基于科學(xué)探究的初中化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與思考

劉亮榮　夏建華　解令謙

摘要： 提出初中化學(xué)教學(xué)中科學(xué)探究的設(shè)計(jì)模型，以人教版九年級(jí)化學(xué)下冊(cè)第十單元拓展內(nèi)容“Ca（OH）2溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)中異?，F(xiàn)象的探究”為例，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境，突出實(shí)驗(yàn)探究方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，關(guān)注學(xué)生批判性思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。通過(guò)案例分析，驗(yàn)證了科學(xué)探究的設(shè)計(jì)模型在初中化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)探究; 證據(jù)推理; 核心素養(yǎng); Ca（OH）2溶液導(dǎo)電性

文章編號(hào)： 10056629（2019）10003305中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）將科學(xué)探究既作為學(xué)習(xí)內(nèi)容，又作為學(xué)習(xí)方式，在“課程性質(zhì)”中強(qiáng)調(diào)“在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)以實(shí)驗(yàn)為主的科學(xué)探究活動(dòng)，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力”。為提升初中化學(xué)教學(xué)中科學(xué)探究課的設(shè)計(jì)水平，我們探索并提出了初中化學(xué)科學(xué)探究的設(shè)計(jì)模型如圖1所示。

上述科學(xué)探究魚骨圖強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究課的設(shè)計(jì)需要關(guān)注以下問(wèn)題： 一是科學(xué)探究要源于真實(shí)的情境中產(chǎn)生的問(wèn)題;二是探究的結(jié)果表現(xiàn)為問(wèn)題解決、知識(shí)建構(gòu)或建立模型;三是探究過(guò)程中要盡可能地運(yùn)用化學(xué)學(xué)科核心知識(shí)，探究的結(jié)果應(yīng)生成新的知識(shí)，避免走脫離學(xué)科背景的形式訓(xùn)練的探究誤區(qū);四是要引導(dǎo)學(xué)生自主經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析現(xiàn)象與得出結(jié)論等主要探究過(guò)程，讓學(xué)生學(xué)習(xí)控制變量等設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法;五是在探究的相關(guān)環(huán)節(jié)中，要關(guān)注學(xué)生的科學(xué)思維訓(xùn)練，需要根據(jù)科學(xué)證據(jù)得出結(jié)論，即基于證據(jù)的科學(xué)推理，它是一種內(nèi)在的邏輯思維形式。在科學(xué)探究任務(wù)中，一般都涉及不同類型的科學(xué)推理，要讓學(xué)生在探究過(guò)程中啟動(dòng)高階思維，進(jìn)行深度學(xué)習(xí);六是探究過(guò)程中要重視學(xué)生科學(xué)態(tài)度的養(yǎng)成，深化對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。

本文基于上述六個(gè)方面的設(shè)計(jì)要素，以人教版九年級(jí)化學(xué)下冊(cè)第十單元課題1“常見的酸和堿”中“Ca（OH）2溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)中異?，F(xiàn)象的探究”為題，設(shè)計(jì)了一節(jié)科學(xué)探究課，在實(shí)踐中探索初中化學(xué)科學(xué)探究的設(shè)計(jì)理念。

2 “Ca（OH）2溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)中異?，F(xiàn)象的探究”教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)內(nèi)容

本節(jié)課通過(guò)“測(cè)氫氧化鈣溶液導(dǎo)電性”的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親身經(jīng)歷和體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的“異?，F(xiàn)象”——即用石墨做電極出現(xiàn)的“渾濁現(xiàn)象”進(jìn)行大膽猜測(cè)和探究，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后得出正確結(jié)論。

2.2 學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)進(jìn)入九年級(jí)復(fù)習(xí)階段，學(xué)習(xí)并復(fù)習(xí)了關(guān)于酸堿鹽、溶解度的相關(guān)內(nèi)容，他們也有進(jìn)一步探究更多相關(guān)知識(shí)的求知欲和興趣。另外他們觀看過(guò)多次教師演示實(shí)驗(yàn)以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，經(jīng)歷了中考理科實(shí)驗(yàn)操作考試，具有一定的實(shí)驗(yàn)操作技能。這些都將成為本節(jié)課教學(xué)的有力支撐點(diǎn)。

2.3 教學(xué)目標(biāo)

（1） 通過(guò)氫氧化鈣溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)溶液能導(dǎo)電的宏觀事實(shí)與微觀實(shí)質(zhì)，深化對(duì)元素觀和變化觀的理解。

（2） 通過(guò)對(duì)Ca（OH）2溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)中異常現(xiàn)象的探究，學(xué)會(huì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)分析，提高收集證據(jù)和分析推理的能力，發(fā)展科學(xué)探究與證據(jù)推理核心素養(yǎng)。

（3） 體會(huì)科學(xué)探究的樂(lè)趣，培養(yǎng)敢于質(zhì)疑、勇于批判的科學(xué)態(tài)度，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

2.4 素養(yǎng)導(dǎo)向下的教學(xué)流程

教學(xué)流程設(shè)計(jì)見圖2。

2.5 教學(xué)過(guò)程

2.5.1 創(chuàng)設(shè)情境，激趣導(dǎo)入

[教師演示實(shí)驗(yàn)]飽和Ca（OH）2溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)。

[提問(wèn)]觀察到什么現(xiàn)象？

[學(xué)生]燈泡發(fā)光;兩極產(chǎn)生氣體;溶液出現(xiàn)白色渾濁。

設(shè)計(jì)意圖： 通過(guò)陌生的實(shí)驗(yàn)及觀察到的現(xiàn)象激發(fā)興趣、引發(fā)問(wèn)題、引導(dǎo)探究。

2.5.2 提出問(wèn)題，做出假設(shè)

[教師]展示出現(xiàn)白色渾濁的圖片。

[學(xué)生]好奇并提出問(wèn)題： 為什么出現(xiàn)白色渾濁？白色渾濁是什么？

[教師]鼓勵(lì)學(xué)生積極思考并大膽猜想，并引導(dǎo)學(xué)生提出猜想和假設(shè)。

[學(xué)生]小組合作，思考討論。

假設(shè)1： 水的減少導(dǎo)致溶液中有氫氧化鈣沉淀析出;

假設(shè)2： 溫度升高，氫氧化鈣溶液的溶解度減小，導(dǎo)致溶液中有氫氧化鈣沉淀析出。

[質(zhì)疑]電解時(shí)溶液溫度是否升高？學(xué)生討論后設(shè)計(jì)了用溫度傳感器來(lái)測(cè)定電解后溶液溫度變化的方案。

[演示實(shí)驗(yàn)]介紹不銹鋼溫度傳感器并測(cè)定飽和Ca（OH）2溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)中溫度是否發(fā)生改變（見圖3）。

[收集證據(jù)]電解時(shí)溶液溫度升高。

設(shè)計(jì)意圖： 明確要探究的問(wèn)題，讓學(xué)生依據(jù)已有元素觀、變化觀及溶解度知識(shí)提出假設(shè)，再根據(jù)學(xué)生質(zhì)疑后討論的方案，演示用不銹鋼溫度傳感器測(cè)定電解飽和Ca（OH）2溶液實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度的變化。通過(guò)溫度上升的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，確認(rèn)假設(shè)2成立。以上教學(xué)環(huán)節(jié)具有如下作用： 一是幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到假設(shè)是通過(guò)基于證據(jù)的推理形成的;二是讓學(xué)生在探究中形成證據(jù)推理的素養(yǎng);三是提升了學(xué)生交流合作的意識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生敢于質(zhì)疑與批判的精神。

2.5.3 合作探究，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

[學(xué)生]小組合作討論，分享實(shí)驗(yàn)方案。

[驗(yàn)證假設(shè)1]

實(shí)驗(yàn)方案1： 將飽和Ca（OH）2溶液加熱蒸發(fā)掉部分水（溶液體積和蒸發(fā)掉水的體積和上述演示實(shí)驗(yàn)相同），再冷卻到室溫，觀察溶液中是否有渾濁出現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)方案2： 向90mL相同濃度飽和Ca（OH）2溶液中加入10mL蒸餾水，攪拌，在相同電壓下再次進(jìn)行導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，觀察是否變渾濁。

[驗(yàn)證假設(shè)2]

實(shí)驗(yàn)方案3： 取100mL飽和氫氧化鈣溶液于大燒杯中，加熱至電解時(shí)上升的溫度（溫度升高約4度），觀察是否出現(xiàn)渾濁。

[教師]鼓勵(lì)學(xué)生小組合作，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，巡視各小組并予以引導(dǎo)。

[學(xué)生]按實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄現(xiàn)象，收集證據(jù)。

實(shí)驗(yàn)1： 溶液中出現(xiàn)少量白色渾濁;

實(shí)驗(yàn)2： 溶液中出現(xiàn)較多白色渾濁;

實(shí)驗(yàn)3： 溶液中沒(méi)有出現(xiàn)白色渾濁。

[學(xué)生]分析證據(jù)，進(jìn)行推理，得出結(jié)論：

實(shí)驗(yàn)1出現(xiàn)渾濁說(shuō)明白色渾濁與電解時(shí)水的減少有關(guān);實(shí)驗(yàn)2出現(xiàn)渾濁說(shuō)明不飽和氫氧化鈣溶液電解時(shí)也有白色渾濁，說(shuō)明白色渾濁的生成還有其他因素，假設(shè)1不是唯一的原因。

實(shí)驗(yàn)3加熱飽和氫氧化鈣溶液至電解時(shí)的溫度，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的白色渾濁，說(shuō)明跟溫度的微弱升高沒(méi)有明顯關(guān)系，故假設(shè)2不成立。

設(shè)計(jì)意圖： 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案是實(shí)驗(yàn)探究中最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。本環(huán)節(jié)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，提升證據(jù)推理的意識(shí)，特別是實(shí)驗(yàn)2從逆向思維角度設(shè)計(jì)的方案，體現(xiàn)了學(xué)生思維的變通性和創(chuàng)新特點(diǎn)。同時(shí)，學(xué)生在分組實(shí)驗(yàn)中，訓(xùn)練了動(dòng)手能力和收集證據(jù)的能力，最后通過(guò)師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，得出假設(shè)1不是唯一因素、假設(shè)2不成立的結(jié)論，訓(xùn)練了學(xué)生演繹推理能力和辯證思維能力。

2.5.4 推理釋疑，剖析本質(zhì)

[教師]那還有其他猜想嗎？引導(dǎo)學(xué)生提出與石墨電極有關(guān)，然后介紹鉑電極并用鉑電極進(jìn)行導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)證明。通過(guò)展示白色渾濁的圖片（與電源正極相連的石墨電極周圍變渾濁）引導(dǎo)學(xué)生提出新的猜想。

[學(xué)生]是否與電極有關(guān)呢？可以用鉑電極來(lái)代替石墨電極做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

[教師]肯定學(xué)生的質(zhì)疑精神和科學(xué)思維，演示用金屬鉑電極做電解飽和Ca（OH）2溶液的實(shí)驗(yàn)。

[收集證據(jù)]使用鉑電極溶液果然不渾濁！

[學(xué)生]通過(guò)分析證據(jù)，推理溶液渾濁與電極有關(guān)。通過(guò)思考討論以及在教師的引導(dǎo)下得出新的假設(shè)。

假設(shè)3： 可能是陽(yáng)極產(chǎn)生的O2與石墨電極中的碳反應(yīng)生成CO2， CO2與Ca（OH）2反應(yīng)生成的CaCO3導(dǎo)致白色渾濁出現(xiàn)。

[設(shè)計(jì)方案]學(xué)生合作討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并分享：

實(shí)驗(yàn)方案4： 向燒杯渾濁的液體中，滴加稀鹽酸，觀察是否有氣泡產(chǎn)生。

[教師]提醒學(xué)生注意實(shí)驗(yàn)安全。

[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集證據(jù)]學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作并記錄現(xiàn)象： 白色渾濁物消失，無(wú)明顯氣泡產(chǎn)生。

[學(xué)生]分析推理可能是Ca（OH）2溶液濃度小，產(chǎn)生CaCO3的量少，滴加稀鹽酸后產(chǎn)生的CO2也很少;故無(wú)法觀察到明顯氣泡。

[教師]解釋上述傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仍有弊端，就是稍不注意也有可能看不到氣泡產(chǎn)生，向?qū)W生介紹數(shù)字化實(shí)驗(yàn)并課堂演示。

實(shí)驗(yàn)方案5： 將渾濁的液體倒入密閉容器中，通過(guò)注射器注入稀鹽酸，并利用二氧化碳傳感器來(lái)測(cè)定裝置中二氧化碳含量的變化（見圖4）。

[收集證據(jù)]觀察實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)字化曲線現(xiàn)象： 二氧化碳含量上升（見圖5）。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]加入稀鹽酸后產(chǎn)生了二氧化碳，故猜想3成立，即飽和Ca（OH）2溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)渾濁的原因是陽(yáng)極產(chǎn)生的O2與石墨電極中的碳反應(yīng)生成CO2， CO2與Ca（OH）2反應(yīng)生成的CaCO3導(dǎo)致白色渾濁。

[師生共同小結(jié)]白色渾濁產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)： 一是電解過(guò)程中陽(yáng)極產(chǎn)生的二氧化碳和氫氧化鈣溶液反應(yīng)生成的碳酸鈣;二是電解過(guò)程中水的減少導(dǎo)致氫氧化鈣析出。至于電解時(shí)溫度的微小變化不是產(chǎn)生渾濁的主要原因。

設(shè)計(jì)意圖： 本環(huán)節(jié)首先讓學(xué)生通過(guò)觀察電解實(shí)驗(yàn)時(shí)溶液陽(yáng)極部分產(chǎn)生渾濁的現(xiàn)象，推理出白色渾濁與石墨電極及陽(yáng)極產(chǎn)物有關(guān)，從而提出假設(shè)3;然后引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證假設(shè)3的產(chǎn)物碳酸鈣，實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)明顯氣泡時(shí)進(jìn)行反思，分析可能是碳酸鈣含量少的原因，從而引入精確度高的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來(lái)深入探究，通過(guò)二氧化碳傳感器得出的曲線，證明白色沉淀中確實(shí)含有碳酸鈣，體現(xiàn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在科學(xué)探究過(guò)程中獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值;最后，師生共同就整個(gè)探究過(guò)程的結(jié)果進(jìn)行小結(jié)，得出科學(xué)的結(jié)論。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生在教師啟發(fā)下獨(dú)立提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析現(xiàn)象、得出結(jié)論，提升了科學(xué)探究素養(yǎng)。

3 反思

通過(guò)“Ca（OH）2溶液導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)中異常現(xiàn)象的探究”的教學(xué)，我們深化了對(duì)科學(xué)探究本質(zhì)的理解，在實(shí)踐中驗(yàn)證了初中化學(xué)科學(xué)探究的設(shè)計(jì)模型。對(duì)于初中化學(xué)科學(xué)探究有以下幾點(diǎn)反思：

3.1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)的教學(xué)情境，得到有價(jià)值的探究結(jié)果

在設(shè)計(jì)科學(xué)探究教學(xué)時(shí)，要深度挖掘教材內(nèi)容，捕捉適合初中生學(xué)習(xí)的能引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)探究的真實(shí)而陌生的情境，尤其是一些沒(méi)有固定答案的結(jié)構(gòu)不良情境，讓學(xué)生針對(duì)情境中的問(wèn)題深入探究。本課例中，教師創(chuàng)設(shè)了對(duì)初中生而言較陌生的電解Ca（OH）2溶液實(shí)驗(yàn)情境，該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生白色沉淀現(xiàn)象與學(xué)生的預(yù)期不同，有效地激發(fā)了學(xué)生的探究興趣。且產(chǎn)生白色沉淀的因素較多，成因較復(fù)雜，沒(méi)有固定的答案。這類結(jié)構(gòu)不良性質(zhì)的情境問(wèn)題對(duì)學(xué)生的探究能力和思維品質(zhì)要求較高，但探究過(guò)程中需要用到的知識(shí)卻是初中化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。學(xué)生在探究過(guò)程中解決了問(wèn)題，得到了有價(jià)值的結(jié)論，提升了科學(xué)探究能力。

3.2 讓學(xué)生自主經(jīng)歷科學(xué)探究的主要環(huán)節(jié)

表1是本節(jié)課科學(xué)探究相關(guān)環(huán)節(jié)中學(xué)生自主情況統(tǒng)計(jì)。

可見，學(xué)生在本節(jié)課的學(xué)習(xí)中自主經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析現(xiàn)象與得出結(jié)論的全過(guò)程，這種以學(xué)生為主體的探究體驗(yàn)是學(xué)生理解科學(xué)探究的本質(zhì)、掌握科學(xué)探究的方法、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)科學(xué)態(tài)度的重要過(guò)程，是形成科學(xué)探究能力的關(guān)鍵要素。

3.3 啟迪學(xué)生在探究中進(jìn)行深度思考

評(píng)價(jià)一節(jié)科學(xué)探究課對(duì)學(xué)生發(fā)展的價(jià)值，重要的是看學(xué)生在探究過(guò)程中是否進(jìn)行了深度思考，是否啟用了高階思維來(lái)解決問(wèn)題。在本課例中，學(xué)生針對(duì)電解氫氧化鈣溶液為什么會(huì)出現(xiàn)白色沉淀的問(wèn)題，根據(jù)已有知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用邏輯推理的方法提出了3個(gè)假設(shè)，并通過(guò)對(duì)假設(shè)的質(zhì)疑（如電解時(shí)溫度是否升高？），設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證假設(shè)的合理性，其質(zhì)疑精神和批判思維在探究中得到了發(fā)展;接著，學(xué)生自主設(shè)計(jì)了4個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證假設(shè)，在設(shè)計(jì)方案、討論方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析現(xiàn)象得出結(jié)論的過(guò)程中，學(xué)生進(jìn)行了積極的思維活動(dòng)。如通過(guò)正、逆向的實(shí)驗(yàn)得出假設(shè)1成立但不是唯一因素的結(jié)論，體現(xiàn)了學(xué)生較高的辯證思維能力;用鉑電極來(lái)代替石墨電極驗(yàn)證假設(shè)3，反映了學(xué)生較強(qiáng)的思維變通性，具有一定的創(chuàng)新能力。從布魯姆教學(xué)目標(biāo)分類的角度來(lái)看，學(xué)生在探究過(guò)程中，充分運(yùn)用了應(yīng)用（如運(yùn)用已有化學(xué)知識(shí)提出假設(shè)）、分析（如分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論）、評(píng)價(jià)（如評(píng)價(jià)、完善實(shí)驗(yàn)方案）和創(chuàng)造（如設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案）的高階思維來(lái)解決問(wèn)題。

3.4 引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用學(xué)科核心知識(shí)解決問(wèn)題

為了防止科學(xué)探究脫離學(xué)科知識(shí)、走進(jìn)形式訓(xùn)練的誤區(qū)，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在科學(xué)探究中運(yùn)用化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題，在提升科學(xué)探究能力的同時(shí)，深化對(duì)核心知識(shí)的理解，促進(jìn)化學(xué)觀念的建構(gòu)。在本課例中，學(xué)生在探究過(guò)程中用到了氫氧化鈣、氧氣、二氧化碳、碳酸鈣等物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)以及溶解度概念、電解等基礎(chǔ)知識(shí)。通過(guò)探究，深化了對(duì)以上化學(xué)知識(shí)的理解，促進(jìn)了元素觀和變化觀的形成。

參考文獻(xiàn)：

[1]張華. 論核心素養(yǎng)的內(nèi)涵[J]. 全球教育展望， 2016， 45（4）： 10～24.

[2]羅瑪. 證據(jù)推理的自然化[J]. 哲學(xué)研究， 1998， （4）： 71～79.

[3]中華人民共和國(guó)教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.