高中化學教材中實驗類欄目的探究水平和探究技能研究

姚娟娟 王世存 姚如富 方璐

摘要： 通過構(gòu)建探究水平和探究技能分析框架，對2019年版人教版高中化學教材實驗類欄目進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)探究水平存在差異。在基礎性探究技能中表現(xiàn)出不均衡性，在綜合性探究技能中則差別不大。根據(jù)研究結(jié)論提出實驗類欄目的教學實施建議。

關鍵詞： 化學教材; 實驗類欄目; 探究水平; 探究技能

文章編號： 10056629（2020）10001906

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

“科學探究與創(chuàng)新意識”是化學學科核心素養(yǎng)要素之一，在培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力方面具有重要價值?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》明確指出“具有較強的問題意識，能提出化學探究問題，能做出預測和假設，能依據(jù)實驗目的和假設，設計解決簡單問題的實驗方案，能對實驗方案進行評價。能運用實驗基本操作實施實驗方案，具有安全意識和環(huán)保意識。能觀察并如實記錄實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，進行分析和推理，得出合理的結(jié)論。能與同學合作交流，對實驗過程和結(jié)果進行反思，說明假設、證據(jù)和結(jié)論之間的關系，用恰當形式表達和展示實驗成果”[1]是學生達成這一實踐層面素養(yǎng)的學業(yè)要求。

其中探究環(huán)節(jié)“問題提出與建立假設、方案設計與實施、結(jié)論分析與得出、反思與交流”的呈現(xiàn)形式，影響著學生在探究活動中的參與度，參與度不同，探究水平就不一樣;不同環(huán)節(jié)可存在“預測和假設、觀察現(xiàn)象、記錄現(xiàn)象和數(shù)據(jù)、分析和推理、合作與交流、說明關系、表達和展示等”等技能，即進行探究環(huán)節(jié)的過程中能發(fā)展技能，環(huán)節(jié)與技能是上下位關系。探究活動圍繞著探究環(huán)節(jié)開展，并在環(huán)節(jié)開展中使學生的探究技能得以提升。合理開展探究環(huán)節(jié)及其包含的技能要素培養(yǎng)是整個探究活動應關注的核心任務，是實施探究活動的出發(fā)點和落腳點，對培育學生的探究素養(yǎng)有重要價值。教師為更好地構(gòu)建探究活動，必須清楚探究活動中探究環(huán)節(jié)的呈現(xiàn)水平以及探究技能要素。

當前，2019版人教版高中化學必修教材（以下簡稱“現(xiàn)教材（必修）”）已經(jīng)正式出版[2]，教材中的實驗類欄目是開展探究活動、發(fā)展探究素養(yǎng)的重要資源。每一實驗類欄目在探究環(huán)節(jié)的水平和探究技能要素構(gòu)成上可能會有不同。為了明確現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目探究環(huán)節(jié)的水平和探究技能，指導教師合理利用教材實驗開展探究教學，本文利用內(nèi)容分析法，從探究水平和探究技能兩個維度開展現(xiàn)教材（必修）中實驗類欄目設置的研究。

1 實驗類欄目概述

在現(xiàn)教材（必修）中，“實驗××”“探究”“實驗活動×”可統(tǒng)稱為實驗類欄目[3]?！皩嶒灐痢痢睓谀慷啻纬霈F(xiàn)，彰顯化學以實驗為基礎的學科特點，可引導學生在開展實驗的過程中進行知識的生成與意義建構(gòu)?！疤骄俊睓谀恐荚谕ㄟ^典型的科學實踐活動，啟迪學生的科學思維，形成科學探究的思路。“實驗活動×”在每章章末呈現(xiàn)，是課程標準要求學生必須要做的實驗，每個實驗活動最后都有“問題與討論”，通過“問題與討論”可判斷學生對知識的掌握情況，鞏固學生對實驗的認知，引導學生反思與評價。三種實驗類欄目的共同價值在于都對培養(yǎng)學生的科學探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)具有助力作用，每一個實驗類欄目具有的探究水平、探究技能都可啟迪教師對實驗進行思考后開展教學。

2 實驗類欄目分析

2.1 實驗類欄目探究水平和探究技能分析框架的構(gòu)建

探究水平是指探究活動的探究環(huán)節(jié)表現(xiàn)出的水平高低程度，與學生在探究活動中的參與度有關。關于探究水平的研究，美國課程學者施瓦布[4]根據(jù)“提出問題、設計方案、得出結(jié)論”三個活動要素首次將探究水平劃分為“結(jié)構(gòu)性水平、指導性水平、開放性水平”[5]。之后，赫倫在其研究基礎上，增加了證實性水平，形成了“三要素四水平”的探究水平分析框架[6]。張新宇等根據(jù)教師（教材）與學生在探究活動環(huán)節(jié)中的角色地位，對施瓦布等人的探究水平體系進行了優(yōu)化，將探究活動環(huán)節(jié)劃分為了“目的確定、方案設計、方案實施、結(jié)論形成、反思交流”，每一環(huán)節(jié)包含“缺失、限定、引導、自主”四個水平，形成“五環(huán)節(jié)、四水平”的分析框架[7]，與施瓦布等人構(gòu)建的分析框架相比，該分析框架涵蓋的探究活動環(huán)節(jié)更全面，更有區(qū)分性，操作性更強，對開展不同環(huán)節(jié)探究水平研究具有重要價值。

參照張新宇等的研究框架，構(gòu)建實驗類欄目探究水平的分析框架（如表1所示）。其中“缺失”指未出現(xiàn)某一探究環(huán)節(jié);“控制性水平”指教師或教材提供環(huán)節(jié)的具體活動內(nèi)容，學生處于被支配狀態(tài);“引導性水平”指教師或教材提供一定的活動支持，學生在環(huán)節(jié)活動中具有一定自主性;“自主性水平”指教師或教材不提供任何的活動指導，完全由學生自主開展環(huán)節(jié)活動。從缺失到自主性水平，學生的直接參與度不斷提高，探究水平逐級提高。

在化學學習中，探究技能是科學領域中較為典型的技能，指學生在化學實驗過程中具備的思維方式和操作技能。關于探究技能，美國科學促進協(xié)會將其劃分為13種（觀察、測量、分類、交流與質(zhì)疑、預測、推論、空間或時間關系的使用、數(shù)字的使用、下操作性定義、控制變量、數(shù)據(jù)解釋、提出假說、實驗），并將13種技能納入科學探究活動中加以培養(yǎng)[8]。后來學者根據(jù)視角、學科和層次不同，對探究技能有不同描述[9]。結(jié)合有關文獻和《普通高中化學課程標準（2017年版）》，確定觀察、比較、測量、推斷與預測、展示與表述、形成并驗證假設、識別與控制變量、數(shù)據(jù)（圖表、符號）表征、分析與解釋等探究技能。根據(jù)思維方式和操作技能的復雜程度，將其劃分為基礎技能和綜合技能，如表2所示。

2.2 實驗類欄目探究水平和探究技能的分析示例

在分析實驗類欄目的探究水平時，為了體現(xiàn)完整性，將結(jié)合教材前后的正文加以分析。如對于“實驗41”，文本描述為“分別向盛有4mL KBr溶液和4mL KI溶液的兩支試管中加入1mL氯水，振蕩，觀察溶液的顏色變化，并與氯水的顏色進行比較。寫出反應的化學方程式。向盛有4mL KI溶液的試管中加入1mL溴水，振蕩，觀察溶液的顏色變化，并與溴水的顏色進行比較。寫出反應的化學方程式”。對實驗文本描述進行分析，對照表1和表2，得到該欄目各環(huán)節(jié)對應的探究水平與探究技能分析結(jié)果，具體如表3、表4所示。

由兩位高校化學教育專業(yè)教師根據(jù)文本描述進行獨立分析統(tǒng)計。用SPSS軟件計算兩位教師的相關系數(shù)，發(fā)現(xiàn)探究水平、探究技能層面的相關系數(shù)分別為0.860和0.924，說明結(jié)果可信度高。隨后，對不同看法的文本描述進行交流討論，并達到一致。

2.3 實驗類欄目的探究水平分析

現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目的探究水平分析結(jié)果如表5所示。

由表5可知，現(xiàn)教材（必修）教材中實驗類欄目在探究目的環(huán)節(jié)的水平分布于水平0、水平1和水平2，占比在32%～36%之間，分布較為均勻，不存在水平3。具體而言，探究目的環(huán)節(jié)處于水平0的實驗類欄目均為“實驗××”，比如“實驗28”，其目的是探究Cl2的性質(zhì)，但實驗本身和相鄰正文中均無相關內(nèi)容出現(xiàn)，所以其探究目的水平為缺失。探究目的環(huán)節(jié)處于水平1的實驗類欄目有18個，其中17個是來源于“實驗活動×”和“探究”，這兩種實驗類欄目在標題中直接呈現(xiàn)了探究目的，剩下的1個來源于“實驗210： 配制100mL 1.00mol/L NaCl溶液”，其在實驗中明確了實驗課題。探究目的環(huán)節(jié)處于水平2的20個實驗類欄目也均來源于“實驗××”，比如“實驗75： 向試管中加入少量乙醇，取一根銅絲，下端繞成螺旋狀，在酒精燈上灼燒后插入乙醇，反復幾次。注意觀察反應現(xiàn)象，小心地聞試管中液體產(chǎn)生的氣味”。該實驗本身未指出實驗目的或名稱，但在實驗前后正文中分別出現(xiàn)“在一定條件下，乙醇能被氧化”的相關文字和有關實驗的分析內(nèi)容，這些內(nèi)容對學生判斷探究目的具有引導作用。

現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目方案設計環(huán)節(jié)的探究水平絕大多數(shù)處于水平1，占比為83.9%，說明以直接提供實驗方案為最主要方式。少部分方案設計探究水平處于水平2和水平3。比如在“探究不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”中有這樣的文本描述： “從上述轉(zhuǎn)化關系（-2價硫元素與+6價硫元素間的相互轉(zhuǎn)化）中選擇你感興趣的一種或幾種，設計實驗實現(xiàn)其轉(zhuǎn)化;綜合考慮實驗安全和環(huán)境保護，選擇一種實驗方案進行實驗”。其要求學生設計實驗實現(xiàn)不同價態(tài)硫的轉(zhuǎn)化，并且不同價態(tài)硫元素對應的物質(zhì)和所選試劑均需要學生根據(jù)已知自行選擇，充分體現(xiàn)了自主性，該探究活動方案設計環(huán)節(jié)的探究水平為自主性水平。此外，無實驗類欄目缺失方案設計環(huán)節(jié)。

實驗類欄目方案實施環(huán)節(jié)的探究水平分布于水平2和水平3，且多數(shù)處于水平3，說明關注學生本身對探究過程的觀察、現(xiàn)象記錄和數(shù)據(jù)表征，強調(diào)對學生信息獲取能力的培養(yǎng)。實驗類欄目結(jié)論形成環(huán)節(jié)的探究水平集中在水平2和水平3，且在水平3的實驗類欄目相對較多一些，極少數(shù)處于水平0。表明現(xiàn)教材（必修）重視學生在獲取實驗結(jié)論及推論中的高度參與性。比如第二冊第七章“探究： 烴的分子結(jié)構(gòu)”中，有這樣的文本描述： “使用分子結(jié)構(gòu)模型（或橡皮泥、黏土、泡沫塑料、牙簽等代用品）搭建甲烷、乙烯和乙炔分子的球棍模型。展示并描述三者的分子結(jié)構(gòu)特點”。通過搭建分子結(jié)構(gòu)模型的過程，學生直觀感受到不同烴分子的結(jié)構(gòu)，得出三種烴分子結(jié)構(gòu)特點的相關結(jié)論，結(jié)論的形成是要學生通過演繹歸納得到，教材本身未呈現(xiàn)。

對于反思與交流環(huán)節(jié)，現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目探究水平多處于水平0，少數(shù)處于水平2和水平3。其中反思交流環(huán)節(jié)處于水平0的實驗類欄目都來源于“實驗××”欄目;處于水平2和水平3的實驗類欄目均來源于“實驗活動×”和“探究”。“實驗活動×”和“探究”都有反思交流環(huán)節(jié)，且以引導性反思交流為主。比如第一冊中的“實驗活動3： 同周期、同主族元素性質(zhì)的遞變”呈現(xiàn)的一個引導性反思交流是“你對原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關系及元素周期律（表）有什么新的認識”。這樣的表述為學生進行反思交流提供了方向和思路，屬于引導性反思;再如第二冊的“探究： 不同價態(tài)含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化”存在的反思交流環(huán)節(jié)的相關描述是“實驗過程中及時觀察和記錄實驗現(xiàn)象，并對其進行分析，通過推理得出結(jié)論，就你的結(jié)論和發(fā)現(xiàn)的問題與同學交流”。文本描述并未指明學生從哪一角度進行交流，所以學生可根據(jù)實驗過程自主選擇反思交流的問題。

通過以上的分析可獲得的信息有： 目的確定和反思交流環(huán)節(jié)處于水平0的均是“實驗××”、方案設計環(huán)節(jié)處于水平3的是“實驗活動×”與“探究”、反思交流環(huán)節(jié)處于水平2和水平3的均是“實驗活動×”與“探究”等。這在一定程度上反映了三種實驗類欄目的功能定位有所差異，“實驗××”更多體現(xiàn)的是驗證特征，“實驗活動×”與“探究”更多體現(xiàn)的是引導與自主。

2.4 實驗類欄目的探究技能分析

根據(jù)探究技能分析框架，并參照表4的思路，對現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目的探究技能分析，得到如下數(shù)據(jù)，如表6所示。

在基礎技能方面，現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目的觀察和比較技能占比最大，分別為92.9%和64.3%，而測量、推斷與預測以及展示與表述技能占比較低，不同的基礎探究技能之間表現(xiàn)出了不均衡性。幾乎所有的實驗類欄目都明確要求了“觀察”技能，類似的表達有“觀察現(xiàn)象、觀察溶液的變化、觀察顏色變化、你觀察到什么現(xiàn)象等”。另外，很多實驗類欄目也明確提出了“比較”的技能要求。有些實驗類欄目雖然沒有明確指出這一技能要求，但還是需要學生使用“比較”技能的，比如“實驗54”探究SO2-4的檢驗方法： “在三支試管中分別加入少量稀硫酸、Na2SO4溶液和Na2CO3溶液，然后各滴入幾滴BaCl2溶液，觀察現(xiàn)象。再分別加入少量稀鹽酸，振蕩，觀察現(xiàn)象。從這個實驗中你能得出什么結(jié)論？寫出相關反應的離子方程式”。在這一實驗中，實驗文本并未指出需要學生進行比較，但學生必須對比SO2-4、 CO2-3對應的鋇鹽在鹽酸中的反應現(xiàn)象，才能得到準確的結(jié)論，所以這一實驗類欄目涉及“比較”技能。由表6可知，現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目的基礎探究技能以觀察和比較技能為主，較少關注測量、推斷與預測、展示與表述技能。

在綜合技能方面，整體占比都較低，最高未超過40%。其中，分析與解釋技能在四個綜合技能中占比較高，說明現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目重視學生對實際問題的思考過程，關注學生對知識間相互聯(lián)系的理解，強調(diào)學生在對實驗信息的分析過程中形成邏輯性的知識體系。類似的表述有“觀察并分析、觀察并解釋、分析現(xiàn)象出現(xiàn)的原因等”，比如“實驗56氨溶于水的噴泉實驗”在實驗文本描述中呈現(xiàn)了“觀察并描述現(xiàn)象，分析出現(xiàn)這些現(xiàn)象的可能原因”。其他綜合技能較低，最低的是形成并驗證假設技能，比如第二冊“探究： 影響化學反應速率的因素——影響化學反應速率的因素還可能有哪些？請選擇其中一個因素，設計實驗驗證方案，與同學交流”就體現(xiàn)了形成并驗證假設的探究技能，但關于該技能的呈現(xiàn)較少，僅占12.5%。除分析與解釋技能之外的綜合技能較少，會不會影響學生在必修階段某些綜合技能的發(fā)展？對此，教師應學會分析和把握，根據(jù)學生的實際情況進行實驗教學的重構(gòu)與實施?？傊?，現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目比較關注分析與解釋綜合探究技能，對形成并驗證假設、識別與控制變量、數(shù)據(jù)（圖表、符號）表征技能呈現(xiàn)較少。

3 結(jié)論與建議

3.1 認識教材實驗水平，把握學生認知水平，調(diào)整教學實際水平

現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目各環(huán)節(jié)的探究水平表現(xiàn)為： 探究目的、結(jié)論形成和反思交流環(huán)節(jié)存在缺失;探究水平處于控制性水平的環(huán)節(jié)只有目的確定和方案設計，另外三個環(huán)節(jié)不存在控制性水平;五個探究環(huán)節(jié)均存在引導性水平;除探究目的以外的四個環(huán)節(jié)都存在自主性水平。之所以會出現(xiàn)如此的結(jié)果，其原因可能在于探究環(huán)節(jié)本身在探究活動中的價值特點以及教材的功能導向。比如，方案設計和方案實施環(huán)節(jié)是探究活動必不可少的，所有的探究活動必定存在這兩個環(huán)節(jié);方案實施、結(jié)論形成和反思交流環(huán)節(jié)更適合體現(xiàn)學生主動經(jīng)歷探究的過程，在教材中就未出現(xiàn)控制性水平;而引導性水平存在于五個環(huán)節(jié)，正是表現(xiàn)出了教材文本應對探究活動有所引導，突出教材的價值，也啟示教師在開展探究活動時應進行指導。

教師在開展現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目教學時，可根據(jù)教學內(nèi)容本身難度、學生的認知水平以及所在學段進行針對性地實驗教學設計，可對具體實驗類欄目進行不同環(huán)節(jié)探究水平的調(diào)整。比如第一冊“實驗33”中關于“亞鐵離子與鐵離子的轉(zhuǎn)化和檢驗”，教材在方案設計環(huán)節(jié)的水平是控制性水平，此時學生已學習了“鈉及其化合物、氯及其化合物”知識，初步形成了研究元素化合物及物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思路，可將該環(huán)節(jié)水平提高為引導性水平，引導學生進行實驗的設計與驗證。此調(diào)整可強化學生對氧化還原反應知識體系和物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認知，學生在實驗活動中自主構(gòu)建Fe3+與Fe2+的轉(zhuǎn)化模型，能更好地促進學生對元素“價—類”二維模型的理解。

3.2 分析教材實驗技能，結(jié)合學生技能發(fā)展，合理平衡技能培養(yǎng)

現(xiàn)教材（必修）實驗類欄目在基礎技能上存在不平衡性，相對缺少測量、推斷與預測、展示與表述基礎技能的培養(yǎng)。從實驗類欄目的特點思考，無論是分離提純實驗、物質(zhì)制備實驗、物質(zhì)性質(zhì)實驗以及物質(zhì)鑒定實驗等，觀察技能都是其中應存在的最基本的技能，其他幾個基礎技能與觀察技能不同，所以現(xiàn)教材（必修）教材實驗類欄目的觀察技能占比很高，其他幾個較少。在綜合技能上，關注學生對信息的分析和科學解釋，強調(diào)學生能夠通過分析得出結(jié)論，但關于實驗假設提出技能、實驗控制技能和實驗表征技能的呈現(xiàn)并不多。這個原因和基礎技能類似，很多實驗會需要學生進行分析與解釋，但少數(shù)實驗才會有控制變量和數(shù)據(jù)（圖表、符號）表征等，且形成并驗證假設技能更多地只會存在于探究水平較高的實驗中。

對于探究技能，教師可以有意識地在實驗教學中平衡，實現(xiàn)對學生探究技能的全面培養(yǎng)。可鼓勵學生進行預測或?qū)τ^察到的實驗現(xiàn)象進行交流，從而提高學生的推斷能力。比如“實驗25”對比NaHCO3和Na2CO3的熱穩(wěn)定性，可以在實驗前，引導學生從物質(zhì)組成和轉(zhuǎn)化的學科角度預測二者的穩(wěn)定性大小，然后再進行實驗，觀察現(xiàn)象，與預測進行對比，不僅能夠加強學生對NaHCO3和Na2CO3化學性質(zhì)的理解，也能促進學生形成科學的推斷思路和方法。再比如，第二冊“溫度對化學反應速率的影響”探究實驗，可以讓學生從所給實驗用品中選擇藥品和試劑并進行控制變量下的實驗設計，使得學生理解控制變量在科學實驗中的重要性，提高學生的綜合探究技能。

整體而言，教師要有效開展探究活動。首先，應分析和細化處理實驗，確定教材中探究活動的探究環(huán)節(jié)水平和探究技能。應明確分離提純實驗、物質(zhì)制備實驗、物質(zhì)性質(zhì)實驗以及物質(zhì)鑒別實驗等實驗類型的特點，結(jié)合實驗類型確定探究活動中的環(huán)節(jié)水平以及技能要求。其次，教師可根據(jù)新授課和復習課的授課類型決定探究活動的環(huán)節(jié)和技能，比如現(xiàn)教材（必修）中有“實驗210： 配制100mL 1.00mol/L NaCl溶液”，在對應章節(jié)的“實驗活動1”中再次出現(xiàn)“配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液”，這一實驗活動對于學生而言可以看成是復習鞏固，此時可以適當提高探究活動的環(huán)節(jié)水平和技能要求，從而使學生能在已有認知上得到提高。其三，在方案實施中學生對現(xiàn)象的觀察，可根據(jù)教材實驗是否提供觀察表格、觀察點等進行不同程度的引導。在結(jié)論形成中，有文字表述和口頭表達兩種表征結(jié)論的方式，教師可根據(jù)實際教學情況進行選擇。

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