開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)學(xué)生高階思維能力發(fā)展的實(shí)踐研究

郭建虹

摘要： 開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)教學(xué)方法的改革，促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)容、時(shí)間、空間和行為上“開放”，培養(yǎng)學(xué)生的思考能力，發(fā)展學(xué)生的高階思維。開放式實(shí)驗(yàn)不但為學(xué)生提供更多“做”的機(jī)會(huì)，更提供更多“想”的空間，是一種讓學(xué)生自主獲得知識(shí)、提高實(shí)驗(yàn)技能、發(fā)展創(chuàng)新思維的一種教學(xué)方式。科學(xué)探究的各個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生主動(dòng)參與的環(huán)節(jié)越多、教師干預(yù)的環(huán)節(jié)越少，則開放程度越大、探究水平越高。

關(guān)鍵詞： 開放式實(shí)驗(yàn); 化學(xué)教學(xué); 高階思維能力; 質(zhì)量守恒定律

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）5-0054-05 ? ? ? ? ? ?中圖分類號(hào)： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

做實(shí)驗(yàn)并不等于科學(xué)探究，探究最核心的內(nèi)容是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，這對(duì)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)是非常重要的。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新不應(yīng)僅止于實(shí)驗(yàn)裝置、操作的創(chuàng)新，研究學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)方式的創(chuàng)新，才是目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革所亟需解決的。

1 ?開放式實(shí)驗(yàn)與高階思維能力

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》明確要求： 科學(xué)探究既作為學(xué)習(xí)方式，又作為學(xué)習(xí)的內(nèi)容和目標(biāo)，必需落實(shí)在其他各個(gè)主題的學(xué)習(xí)中，不宜進(jìn)行孤立的科學(xué)探究方法的訓(xùn)練。教師不要把科學(xué)探究當(dāng)成一個(gè)工具，要把科學(xué)探究當(dāng)成一種教育理念和學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，一種習(xí)慣的養(yǎng)成。對(duì)科學(xué)探究的評(píng)價(jià)，應(yīng)該側(cè)重考察學(xué)生在探究活動(dòng)中的實(shí)際表現(xiàn)。

目前，開放式實(shí)驗(yàn)的研究多見于高校教學(xué)。初中階段的實(shí)驗(yàn)均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，鑒于初中階段學(xué)生的認(rèn)知水平，初中階段的實(shí)驗(yàn)開放應(yīng)是對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的開放，在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)各環(huán)節(jié)中，增加學(xué)生自主參與的環(huán)節(jié)，學(xué)生主動(dòng)參與的環(huán)節(jié)越多、教師干預(yù)的環(huán)節(jié)越少，則開放程度和探究水平越高。通過(guò)開放式實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，不但為學(xué)生提供更多“做”的機(jī)會(huì)，更提供更多“想”的空間，即更多的能動(dòng)活動(dòng)（設(shè)計(jì)、選擇、優(yōu)化、評(píng)價(jià)、反思、創(chuàng)新）。

開放式實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立性，激起學(xué)生的“疑問(wèn)和困惑、混淆和懷疑”，而這類問(wèn)題正是開啟高階思維的最大動(dòng)力。開放式實(shí)驗(yàn)的包容性，引發(fā)質(zhì)疑、評(píng)價(jià)、推理、詮釋等批判性思維，促使高階思維的發(fā)生。開放式實(shí)驗(yàn)的開放性，催生了反思、批判、創(chuàng)新等思維活動(dòng)，通過(guò)發(fā)現(xiàn)、構(gòu)想、歸納、抉擇、評(píng)價(jià)等思維經(jīng)驗(yàn)積累過(guò)程，提升思維能力。開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)教學(xué)方法的改革，促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)容、時(shí)間、空間和行為上“開放”，路徑不固定、答案不唯一，在陌生的真實(shí)的情境中展開自主能動(dòng)的活動(dòng)，從而發(fā)展高階思維能力。

2 ?開放式實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)策略

知網(wǎng)上查閱有關(guān)“質(zhì)量守恒定律”的教學(xué)設(shè)計(jì)，多達(dá)70篇左右，各設(shè)計(jì)均有所長(zhǎng)，但設(shè)計(jì)重點(diǎn)大多是通過(guò)實(shí)驗(yàn)歸納的方法得出質(zhì)量守恒定律，再?gòu)奈⒂^進(jìn)行解釋。其實(shí)驗(yàn)過(guò)程多是教師演示、學(xué)生觀看，教師引導(dǎo)、學(xué)生分析，教師提問(wèn)、學(xué)生回答。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生被動(dòng)參與，缺少積極的情感體驗(yàn)，欠缺科學(xué)思維的培養(yǎng)。

各版本教材中，“質(zhì)量守恒定律”均位于上冊(cè)教材中部位置出現(xiàn)，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的實(shí)驗(yàn)基本技能，如觀察、記錄、表述、分析、結(jié)論等，而質(zhì)量守恒定律的探究活動(dòng)，其重點(diǎn)不在操作和技能，亦不是現(xiàn)象和分析，而應(yīng)該是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到研究化學(xué)變化時(shí)需要有的體系意識(shí)。

2.1 ?開放式實(shí)驗(yàn)探究的活動(dòng)流程

開放式實(shí)驗(yàn)探究的活動(dòng)流程見圖1。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，整合系統(tǒng)性思維

首先應(yīng)當(dāng)明確該實(shí)驗(yàn)的目的和采用的處理方法和步驟，以及事后檢查是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的方法。教學(xué)要求應(yīng)當(dāng)根據(jù)所選擇的化學(xué)實(shí)驗(yàn)體系、實(shí)驗(yàn)方法和步驟來(lái)確定，更要依據(jù)學(xué)生的實(shí)際水平來(lái)制定，這點(diǎn)在化學(xué)啟蒙階段尤為重要，不可要求過(guò)高。

[引入]我們今天將物理實(shí)驗(yàn)室的天平帶入化學(xué)。正是憑借“天平”，拉瓦錫用科學(xué)實(shí)驗(yàn)和定量研究，使化學(xué)走向科學(xué)，原本遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于物理、數(shù)學(xué)、天文的化學(xué)，與它們并駕齊驅(qū)，成為一門精密的科學(xué)。

在拉瓦錫時(shí)代，科學(xué)家就在思考，化學(xué)

反應(yīng)前后質(zhì)量發(fā)生了怎樣的變化？有的科學(xué)家認(rèn)為，化學(xué)反應(yīng)后質(zhì)量會(huì)減小，如石蠟燃燒;有的科學(xué)家認(rèn)為，化學(xué)反應(yīng)后質(zhì)量會(huì)增加，如鐵生銹。拉瓦錫經(jīng)過(guò)精確實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，質(zhì)量應(yīng)該不變。

[實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)]

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)： 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量不發(fā)生變化。

學(xué)生： 列出所需藥品，寫出化學(xué)反應(yīng)原理;列出實(shí)驗(yàn)用品，畫出實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖;列出實(shí)驗(yàn)所需記錄的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)步驟。

教師： 根據(jù)學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)單，匯總學(xué)生實(shí)驗(yàn)原理，按照反應(yīng)物、生成物狀態(tài)以及反應(yīng)條件，教師進(jìn)行分類（部分典型實(shí)驗(yàn)裝置附圖說(shuō)明），并據(jù)此準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)儀器和藥品。

學(xué)生預(yù)習(xí)中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案有以下幾類：

（1） 無(wú)氣體參加、生成的反應(yīng)。僅一個(gè)小組設(shè)計(jì)這類方案，用到了鐵和硫酸銅溶液的反應(yīng)。

（2） 有氣體參加的反應(yīng)。共2個(gè)小組設(shè)計(jì)這類方案，其中一組采用密閉裝置，一組使用敞口的坩堝（見圖2、圖3）。

（3） 生成物中有氣體。共8個(gè)小組設(shè)計(jì)這類方案，其中僅有3個(gè)小組選擇敞口容器完成實(shí)驗(yàn)，5個(gè)小組學(xué)生設(shè)計(jì)了密閉裝置，其中還有2組學(xué)生使用了可變形容器（礦泉水瓶、氣球等）。

① 二氧化錳催化分解過(guò)氧化氫溶液（見圖4～圖6）。

③ 加熱固體生成氣體類。有兩組學(xué)生選擇固體加熱型實(shí)驗(yàn)，其藥品分別為堿式碳酸銅、高錳酸鉀，其實(shí)驗(yàn)裝置均為敞口裝置。

（4） 反應(yīng)物、生成物中均有氣體。共有3組同學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)稱量石蠟燃燒前后質(zhì)量的變化，其中有兩組學(xué)生考慮到氣體對(duì)反應(yīng)的影響，選擇在集氣瓶或燒杯中燃燒蠟燭，并對(duì)瓶口進(jìn)行封閉。

以往的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，一直是教師“開方抓藥”，這一次方子是學(xué)生開的，這樣的開放從一開始就大大激發(fā)了學(xué)生思維的活力，學(xué)生面臨原理的選擇、根據(jù)藥品狀態(tài)和反應(yīng)條件設(shè)計(jì)裝置等問(wèn)題，初步體驗(yàn)到化學(xué)體系選擇的重要性。而分析、推斷、區(qū)別、比較、組織等行為正是高階思維的特點(diǎn)。

學(xué)生設(shè)計(jì)的方案是否符合本節(jié)課開展的需要呢？質(zhì)量守恒定律的文本解讀，一般引導(dǎo)學(xué)生思考需要選擇五類反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，即： 只有氣體參加的反應(yīng)、只有氣體生成的反應(yīng)、無(wú)氣體參加和生成的反應(yīng)、溶液中有沉淀生成的反應(yīng)、有氣體參加且有氣體生成的反應(yīng)等，這才是完全角度“數(shù)學(xué)歸納法”思想，如果能夠得到反應(yīng)前后質(zhì)量不變的結(jié)論，就可以推導(dǎo)出化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量守恒[1]。這一階段，學(xué)生尚未學(xué)習(xí)酸堿鹽的性質(zhì)，溶液中有沉淀生成的反應(yīng)并未在學(xué)生方案中出現(xiàn)，但其他4種方案均有涉及，實(shí)驗(yàn)可以開展。

2.3 ?互評(píng)方案，培養(yǎng)批判性思維

2.3.1 ?實(shí)驗(yàn)原理和裝置的選擇： 從開放體系到密閉體系的實(shí)驗(yàn)思維轉(zhuǎn)換

從整體看，學(xué)生方案可行，但需要對(duì)個(gè)體進(jìn)行選擇和優(yōu)化。需要學(xué)生在紛繁復(fù)雜的方案中，客觀地做分析、評(píng)價(jià)，做出評(píng)論、鑒定甚或辯護(hù)。

在交流和匯報(bào)實(shí)驗(yàn)方案過(guò)程中，一些小組這樣陳述觀點(diǎn)：

“因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)氣體參加或生成，所以我們沒(méi)有選擇密閉容器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”。

“因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)過(guò)程中有氣體生成，直接使用密閉容器，會(huì)不安全，所以考慮增加氣球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”。在之前的實(shí)驗(yàn)中，從未使用過(guò)氣球，這樣的創(chuàng)意確實(shí)值得鼓勵(lì)。

這一活動(dòng)中，學(xué)生已經(jīng)明確意識(shí)到物質(zhì)體系的選擇對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要性，物質(zhì)體系決定儀器裝置;實(shí)驗(yàn)步驟決定于所選的化學(xué)體系和儀器裝置，如何安全地、有序地完成實(shí)驗(yàn)，決定了實(shí)驗(yàn)者操作技術(shù)的規(guī)范程度。較早建立和形成“體系與環(huán)境”這一對(duì)重要的化學(xué)概念和基本觀念對(duì)于化學(xué)研究具有重要的意義。

只有這樣來(lái)認(rèn)識(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，才能通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)作風(fēng)。對(duì)化學(xué)學(xué)科教育而言，化學(xué)體系選擇的重要性，遠(yuǎn)甚于實(shí)驗(yàn)裝置和操作的訓(xùn)練考查。

2.3.2 ?實(shí)驗(yàn)步驟的確認(rèn)： 從分步稱量到整體稱量的實(shí)驗(yàn)思維轉(zhuǎn)換

在對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行討論時(shí)，開始時(shí)有的小組提出“分步稱量”的方案，立即遭到一些小組的反對(duì)，他們這樣陳述意見：

“我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖翘骄炕瘜W(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系，研究對(duì)象是所有物質(zhì)，而不是某一個(gè)物質(zhì)，沒(méi)有必要分別稱量”。

“分步稱量需要多次稱量，操作繁瑣，且多次稱量誤差大”。

從學(xué)生的對(duì)話中，可以看到，在用天平探究化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系問(wèn)題時(shí)存在著較為普遍的認(rèn)識(shí)方式?jīng)_突，這樣的認(rèn)知沖突只有親歷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)才有可能產(chǎn)生，學(xué)生親自設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)的意義和價(jià)值正在于此。

學(xué)生的批判和質(zhì)疑，源于真實(shí)情境，有理有據(jù)有解決方案。開放式實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生與客觀事物發(fā)生直接的接觸和相互作用，從而改變他們的原有認(rèn)識(shí)方式，觸及靈魂，實(shí)現(xiàn)思維方式的質(zhì)的飛躍。學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)質(zhì)量關(guān)系的認(rèn)識(shí)基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了從“單一物質(zhì)的質(zhì)量”到“各物質(zhì)質(zhì)量總和”的跨越;對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了從“定性思維”到“定量思維”的跨越。本節(jié)課的目標(biāo)已經(jīng)超越對(duì)質(zhì)量守恒定律內(nèi)涵的認(rèn)知，用批判的眼光看待問(wèn)題，正是高階思維的特點(diǎn)。

2.4 ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析： 初探“質(zhì)量守恒”、“以量定質(zhì)”思想方法

創(chuàng)新是高階思維的最高思維形式。開放式實(shí)驗(yàn)活動(dòng)催生學(xué)生解決問(wèn)題的同時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從“物質(zhì)變化”到“質(zhì)量守恒”，進(jìn)而引發(fā)“以量定質(zhì)”的思考。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析（見表1、表2），將思維碰撞推向高潮： 同一實(shí)驗(yàn)原理，出現(xiàn)不同結(jié)果;不同實(shí)驗(yàn)原理，有相似結(jié)果出現(xiàn)。由此引發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中物質(zhì)體系、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)操作的一系列反思;而對(duì)多組數(shù)據(jù)的比較和分析，更使學(xué)生認(rèn)識(shí)到教材中“無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)證明……”這句話背后所隱含的科學(xué)精神。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程的親密接觸，促使學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的反思，他們觀察到很多實(shí)驗(yàn)后反應(yīng)物有剩余，如鐵釘、碳酸鈣等?！疤骄炕瘜W(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系”，這里的物質(zhì)具體到化學(xué)反應(yīng)中，究竟是哪些物質(zhì)？質(zhì)量是多少？質(zhì)量總和是哪些量的總和？在不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生理解與突破質(zhì)量守恒定律中“反應(yīng)”“質(zhì)量”“總和”“參加反應(yīng)”四個(gè)關(guān)鍵詞，正是實(shí)驗(yàn)承載的重要任務(wù);解決問(wèn)題的過(guò)程，正是學(xué)生形成和確立正確、合理的化學(xué)反應(yīng)及其質(zhì)量的分析方式和習(xí)慣，這對(duì)后續(xù)的學(xué)習(xí)，如化學(xué)方程式的書寫、質(zhì)量守恒定律的應(yīng)用等都是非常基本又是非常重要的。

對(duì)5、6兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，同樣是加熱固體，固體質(zhì)量的變化趨勢(shì)卻截然相反，由此反思加熱過(guò)程中物質(zhì)所發(fā)生的變化，并對(duì)銅綠的物質(zhì)組成展開猜想和探究。學(xué)生由此認(rèn)識(shí)到“可以根據(jù)量的變化推知質(zhì)的變化”、“可以利用定量方法認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成”，初步建立運(yùn)用數(shù)據(jù)分析化學(xué)問(wèn)題的意識(shí)和能力。

定量是化學(xué)成為一門科學(xué)的重要標(biāo)志，從定量的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化是化學(xué)學(xué)科核心的思維方式，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析化學(xué)問(wèn)題，將使問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)、分析和解決都變得理性，證據(jù)的支持更充分[2]。

梁永平教授研究表明[3]，“顯性和反思性方法是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解的較為有效的方法”，他認(rèn)為促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)該“以探究性教學(xué)為基本活動(dòng)方式，以顯性和反思性活動(dòng)為基本教學(xué)策略”。其中，“顯性”是指應(yīng)該把對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解作為認(rèn)知性教學(xué)結(jié)果而有意識(shí)地確定為目標(biāo)和計(jì)劃;“反思性”是指要為學(xué)生提供認(rèn)識(shí)論層面的分析活動(dòng)機(jī)會(huì)。

綜上所述，開放式實(shí)驗(yàn)活動(dòng)過(guò)程是讓學(xué)生發(fā)展建構(gòu)能力、批判反思能力等高階思維能力的重要平臺(tái)。學(xué)生最大化參與實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程，主動(dòng)地在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中形成基于實(shí)證的推理、質(zhì)疑、批判等高級(jí)思維能力，而不再是被動(dòng)的“觀察者”。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙華. 化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)立足智慧的文本解讀[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （3）： 12～16.

[2]林紅焰， 宋曉敏， 陳爭(zhēng). 基于核心概念設(shè)計(jì)中學(xué)化學(xué)教學(xué)——以定量認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成及其變化為例[J]. 北京教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2013， （6）： 25～28.

[3]梁永平. 促進(jìn)學(xué)生科學(xué)本質(zhì)理解的教學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2008， （9）： 5～10.