基于学习进阶理论的学生质疑创新能力培养路径

周建秋 翁庆双

(1.瑞安市塘下镇罗凤中学，浙江 瑞安 325204；2.瑞安市教育发展研究院，浙江 瑞安 325200)

质疑创新是科学思维中的重要内容之一，是掌握化学概念与规律、实践科学探究、解决实际问题的关键。培养学生的质疑创新是化学教学的重要内容，是落实核心素养的具体体现。笔者以学习进阶理论为指导，以教学实践为基础，结合质疑创新能力的内涵，就学生“质疑创新”能力的培养进行了实践探索。

一、关于质疑创新能力“学习进阶”的认识

1.“学习进阶”理论的内涵

“学习进阶”最早是由美国教育学家史密斯(Smith)和凯特莉(Catley)等专家提出的，并把它界定为学生学习核心概念时所经历的一系列复杂的、连贯的思维过程。[1]“学习进阶”的组成要素有5个：进阶的终点即学习目标；进阶的维度，即达到学习目标的不同方面；进阶的层级即达到学习目标时所表现的不同层次；学生处于不同层次水平的学习表现；不同层次的测评工具。[2]“学习进阶”的理论基础有皮亚杰的认知发展理论和维果斯基的最近发展区理论。[3]皮亚杰的认知发展理论认为学生学习要经历四个认知发展水平，即感知运动阶段、前运算阶段、具体运算阶段、形式运算阶段，这是一个从简单到复杂的发展过程。维果斯基的最近发展区理论认为，教学要走在学生前面，教学设计的问题要落在学生最近发展的水平，不能滞后也不能超越。否则，达不到最佳的效果。“学习进阶”理论为教师判断学生的认知水平提供了一种清晰精准的测评方法，为教师评判学生的认知水平提供了一种思路，为教师培养学生的能力提供了一种精细有序的路径。

2.学生质疑创新能力“学习进阶”的理论架构

质疑即是提出疑问，它要求学习者不迷信于书本、不拘泥于权威、不轻信教师的结论，而是善于思考，发现问题，并不断探索、求证，直至得到正确的结果。朱熹说过，学贵在疑，小疑则小进，大疑则大进。质疑是学生学习的动力，能激发学生学习的兴趣，是学生完善知识结构的源泉，是学生进行创造性解决问题的基础。创新是提出新见解、新看法、新方法，创新包括猜想、分析、设计、改进、发现等基本要素。质疑行为过程中也即包括创新的思维，创新的行为也即是对质疑的问题解决。[4]质疑与创新是相互作用、相辅相成的统一过程。质疑创新能力是指基于事实证据与推理对观点、结论重新审视、检验、批判、修正，进而提出独到的方法的心智技能。对于学生来说，质疑的思维行为可以划分为5种情况，学生对认知冲突学习情境的质疑；学生对已有结论提出的疑问，从不同方式分析问题，得到结果；学生对真实情境下的现象提出疑问，并尝试运用新颖方法解决，得到结果。这是高阶思维的深度学习，教师要鼓励学生高层次地质疑与创新。在化学教学中，教师就是引导学生经历猜想、发现、设计、改进等思维过程，不拘泥于书本上的结论和教材中的标准答案，用批判的眼光看待问题，有意识地培养学生质疑创新能力。布卢姆把认知教学目标分为识记、理解、应用、分析、综合和评价六个层次，由低到高形成学生认知发展学习进阶。[5]根据布卢姆对认知目标的层次性，按照质疑创新行为的思维要求等级层次，我们可以把质疑创新划分为5个等级水平，构建化学质疑创新能力“学习进阶”结构模式(如图1所示)，即学生知道质疑和创新的重要性→学生具有质疑和创新的意识→学生能从不同角度思考化学问题→学生能采用不同方式分析解决化学问题→学生能解决真实复杂生活问题。[6]

二、学生质疑创新能力的培养路径

1.利用科学史资源，让学生知道质疑创新的重要性

科学史体现了科学知识的形成以及发展脉络，可以使原来冰冷又抽象的概念和定理变得鲜活生动起来。翻阅科学发展历史，化学上的重大发现都是由高层次的质疑创新引发的。例如，在原子的模型建立过程中，道尔顿认为原子的结构是实心球模型。在当时，这个模型很大地简化了我们的认识，在研究分子的时候带来了很大的便利。但是，汤姆生通过观察阴极射线的实验现象发现了电子。所以，实心球的模型已经无法解释电子的出现了。汤姆生通过质疑和创造，自己建立了一个西瓜模型。因为汤姆生的模型在当时有效地解释了原子排布的一些规律，因此在当时广为流传。后来，卢瑟福用α粒子轰击金箔时，发现汤姆生的西瓜模型不能解释α粒子实验现象，因此卢瑟福通过质疑和推理创造性地提出了新的原子结构模型——行星模型。科学探究依然在继续，科学家发现卢瑟福的模型中电子绕核运动是要有能量损耗的，最后导致的结果是电子撞击原子核，经计算原子的寿命不超过10-8秒，而这显然与事实不符合。又过了两年，丹麦科学家玻尔解决了这个难题。玻尔大胆地进行假设，电子只能在原子内的一些特定轨道上运动，于是又一次修正了原子的结构模型，提出了分层轨道模型。随着仪器的发展，原子结构不断被更新。海森堡通过实验发现，电子的轨迹图很像星云图，于是又有了现代原子结构的模型——电子云模型。透过原子模型建立的发展历史，我们知道科学的发展是不断质疑与创新的过程，是相对真理逐步无限地逼近绝对真理的过程。

2.基于日常教学，树立学生具有质疑创新的意识

(1)创设认知冲突情境，激发学生获取新知的热情。生活中处处体现出科学的原理，在初中科学的教学中，教师要创设科学原理与生活实际相联系的情境，让学生学会用科学知识解释简单的生活问题，培养学生对新知识学习的质疑意识，引导学生从生活世界走向科学世界。在学习质量守恒定律时，学生已学习了“物理性质和化学性质”的教学内容，能够区分物理变化和化学变化。在已有经验基础上，笔者展示蜡烛燃烧和铁生锈图片。学生容易判断出这两个变化是化学变化，同时引导学生发现“蜡烛燃烧”质量越来越少，最后几乎为零；而铁生锈后，质量又会变大，继而再引导学生思考，在化学反应前后，物质质量是否变化？虽然这两个情景学生很熟悉，但是大部分学生从未思考过反应过程中物质质量的变化。当遇到这个问题时，凭经验和直觉大部分学生认为化学反应过程中质量应该是守恒的。不过，当对立的例子呈现在学生面前时，又无法解释清楚，从而有效地引发学生的认知冲突，学生内心产生了化学反应前后物质质量“守恒”与“不守恒”的疑惑。当学生的认知心理上处于失调状态，便会形成强烈的求知欲和浓厚的探究兴趣，虽未构建“质量守恒”模型，但已深度感知到学习的意义。

图2 过氧化氢溶液制取氧气实验装置

三、对已有结论提出有依据的质疑，从不同角度思考科学问题

测定空气中氧气含量的实验装置还存在着一定局限性。因此，教师可以引导学生提出有依据的质疑，不断地改进与完善，采用不同方式分析改进实验装置。把烧杯改成量筒，通过量筒中水的减少，计算出氧气的体积含量。为了减少点燃白磷燃烧的氧气，可以改成电热棒点燃白磷。为了能动态地显示气体压强变化的过程，直观地揭示容器中的水进入广口瓶中的原因，可以利用气体压强传感器，测量空气中氧气含量的不同装置改进如表1所示。

表1 测量空气中氧气含量的不同装置

续表1

四、对已有结论提出有依据的质疑，采用不同方式分析解决科学问题

图8 氢氧化铜与不同浓度的氢氧化钠溶液反应现象

五、在真实情境中让学生创造性解决问题，得出结论

在课堂中，教师要创设真实问题情境，引导学生进行科学探究，用新颖的方法研究生活中的问题，得出结论，助推学生创新能力的提高。学生只有在掌握科学知识以后，在新情境中运用科学方法，创造性地解决生活问题，才能真正地成为一个具有化学素养的人。

例如，在学习了“物质粒子的大小与质量”内容以后，有的学生对课本上原子、分子的半径在10-10米数量级产生疑问，原子、分子的半径这么小，科学家是怎样测量出来的呢？我们能否测量呢？为了答疑解惑，提高学生学习的积极性，培养学生质疑创新能力，教师可以引导学生以测量油酸分子的直径为例开展项目化学习，研究分子直径数量级的测定方法，体验创造性解决问题、得出结论的过程。教师先让学生积极思考，讨论明确实验方法。利用溶液的稀释原理可以计算出一定量纯油酸的体积，再利用累计法计算出一滴纯油酸的体积。假设油酸溶液浓度非常小，在水中形成一层薄膜，如图9所示，只要测定一滴纯油酸的体积，和形成薄膜的面积，油酸分子的直径就等于其体积除以面积。实验步骤如下：(1)利用有机物相互溶解原理，取1毫升纯油酸，滴入500毫升的酒精溶液中，配置成油酸的稀溶液。(2)用胶头滴管吸取一定已稀释的油酸溶液，逐滴滴入量筒中，记录体积为1毫升油酸稀溶液的滴数。(3)取一个边长为30×40厘米的水槽，倒入适量的水，然后在水槽中均匀地撒一些印刷碳粉，用胶头滴管滴一滴油酸的稀溶液，油酸分子会立刻散开，形成了一层薄膜。(4)等待油酸薄膜形状稳定以后，用透明的玻璃板盖在水槽上面，描出油酸薄膜的大致形状。把描好的轮廓放在坐标纸上，数出坐标纸上正方形的个数，不足半格的舍去，超过半格计算为一格。根据油酸所占坐标纸的正方形个数乘以每一正方形的面积，就可以算出油酸薄膜的总面积。(5)根据事先配制的油酸溶液，计算出一滴纯油酸的体积，再根据一滴纯油酸的体积除以油酸薄膜的面积，就是油酸分子的直径。这个实验由于油酸、酒精取材方便、研究目的明确、结果未知、原理简单、方法新颖、操作简单、具有挑战性与创造性，学们积极性很高。通过估测油酸分子的直径实验，学生真真切切地体验到如何用宏观的实验来认识与研究微观分子直径的方法；懂得了根据溶液的浓度计算少量溶液的体积，真正地明白累计方法在科学实验中应用。学生学到的内容不是教师灌输的书本知识，而是学生身同感受、真实体验到的真知灼见。

图9 油酸分子分布示意图

总之，质疑创新能力学习进阶是针对大多数学生来说的，由于学生知识背景、生活经验、认知方式等不同，不同的学生质疑创新能力的培养路径可能有所不同，并不是唯一不变的。教师应立足于学生的实际情况，精心设计好有针对性的问题，提供学生一个质疑与创新的机会，凸显学生问题解决的思维过程，才能有计划、有步骤、有序列地培养学生的质疑创新能力，发展学生的化学核心素养。