建构“化学探究性实验”校本课程

林考星

摘要：为建立相对稳定、适合本校学生认知特点的“化学探究性实验”课程发展模式，设置了相应的校本课程。实施中以“认知学徒制”及学生的建模过程作为课程设计的脉络，以“定性研究”收集到的资料来改进课程。“化学探究性实验”校本课程的建构为化学实验和探究式教学提供了可借鉴模式，也对全面落实化学新课程目标起到了积极的推动作用。

关键词：化学探究性实验；校本课程；认知学徒制

文章编号：1005–6629（2016）7–0023–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 课程背景

化学新课标强调：“通过以化学实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究意识，促进学习方式的转变，在实践中培养学生的创新精神和实践能力。[1]”理想的实验课程设计，不但可以激发学生学习化学的兴趣、获取化学知识、培养学生实验操作的技能、观察化学变化和设计实验的能力，更重要的是能够加深学生对探究过程模型本质与功能的认识，从而提高学习和研究问题的能力。但目前在高中化学的实际教学中，受限于考试压力和课时偏少，学生缺乏以实验为载体的学科方法和探究能力的训练与培养，制约了化学学科素养的提高。

相对而言，校本课程活动时间和空间较为灵活，有条件保证活动过程的自主性和探究性，为学生提供比较真实的科学探究环境。探究实验的切合点既可以是课堂学习内容，也可以对物质或原理进行进一步的探究，或结合生活实际和生产实践进行探究，在兼顾趣味性的同时，重思维、重探究过程，重思维模型的建构，有效整合多元智力，实现知能融合，兴趣、知识、探究等要素有机整合，使培养学生化学学科素养的过程最优化，较为完整地体现新课程倡导的自主、合作、探究的学习方式，落实知识与技能、过程与方法、情感态度价值观的三维教学目标。

2 课程设计

本课程以开展课题式合作探究实验活动为主轴，突出探究学习、研究学习、操作学习和体验学习等实践性学习活动，与国家课程的化学学习形成延伸与互补的关系。

2.1 研究方法

课程发展采用行动研究法，基本流程如图1。开展研究的教师在教学现场亲身参与或从旁观察记录，应用“定性研究”（即“质的研究”）的方法，以录像、访谈、学生互评、交流展示、成果发表等方式，搜集学生反馈的相关信息，记录学生学习表现，观察学生的学习进展，研究分析学生探究过程、思考方式、心智模式、探究能力与态度等是否发生显著的改变。然后评估学生建立科学概念的正确性，比较学生在探究实验中的思维模式，提供改善建议[2]。同时教师定期反思自己的教学问题，调整或修正所设计的课程计划，以提高教学质量与教学效率。

2.2 研究对象

研究对象为本校高二选修“化学探究性实验”校本课程的学生，共32人。由于是自愿选修，参与本计划的学生，对化学的研究普遍具有较高的兴趣，但化学学习成绩参差不齐，相当部分学生基础较薄弱。

2.3 内容确定

选择内容的原则是“具探究性和拓展性”，兼顾实验的安全性与创新性。为延伸探究的空间，精选了两个探究性主题：“原电池”和“配合物”。其中“原电池”学生已有初步知识，后续还将继续学习，以系统掌握相应的知识。课程选择原电池是利用它所呈现的较强的探究性，侧重开展实验探究活动，培养学生的探究能力，建立有效的探究模型，反过来促进国家课程的化学学习。

2.4 评价方法

本课程以过程评价为主，结果评价为辅。每次活动均由学生对过程进行反思、阐释和总结，填写随堂评价表，从实验操作的规范、提出问题的质量、思维的活跃度、创新度、与他人合作的情况以及学习收获等方面给予自评和互评，量化打分，扣分的地方注明原因，然后由教师评定等级。期中、期末，组织学生将成果在全校展示与发表，进一步提供综合阐释、反思、总结的机会，与同学交流自己建构的原电池模型，分享学习成果，体验学习化学的快乐。最后根据学生的自评、互评、教师的观察记录及成果做出综合评价。

3 课程实施

实施过程中，教师作为参与者和指导者，根据由美国认知心理学家柯林斯和布朗1989年提出的“认知学徒制”的理论[3]与学生互动，为学生提供充足的时间与机会进行模型的建构与调整，以提高他们的建模能力，促进认知发展从实际水平提升到潜在水平。“认知学徒制”是从以教为中心转向以学为中心、对学习的研究由认知转向情景、学习环境设计思想的大背景下诞生的一种理论，它将学习者浸润在专家实践的真实环境中，培养学生的高级思维和问题解决和处理复杂任务的能力。国内外相关研究认为，“认知学徒制”应用于教学实践中，能帮助和促进学生独立地将所学知识和技能，迁移应用到新颖的问题情景中，对培养学生的实验探究能力具有独特的优势。

以“原电池”探究为例，“认知学徒制”的教学策略贯穿整个过程，包括示范、训练、支架（即“搭建脚手架”）、阐释、探究与反思等，循序渐进展开活动（图2）。活动中教师通过观察的方式进行指导，包括观察学生执行任务的过程，为学生提供暗示、提醒、演示、修正和提出新的任务等。

3.1 预备活动

“认知学徒制”强调学习是通过参与有目的的模仿活动而构建的，即通过教师的“示范”和学生个体的“训练”完成学习。本环节为实验技能训练阶段，学生在教师的标准演示后，按照自己的认知方法，进行基本操作训练，规范实验的操作程序，强化实验安全观念。主要内容包括：实验安全教育、常用仪器的使用、称量、溶液配制等。对学生在实验中出现的问题及时指出，予以纠正，提醒学生在实验报告上做好记录，明确错在哪里，应该如何做。“认知学徒制”关注学习经验，对于重要的基本操作技能，教师应充分展示关键要领，并要求学生反复练习，直至人人过关。endprint

3.2 活动一：建构单液原电池认知模型

教师通过示范，将原本隐蔽的内在认知过程显性化，即使思维过程可视化、外显化，然后给学生呈现需要解决的问题，学生结合他们刚刚学到的认知策略和技能来探究问题，反思方法、阐释原理、建构模型，教师在期间同步参与或观察，引导注意、提供暗示与反馈、有针对性地搭建“支架”，提出附加任务与问题等。这是“认知学徒制”教学的一般模式。在该模式下，本环节学生将初步体验探究实验的过程，培养观察与表达能力，训练思维的严密性。

教师进行原电池的演示和讲解后（示范），学生两人一组合作实验，通过铜锌原电池的组装、电流的测试等，发现原电池反应与氧化还原反应的关系，从微观角度认识到电子通过导线定向移动，在正负极发生得失电子的氧化还原反应，离子在溶液中定向移动，形成闭合回路，从而产生电流。要求学生在实验报告上及时记录实验现象，清晰“阐释”原理，书写正负极电极反应式。随后教师给出新任务：根据学过的以下三个氧化还原反应分别设计原电池。

学生经交流讨论，在教师的提示下完成设计，组装原电池、测试正负极和电流。“认知学徒制”模式下的探究活动，反思机会处于中心地位。在完成每一个原电池的组装、测试后，教师均须提醒学生对探究过程与认知策略进行反思，将自己的问题解决过程与教师或其他同学的做比较，从中汲取经验，改进不足，提高探究的效率。最后，通过相互交流，学生进一步总结原电池原理，填写实验报告，建立起较为完整的单液原电池思维模型（建构模型）。

3.3 活动二：提炼双池单液原电池模型

在“认知学徒制”中，概念与认知技能处于运用的情景之中，在变化的情景中通过运用而被学习，而这些变化的情景既有助于深化对概念或认知技能的理解，又有助于构建反映概念、认知技能与问题解决情景之间重要联系的网络，从而提高提炼知识、分析和解决问题的能力。本环节进入深化思维阶段，设置以“桔子电池”为情景的探究活动，培养学生严谨的思维习惯和科学精神，建立实验探究的思想。活动过程与成果为探究双池双液原电池做铺垫和过渡，同时也使活动更具趣味性。

教师在“示范”单瓣桔子电池的构造后，学生分组实验，通过交流“阐释”原理，重新认识单液原电池。然后为学生发布新任务：测试下列两种情况能否产生电流，并探究原因。

①电极插入两瓣未分开的桔子

②电极插入两瓣分开的桔子

学生实验后，发现只有①有电流产生。引导学生通过讨论交流、比较分析、查阅资料等寻找原因。教师根据情况适时提示，提供“支架”：两瓣间的桔子膜具有“分区而又能让离子通过”的功能。在学生找到答案并做清晰表达后，教师因势利导，启发思考：两瓣分开的桔子不能产生电流，如何改进才能产生电流？学生以各种可能变因去思考，提出了几种设想与方案并着手实验：

A.把两个桔子瓣分开并部分插入NaCl溶液中

B.用浸湿NaCl溶液的硬纸板或滤纸插在两个桔子瓣之间

C.用浸湿NaCl溶液的灯芯线连接两个桔子瓣

D.用导线连接两个桔子瓣

实验现象：A、B、C有电流，D无电流。如何解释实验结果？教师观察学生讨论的进展情况，根据“认知学徒制”的启发式策略，以隐性的方式提供帮助：可从微观和动态的角度展开讨论，装置中正负极分别发生了什么反应，电流是如何产生的？学生在交流讨论、相互释疑的思维碰撞中逐渐达成共识，对A、B、C能产生电流的原理做出完整阐释，弄清了盐桥的作用，利用对氧化还原反应概念的理解，从离子、电子的定向移动和相互作用，以及电荷平衡、闭合回路构成等角度形成了对双池原电池装置的认识。提醒学生对探究过程进行详细的记录，并在实验报告中对双池单液原电池的原理和盐桥的作用做出分析和总结，在教师指导下修正完善，建立起双池单液盐桥原电池模型（分析与优化模型）。

3.4 活动三：建构双池双液原电池模型

“认知学徒制”中教师搭建“支架”，履行任务中学生还不能自己胜任的那一部分，对学生提供支持，但是及时地“淡出”也十分重要。随着学生能力的增强，教师应逐渐移走“支架”，减弱学生对“支架”的依赖[4，5]。本环节学生进入更为自由的探究，根据反应Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu自主设计放电稳定的原电池。在问题情景中，通过建构双池双液原电池模型，培养学生的问题意识和提炼规律的能力。

首先，学生分组自主设计并连接原电池，发现开始时电流计指针发生大的偏转，但电流很快衰竭，且两电极上均有红色的铜析出。经学生的讨论，总结出原因：由于锌片与硫酸铜溶液直接接触，铜在锌片表面析出，锌表面也构成了原电池，进一步加速铜在锌表面析出，致使向外输出的电流强度减弱。当锌片表面完全被铜覆盖后，不再反应，也就没有电流产生。

如何改进才能获得稳定而持续的电流？教师搭建“支架”：避免锌与硫酸铜溶液直接接触是产生稳定电流的前提，提示学生思考：可否利用已构建的双池单液盐桥原电池模型解决这个问题？学生动手探究，两池都用硫酸铜溶液，发现电流仍不持久，锌的表面仍有铜析出。指导点到为止，后面的探究交给学生独立完成。

经过讨论、反思，学生认识到负极区的电解质溶液并没有参加反应，因而想到将其换成硫酸锌或其他不与负极材料反应的电解质溶液，即可避免在锌极表面析出铜，并能获得持续的电流，而接下来的实验证明了他们的思路是正确的。随后通过对原理的交流和阐释，提炼出设计双液原电池的思路和方法，即：将氧化还原反应拆分为两个半反应→判断正负极→选择电极材料→选择正负极半电池的电解质溶液。任务完成后，学生及时在实验报告上总结，补充、调整建构的原电池模型，建立完整的双池双液原电池模型（调整与重建模型）。

3.5 活动四：制作氢氧燃料电池演示仪endprint

在“认知学徒制”教学模式中，学生通过模仿、参与、讨论、反思和阐释，获得基本问题的求解方法、策略和能力后，要增强学生学习的独立性和自主性，利用他们所习得的思维技能来发现问题、解决问题、验证假说、获得结果。本环节进入探究创新阶段，开放更大的探究空间让学生完成实验计划，设计制作氢氧燃料电池演示仪，要求电解水（充电）与氢氧燃料电池放电能交替进行，并保证制作的演示仪现象明显。目标是使学生较完整地体验科学探究的基本要素，包括“提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析论证、评估、交流与合作”，进一步学习科学研究的方法，增进对科学的情感，培养互相协作的配合意识，在分析和解决实际问题中，提高实验评价、实验设计能力与创新能力[6]。

教师先给出概念支架：讲解并与学生讨论教材内（苏教版高中化学2，第5版42页）燃料电池的原理（图3），再由学生分组实验。

但实验现象不够明显，放电时间很短。原因是什么，如何改进？学生展开讨论，提出猜想、设计实验、制定计划，小组成员分工协作，对多种可能进行验证，如采用表面积更大的石墨棒、改变电解液的种类和浓度、提高电解水的电压、由外界输入氢气和氧气，等等。在真实的任务情境中，学生表现出极大的探究热情和良好的创新潜质，诚如“认知学徒制”所论述的那样，真实的任务情境有效触发了学生探究的“内部动机”。经反复实验和文献查阅，学生发现：石墨电极上气体的活性和附着量是延长电池放电时间的关键因素，而充电时吸附在电极上的氢气和氧气活性大，因此必须改进石墨电极的制作，提高石墨棒对气体的吸附量。通过实验评估、筛选，获得了几种效果良好的方法：

A.用棉布或厚滤纸包裹石墨棒

B.用多孔筛状橡胶缠绕石墨棒

C.用热的浓硝酸处理石墨棒

D.用活性炭粉填充石墨棒内

这些措施均能有效延长电池放电的时间，解决了氢氧燃料电池演示仪制作中的难题。随后，学生在演示仪的直观性、易用性和外观上也进行了改进。通过活动，学生加深了对电极和电极反应的理解，对设计制作化学电源的过程有了深刻的体验，同时修正、补充、完善了自己建构的原电池模型（调整与重建模型）。实验完成后，学生在随堂实验数据记录和实验报告的基础上，撰写并发表论文《氢氧燃料电池演示仪的创新制作》，与他人分享探究成果。

4 课程效果

以上原电池主题实验各环节的安排，遵循“认知学徒制”的顺序原则，逐渐增加有意义任务的难度和多样性。脉络清晰的原电池思维模型的建立，为学生解决复杂的电化学问题打下了良好的基础，有助于学生学会思考复杂问题的方法，养成透过现象看本质的习惯。同时，学生在完成探究任务的过程中，通过设计和操作实验、讨论、反思、阐释、总结等形式，将复杂的认知过程外显化（与教师将认知过程外显化的“示范”作用有所不同），促进了自我修正和自我监控等元认知技能的发展。

探究性实验课程的构建，充分发挥了化学实验的教育功能，在激发学习兴趣、体验科学探究、训练科学方法、培养科学态度、学习化学知识、学会团结协作及表达交流技能等方面取得了较明显的成效，实验技能和实验探究能力方面的进步尤为突出。期末测评中设置了一些问题以测量学生化学探究能力的发展水平，在回答“如何提高铜锌原电池的电压”时，70%的学生能深入考虑各种可能的变因，如：溶液中电极面积对电池的影响、盐桥中电解质浓度对电池的影响、负极区使用不同的电解质溶液等，并能清晰地提出探究实验的方案及实验的可行性，说明各种步骤的控制变因与操纵变因，显示学生的化学探究能力获得了显著的发展。

“化学探究性实验”校本课程的研究和实施给教师的教学理念带来了真实、根本的改变，并自觉在日常教学行为中贯彻始终，这是接受一般的新课程理念培训很难达成的。观念的更新与重塑为日常教学带来了显著的变化：教学过程更加重视实验，千方百计为学生创造动手探究的机会，真心实意从强调知识的学习，转向重视探究能力的培养，转向重视提出问题与追寻答案的过程。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：2.

[2]陈桂生.到中小学去研究教育——“教育行动研究”的尝试[M].上海：华东师范大学出版社，2000：186～215.

[3]陈家刚.认知学徒制二十年研究综述[J].远程教育杂志，2010，（5）：98～102.

[4]王海珊.教与学的有效互动——简析支架式教学[J].福建师范大学学报，2005，（1）：140～142.

[5]王磊.鹰架式教学：一种有效的教学互动[J].科教文汇，2007，（01上半月刊）：48.

[6]刘知新.化学实验论[M].南宁：广西教育出版社，2006：137～139.endprint