開(kāi)放性探究：在化學(xué)課堂上開(kāi)展科學(xué)探究的一些實(shí)用方法

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“哦，我不知道在我的課堂上是否可以嘗試開(kāi)展一些探究性活動(dòng)。這太難了，我甚至不知道該從何開(kāi)始?！?/p>

你常聽(tīng)到類(lèi)似的評(píng)論嗎？可能你自己就已經(jīng)作過(guò)這樣的評(píng)論?？茖W(xué)探究以“學(xué)生易學(xué)、教師難用”而聞名。但是事實(shí)卻并非如此。科學(xué)探究可以采取多種形式，對(duì)于任何級(jí)別的學(xué)生、一個(gè)學(xué)年中任何科學(xué)課程的任何教學(xué)時(shí)間點(diǎn)，它都適用。本文以鹽酸和鋁箔之間化學(xué)反應(yīng)為例，闡述了如何幫助化學(xué)課的學(xué)生研究出一套合適的方法來(lái)解決他們自己的研究問(wèn)題，我們稱(chēng)其為“開(kāi)放性探究”。但開(kāi)放性探究并不是唯一的選擇。本文中我們將說(shuō)明如何構(gòu)思探究活動(dòng)以適應(yīng)不同學(xué)生的不同經(jīng)歷，從而調(diào)整探究活動(dòng)的難度。教師也可以利用這種直截了當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)對(duì)他們正在采用的研究活動(dòng)作出改進(jìn)。什么是科學(xué)探究？它為什么重要？

“科學(xué)探究”的一個(gè)實(shí)用性定義為：“學(xué)生通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)解決研究問(wèn)題的一個(gè)主動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程”（BeU，Smetana和Binns，2005，p31）?？茖W(xué)探究集假設(shè)、調(diào)查、觀察、解釋及評(píng)估等科學(xué)實(shí)踐于一體（NRC，2011）。但是，請(qǐng)注意以下3點(diǎn)說(shuō)明：

（1）并非所有的動(dòng)手實(shí)踐活動(dòng)都是科學(xué)探究活動(dòng)，也并非所有的科學(xué)探究活動(dòng)都需要親自動(dòng)手實(shí)踐。動(dòng)手實(shí)踐活動(dòng)可定義為任何一種學(xué)生利用各種材料進(jìn)行互動(dòng)體驗(yàn)或者手工制作的活動(dòng)（Lumpe和Oliver，1991）。例如，制作3D分子模型是動(dòng)手實(shí)踐活動(dòng)但未必是科學(xué)探究活動(dòng)。另一方面，如果學(xué)生在他們的探究過(guò)程中通過(guò)數(shù)據(jù)分析的方法來(lái)找出研究問(wèn)題的答案，他們有可能是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲得這些數(shù)據(jù)，而不是自己親自去實(shí)驗(yàn)室收集數(shù)據(jù)。

（2）雖然科學(xué)探究是科學(xué)教育的必要組成部分（NRC，2000），但其他類(lèi)型的活動(dòng)也同樣具有價(jià)值。例如，高效率的教師可能會(huì)選擇將量綱分析法（dimensiohal analysis）的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)直接講授給學(xué)生。此外，如采用探究的方式來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安全教育，則是極其不負(fù)責(zé)任的！

（3）許多老師都認(rèn)為所有的科學(xué)探究都應(yīng)是開(kāi)放性的，但事實(shí)并非如此，也不應(yīng)該如此（settlage，2007）。不同水平層次的科學(xué)探究有助于學(xué)生在邁向成功的過(guò)程中奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。探究的不同層次

科學(xué)探究是由循序漸進(jìn)的4個(gè)層次構(gòu)成：證實(shí)性、結(jié)構(gòu)性、引導(dǎo)性以及開(kāi)放性探究（Beu，Smetana和Binns，2005）。在所有的水平層次中，學(xué)生都需要通過(guò)分析數(shù)據(jù)找出研究問(wèn)題的答案；每個(gè)層次的不同點(diǎn)在于教師提供信息量的多少（圖表1）。

在證實(shí)性探究活動(dòng)中，教師會(huì)直接提供一個(gè)研究問(wèn)題及其研究步驟，并要求學(xué)生來(lái)證明之前已經(jīng)學(xué)過(guò)的某個(gè)關(guān)聯(lián)關(guān)系。在結(jié)構(gòu)性探究中，研究問(wèn)題和步驟也是現(xiàn)成的，但學(xué)生卻并不知道預(yù)期的結(jié)果。在引導(dǎo)性探究中，學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有的研究問(wèn)題，自己開(kāi)發(fā)出研究步驟來(lái)解決難題。在開(kāi)放性研究中，學(xué)生們則會(huì)提出自己的研究問(wèn)題和研究步驟。圖表l以化學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)為例來(lái)說(shuō)明探究活動(dòng)的水平層次。教師們也可以使用他們自己開(kāi)展的活動(dòng)作為案例。

我們?cè)诮炭茣?shū)中找到的大多數(shù)探究活動(dòng)僅停留在證實(shí)性和結(jié)構(gòu)性探究的水平層次上（Fizini，Shepardson和Abell，1991）。它們被稱(chēng)為“菜譜式”實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗鼈円话銜?huì)詳細(xì)地規(guī)定每一步的操作步驟。并不是所有的菜譜式實(shí)驗(yàn)都是探究活動(dòng)，但只要學(xué)生能夠通過(guò)分析數(shù)據(jù)來(lái)找到研究問(wèn)題的答案，并用證據(jù)來(lái)證明這些研究結(jié)果的話，他們就是在進(jìn)行科學(xué)探究。我們建議學(xué)生先通過(guò)證實(shí)性和結(jié)構(gòu)性探究活動(dòng)來(lái)獲得足夠的經(jīng)驗(yàn)之后，再進(jìn)一步地體驗(yàn)引導(dǎo)性和開(kāi)放性探究活動(dòng)。

開(kāi)放性探究：金屬的活性

開(kāi)放性探究活動(dòng)實(shí)施起來(lái)是最具有挑戰(zhàn)性的（Davis，Petish和Smithey，2006），但它也是最有意義的。建議在開(kāi)展這項(xiàng)探究活動(dòng)時(shí)準(zhǔn)備好技術(shù)裝備和資源。

教學(xué)示范

此項(xiàng)探究活動(dòng)用于化學(xué)課中關(guān)于反應(yīng)速率這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)，以教學(xué)示范作為活動(dòng)的開(kāi)始。當(dāng)教師將一團(tuán)鋁箔球放入鹽酸中時(shí)，讓學(xué)生預(yù)測(cè)并觀察會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象（圖表2）。（安全注意事項(xiàng)：教9幣須佩戴防護(hù)眼鏡和手套，鑒于氫氣的擴(kuò)散性，學(xué)生們也要戴好防護(hù)眼鏡并往后站。教學(xué)示范的地點(diǎn)應(yīng)選擇在通風(fēng)良好的房間，或者有可能的話，在通風(fēng)櫥內(nèi)完成）反應(yīng)開(kāi)始大概需要1～3分鐘，時(shí)間長(zhǎng)短取決于鹽酸的濃度（約3M標(biāo)準(zhǔn)的溶液對(duì)于教學(xué)示范會(huì)比較適用）。觀察整個(gè)示范過(guò)程對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)有兩點(diǎn)好處：

·他們親眼見(jiàn)證了整個(gè)的反應(yīng)過(guò)程，為開(kāi)發(fā)他們自己的實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)良好的起點(diǎn)。

·實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程會(huì)讓他們非常興奮。

四問(wèn)策略

對(duì)于這個(gè)開(kāi)放性探究活動(dòng)模型的建立，我們利用了改良版的“四問(wèn)策略”和一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作表（Cothran，Geiss和Rezba，2000）。這兩項(xiàng)工具的共同使用能夠幫助學(xué)生確定并設(shè)計(jì)出他們自己的可行的探究調(diào)查方案。

全班可以一起來(lái)討論這個(gè)“四問(wèn)策略”（圖表3），這樣有助于學(xué)生確定出需要測(cè)試的變量。這4個(gè)問(wèn)題是：（1）哪些材料比較容易買(mǎi)到？（2）反應(yīng)過(guò)程是如何進(jìn)行的？（3）我如何通過(guò)改變材料來(lái)影響整個(gè)反應(yīng)的過(guò)程？

（4）我如何評(píng)估這個(gè)改變所導(dǎo)致的結(jié)果？

經(jīng)過(guò)一番頭腦風(fēng)暴，學(xué)生們對(duì)這些問(wèn)題都有了各自的答案，但你也會(huì)意識(shí)到對(duì)手問(wèn)題3他們可能會(huì)提出一些不切實(shí)際的想法。例如他們可能會(huì)想要試圖改變鹽酸的濃度，若實(shí)驗(yàn)在付諸實(shí)施之前沒(méi)有討論過(guò)溶液相關(guān)知識(shí)的話，這樣做會(huì)非常有難度（如果學(xué)生真的想要研究濃度的話，你可以預(yù)先配置好各種不同濃度的溶液以供他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）。問(wèn)題4對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)是最具有挑戰(zhàn)性的。例如他們可能會(huì)試圖測(cè)量反應(yīng)時(shí)間。但在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)于測(cè)量時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)有很多種可能的選擇，所以指導(dǎo)他們將一些可能性排除是非常重要的。如果學(xué)生對(duì)于這些變化結(jié)果的測(cè)量沒(méi)有想出一套標(biāo)準(zhǔn)化解決方案的話，那么他們接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)將很難進(jìn)行下去。學(xué)生可能會(huì)提議采取一些定性的方式來(lái)測(cè)量因變量，比如隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，溶液的顏色如何變化等，這是可行的。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作表

學(xué)生們利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作表（圖表4）及他們對(duì)上述4個(gè)問(wèn)題的回答，來(lái)確定他們需要檢測(cè)的研究問(wèn)題。這4個(gè)問(wèn)題與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作表的密切結(jié)合，能夠幫助學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

雖然實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作表是從“研究問(wèn)題”開(kāi)始的，學(xué)生還是應(yīng)該首先選出他們的自變量和因變量（分別選自問(wèn)題3和問(wèn)題4）。學(xué)生進(jìn)入化學(xué)課堂時(shí)常帶著不同的背景經(jīng)驗(yàn)?？梢缘脑挘麄冏詈媚荛_(kāi)發(fā)出全新的實(shí)驗(yàn)。應(yīng)注意防止學(xué)生提出多個(gè)自變量。提醒他們注意利用好實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作表、四問(wèn)策略表以及他們同伴或者教師的指導(dǎo)。為了這個(gè)過(guò)程的順利進(jìn)行，首先應(yīng)將大的班級(jí)分成若干個(gè)小組。

在完成了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之后，學(xué)生會(huì)填寫(xiě)一份實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)表，也就將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)中比較重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)（例如：他們應(yīng)該使用多少體積的鹽酸，如果所有鋁箔球的大小和質(zhì)量都相同的話，又如何確定鹽酸的使用量等）。在讓學(xué)生開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，教師應(yīng)該檢查學(xué)生填寫(xiě)的實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)表以確保實(shí)驗(yàn)的安全性。

實(shí)驗(yàn)

由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中要使用到鹽酸，學(xué)生必須遵守所有的安全注意事項(xiàng)，包括佩戴防護(hù)眼鏡和手套。盡管教師在示范的時(shí)候使用的是3M標(biāo)準(zhǔn)的鹽酸溶液，出于對(duì)學(xué)生安全的考慮，應(yīng)讓他們使用0，1～1M標(biāo)準(zhǔn)的溶液。反應(yīng)開(kāi)始后需要一些額外的時(shí)間，讓學(xué)生能夠記錄下詳細(xì)的觀察結(jié)果。對(duì)于每個(gè)層次的自變量的測(cè)試，學(xué)生可以做2～3次的實(shí)驗(yàn)；如果時(shí)間有限，他們可以只做1次實(shí)驗(yàn)，并在后續(xù)的環(huán)節(jié)中討論這樣做會(huì)如何影響數(shù)據(jù)的可靠性。

隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，學(xué)生們?cè)诟髯缘臄?shù)據(jù)表中記錄下所有的數(shù)據(jù)，并在實(shí)驗(yàn)完成后與他們的工作小組一起來(lái)完成數(shù)據(jù)分析的工作。對(duì)于許多教師來(lái)說(shuō)這是開(kāi)放性探究活動(dòng)中最令人望而卻步的部分，因?yàn)槠浣Y(jié)果不可預(yù)測(cè)。數(shù)據(jù)會(huì)各有不同，而且并不是每個(gè)學(xué)生的數(shù)據(jù)都能夠明確反映出溫度與反應(yīng)速率之間的關(guān)系。可以借此機(jī)會(huì)來(lái)討論一下科學(xué)研究也是一項(xiàng)人類(lèi)的活動(dòng)，調(diào)查結(jié)果常常是混亂和復(fù)雜的（Beu，2008）。

注意：此實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的所有液體的收集、中和、過(guò)濾和處理過(guò)程都要嚴(yán)格參照當(dāng)?shù)氐恼叻ㄒ?guī)進(jìn)

成果交流

除了數(shù)據(jù)分析，學(xué)生還需要相互交流及講解他們的研究結(jié)果。每個(gè)小組應(yīng)準(zhǔn)備一份數(shù)據(jù)表、圖表或者其他可視化的表達(dá)手段來(lái)展示他們的研究結(jié)果以及通過(guò)這些數(shù)據(jù)所推導(dǎo)出來(lái)的任何關(guān)聯(lián)關(guān)系?？梢岳煤?bào)、PPT或者個(gè)人實(shí)驗(yàn)專(zhuān)題報(bào)告等形式向全班同學(xué)作展示（例如圖表5就提供了一份參考樣本）。學(xué)生應(yīng)根據(jù)他們的觀察結(jié)果一起合作想出科學(xué)合理的解釋。例如，他們可能會(huì)解釋說(shuō)，鋁箔的質(zhì)量越小，所需的反應(yīng)時(shí)間就越短，這是由于參與反應(yīng)的鋁原子較少的緣故。學(xué)生可能對(duì)某種現(xiàn)象還有其他的不同解釋?zhuān)瑸榇_保他們能從分子層面準(zhǔn)確理解所發(fā)生的現(xiàn)象，在整個(gè)學(xué)習(xí)單元中堅(jiān)持對(duì)這項(xiàng)探究活動(dòng)作出解釋說(shuō)明是非常必要的。

圖表6是關(guān)于這項(xiàng)探究實(shí)驗(yàn)的一份建議日程表。這項(xiàng)調(diào)研活動(dòng)可以在一學(xué)年中的任何時(shí)間點(diǎn)開(kāi)展，并同時(shí)將計(jì)量單位、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、化學(xué)反應(yīng)或者熱力學(xué)等知識(shí)都整合到這堂實(shí)驗(yàn)課中。相應(yīng)地，學(xué)生的過(guò)程技能如數(shù)據(jù)分析能力，或表面積與反應(yīng)時(shí)間之間的關(guān)系等特定知識(shí)內(nèi)容也能在此過(guò)程中得到檢驗(yàn)。圖表6還結(jié)合探究活動(dòng)的不同階段加入了形成性、真實(shí)性和變通性評(píng)估的相關(guān)內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)改造

上述的調(diào)查研究活動(dòng)中，學(xué)生都是在參與開(kāi)放性探究過(guò)程中自己提出問(wèn)題和研究方法，并想出解決方案。但是開(kāi)放性探究不一定總是最合適的方式（settlage 2007）。改造它的方法之一便是給學(xué)生提供現(xiàn)成的研究問(wèn)題。如果時(shí)間有限或者是針對(duì)特定內(nèi)容的話，這種方法就非常有用。例如，在熱力學(xué)這個(gè)單元的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生就可以調(diào)查表面積與反應(yīng)時(shí)間之間的關(guān)系。這就可以通過(guò)改變鋁箔球的緊實(shí)度或者將1個(gè)大球分成幾個(gè)小球的方式來(lái)達(dá)到目的。另外，在化學(xué)反應(yīng)這一章節(jié)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以調(diào)查金屬類(lèi)型與反應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。提供一個(gè)特殊的研究問(wèn)題來(lái)讓學(xué)生解答，這樣的實(shí)驗(yàn)就變成了一個(gè)引導(dǎo)性探究。

不僅提供現(xiàn)成的研究問(wèn)題而且還提供研究步驟的話，這就是一個(gè)結(jié)構(gòu)性探究。它可能適合于那些不習(xí)慣自己開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，或者適用于專(zhuān)門(mén)讓學(xué)生分析數(shù)據(jù)并推導(dǎo)結(jié)論的情形?？梢越o學(xué)生提供現(xiàn)成的數(shù)據(jù)表或者讓他們自己設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)表。

在結(jié)構(gòu)性探究和證實(shí)性探究中，學(xué)生都是拿到現(xiàn)成的問(wèn)題和操作步驟。確定采用何種形式探究活動(dòng)的關(guān)鍵是看你以何種順序來(lái)下達(dá)這些操作指令。在將學(xué)習(xí)內(nèi)容教授給學(xué)生之前開(kāi)展的探究活動(dòng)就是結(jié)構(gòu)性探究活動(dòng)，反之則是證實(shí)性探究活動(dòng)（Bell，Smetana和Binns 2005）。例如，學(xué)生可以利用不同數(shù)量的鋁箔球來(lái)確定表面積與反應(yīng)速率之間的關(guān)系（結(jié)構(gòu)性），或者他們先學(xué)習(xí)表面積越大反應(yīng)速率越快這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，然后再?gòu)匿X箔與鹽酸的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)證實(shí)這種關(guān)系的存在（證實(shí)性）。證實(shí)性探究活動(dòng)有助于學(xué)生加深對(duì)難度較大概念的理解，或者專(zhuān)門(mén)用于學(xué)習(xí)諸如滴定測(cè)試等特殊的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

牢記以下3點(diǎn)簡(jiǎn)單的策略，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程可適用于大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)。首先，一旦有相關(guān)的研究問(wèn)題提出，讓學(xué)生參與到數(shù)據(jù)分析的工作當(dāng)中，并通過(guò)這些數(shù)據(jù)得出結(jié)論，一項(xiàng)調(diào)研活動(dòng)就被塑造成了探究性活動(dòng)。第二，將調(diào)查探究環(huán)節(jié)從課程的最后調(diào)整到最開(kāi)始，會(huì)使其成為一個(gè)更為開(kāi)放性的探究活動(dòng)。第三，將教科書(shū)中“菜譜式”實(shí)驗(yàn)的部分忽略掉，例如實(shí)驗(yàn)步驟或者數(shù)據(jù)表，也可以讓實(shí)驗(yàn)少一些束縛。

結(jié)論

本文以特定內(nèi)容為例，闡述了如何在化學(xué)課堂上開(kāi)展開(kāi)放性探究活動(dòng)。在實(shí)踐中，我們?yōu)閷W(xué)生使用四問(wèn)策略和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作表出色地完成了他們的實(shí)驗(yàn)而感到高興。我們也詳細(xì)闡述了如何將調(diào)查任務(wù)改造成其他層次的探究活動(dòng)，以適應(yīng)不同教學(xué)任務(wù)或?qū)W生的需要。微小的改變也能帶來(lái)巨大的回報(bào)。學(xué)生參與的積極性更高了，對(duì)于整個(gè)活動(dòng)及其內(nèi)容也有了充分的了解和掌握。通過(guò)使用這些簡(jiǎn)單的技巧來(lái)設(shè)計(jì)探究活動(dòng)的框架，教師也可以在整個(gè)學(xué)年中將探究活動(dòng)與他們正在開(kāi)展的調(diào)查活動(dòng)整合到他們的化學(xué)教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中。