基于科學史的“元探究”教學在化學學科中的應用

潘振蓓 姜建文

摘要： 元探究即為“探究的探究”，科學史為元探究的進行提供了豐富的素材。嘗試挖掘元探究的內涵，界定什么是元探究教學，以及探討如何進行元探究教學。并通過具體的化學學科案例設計來進一步闡明觀點。在此基礎上提出進行元探究教學的優(yōu)勢和局限性。

關鍵詞： 元探究; 科學史; 課堂教學; 化學教學

文章編號： 1005-6629（2018）11-0056-05中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

從上世紀五六十年代起，探究作為一種科學教學方式被越來越多的人接受。施瓦布[1]認為科學應被視作一種概念結構，它隨時可能因發(fā)現(xiàn)新的證據(jù)而被修改。施瓦布還認為，探究性教學中包含兩種探究。一是對科學知識本身的探究，科學被看作探究過程的指導，“科學即探究”;二是教與學這個過程的教學方法、方式上的探究，教與學的過程本身是一種探究，“探究性教與學”。這兩層含義是完整形式科學探究教學思想的組成部分。他指出，一方面，它的材料要展現(xiàn)科學作為探究;另一方面，學生要被引導在這些材料中進行探究，他要學會辨認它們的組成部分，檢查這些部分間的關系，注意到每個部分所扮演的角色，通過研究發(fā)現(xiàn)探究的一些優(yōu)點與缺點。簡而言之，課堂應該參與到探究的探究中[2]。這種“基于探究的探究”，也是探究的一種形式，可以稱其為“元探究”。

1 元探究與元探究教學

1.1 何謂元探究

元探究教學，是基于科學研究問題下，對該問題的科學研究的探究過程再次進行探究的一種教學方式，旨在幫助學生認識到科學知識的構成和獲得過程。

元探究的探究對象為對研究某科學問題而進行的各探究活動。對于中學教學來說，這類探究活動多為科學史上科學家所進行的探究。因此，豐富的科學史正是最適合使用元探究教

學的素材。

其實，這種教學方式并不罕見。在課堂上往往運用科學史來融入某個教學片段，或進行整體設計的教學[3～6]，這種已經(jīng)包含科學家探究過程的教學，對其某個片斷重溫時，也就是在進行一次“元探究”。但是，它與元探究教學方式的區(qū)別在于，元探究教學方式更加注重提供科學家探究過程的完整性，通過對其完整的探究過程的探討，進而明確探究的問題，明確探究過程中各要素之間的關系。

當然，元探究的教學不僅可以基于科學史，還可以結合當今科技發(fā)展的新進展。在提供素材時對同一問題的不同假說都是可以被提供的，重點是要包含探究的過程，以方便學生進行分析。這種基于探究過程的對比分析，可以幫助學生集中認識科學知識的構成和獲得過程，關注探究應注意的問題，提高探究能力，從而提升科學素養(yǎng)。

1.2 元探究教學

元探究教學，以呈現(xiàn)包含探究過程的材料為探究載體，一方面呈現(xiàn)科學知識即探究，一方面在于關注探究教與學過程，是兩者的結合，是包含兩個維度的完整的探究教學。元探究教學通過不同的探究材料，更能體現(xiàn)科學知識本身即為探究，更注重引導學生關注探究的組成部分。

從課堂環(huán)節(jié)來看，元探究的教學應包括以下方面（見圖1）： 第一，確定研究的主題。第二，師生收集該教學內容下包含探究過程的多樣化素材。第三，確定需要明晰的問題，如研究問題、收集的證據(jù)、技術的作用、研究使用的方法、數(shù)據(jù)的解釋、得到的結論等。第四，思考分析。第五，討論總結，判斷本質，分析成功或失誤的原因，從中得到經(jīng)驗教訓。第六，分析是否有新的問題，在該探究過程中是否產生新的不明確的想要探究的問題。

確定需要明晰的問題是元探究教學的重要環(huán)節(jié)。不同的探究過程，探究的側重點會有所不同，探究過程也很少會包含所有的探究活動要素。典型的活動要素主要包括研究的問題、收集的證據(jù)、對證據(jù)的解釋、所用技術及作用、得到的結論幾個環(huán)節(jié)。在不同環(huán)節(jié)需要關注不同的元探究問題。

對于研究問題維度，元探究問題應包括： 提出了怎樣的問題、為何會提出這樣的問題、針對研究問題提出怎樣的假說、對同樣的問題為何會提出不同的假說、這種假說是基于何種證據(jù)提出的等。

對于收集證據(jù)維度，元探究問題應包括： 如何收集證據(jù)、證據(jù)是否可分為不同類型（來源等）、證據(jù)是否需要進一步處理、證據(jù)可信度如何、證據(jù)的收集方法有哪些、是否采取合適的收集方法、是否采用合理的方法和工具對證據(jù)進行處理、對證據(jù)是否持有批判的態(tài)度等。

對于證據(jù)的解釋維度，元探究問題應包括： 證據(jù)起到了什么作用、能否正確認識并理解證據(jù)的作用、證據(jù)是否與假說相關（證據(jù)與假說的關系如何，是否支持假說）、證據(jù)與解釋有何關系、是否充分、解釋過程中是否尊重證據(jù)等。

對于探究過程中所用的技術及作用維度，元探究問題應包括： 用何種技術手段、起到了怎樣的作用、是否有更佳的方式等。

對于得出結論維度，元探究問題應包括： 得出了怎樣的結論、結論是如何得出的、結論的合理性如何、原因是什么、結論與證據(jù)是否一致等。

2 案例分析

我們以氯氣的發(fā)現(xiàn)為例進行元探究教學。

2.1 確定研究主題

氯氣的本質是什么？對一種未知的物質是如何確定其本質的？

2.2 收集素材

由學生查閱資料，教師進行補充，找出氯元素的發(fā)現(xiàn)史[7]。師生共同提煉出如下主要內容。

2.2.1 舍勒對軟錳礦的分析

從1771～1774年，舍勒花費三年時間，對軟錳礦進行了認真分析。他發(fā)現(xiàn)該礦石不溶于稀硫酸和稀硝酸，但卻能溶于鹽酸中。在對其沉淀物進行分析過程中，他預言有一種新金屬（錳）存在。但在前期處理過程中，常常使他感到十分難受的是，每次在軟錳礦粉中倒入鹽酸后，就會立即冒出一種令人窒息的黃綠色氣體，使他“肺部極為難受”。于是，在預言了錳元素之后，他著手于這種氣體的研究，發(fā)現(xiàn)它能使藍色紙條變白，也能使有色花朵和綠葉褪色;另外，還能腐蝕金屬;更奇怪的是在這種氣體中昆蟲會立刻死亡，火也立即熄滅。由此，舍勒斷定這是一種新物質（氯氣）。舍勒相信燃素說，認為是由于“脫燃素的錳”（MnO2）從鹽酸中奪去了燃素而產生了這種氣體，所以稱它為“脫燃素的鹽酸”。

2.2.2 貝托雷的氯水光解實驗

1774年，當貝托雷了解到舍勒的發(fā)現(xiàn)后，就著手對這一新氣體進行研究，發(fā)現(xiàn)黃綠色氣體確實如舍勒所言，具有漂白作用，于是將其介紹給紡織工業(yè)，以代替日曬漂白法，從而推動了漂染工業(yè)的迅速發(fā)展。在生產過程中，人們發(fā)現(xiàn)氯氣盡管具有漂白作用，但真正對漂白質量起關鍵作用的是次氯酸鹽的濃度。為進一步研究氯氣水溶液的性質，1785年貝托雷將黃綠色氣體溶于水后露置在日光下進行觀察，發(fā)現(xiàn)生成了鹽酸并放出了氧氣。據(jù)此，他認為這是氯氣的簡單分解過程，如下式所示： 氯——鹽酸+維持生命的空氣（氧）。認為氯是鹽酸和氧之間“聯(lián)合松弛的化合物”。

2.2.3 蓋·呂薩克的鹽酸氣合成實驗

1809年，蓋·呂薩克和泰納合作，總結了前人有關氯研究的經(jīng)驗教訓，不從分解的角度進行思考，而將純黃綠色氣體與氫氣混合，結果無論是靜置數(shù)日還是稍稍加熱或露置日光下，發(fā)現(xiàn)都生成了鹽酸氣，并且無任何水分產生，從而否定了貝托雷的觀點。他認可拉瓦錫的氧化理論中“一切酸中均含有氧”的觀點，認為氯氣是某種“基”的氧化物，與氮、硫、碳生成的酸根相似，仍然堅持氯不是一種元素而是一種化合物。后來，化學家想盡各種辦法，利用金屬、紅熱木炭、磷等任何一種吸氧劑進行實驗，企圖從氯中分解出氧來，以證明蓋·呂薩克見解的正確性。不過，均沒有從黃綠色氣體的分解中見到氧的蹤跡。那么，這究竟是元素還是化合物？

2.2.4 戴維的氯氣分解實驗

1810年，戴維在發(fā)現(xiàn)了堿類和堿土類一系列元素之后，也試圖用電解法來探討氯的本質。最初，他在銅管中用電池將木炭燒至白熱，讓氯氣通過其表面，結果沒有得到氧氣。于是，他分析了以前有關這方面的所有研究工作，感到只有認為氯是一種元素，才能合理地解釋所有的實驗現(xiàn)象。經(jīng)過一番認真研究之后，他在英國皇家學會上發(fā)表了自己的新觀點，以大量的實驗事實論證了氯是一種元素，而不是什么化合物，結束了長達半個多世紀以來的爭論。同時，他也對酸的本質問題進行了思考，認為鹽酸的主要成分是氫，氯氣中并不含有氧，氫有可能是使物質顯酸性的主要原因。

1813年，法國人庫特瓦從海藻植物中發(fā)現(xiàn)碘之后，戴維和蓋·呂薩克先后又獨立地確證它是一種元素，其性質與氯相似。于是，氯和碘分別是一種元素，鹽酸和氫碘酸都是無氧酸便很快得到了科學界的認可。

2.3 確定需要明晰的問題

通過表格設計，引導學生對收集的素材進行分析，展示需要關注的問題，重點關注證據(jù)的收集、對證據(jù)的解釋以及得到的結論之間的關系是否符合科學原則。表1呈現(xiàn)了對舍勒、蓋·呂薩克和戴維實驗的分析結果（因篇幅關系，省略對貝托雷實驗的分析）。

2.4 思考分析

在教師引導下，學生分組對科學發(fā)現(xiàn)過程中各科學家的工作圍繞元探究問題展開思考和分析。如表2提供了在研究問題維度、收集證據(jù)維度、證據(jù)解釋維度、得出結論維度，引導學生深入分析元探究問題下的科學發(fā)現(xiàn)過程?？梢园l(fā)現(xiàn)，元探究過程是一個充滿反思，不斷叩問的過程。

2.5 討論總結

引導學生分析以上過程，發(fā)現(xiàn)氯的本質是單質。整個過程是一個不斷反思的過程。學生可以關注到科學家在收集證據(jù)與得出結論方面的關系，從而認識到氯是一種元素的認識是如何得來的。如果給你一種未知的物質，你如何去判斷其存在和本質。意識到科學發(fā)展的曲折性，意識到得到正確的結論不僅需要嚴密的論證，需要基于證據(jù)的解釋，還要敢于相信事實。

3 元探究教學的優(yōu)勢和局限性

3.1 優(yōu)勢

運用元探究的探究教學，學生由于處于一個相對開放的外部環(huán)境，沒有太多指向性問題，能夠集中關注探究的過程，關注探究各要素之間的關系，因而能更加理解知識的構成與獲得更多知識形成過程的體驗。并且由于問題答案需要學生自己從素材中提煉，還能夠培養(yǎng)學生閱讀和分析的能力素養(yǎng)。

元探究教學旨在解決目前探究式課堂中存在的探究僵化、探究形式化的問題，旨在引導師生關注探究組成部分及各部分之間的聯(lián)系，如不僅僅是停留在收集證據(jù)上，而在于更關注證據(jù)與解釋之間的聯(lián)系、解釋與結論的關系等等，達到關注探究各部分之間緊密聯(lián)系的導向作用的目的。

3.2 局限性

同時我們也發(fā)現(xiàn)，與實驗探究相比較，學生的部分能力，如獨立提出猜想與假設的能力、制定計劃的能力、進行實驗的能力沒有得到訓練和培養(yǎng)。元探究教學因其特殊的載體需要，在化學教學中的應用，與化學史結合是一條有效的途徑。因此在化學教學中的應用，應挖掘含有豐富研究過程的內容。

要使得這種探究方法行之有效，其關鍵在于教師所提供的素材要盡可能多樣化，要設置具有引領作用的問題來充分調動學生思考、發(fā)言，對一系列相關問題進行“辯論”，所謂“理不辯不明”。但要注意不要淪為聲高的較量，既要“辨”，又要“辯”?！氨妗笔恰稗q”的基礎。關鍵是在思考的基礎上關注探究過程中各要素的關系。

參考文獻：

[1][美]國家研究理事會著.羅星凱等譯.科學探究與國家科學教育標準[M].北京： 科學普及出版社， 2004： 16， 24.

[2]Joseph J. Schwab. The Teaching as Enquiry. The Teaching of Science [M]. Harvard University Press， Cambridge， Massachusetts， 1962： 65.

[3]葛秋實，王秀紅.基于化學史的教學設計： 與科學家對話——重溫氯的發(fā)現(xiàn)之旅[J].化學教育， 2011，32（01）： 35～36， 57.

[4]吳瓊英.化學史融入探究教學的實踐與反思——以“質量守恒定律”為例[J].中學化學教學參考， 2017，（13）： 20～22.

[5]劉玉榮，詹利平.融合化學史和生活的二氧化碳教學設計[J].化學教育， 2017， 38（17）： 5～9.

[6]張娟，姜建文.基于化學史的“元素周期表”教學設計[J].化學教育， 2017， 38（17）： 75～81.

[7]丁緒賢.化學史通考[M].北京： 中國大百科全書出版社， 2011： 136～146.