开放式实验教学促进学生高阶思维能力发展的实践研究

郭建虹

摘要： 开放式实验教学通过教学方法的改革，促使实验教学在内容、时间、空间和行为上“开放”，培养学生的思考能力，发展学生的高阶思维。开放式实验不但为学生提供更多“做”的机会，更提供更多“想”的空间，是一种让学生自主获得知识、提高实验技能、发展创新思维的一种教学方式。科学探究的各个环节中，学生主动参与的环节越多、教师干预的环节越少，则开放程度越大、探究水平越高。

关键词： 开放式实验; 化学教学; 高阶思维能力; 质量守恒定律

文章编号： 1005-6629（2019）5-0054-05            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

做实验并不等于科学探究，探究最核心的内容是发现问题、解决问题，这对学生思维能力的培养是非常重要的。实验创新不应仅止于实验装置、操作的创新，研究学生参与实验方式的创新，才是目前实验教学改革所亟需解决的。

1  开放式实验与高阶思维能力

《义务教育化学课程标准（2011年版）》明确要求： 科学探究既作为学习方式，又作为学习的内容和目标，必需落实在其他各个主题的学习中，不宜进行孤立的科学探究方法的训练。教师不要把科学探究当成一个工具，要把科学探究当成一种教育理念和学习方式的转变，一种习惯的养成。对科学探究的评价，应该侧重考察学生在探究活动中的实际表现。

目前，开放式实验的研究多见于高校教学。初中阶段的实验均为验证性实验，鉴于初中阶段学生的认知水平，初中阶段的实验开放应是对实验过程的开放，在实验活动各环节中，增加学生自主参与的环节，学生主动参与的环节越多、教师干预的环节越少，则开放程度和探究水平越高。通过开放式实验活动，不但为学生提供更多“做”的机会，更提供更多“想”的空间，即更多的能动活动（设计、选择、优化、评价、反思、创新）。

开放式实验的独立性，激起学生的“疑问和困惑、混淆和怀疑”，而这类问题正是开启高阶思维的最大动力。开放式实验的包容性，引发质疑、评价、推理、诠释等批判性思维，促使高阶思维的发生。开放式实验的开放性，催生了反思、批判、创新等思维活动，通过发现、构想、归纳、抉择、评价等思维经验积累过程，提升思维能力。开放式实验教学通过教学方法的改革，促使实验教学在内容、时间、空间和行为上“开放”，路径不固定、答案不唯一，在陌生的真实的情境中展开自主能动的活动，从而发展高阶思维能力。

2  开放式实验的活动策略

知网上查阅有关“质量守恒定律”的教学设计，多达70篇左右，各设计均有所长，但设计重点大多是通过实验归纳的方法得出质量守恒定律，再从微观进行解释。其实验过程多是教师演示、学生观看，教师引导、学生分析，教师提问、学生回答。整个实验过程中，学生被动参与，缺少积极的情感体验，欠缺科学思维的培养。

各版本教材中，“质量守恒定律”均位于上册教材中部位置出现，此时学生已经掌握了一定的实验基本技能，如观察、记錄、表述、分析、结论等，而质量守恒定律的探究活动，其重点不在操作和技能，亦不是现象和分析，而应该是让学生认识到研究化学变化时需要有的体系意识。

2.1  开放式实验探究的活动流程

开放式实验探究的活动流程见图1。

2.2  实验预习，整合系统性思维

首先应当明确该实验的目的和采用的处理方法和步骤，以及事后检查是否达到预期目标的方法。教学要求应当根据所选择的化学实验体系、实验方法和步骤来确定，更要依据学生的实际水平来制定，这点在化学启蒙阶段尤为重要，不可要求过高。

[引入]我们今天将物理实验室的天平带入化学。正是凭借“天平”，拉瓦锡用科学实验和定量研究，使化学走向科学，原本远远落后于物理、数学、天文的化学，与它们并驾齐驱，成为一门精密的科学。

在拉瓦锡时代，科学家就在思考，化学

反应前后质量发生了怎样的变化？有的科学家认为，化学反应后质量会减小，如石蜡燃烧;有的科学家认为，化学反应后质量会增加，如铁生锈。拉瓦锡经过精确实验研究认为，质量应该不变。

[实验预习]

实验目标： 设计实验，验证化学反应前后物质的质量不发生变化。

学生： 列出所需药品，写出化学反应原理;列出实验用品，画出实验装置简图;列出实验所需记录的数据，简述实验步骤。

教师： 根据学生完成的实验预习单，汇总学生实验原理，按照反应物、生成物状态以及反应条件，教师进行分类（部分典型实验装置附图说明），并据此准备实验仪器和药品。

学生预习中设计的实验方案有以下几类：

（1） 无气体参加、生成的反应。仅一个小组设计这类方案，用到了铁和硫酸铜溶液的反应。

（2） 有气体参加的反应。共2个小组设计这类方案，其中一组采用密闭装置，一组使用敞口的坩埚（见图2、图3）。

（3） 生成物中有气体。共8个小组设计这类方案，其中仅有3个小组选择敞口容器完成实验，5个小组学生设计了密闭装置，其中还有2组学生使用了可变形容器（矿泉水瓶、气球等）。

① 二氧化锰催化分解过氧化氢溶液（见图4～图6）。

③ 加热固体生成气体类。有两组学生选择固体加热型实验，其药品分别为碱式碳酸铜、高锰酸钾，其实验装置均为敞口装置。

（4） 反应物、生成物中均有气体。共有3组同学设计实验称量石蜡燃烧前后质量的变化，其中有两组学生考虑到气体对反应的影响，选择在集气瓶或烧杯中燃烧蜡烛，并对瓶口进行封闭。

以往的学生实验，一直是教师“开方抓药”，这一次方子是学生开的，这样的开放从一开始就大大激发了学生思维的活力，学生面临原理的选择、根据药品状态和反应条件设计装置等问题，初步体验到化学体系选择的重要性。而分析、推断、区别、比较、组织等行为正是高阶思维的特点。

学生设计的方案是否符合本节课开展的需要呢？质量守恒定律的文本解读，一般引导学生思考需要选择五类反应进行实验的价值，即： 只有气体参加的反应、只有气体生成的反应、无气体参加和生成的反应、溶液中有沉淀生成的反应、有气体参加且有气体生成的反应等，这才是完全角度“数学归纳法”思想，如果能够得到反应前后质量不变的结论，就可以推导出化学反应前后质量守恒[1]。这一阶段，学生尚未学习酸碱盐的性质，溶液中有沉淀生成的反应并未在学生方案中出现，但其他4种方案均有涉及，实验可以开展。

2.3  互评方案，培养批判性思维

2.3.1  实验原理和装置的选择： 从开放体系到密闭体系的实验思维转换

从整体看，学生方案可行，但需要对个体进行选择和优化。需要学生在纷繁复杂的方案中，客观地做分析、评价，做出评论、鉴定甚或辩护。

在交流和汇报实验方案过程中，一些小组这样陈述观点：

“因为我们的实验过程中无气体参加或生成，所以我们没有选择密闭容器进行实验”。

“因为我们的实验过程中有气体生成，直接使用密闭容器，会不安全，所以考虑增加气球进行实验”。在之前的实验中，从未使用过气球，这样的创意确实值得鼓励。

这一活动中，学生已经明确意识到物质体系的选择对化学实验的重要性，物质体系决定仪器装置;实验步骤决定于所选的化学体系和仪器装置，如何安全地、有序地完成实验，决定了实验者操作技术的规范程度。较早建立和形成“体系与环境”这一对重要的化学概念和基本观念对于化学研究具有重要的意义。

只有这样来认识化学实验，才能通过化学实验培养学生的科学精神和科学作风。对化学学科教育而言，化学体系选择的重要性，远甚于实验装置和操作的训练考查。

2.3.2  实验步骤的确认： 从分步称量到整体称量的实验思维转换

在对实验步骤进行讨论时，开始时有的小组提出“分步称量”的方案，立即遭到一些小组的反对，他们这样陈述意见：

“我们的实验目的是探究化学反应前后物质的质量关系，研究对象是所有物质，而不是某一个物质，没有必要分别称量”。

“分步称量需要多次称量，操作繁琐，且多次称量误差大”。

从学生的对话中，可以看到，在用天平探究化学反应前后物质质量关系问题时存在着较为普遍的认识方式冲突，这样的认知冲突只有亲历实验设计才有可能产生，学生亲自设计并实施实验的意义和价值正在于此。

学生的批判和质疑，源于真实情境，有理有据有解决方案。开放式实验，使学生与客观事物发生直接的接触和相互作用，从而改变他们的原有认识方式，触及灵魂，实现思维方式的质的飞跃。学生对化学反应中物质质量关系的认识基准实现了从“单一物质的质量”到“各物质质量总和”的跨越;对实验方法的认识，实现了从“定性思维”到“定量思维”的跨越。本节课的目标已经超越对质量守恒定律内涵的认知，用批判的眼光看待问题，正是高阶思维的特点。

2.4  实验数据的分析： 初探“质量守恒”、“以量定质”思想方法

創新是高阶思维的最高思维形式。开放式实验活动催生学生解决问题的同时发现问题，从“物质变化”到“质量守恒”，进而引发“以量定质”的思考。

对实验数据的分析（见表1、表2），将思维碰撞推向高潮： 同一实验原理，出现不同结果;不同实验原理，有相似结果出现。由此引发学生对实验中物质体系、实验装置、实验操作的一系列反思;而对多组数据的比较和分析，更使学生认识到教材中“无数的实验证明……”这句话背后所隐含的科学精神。

实验过程的亲密接触，促使学生对数据的反思，他们观察到很多实验后反应物有剩余，如铁钉、碳酸钙等。“探究化学反应前后物质的质量关系”，这里的物质具体到化学反应中，究竟是哪些物质？质量是多少？质量总和是哪些量的总和？在不断发现问题、解决问题的过程中，学生理解与突破质量守恒定律中“反应”“质量”“总和”“参加反应”四个关键词，正是实验承载的重要任务;解决问题的过程，正是学生形成和确立正确、合理的化学反应及其质量的分析方式和习惯，这对后续的学习，如化学方程式的书写、质量守恒定律的应用等都是非常基本又是非常重要的。

对5、6两组实验数据的分析，引发学生的认知冲突，同样是加热固体，固体质量的变化趋势却截然相反，由此反思加热过程中物质所发生的变化，并对铜绿的物质组成展开猜想和探究。学生由此认识到“可以根据量的变化推知质的变化”、“可以利用定量方法认识物质组成”，初步建立运用数据分析化学问题的意识和能力。

定量是化学成为一门科学的重要标志，从定量的角度认识物质及其变化是化学学科核心的思维方式，运用数据分析化学问题，将使问题的发现、分析和解决都变得理性，证据的支持更充分[2]。

梁永平教授研究表明[3]，“显性和反思性方法是促进学生科学本质理解的较为有效的方法”，他认为促进学生科学本质理解的教学设计，应该“以探究性教学为基本活动方式，以显性和反思性活动为基本教学策略”。其中，“显性”是指应该把对科学本质的理解作为认知性教学结果而有意识地确定为目标和计划;“反思性”是指要为学生提供认识论层面的分析活动机会。

综上所述，开放式实验活动过程是让学生发展建构能力、批判反思能力等高阶思维能力的重要平台。学生最大化参与实验探究的过程，主动地在实验过程中形成基于实证的推理、质疑、批判等高级思维能力，而不再是被动的“观察者”。

参考文献：

[1]赵华. 化学教学设计应立足智慧的文本解读[J]. 化学教学， 2017， （3）： 12～16.

[2]林红焰， 宋晓敏， 陈争. 基于核心概念设计中学化学教学——以定量认识物质组成及其变化为例[J]. 北京教育学院学报（自然科学版）， 2013， （6）： 25～28.

[3]梁永平. 促进学生科学本质理解的教学设计[J]. 化学教学， 2008， （9）： 5～10.