启发性挫败视阈下初中化学实验教学的设计研究——以“化学实验测定与探究”教学为例

王豪钟

(杭州市丁荷中学， 浙江 杭州 310021)

传统课堂教学效果的评价倚重于学生的外在学习表现，因此，教师急切地给予学生提供各种学习支架，帮助学生“顺利”地完成学习任务。学生在学习过程中经历的“失败、挫折、困境”的内涵价值没有深入挖掘。本研究试图从“挫败”的视角审思“化学实验测定与探究”教学策略，从而建构一种全新的化学实验教学模式。

一、“启发性挫败”教学的缘起与启示

看似成功的课堂教学可能是一种“无效学习”行为，学习中的“挫败”能启发学生深度思考，他们在“挫败”的体验中锚定概念的深层特征进行组织加工，实现新构概念的精致与知识规律的深度理解。基于上述课堂教学中学生的“外显成功”与“深度学习”的割裂，摩奴·卡普尔(Kapur，2008)教授通过“失败情境”教学模式的实验验证，结果表明：“启发性挫败”组(初期不提供任何学习支架，仅依靠已构知识经验探索问题解决，在学生挫败时通过合作学习形成多种问题解决方案，并通过评价交流与教师的有效指导习得问题解决的最佳路径)在新构概念理解和迁移的输入与输出能力方面明显优于“直接指导组”[1]。卡普尔认为传统课堂教学倚重于效率的优势却忽视或剥夺了学习者在挫折中习得能力发展的良机，由此他提出了“启发性挫败”(或译成有效失败)这一概念。

学生也许在短期内不能有效解决问题或没能形成问题解决的最佳路径，但从学生长远发展来看，学生对问题深层特征的解读与最佳解决路径的探索过程实质是促成了他们的问题解决能力和学习创新能力的习得与发展。

二、“启发性挫败”教学的核心触发机制

卡普尔和贝拉可兹可(Kapur & Bielaczyc，2012)简单地阐述了“有效失败”教学的原理机制。洛伊布尔等(Loibl et al.，2017)在卡普尔等的基础上，构建了问题解决和学法导引机制。曹鹭吸纳了前两者的研究，提出了“有效失败”的2个阶段和4个核心机制间的逻辑关系。本文在其基础上归纳和构建了“启发性挫败”的核心机制，主要包括3个阶段6个机制(见图1)。

(一)阶段1：提取与建构期

“启发性挫败”教学阶段起始于概念的提取与建构。这个阶段适用于前期教学，主要包括2个机制的激活：机制1的激活指的是基于课程标准与教学参考提取和解构核心概念，确定概念学习的目标，同时通过调查法对学生学习经验进行提取与分析。机制2的激活是在机制1的基础上确定该核心概念有效建构的认知原点与发展点，确立认知发展结构。

图1 启发性挫败的3个阶段6个机制

(二)阶段2：生成与探索期

机制1与机制2的触发是对概念与学生进行认知结构的探析，目的是在生成与探索期，教师能精准地为学生定制劣构的、有多种解决路径的问题情境。机制3的激活是指学生尽可能地联结既有知识和经验，去解释、推理、评价陌生复杂的问题情境。从“启发性挫败”的视阈看，由于生成与探索期教师不提供任何学习支架，加之对目标概念特征缺乏深入研究，几乎都会遭遇挫折与困境。然而，挫败恰好激活学生已构知识、经验与目标概念的系统联结，不断尝试多种途径对问题本质进行追问。

在这个寻觅问题解决的过程中，即使已构知识与经验已经尽可能地被激活，还不能寻找到问题解决的路径，他们就可能感知到自身知识的缺位即激活机制4。但是，此时学生只能从综合角度感知自己知识的不足，难以将缺口知识与目标概念中的某个知识点有效链接。正是因为意识到知识缺口的存在，学生才会锚定目标概念的内涵与外延(深层特征)即激活机制5。机制5是“启发性挫败”学习的重要环节，机制3与机制4的触发实质目的是让学生注意到目标概念的内涵与外延，并且在后续的学习过程中将精力聚焦于关键问题而非肤浅的信息，从而降低学生的认知负荷。本阶段学生主要任务是关注目标概念的内涵与外延，阐述自己的观点，生成团队协作下的多样化的方案。

(三)阶段3：整合与巩固期

整合与巩固期，通过对学生生成的多样化解决方案和标准解决方案的讨论评价是对实现机制5必不可少的环节[2]。在这个过程中，学生能感知到具体知识的缺位即机制4(二次激活)，同时反思问题的深层结构，实现缺口知识与目标概念中知识点的有效联结。通过类比使得概念的内涵变得明显的这种教学方法即机制5(二次激活)，能有效促进迁移。洛伊布尔等(Loibl & Rummel，2014)的实证研究表明，同时触发机制5的情况下，采用“启发性挫败”教学获得的学习效果优于直接教学。在触发机制3～5后，针对学生解决方案建立有效的直接指导变得尤为重要。教师要针对目标概念的内涵特征进行详细的解释与归纳，使学生形成系统的概念认知结构。为了实现概念理解的精致，“启发性挫败”学习活动会设计一个与初始问题相似的问题情境让学生进行迁移反馈，进一步组织和加工目标概念即触发机制6，培育学生知识迁移能力。

三、化学实验教学中的“启发性挫败”设计

(一)基于“启发性挫败”教学的设计模型建构

目前关于“启发性挫败”教学模式的理论模型都是建立在卡普尔提出的“两大阶段、三条原则、四个步骤”基础之上。张忠华等对“启发性挫败”教学模式进行了系统分析[3]。刘徽等系统概述了国内外对于“有效失败”文献研究，通过实证研究发现“有效失败”对于学习效果有一定的价值，并且提出了“启发性挫败”的“两大阶段、5个步骤、3个维度”的教学设计模型[4]。本研究是在张忠华、刘徽的研究成果基础上结合“启发性挫败”的3个阶段6个核心机制，构建了“启发性挫败”视阈下实验教学的设计模型(见图2)。

图2 基于“启发性挫败”实验教学的教学设计模型

“启发性挫败”教学设计模型包括“教学目标设计、学习任务设计、参与结构设计、学习氛围设计”四个设计维度与“学情目标设计(提取—建构)、教学过程设计(生成—探索、整合—巩固)、迁移反馈设计(迁移—反馈)”三大设计阶段，每个阶段包含若干个步骤。下面以“化学实验测定与探究”实验教学片段为例，系统论述各步骤的设计原理和实施过程。

(二)“启发性挫败”实验教学的学情目标设计

本阶段包含三个步骤，根据2022版新课程标准、教学参考书确定教学目标，通过调查、访谈等形式提取学生已构知识与经验，建构目标概念的认识发展结构图。

1.基于课程标准和教学参考提取并解构核心概念

依据新课程标准和教学参考书凝练核心概念，解构核心概念的深层特征，锚定概念习得的目标(见图3)。

图3 “化学实验测定与探究”核心概念结构图

2.提取学生已有学习经验，建构认知发展结构

在教学设计前，采用调查法收集了32位学生对于“化学实验测定与探究”的困惑点，主要体现在以下几个方面：(1)缺少对实验原理概念的认识，18位同学对于实验的设计极度迷茫。(2)只能粗浅地进行简单装置的设计，28位同学在设计方案的过程中没有充分考虑实验误差。(3)情境问题给出的仪器，26位同学不能准确描述仪器的作用。(4)情境问题的数据处理，25位同学不能准确处理数据得出结论。所以，本次实验教学的认知发展结构是以“化学实验测定与探究”的原理为认知原点，在此基础上实现装置的建构、方案的设计、实验测定和迁移应用的习得(见图4)。

图4 “化学实验测定与探究”认知发展结构图

(三)“启发性挫败”教学过程设计

“启发性挫败”教学范型，具体包括“联结多种解决路径的问题情境→激活已构知识与经验→团队协作生成多样化的方案→评价交流反思问题的深层结构→针对学生解决方案建立有效指导”五个步骤。“生成与探索”和“整合与巩固”协同作用构成了贯穿全过程知识习得的两个阶段。“教学目标设计、学习任务设计、参与结构设计、学习氛围设计”构成了教学设计的四个维度。无论是知识与技能目标，还是教学设计与实践的阶段、步骤、过程和维度都紧密围绕和上升到大概念这一层次。其最终目的是提升学生的元认知能力，实现迁移的长期效果。

1.教学目标设计

教学目标设计提出了上位的大概念目标，包括对应的知识目标与技能目标(见表1)。我们可以通过多种途径实现大概念目标的达成，学生既可以在实验方案的设计和研讨过程中的探索来实现，也可以在方案的修正与实验的操作过程中促进学生对大概念的深度理解。比如，测定装置中仪器的作用，我们可以通过学案给出图示装置，让学生阐述该装置尽可能多的用途以及它的操作方式来帮助学生理解。

表1 “化学实验测定与探究”教学目标

2.学习任务设计

学习任务是由问题情境以及内嵌于境脉中的活动协同触发。情境问题的设计原则要为学生提供多重表征方式和多样化方案解决的契机。依据学生的最近发展区，把握学生需求，着眼于学生的认知发展需求，不断调整和寻觅既富有挑战又能激发愤悱情绪的复杂问题，避免学生深陷沮丧而无力思考的境地。所以问题的设计需要考虑问题的劣构程度、已构的知识与经验、问题境脉的吸引力等方面因素，更关注于问题本身促进学生深层的讨论、反思、归纳和吸收学习经验的空间，而不是学生对正确答案的追索。

本研究选取杭州某初中学校九年级学生，共32人，其中男生17人，女生15人，以异质分组的形式分成8组，每个小组4名学生。如在“生成与探索”教学阶段，针对问题单讨论教学环节，通过课堂观察与对话分析，“启发性挫败”教学的小组表现出的优势体现在以下几个方面：

第一，考虑到了仪器更多功能性作用，以装置A为例(见图5)，典型情境如下：

装置A 装置B 装置C 装置E

生G6-1：能用于排空气集气法，气体密度比空气大的从a通入。

生G6-4：能用于排水集气法，气体(难溶于水)从b通入。

生G6-3：用于气体中的除杂，如广口瓶内装氢氧化钠可除去H2中混有的HCl。

生G2-1：可用于气体制取中防止倒吸的缓冲瓶，气体从b通入a流出。

生G3-2：测量气体流速，气体从a通入，观察瓶内水中气泡的速度。

生G5-2：a导管后加一个量筒并且装置A可以测量气体的体积。

……

第二，提出实验方案设计的原理基本都有理由。典型情境如下：

生G1-1：将Na2CO3转化为BaCO3沉淀。

生G1-2：通过测量BaCO3沉淀的质量，进而通过方程式计算得到Na2CO3的质量，再根据样品质量求出NaOH的质量。

生G5-3：利用盐酸将Na2CO3转化为CO2。

生G5-2：不对，不能用盐酸要用硫酸，因为盐酸具有挥发性，制得的CO2中混有氯化氢气体会导致测得的CO2质量偏大。

第三，梳理了影响实验误差的因素，使实验方案设计更加周密。典型情境如下：

生G4-3：测定装置不同构建方式带来的误差，即装置本身配备的局限性。

生G4-1：实验测定的原理不同带来的误差。

生G4-2：化学试剂的选择带来的误差，本实验用盐酸误差会比较大，用稀硫酸更佳。

生G4-4：实验操作过程是否会引入误差，比如加酸的速度过快，CO2来不及被碱石灰吸收。

生G6-1：气体转化法中生成的CO2气体没有被碱石灰全部吸收。

第四，通过初步设计方案的体验，在这个过程中对建构的知识进行实践与尝试，感知自身方案存在的缺陷与优势。学生在体验“挫败”的过程中，达成对新构知识的深度理解。同时，摆脱了对老师的过度依赖，能动地转向自我的内部省察，提升自我效能感[5]。

生成与探索过程的设计，一方面将任务聚焦于问题单讨论和初步方案的实践感知，给后续实验测定与探究方案的完善与实施提供适切的支架。另一方面通过合理的延迟结构化的指导，给学生提供充足的自主探究、反思、评价的时间与空间，使得学生针对问题的深层特征进行深度思考并提出多种解决问题方案，为“整合与巩固”阶段的教学创设可探析的对象。

在教学的第二阶段“整合与巩固”阶段，针对前一阶段初步设计方案的体验后进行完善形成汇报方案并现场汇报。

[现场汇报]：气体转化测定法为例，选取具有代表性的G4、G5组(见图6)。

图6 现场汇报G4、G5的装置测定设计图

[评价交流]：

生1：G4组反应结束后CO2会残留在A、B装置中无法被C中的氢氧化钠吸收，同时生成的CO2会混有HCl也会被C吸收。

生2：G5组优点是用稀H2SO4代替稀盐酸，同时在最后阶段通入除去CO2的空气，改进了生1提出的误差问题，但不足之处没有避免原B、C容器内空气中的CO2对实验造成的误差。

[教师提问]：请同学们思考如何在G5组基础上减小原装置内空气中的CO2对实验带来的误差？

[学生分析]：

生3：增加三通玻璃管于C、D装置间，在稀H2SO4与样品反应之前，打开a、b弹簧夹，关闭c弹簧夹，然后再通一会儿空气。

[归纳提炼]：改进后实验装置(见图7)。

图7 气体转化法的烧碱纯度测定装置设计图

本阶段的重点是学生汇报阐述自己设计的解决方案，通过同伴的交流评价，对小组的问题表征形式和解决方案的优劣进行论证对比，深化对关键特征的理解。观照教师归纳的参考性解决方案与自身解决方案的差距与异同，组织加工概念的深层特征，实现“化学实验测定与探究”设计方案的精致。学生在适应和同化过程中完成知识的习得和思维方式与能力的拓展。

3.参与结构设计

参与结构是指学生进行概念学习的组织方式。在“生成与探索”阶段，需要学生对问题情境的深层特征进行自主的剖析，不断尝试多种途径对问题本质的追问。大家通过分享观点、解释缘由、批判评价等一系列活动对学习成果进行组织加工，生成自身对问题深层特征的认识，进而形成多样化的问题解决方案。因此在这一阶段采用小组合作的参与结构是较为合适的方式。对于合作小组科学分组的研究，卡普尔发现混合能力协作更益于学习效率的提高，学生在交互的探究过程中蕴含着巨大的潜能，能力较强的学生表现出较强的助力精神。因此，在“化学实验测定与探究”教学过程中，采用学习能力强弱混合编组、同伴互助、合作学习、人人参与、互动研究的参与结构，有利于获得更多样的解决方案。

在“整合与巩固”阶段，参与结构设计主要分两个步骤：一是组织加工深层特征，主要方式是自我澄清和同伴互评。自我澄清指的是教师给予每个学生分享自身成果的机会，学生自身针对问题深层特征的理解，解释和表达解决方案，并在这个过程中加深对概念的深度理解。当然，在学生游走在概念的迷思边缘时，教师要通过启发性提问辅助学生精细自身的解释、澄清目标概念。同伴互评是指全体学生积极参与对他人方案解决的建议与批判，学生在相互评价过程中对照问题解决方案的优缺点，从而增进对概念的深度理解。二是精致目标概念，主要方式是反思整合即完成概念的组织加工后构建自身表征方案和知识结构，对照教师提供的相对正统的解决方案进行对比，寻找差异、完善方案，实现对目标概念的精致和思维方式的拓展。

4.学习氛围设计

在“生成与探索”阶段，主要目的是给学生创设一个“挫败”发生的境遇，鼓励学生对问题解决方案进行多样化的探究。为防止学生陷入无意义的挫败而产生沮丧情绪，教师需要给学生提供与目标概念无直接相关的元认知和情感等支架，以创设一个安全的探究环境。如在“化学实验测定与探究”教学过程中，问题单讨论和方案初步设计环节，教师需要传递过程性期待高于结果表现的信息。在“整合与巩固”阶段，教师活动主要是成果分享、同伴互评与反思整合三个环节。实施过程中教师不仅要营造一种乐于分享、尊重差异、民主研讨的氛围，更为重要的是学生在这个过程中对照反思其他小组的“挫败”经历并进行自我省察，最大程度体现“挫败”的价值。

(四)“启发性挫败”迁移反馈设计

任何教学模式的最终目的都是培育学生在真实境脉下新旧问题联结后的迁移能力。为了检验“启发性挫败”教学的迁移效果，根据“化学实验测定与探究”的主要大概念，设计了“氧化铁样品中氧化铁的质量分数(杂质不参与反应)的测定”这一迁移后测题，对学生进行纸笔测试和实验操作考查。

反馈1 请说说测定Fe2O3样品中Fe2O3的质量分数(假设杂质不参加反应)的实验原理。

反馈2 请尝试设计绘制测定装置的装置图。

反馈3 请大家完成实验操作步骤的书写。

反馈4 根据你的设计完成实验操作，分析现象与数据得出结论。

上述反馈主要反映的是学生的“实验测定与探究”方案的设计能力、实验操作能力与数据处理能力，旨在考查学生的远近迁移能力。通过该变式弥合了新旧观念之间的藩篱，厘清了实际问题情境解决的策略，促进学生新旧认知间的同化和迁移能力的培育。

四、“启发性挫败”实验教学的实践思考

(一)有利于丰富教师的教学形式

教师害怕学生陷入失败的境地，更胆怯于自己的失败教学，会本能将知识机械地植入于学生大脑，然后让学生去解决实际问题。“启发性挫败”教学能激励教师以积极包容的心态挖掘挫败的价值，拥抱“启发性挫败”蕴含的正向学习效果。“启发性挫败”的提出促使教师意识到更多有别于传统教学方式变革的可能性。

(二)有利于降低学生的心理负荷

笔者基于约翰·斯威勒(John Sweller)和弗雷德·G·W·C·帕斯等(Fred G.W.C.Paas)已构建的认知负荷量表测量发现：在心理负荷维度上，“启发性挫败”教学模式下的教学班级分数(1.750 0)低于传统教学班级分数(1.872 1)。分析原因在于传统教学过程中，教师更关注于学生的学习结果，给学生带来了较大的学习压力故心理负荷相对较大。而“启发性挫败”下的教学聚焦的是学生的过程性学习，营造一种包容的课堂氛围，突破了标准答案对学生的禁锢，以“挫折”为最佳契机，学生站在“挫折”的风口上开启认知与创新能力的深度探索。

(三)有利于提升学生的迁移能力

因为大概念可以弥合短期效益与长期效应的割裂，因此，引入“实验测定与探究”这一学科大概念作为“启发性挫败”教学迁移能力培育的锚点，学生从“具体”学习经历中提炼“抽象”的体现专家思维方式的观念或概念，实现意义迁移的发生。同时，“启发性挫败”关注学生学习的过程性和反思性也是实现意义迁移的必要条件，学生在安全的心理氛围下通过自己的挑战、探究、实践、反思、提炼，在迁移输入到迁移输出的动态发展中，不断提升自己创新思维的能力，为未来学习奠定良好的基础。▲