基于证据推理的科学探究：实验、评价及反思

杨砚宁

摘要：利用数字传感技术对铁钉锈蚀实验中的异常现象进行探究，并以此实验背景编制原创实验题，尝试在区域学生学业质量监测中将实验操作考查与纸笔测试有机融合。

关键词：实验；探究；检测；评价；反思

文章编号：1008-0546（2017）02-0013-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.02.003

当前，核心素养模型逐渐渗透到各国教育改革的诸多领域，主要体现在两个方面：一是基于核心素养推进课程改革，二是基于核心素养推进教育评价。日前公布的普通高中化学学科核心素养提出了“证据推理与模型认知”“实验探究与创新意识”等五种核心素养。科学探究是义务教育课程标准的五大主题之一。在化学教学中，化学实验是进行科学探究的重要方式。化学实验探究可以促进学生理解科学概念、激发兴趣与动机、培养学生的创新意识、怀疑精神和求证精神（证实或证伪），养成科学思维习惯，理解科学本质。但是，成功实施实验探究教学还存在许多问题和挑战，主要表现在以下三个方面：第一，化学实验探究的内容和指导思想需要进一步明确。目前的化学实验探究仍然以验证原理和培养实验基本操作为主线，化学实验探究的其他功能尚未充分挖掘。第二，化学实验探究应避免只“探”不“究”。在实验探究中，学生虽然“动手”了，完成了操作目标，却没有积极“动脑”思考，这是目前实验探究教学中出现的较普遍现象。第三，化学实验探究中现代技术应用不够。在探究教学中应不断提高实验的技术含量，应增加现代技术在化学实验中的应用。[1]

“金属防护和废金属回收”是上教版九年级化学第五章第三节的教学内容，“铁钉锈蚀实验”是本节的一个探究实验。如何以实验探究为载体，培养学生的问题意识、怀疑精神和求证精神？怎样在学业质量监测中将实验考查与纸笔测试有机融合？笔者进行了尝试与探索。

一、实验探究与改进

1. 实验操作

取几枚洁净无锈的铁钉，分别放入试管中（如图1所示）进行如下实验：在试管①中加入少量干燥剂（生石灰或无水氯化钙），再放一团干棉球，把铁钉放在干棉球上，塞紧橡皮塞；在试管②中注满迅速冷却的沸水，使铁钉完全浸没，塞紧橡皮塞；在试管③中加入少量蒸馏水，使铁钉的一半浸没在水中。[2]

2. 异常现象

由于该实验是铁钉的缓慢氧化，所需时间比较长，为了便于观察、记录实验现象，笔者选取了区域内一所学校两个实验班的学生进行家庭实验。学生交流讨论实验方案，选取实验用品：曲别针、大头针、铁钉、自制蒸馏水、玻璃杯、一次性塑料杯、保鲜膜、胶带等。实验进行一周时间，每天学生观察记录实验现象，同时拍照并将照片发至班级QQ群（如图2所示）。在一周后的课堂教学中，教师组织学生分组汇报实验现象、分析原因、得出实验结论：金属锈蚀与水、空气等物质有关，还与金属内部的结构有关。许多学生提出疑问：铁钉锈蚀的必要条件是氧气和水同时作用，为什么在无水或无氧的条件下（如图1中①②），铁钉仍然会生锈呢（如表1所示）？

3. 揭示本质

对于学生的疑問，教师并没有直接答疑解惑，而是把此问题作为新的课题引领学生继续开展深入探究。

【课堂调查】你们是如何得到“迅速冷却的沸水”？

学生的操作方法主要有以下三种：敞口冷却，密封条件下自然冷却，密封条件下用冷水迅速冷却。

【做出假设】图1中，试管②中铁钉生锈可能与氧气有关。

【进行实验】教师采用数字传感仪测定不同沸水样品中溶解氧含量（如图3-6所示）。

【分析实验】分析不同沸水样品中溶解氧量的数据可知：自来水中溶解氧的含量较高，所以教材要用沸水进行实验。在冷却沸水过程中，密封条件下可以减少氧气的再次溶解。密封条件下用冷水或冰使沸水迅速降温，可以大幅减少水中溶解氧的含量，但是不能把溶解在水中的氧气除尽，因而铁与氧气、水共同作用而生锈。加干燥剂的试管①也是类似的情况：即使加入少量干燥剂、再放一团干棉球、塞紧橡皮塞，试管①中的仍含有少量水蒸气。加之苏州地区空气湿润，如果橡皮未塞紧，由于密封不严会有更多水蒸气进入试管内，导致铁钉生锈。

通过深入探究，学生明确了家庭实验中铁钉锈蚀的原因，在此基础上教师因势利导，让学生查阅资料，深入研究并改进实验，对实验①的改进方案是：先烘干试管，再放入干燥器中冷却。实验②的改进方案是：第一步，将蒸馏水煮沸并密封冷却；第二步，将冷却后的蒸馏水加入接近试管口处，再放入一节比铁钉稍长的镁带（已打磨光亮），以除去水中残留的微量氧气；第三步，一分钟后再放入一枚铁钉，立即用胶塞塞紧试管。[3]

二、跟踪检测

将实验考查与中、高考紧密联系、有机融合，既可以增加考查的有效性，又可以促进中学实验教学正常开展[4]。因此，笔者发挥考试评价的导向功能，以“铁钉锈蚀的实验探究”为背景，编写了一道原创实验考查题，以培养学生的收集证据、分析推理能力。

1. 命制试题

为了探究铁锈蚀的原因，小明按图7所示的方案进行实验：

小明预设的实验结果是：试管Ⅰ、试管Ⅱ的铁钉不生锈，试管 Ⅲ中的铁钉生锈。但是，经过一周观察，发现三支试管中铁钉都生锈了。听取小明的汇报后，老师和小明进一步探究：用不同的方法处理四份相同体积的自来水，用数字传感器测定水样中溶解氧（如表2所示）的含量，并按图7所示进行实验。

实验现象：一天后，试管Ⅱ（选用2号水样）中的铁钉有轻微生锈，从第二天到第七天铁锈不再增加。

参考所给数据分析：①小明的实验中：试管Ⅰ中钉生锈的因可能是_________ ；

试管Ⅱ中钉生锈的原因可能是_______________ 。

②用数字传感器测定水样中溶解氧含量的目的是________________ 。

2. 监测分析

针对三支试管中铁钉都生锈的“异常现象”，命题者给出了研究方案和测定结果，目的是给学生答题以提示和引导，从而实现实验教学与考试评价的有机融合。在区域内十所初中学业质量测试中，该题共3分，平均1.62分，得分率54%，得分率与学生实验开展率基本吻合。由此可见，对于开放性、探究性的实验试题，如果学生没有亲自实验、动手实践，就无法获取直接体验，不能准确解答也就不足为奇了！不过，需要关注的是， 尽管义务教育阶段十分重视教育公平，但是数字传感技术还未普及所有学校，教师在命制试题时还应充分关注。

三、反思

评价是教学的重要环节，其主要功能有三个：一是促进学生的有效学习，二是改善教师的教学，三是完善课程实施方案。评价既要考核学生知识与技能掌握的程度，又要评价学生的科学探究能力和实践能力[5]。 笔者以“铁钉锈蚀实验”为载体，基于教学实际创设评价试题，既能检测课标落实情况，又符合核心素养评价的需要。

1. 检测落实课标的效果

通过分析区域内十所学校质量监测发现，就监测试题的平均分来看，实验班属于领先水平，这是因为教师在日常教学重视实验教学，开齐开足学生实验。而数字传感技术使用较好的A、B、E、H四所学校，由于学生分析问题、解决问题的能力较强，也取得了良好的成绩。有些学校成绩较差，主要与教师不重视实验教学以及学校硬件设备配置不到位有关。

2. 评价核心素养的工具

什么样的情境或任务能让学生表现出核心素养？扬州大学吴星教授指出：化学学科的核心素养体现在整体任务、复杂情境、结构不良的问题解决的关键和特征表现。编制源自教材、能够考查学生亲自动手实验的原创题，有利于考查学生的观察品质、思维品质及分析问题、解决问题的能力。对实验异常现象的捕捉与分析，更能培养学生实事求是的科学态度、批判精神和创新意识。

总之，化学是一门以实验为基础的自然科学，正如著名化学家傅鹰先生所说：“化学是实验的科学，只有实验才是最高法庭。”基于證据推理的实验探究及其教学评价，对教学方式、学习方式、评价方式的变革具有积极的意义。

参考文献

[1] 毕华林，万延岚. 化学的魅力与化学教育的挑战[J].化学教学，2015（5）：3-7

[2] 王祖浩，王磊.义务教育教科书：化学（九年级上册）[M].上海：上海教育出版社，2012：127

[3] 潘国荣，李勇文，陈正美.探究“铁的锈蚀条件”实验创新设计[J]. 化学教育，2016，37（11）：73-75

[4] 王国峥.初中化学实验教学的问题与对策[J]. 化学教育，2015，36（11）：66-69

[5] 中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012：39