基于科學(xué)探究與實踐素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)活動設(shè)計與實施

伍小斌

摘要： 科學(xué)探究與實踐是初中化學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分。通過多種途徑，如重視發(fā)散思維以確立多樣探究任務(wù)、強(qiáng)化問題假設(shè)以增加學(xué)生探究深度、豐富數(shù)據(jù)形式以培養(yǎng)分析提煉能力、加強(qiáng)資料分析以培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力等，可以深化學(xué)生的探究體驗，發(fā)展學(xué)生的實踐能力，從而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究與實踐素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)探究與實踐； 探究能力； 數(shù)據(jù)分析； 自主學(xué)習(xí)

文章編號： 10056629（2023）10003905 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

科學(xué)探究與實踐既涉及經(jīng)歷化學(xué)課程中的實驗探究，基于學(xué)科和跨學(xué)科實踐活動形成的學(xué)習(xí)能力，也涉及綜合運用化學(xué)等學(xué)科的知識和方法，通過一定的技術(shù)手段，在解決真實情境問題和完成綜合實踐活動中展現(xiàn)的能力與品格［1］?？茖W(xué)探究與實踐是化學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分，也是科學(xué)學(xué)習(xí)的主要方式［2］。通過科學(xué)探究與實踐，不僅有助于學(xué)生建構(gòu)對學(xué)習(xí)內(nèi)容的深入理解，也有利于提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，發(fā)展實踐能力。

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）指出，要引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，開展以化學(xué)實驗為主的多樣化探究活動，重視學(xué)科實踐活動［3］。然而，就當(dāng)前探究與實踐活動而言，存在較為明顯的不足：一是探究與實踐目標(biāo)不明確，指向不清晰；二是探究與實踐過程注重形式，用時短，學(xué)生雖然有所體驗，但思維深度明顯不夠；三是技術(shù)應(yīng)用較為傳統(tǒng)，難以符合教學(xué)數(shù)字化的需要，影響對數(shù)據(jù)的分析與問題的探究。

落實科學(xué)探究與實踐要求，可以基于三方面設(shè)計并實施活動。一是設(shè)計指向真實問題解決的科學(xué)探究活動；二是運用簡單技術(shù)和工程方法設(shè)計、制作與使用相關(guān)模型和作品的活動；三是通過網(wǎng)絡(luò)查詢等方法獲取和加工信息的自主學(xué)習(xí)活動［4］。在教學(xué)中，通過多種途徑確立探究任務(wù)，開展深層次的科學(xué)探究，借助技術(shù)深化數(shù)據(jù)分析，并對實驗結(jié)果進(jìn)行深入反思。

1 重視發(fā)散思維，確立多樣探究任務(wù)

課程標(biāo)準(zhǔn)要求根據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平，精心設(shè)計探究活動，有效組織和實施探究教學(xué)［5］。教材中的實驗往往具有一定的探究成分，值得基于探究視角進(jìn)行設(shè)計與實施。此外，還可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，基于實驗異常、實驗拓展、聯(lián)系生活實際等多個視角確定科學(xué)探究任務(wù)。

1.1 基于實驗異常確立探究任務(wù)

在科學(xué)實驗探究時，有時可以順利得到預(yù)測的現(xiàn)象，得出預(yù)設(shè)的結(jié)論。不過，出現(xiàn)“意外”也很常見，有時甚至?xí)绊憣嶒灲Y(jié)論的得出。對此，教師往往忽視這些現(xiàn)象，或簡單地將現(xiàn)象歸結(jié)于操作不當(dāng)，進(jìn)而把結(jié)論“硬生生”地引到“正確軌道”上來。殊不知，這樣的教學(xué)處理，不僅使學(xué)生錯過了絕佳的探究機(jī)會，更可能使學(xué)生輕視實驗的價值。為此，對于“異?，F(xiàn)象”，不要急于下結(jié)論，可讓學(xué)生通過細(xì)致描述、交流討論，進(jìn)而確立探究任務(wù)去解決。

例如，在用4%的NaOH溶液和8%的CuSO4溶液反應(yīng)制備Cu（OH）2實驗時，有些學(xué)生發(fā)現(xiàn)并未得到預(yù)期的藍(lán)色沉淀，而是淺綠色沉淀。這說明可能生成了其他物質(zhì)，具體是什么原因呢？教師可據(jù)此引導(dǎo)學(xué)生確立探究問題：反應(yīng)物的質(zhì)量比是否會影響得到沉淀的成分呢？以此為基礎(chǔ)，學(xué)生可以調(diào)整反應(yīng)物的質(zhì)量進(jìn)行實驗探究，進(jìn)而通過查閱資料形成新的理解。需要注意的是，探究只要得出反應(yīng)物的質(zhì)量比會影響得到沉淀的成分即可，不宜要求學(xué)生記得具體的反應(yīng)產(chǎn)物，更不能要求學(xué)生記住反應(yīng)的化學(xué)方程式。

1.2 基于實驗拓展確立探究任務(wù)

在探究教材實驗時，不少實驗都是淺嘗輒止。教師往往不鼓勵學(xué)生提出問題，或者對于學(xué)生提出的問題不置可否，這在較大程度上影響了實驗促進(jìn)探究與思維發(fā)展的價值實現(xiàn)。其實，教材實驗也是深化學(xué)生思維、引導(dǎo)學(xué)生開展拓展探究的最佳載體，要善于引導(dǎo)、鼓勵學(xué)生提出問題，進(jìn)行拓展探究。

例如，在用H2O2制取氧氣時，教材實驗要求為：先在燒瓶中加入50mL水和0.5g MnO2，然后在分液漏斗中加入30mL15％的H2O2溶液。對于加入MnO2，其作用是催化劑，比較容易理解。但對于加入50mL水，學(xué)生往往不明其所以然，甚至認(rèn)為多此一舉。于是，教師組織學(xué)生進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)加入水之后會影響H2O2溶液的濃度，因而提出“加入適量水以減緩H2O2的分解速度，確保制取反應(yīng)平緩進(jìn)行”的探究任務(wù)。

1.3 基于生活實際確立探究任務(wù)

化學(xué)在生活中有重要應(yīng)用，學(xué)習(xí)化學(xué)的目的之一就是要運用所學(xué)知識理解生活現(xiàn)象、解決生活問題。在探究教學(xué)中，可以聯(lián)系與學(xué)生密切相關(guān)的生產(chǎn)生活情境，組織學(xué)生進(jìn)行思考與討論，鼓勵學(xué)生提出探究問題，以此作為探究任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生開展深度探究。

例如，在冬天進(jìn)行輸液時，時常在輸液管上加一個一次性的輸液加熱棒，以消除藥液溫度與體溫的差異。那么，加熱棒里的成分是什么，其進(jìn)行加熱的原理又是什么呢？經(jīng)查閱資料，發(fā)現(xiàn)說法存在一定差異，但均表述主要成分含有還原性鐵粉、炭粉和氯化鈉等物質(zhì)。據(jù)此，可提出“如何確定加熱棒是否含有鐵粉、炭粉、氯化鈉”的探究任務(wù)。

2 強(qiáng)化問題假設(shè)，增加學(xué)生探究深度

課程標(biāo)準(zhǔn)指出，學(xué)生應(yīng)能主動提出有探究價值的問題，從問題和假設(shè)出發(fā)確定探究目標(biāo)，設(shè)計和實施探究方案，獲取證據(jù)并分析得出結(jié)論［6］。有時探究過程會流于形式，一個重要原因就在于缺乏問題的引導(dǎo)，學(xué)生對于操作、現(xiàn)象、結(jié)果等均缺乏預(yù)設(shè)，也就使得整個過程浮于表面。因此，教師可基于真實問題情境，引導(dǎo)學(xué)生提出假設(shè)，通過設(shè)計實驗、收集證據(jù)、分析交流等探究環(huán)節(jié)解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

案例1 如何確定加熱棒是否含有鐵粉、炭粉、氯化鈉

（1） 假設(shè)1：加熱棒內(nèi)可能含有氯化鈉

將加熱棒內(nèi)的物質(zhì)放入燒杯中，加水充分溶解，通過過濾操作得到濾渣和濾液。取適量濾液于試管中，滴加適量的硝酸銀溶液和稀硝酸，若出現(xiàn)白色沉淀，說明濾液中含有Cl-。用鉑絲蘸取濾液，在無色火焰上灼燒，若觀察到火焰顏色為黃色，說明濾液中含有Na+，從而確定加熱棒內(nèi)含有氯化鈉。

（2） 假設(shè)2：加熱棒內(nèi)可能含有鐵粉

用磁鐵靠近濾渣，發(fā)現(xiàn)一些黑色粉末會被吸引。但有學(xué)生提出質(zhì)疑，認(rèn)為黑色物質(zhì)四氧化三鐵也能被磁鐵吸引。于是，通過交流討論，設(shè)計了如圖1所示的實驗裝置開展探究。因為四氧化三鐵和氫氣在高溫下反應(yīng)生成鐵和水，當(dāng)沒有觀察到無水硫酸銅粉末變藍(lán)時，可推理得出黑色粉末中不存在四氧化三鐵。

進(jìn)而，又有學(xué)生提出質(zhì)疑，認(rèn)為被磁鐵吸引的黑色粉末還可能是鈷粉、鎳粉，為此，在查閱資料的基礎(chǔ)上又設(shè)計了如下實驗：取適量的能被磁鐵吸引的黑色物質(zhì)置于試管中，加入足量的稀鹽酸進(jìn)行反應(yīng)，然后向試管中加入足量的H2O2溶液（能將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+），再滴加硫氰化鉀溶液。若溶液變?yōu)檠t色，則可證明溶液中含有Fe2+，從而得出加熱棒中含有鐵粉這一結(jié)論。

（3） 假設(shè)3：加熱棒內(nèi)可能含有炭粉

把部分未被吸引的黑色粉末點燃，并將產(chǎn)生的氣體通入足量的澄清石灰水中，若石灰水變渾濁，可得出加熱棒內(nèi)含有炭粉。

該探究實驗基于學(xué)生的生活經(jīng)驗或常見現(xiàn)象而提出，如運用焰色反應(yīng)檢驗Na+，滴加硫氰化鉀檢驗Fe3+等實驗操作。雖然整體存在較大難度，但通過教師的指導(dǎo)、學(xué)生查閱資料以及交流研討，在降低難度的同時，有助于培養(yǎng)學(xué)生搜集信息、提出假設(shè)、設(shè)計與實施方案、分析并得出結(jié)論的能力，進(jìn)而發(fā)展創(chuàng)新思維。此外，學(xué)生能提出某些質(zhì)疑，如被磁鐵吸引的黑色物質(zhì)還可能是四氧化三鐵、鈷粉、鎳粉等，則受益于物理學(xué)科相應(yīng)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，體現(xiàn)了科學(xué)探究實驗跨學(xué)科融合的特征。

3 豐富數(shù)據(jù)形式，培養(yǎng)分析提煉能力

課程標(biāo)準(zhǔn)指出，能運用簡單的技術(shù)與工程的方法初步解決與化學(xué)有關(guān)的實際問題，完成社會實踐活動［7］。使用傳統(tǒng)方式開展實驗時，數(shù)據(jù)獲取的類型受到很大限制，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也存在操作難點，這在較大程度上制約了數(shù)據(jù)加工深度。在數(shù)字技術(shù)加持下，實驗現(xiàn)象的可視化程度明顯提高，據(jù)此開展的定量研究，可深化數(shù)據(jù)處理方法，培養(yǎng)分析提煉能力。還可結(jié)合相關(guān)原理，融合跨學(xué)科知識，制作工程產(chǎn)品，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)與工程實踐能力。

3.1 融合信息技術(shù)設(shè)計探究活動

課程標(biāo)準(zhǔn)指出，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷真實的探究過程，注重運用現(xiàn)代化技術(shù)手段，加強(qiáng)探究活動中的科學(xué)思維［8］。在實驗教學(xué)中，也要善于運用傳感器等現(xiàn)代化技術(shù)手段獲取實驗證據(jù)，開展定量探究，建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

案例2 借助數(shù)字技術(shù)探究“稀鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)”

探究稀鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)，一般的實驗操作為：在盛有3mL氫氧化鈉稀溶液的試管里，滴加1滴酚酞試液，酚酞試液顯紅色，再向試管里逐滴加入稀鹽酸，邊滴邊振蕩，直到紅色剛好褪去。以溶液從紅色變?yōu)闊o色來判斷反應(yīng)的發(fā)生或終止，該實驗屬于定性研究。

若運用信息技術(shù)開展探究，則可按圖2所示連接好實驗裝置，在燒杯中先加入氫氧化鈉溶液，然后滴加稀鹽酸溶液，用玻璃棒攪拌，通過數(shù)字采集器的處理，在計算機(jī)上可顯示出相關(guān)數(shù)據(jù)。若以時間作為橫坐標(biāo)，pH作為縱坐標(biāo)，可繪制出溶液的pH隨時間變化的曲線圖，如圖3所示，該數(shù)學(xué)模型直觀形象地表現(xiàn)了反應(yīng)過程。若要探究稀鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)時的溫度變化，則可通過溫度傳感器在計算機(jī)上顯示相應(yīng)的曲線圖。

有了曲線圖之后，不必經(jīng)過多描述即可得出結(jié)論。可從數(shù)學(xué)模型的視角，引導(dǎo)學(xué)生對曲線圖進(jìn)行解釋，發(fā)現(xiàn)各階段的典型特征，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維。如對于pH變化曲線圖，可發(fā)現(xiàn)反應(yīng)經(jīng)歷了從氫氧化鈉的量逐漸減少到鹽酸的量逐步增加等幾個階段，當(dāng)經(jīng)過pH=7的階段時說明既沒有氫氧化鈉也沒有鹽酸，也就意味著兩者恰好完全反應(yīng)。

3.2 基于工程制作設(shè)計實踐活動

課程標(biāo)準(zhǔn)指出，能制作把科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為技術(shù)產(chǎn)品的簡單裝置，應(yīng)用形象的模型演示抽象的科學(xué)原理［9］。工程制作是實踐性很強(qiáng)的一項活動，在工程制作前，教師引導(dǎo)學(xué)生提出相關(guān)問題，通過查閱資料、交流討論為實踐做準(zhǔn)備。在工程制作后，教師也要及時組織學(xué)生對作品進(jìn)行評價，反思實踐過程。

案例3 設(shè)計自救呼吸器

某研究性學(xué)習(xí)小組設(shè)計了自救呼吸器，其目的是為了在缺氧環(huán)境或出現(xiàn)高濃度有毒有害氣體環(huán)境下逃生時使用（見圖4）。圍繞該呼吸器，學(xué)生通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)生氧藥品一般選擇超氧化鉀（KO2）。反應(yīng)原理為超氧化鉀與人體呼出的水、二氧化碳反應(yīng)。于是，學(xué)生提出KO2與NaO2哪一種物質(zhì)更合適作為生氧藥品的問題，并提出要從生氧速度的角度進(jìn)行比較。

為此，學(xué)生通過查閱資料，找到了使用兩種物質(zhì)時生氧速度與時間關(guān)系的曲線圖（見圖5）。經(jīng)過討論發(fā)現(xiàn)，KO2生氧速度雖然較慢，但波動較小，持續(xù)時間較長，氧氣浪費也較少。

在制作和使用了自救呼吸器后，又組織學(xué)生進(jìn)行思考：設(shè)計自救呼吸器時，為確定制氧劑的用量，需要查閱哪些數(shù)據(jù)？學(xué)生討論后發(fā)現(xiàn)，需要了解人體每分鐘呼吸次數(shù)、呼出氣體中的水蒸氣和二氧化碳含量，以及每次呼吸耗氧量等信息。

該實踐活動通過制作自救呼吸器，運用了大氣壓、人體呼吸等物理學(xué)、生物學(xué)等跨學(xué)科知識，基于曲線圖的分析選擇生氧藥品，有助于提高學(xué)生解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

4 加強(qiáng)資料分析，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力

課程標(biāo)準(zhǔn)指出，自主學(xué)習(xí)能力體現(xiàn)在：自主確定學(xué)習(xí)目標(biāo)、選擇學(xué)習(xí)策略、監(jiān)控學(xué)習(xí)過程、反思學(xué)習(xí)過程和結(jié)果［10］。在前面各部分中，已經(jīng)將查閱資料作為獲取證據(jù)的重要途徑。其實，在科學(xué)探究與實踐中，查閱與分析資料也屬于重要的學(xué)習(xí)方式。教師可通過設(shè)計引導(dǎo)性問題或驅(qū)動性任務(wù)，引領(lǐng)學(xué)生基于資料收集、分析與應(yīng)用，開展自主學(xué)習(xí)。

案例4 查閱、分析“質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)史”資料

在學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律時，可以依托科學(xué)探究史開展學(xué)習(xí)活動。

（1） 確定學(xué)習(xí)目標(biāo)：通過有關(guān)質(zhì)量守恒定律發(fā)現(xiàn)史的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)守恒觀，了解科學(xué)探究的方法，發(fā)展質(zhì)疑批判的精神。

（2） 選擇學(xué)習(xí)策略：查閱文獻(xiàn)，交流討論，教師補(bǔ)充。

科學(xué)史一：1673年，波義耳通過在密閉的曲頸瓶中加熱金屬后得到金屬灰，冷卻后打開容器，發(fā)現(xiàn)金屬灰質(zhì)量比原來金屬質(zhì)量增加了。

科學(xué)史二：1703年，施塔爾提出“燃素學(xué)說”，其主要觀點有：①燃素是組成物體的一種成分，一般條件下被禁錮在可燃物中；②燃素在可燃物燃燒時會分離出來，且燃素可穿透一切物質(zhì)。燃素學(xué)說具有體系優(yōu)勢，它是化學(xué)領(lǐng)域第一個把各種化學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)一起來的原理［11］。

科學(xué)史三：1756年，羅蒙諾索夫?qū)㈠a放在密閉的容器內(nèi)燃燒，錫發(fā)生了變化，生成白色氧化錫，容器及容器里的物質(zhì)的總質(zhì)量，在煅燒前后是沒有變化的。他又反復(fù)實驗，把銅、鐵、鉛等金屬放在容器中煅燒，得到相同結(jié)果。他雖然沒能徹底地否定燃素，但他卻是第一個較為清楚地表達(dá)了化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒的思想。由于多種原因，羅蒙諾索夫的發(fā)現(xiàn)和他闡述的質(zhì)量守恒思想對當(dāng)時科學(xué)思想的進(jìn)步并沒有產(chǎn)生明顯的影響［12］。百年后才引起了學(xué)術(shù)界的贊揚(yáng)和驚奇。

科學(xué)史四：1777年，法國化學(xué)家拉瓦錫在密閉容器中研究氧化汞的分解和合成時，發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)前后各物質(zhì)的總質(zhì)量相等。通過大量的實驗，他發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)過程中質(zhì)量守恒這一規(guī)律性，并在1789年出版的著作《化學(xué)綱要》中用清晰的語言把質(zhì)量守恒定律表達(dá)出來［13］。拉瓦錫的研究成果很快就被許多化學(xué)家所了解。

（3） 推進(jìn)學(xué)習(xí)過程：設(shè)計問題，解決問題。

在學(xué)生閱讀科學(xué)探究史前，教師預(yù)設(shè)了3個問題，要求學(xué)生帶著問題閱讀科學(xué)史，并通過交流和討論解決問題。①按照“燃素學(xué)說”，物質(zhì)燃燒后質(zhì)量會發(fā)生什么變化：變小；你有什么證據(jù)可以證偽“燃素學(xué)說”是不恰當(dāng)?shù)模喝玷F、鎂在氧氣中燃燒后質(zhì)量是增加的；那當(dāng)時為什么這個學(xué)說很受歡迎呢：這與18世紀(jì)統(tǒng)治科學(xué)界的機(jī)械論自然觀相適應(yīng)，可以解釋有關(guān)燃燒方面的許多問題。②羅蒙諾索夫重做波義耳實驗是基于什么假設(shè)：金屬加熱后增加的質(zhì)量可能來自空氣的假設(shè)。③波義耳錯過了發(fā)現(xiàn)質(zhì)量守恒定律的一個重要原因是什么：打開容器前沒有稱量容器的總質(zhì)量。

在討論過程中，學(xué)生也提出了問題，如羅蒙諾索夫、拉瓦錫為什么使用多種物質(zhì)做同樣的實驗？學(xué)生通過分析，認(rèn)為需要秉持科學(xué)態(tài)度，經(jīng)過很多次重復(fù)實驗，才能使得證據(jù)更充分，使結(jié)論具有普遍性。此外，學(xué)生還提出了“為什么羅蒙諾索夫的成果不如拉瓦錫的成果影響大”的問題，通過討論，學(xué)生認(rèn)識到積極發(fā)表成果以及通過多種方式傳播成果的重要意義，從而深化了對于科學(xué)本質(zhì)觀的理解。

（4） 反思學(xué)習(xí)過程和結(jié)果。

在學(xué)生設(shè)計探究實驗的基礎(chǔ)上，引入科學(xué)探究史，使學(xué)生經(jīng)歷與科學(xué)家相似的探究過程，促進(jìn)學(xué)生對教材白磷燃燒實驗需要密封的理解。通過科學(xué)史實的分析比較，有助于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識和批判性思維，領(lǐng)悟科學(xué)思想和科學(xué)本質(zhì)。

正如課程標(biāo)準(zhǔn)指出的，創(chuàng)設(shè)真實問題情境，倡導(dǎo)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，開展項目式學(xué)習(xí)，重視跨學(xué)科實踐活動［14］，這為科學(xué)探究與實踐活動的設(shè)計指明了方向?？茖W(xué)探究、工程和技術(shù)實踐、自主學(xué)習(xí)等活動是科學(xué)探究與實踐的主要途徑，這些活動不是涇渭分明，互不相干，而是緊緊融合、相互促進(jìn)的，在科學(xué)探究中既可有工程和技術(shù)實踐，又可進(jìn)行學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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*2022年浙江省教育科學(xué)規(guī)劃課題“學(xué)習(xí)質(zhì)量診斷：區(qū)域教育質(zhì)量管理轉(zhuǎn)型的行動研究”（編號：2022SC010）；2021年浙江省教研課題“培養(yǎng)初中生自主學(xué)習(xí)能力新探索——學(xué)生自制微課”（編號：G2021031）研究成果。