內(nèi)實驗。這樣，就有空余的10-15分鐘時間來完成跨課時活動的探究性實驗。經(jīng)過統(tǒng)計，大約有1/3學生在40分鐘內(nèi)勉強完成課內(nèi)實驗，2/3學生能完成探究實驗。

6.學生反思實驗，完成實驗報告，教師評價實驗報告，將優(yōu)秀報告與同學交流

在學生實驗課后，學生完成實驗報告，并總結(jié)反思。目標重在學生將理論與實際的聯(lián)系體驗，體會真實實驗的復雜性，從生成性問題與誤差等方面找尋原因與改進措施，進行形成性反思。學生在經(jīng)歷幾次實驗反思后，逐步從“報流水賬”的敘述式反思，發(fā)展為針對自己實驗中的問題“一針見血”的點評式反思，甚至能提出不少優(yōu)秀的改進和對下次實驗的思考。教師引導學生對自己反思實驗報告中的“證據(jù)與推理”“反思與交流”“質(zhì)疑與解析”“探究與設(shè)計”4個要素進行自評，然后在這4個維度，針對學生的反思進行師評。表3是實驗反思評價要素表。

四、小結(jié)與反思

化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學;化學實驗是化學學科最基本的特征;化學實驗是中學化學的重要教學內(nèi)容，也是學生掌握化學知識、技能與方法的重要學習方式，有助于學生認知的發(fā)展[4]。在越來越重視課程標準和科學素養(yǎng)的今天，以“預(yù)習——驗證性課內(nèi)實驗——探究性課外實驗——總結(jié)反思”為結(jié)構(gòu)，重新進行學生實驗課的教學與評價設(shè)計，運用單元教學和深度學習的理論，通過跨學科學習活動的形式，在整個單元中落實探究活動的主要過程。

收獲主要有三點：

1.實驗探究要圍繞核心的化學知識、方法，促進學生對化學概念和方法的理解和化學觀念的提升

在以往的中考復習中，涉及到已經(jīng)做過的學生實驗的實驗題中，學生往往不能回憶起實驗課上經(jīng)歷過的實驗內(nèi)容和操作內(nèi)容，無法將設(shè)計的重要概念和實際操作、探究結(jié)合起來，只能在書面習題練習中，反復鞏固背誦記憶考點。在本次活動實施中，大多數(shù)同學都選擇了“探究二氧化錳在雙氧水分解反應(yīng)中的催化作用”和“探究氧化銅是否能做雙氧水分解的催化劑”這兩個比較簡單問題。在設(shè)計實驗、完成實驗的經(jīng)歷后，學生對于催化劑概念中的“加快反應(yīng)速度”“質(zhì)量不變”“化學性質(zhì)不變”三個維度印象深刻，在后續(xù)的復習課中學生都能不假思索的說出催化劑的概念。同時，在經(jīng)過實驗設(shè)計和改進后，學生對于對比實驗方法有了更深刻的認識，能夠更好的認識空白對照組在對比實驗中的作用。

2.實驗探究要盡可能讓學生經(jīng)歷科學探究的主要過程——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，讓學生學習、體驗科學探究，啟迪學生進行深度思考，提升學生的思維品質(zhì)

以往的課堂中，往往“黑板實驗”“敘述實驗”常常代替了真實的動手實驗，依靠“理論探究”“想象探究”來完成學生的探究活動。這樣的探究往往落于表面，沒有經(jīng)歷自然無法感悟化學的核心價值觀。在實驗探究教學活動中，應(yīng)該充分發(fā)揮學生的主觀能動性，使學生活動真正走進實驗室，讓學生真正融入到整個實驗探究活動中，將學生的主動性充分地調(diào)動起來，讓學生的思維能夠有自由發(fā)揮的空間。本次學生活動實施中，以“探究氧化銅是否能做雙氧水分解的催化劑？”為題的同學，都發(fā)現(xiàn)帶火星的木條放在氧化銅和雙氧水的試管口沒有復燃。這個意外的現(xiàn)象進一步點燃了學生探究的熱情，同學們通過猜想、繼續(xù)實驗、網(wǎng)絡(luò)查找資料，查找原因，對意外現(xiàn)象進行解釋，真正實現(xiàn)了自主思考、自主探究，落實了科學探究的核心素養(yǎng)。

3.在實驗探究活動中，應(yīng)落實持續(xù)性、發(fā)展性評價

在以往傳統(tǒng)的化學實驗教學和評價中，比較多地對實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)論進行考查，學生僅憑記憶和背誦就能得分，無法將做實驗和不做實驗的學生、實驗水平有差異的學生加以區(qū)分，更不要提學生是否有獨立的思考和探究、是否提升化學學科核心素養(yǎng)了。這種教學和評價，讓學生實驗教學和日常的教學相孤立，即不利于學生對于課標中學科知識的掌握和學業(yè)成績的進步，也無法真正培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和科學素養(yǎng)。布魯納認為：“認識是一個過程，而不是一種產(chǎn)品。”學習不僅是讓學生掌握知識，更要學生去體驗認知知識的過程。因此，應(yīng)該對整個單元學習活動的教學過程進行評價，包括實驗前的知識點預(yù)習、設(shè)計實驗，實驗中的操作規(guī)范、實驗習慣，實驗后的實驗結(jié)論、反思質(zhì)疑等重要環(huán)節(jié)。評價的內(nèi)容即包括學科知識，也包括學科思想方法、解決問題的能力、必備品格和價值觀。同時，探究性實驗評價不應(yīng)該是終結(jié)性評價，教師應(yīng)該思考評價的結(jié)果對學生今后的學習有什么促進作用，如何通過評價讓學生得到更好的學業(yè)發(fā)展。在本次學生活動實施中，在“質(zhì)疑與解析”維度，學生的自評均分是2.3星，而師評均分為1.4星，在“反思與交流”維度，學生的自評均分是2.4星，而師評均分為1.8星?？梢钥吹?，老師覺得不夠好的反思，學生自己往往覺得還不錯。子曰，知不足然后自反也。通過設(shè)計實驗，學生可以知道自己對于實驗方法掌握的不足，通過反思，學生可以知道自己實驗操作和預(yù)習復習中的不足，通過自評和師評的對比，通過教師具體的評語，通過觀摩優(yōu)秀同學的反思案例，學生可以知道自己應(yīng)該從那些方面去分析自己實驗的問題，從什么角度去對意外的現(xiàn)象去進行猜想，從什么渠道可以查閱相關(guān)資料，用什么方法可以靈活地解決實驗中遇到的實際操作問題等等。通過一學年5次探究學習經(jīng)歷，學生能夠體會到實驗探究的意義和重要性;通過成功的學生實驗，獲得實驗基本操作和實驗基本技能的訓練、對于實驗涉及的重要化學知識的鞏固以及成功實驗的積極體驗;通過拓展性實驗設(shè)計，脫離機械的背誦記憶習題的學習方法，學會在學習中思考、質(zhì)疑、探究的方法，并通過實施拓展性實驗，對化學知識的實證精神予以認同;同時，通過有趣的實驗過程，美麗的實驗現(xiàn)象，積極的合作，實驗反思交流，讓學生感受到化學的魅力，讓學生能夠更主動地在化學海洋中前行。

參考文獻

[1]吳星.對高中化學核心素養(yǎng)的認識[J].化學教學，2017 （5）：3.

[2]王秀麗.初中化學探究性實驗教學的研究[J].科技創(chuàng)新導報，2016（12）：144.

[3]徐睿等.單元教學設(shè)計指南[M].北京：人民教育出版社，2018.

[4]肖常磊，錢揚義.中學化學實驗教學論[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.