基于化学实验活动发展学生认知能力的研究与探索

许虹宇 王蕾 曹宝 王静姝 张颜涛 周兴伟

摘要：实验教学、实践活动对发展学生核心素养有着不可替代的意义和价值。研究团队运用认知学习理论深度剖析了当前实验活动中存在的问题，积极寻找解决问题的策略方法。探索建构学习认知过程模型、实践活动行动学习模式，建立实验活动实施策略工程体系，挖掘多种实验教学策略，为发展学生科学精神、认知能力和实践能力进行实践应用和探索，以解决利用实验活动突破认知障碍、提升教学质量的关键问题。

关键词：化学实验活动；认知能力；行动策略

《中国学生发展核心素养》从三个领域（社会参与、自主发展和文化基础）、六大素养（责任担当、实践创新、学会学习、健康生活、科学精神、人文底蕴）和十八个要点的层面对核心素养框架进行了描述[1]$$。2019年教育部发布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，对实验教学与实践能力提出了要求，实验教学再次受到关注[2]$$。如何开展实验教学以真正提高学生的认知能力、实践能力，发展学生的创新思维；如何将实践育人的理念转化为人才培养的动力，是理科课堂教学人才培养的核心任务。

通过文献梳理发现，关于认知能力和教学研究主要有以下两个方面：一是心理学层面认知理论的研究；二是教学中认知能力培养策略的研究。教学中认知能力培养主要集中在基于学科教学的宏观性培养，对于具体某项认知能力培养的研究还不多见，更缺少针对认知活动表现的研究；对于基于实验活动的认知能力、认知能力水平层级的深入研究较为鲜见，开展基于实验活动问题的认知行为研究、基于思维能力的优化升阶研究变得极其重要而迫切。

从2002年科研立项“探究性学习教学方式研究”开始，在后续的“中学化学实验设计与创新的研究”“真实情境的化学核心素养考查及教学策略研究”，再到全国教育科学“十四五”规划教育部专项课题“立德树人背景下义务教育阶段香港与内地学生价值素养培育路径比较研究”的调研之中，我们注意到实验教学各阶段存在诸多的问题：①学生在实验中的参与度不高，还存在讲实验、看实验、想实验的情况。②实验活动对学习内容知识建构的支撑力不足，还不能起到帮助学生深层次理解知识、体会原理的作用。③实验问题的设置缺乏对于学生实验素养培养的系统性。④缺少针对实践活动实施的行动模型，缺乏科学合理的实验环节建构，科学合理的实验流程管理、环节规范和实验绩效评价体系。⑤缺乏对实验活动多元课程资源的开发。⑥缺少实验活动的学业质量评价体系。⑦学生参与实践活动的机会过少，给学生创新实践的空间还不足等问题。

为落实好课程育人任务，完成素养育人的培养要求，对基于化学实验活动发展学生认知能力的研究进行总结梳理，确定了解决问题的过程与方法（见表1）。

基于化学实验活动发展学生认知能力的研究与探索以实践观为统领，以认知学习理论研究为基础，以建构学习认知过程模型、实践活动行动学习模式为抓手，以运用高效的实验教学策略支持学生实践能力培养为目标，以优质资源和课程体系为内容承载工具而开展。用实验活动实施策略工程来表征行动建构模式、实施策略、行走路径的成果与学科观念、实践能力、核心素养之间的脉络关系。挖掘多种实验教学策略，为发展学生科学精神、认知能力和实践能力进行有意义的实践应用和探索。运用调查研究、理论建构、实验对比、课题研究、实证分析、演绎推理等方法和手段，主要解决以下问题：

一是通过学习认知过程模型、实践活动行动模型建构，解决学习过程与认知过程、实验活动与能力培养的割裂问题，强化对问题研究的理论指导性、科学性和规范性。

二是通过建立实践活动实施策略工程图，解决了育人能力指向不明确，研究方向、维度不清晰的问题。

三是通过实验普及性开展研究，解决实验活动中学生参与水平不高，动手实践能力差的问题。

四是通过实验优化创新的研究，解决实验对学生认知深度的建构、思维能力的高阶培养效果发挥还不明显的问题。

五是建课例群、案例库、作品集，形成课程资源体系，解决了实验实践资源匮乏的问题。

六是开展实践性实验课程研发，解决了实验活动路径单一、内容固化、形式单调的问题。

（一）提出了实验活动普及性开展策略

1.开发生活代用品实验箱

开发了学生的自主实验箱，具有灵活性、便利性、自主性特点，弥补了实验活动开展受限问题，增强学生实验体验。同时，实验箱可以帮助学生完成兴趣实验、实验作业，养成实验思维，培养实验信息感知能力和品质。

2.构建了“以赛评教”的实验教学评价方式

通过诊断学生在做实验过程中呈现出的知识、能力、情感等方面的综合发展水平来确定教师的教学水平的评价模式。主要采取随机性和限时性两种评价方法。同时研制了实验操作考核评价标准，实验操作考核题目，制定了实验教学评价考核方案。

（二）提出了发展认知能力的实验活动创新优化策略

1.实验创新优化设计

研制了实验创新设计评价标准。针对教材实验、习题实验、学生实验，从实验现象显性化、提高实验成功率、实验结论得出逻辑层级结构、实验对知识理解建构支持程度、实验原理解析准确度等进行改进、增设或替换的优化设计。优化后的实验能够为学生知识建构、能力培养、高阶思维形成、问题解决提供更强的价值支持，也能更好地完成化学素养的培养与达成。

2.数字可视化实验研究

开展了利用数字化实验系统的实验研究，同时探索了将手机、高清摄像机等数码产品引入实验中，借助数码科技的连拍、灰度值等技术的应用，增强实验的可视性、数据性、图像性转化。帮助学生形成微观想象力，建立微粒观，建立宏观现象和微观本质的联系；同时将化学反应的微观过程转化为数理分析，帮助学生分析和洞察微粒的变化和反应过程，培养学科理解能力。以此成果研发的课例“测定补血剂中铁元素含量的实验设计”在全国多项大赛之中获奖。

3.课堂实验活动设计与实施

在实验创新优化设计基础上，研究优化实验在课堂上的应用和实施。开发实验在课堂学习的价值力，梳理实验活动在课堂教学中开展策略，使实验活动发挥对学生学习助力的最佳价值。探索了探究活动、小组活动、问题设置等组织实施策略。开展实验教学“研课、研评、研展、研讨”四研主题活动，评选出了优秀案例、课例。

4.实验习题的研究

通过构建系统性、序列性的相关实验问题、实验习题体系，帮助学生建立深度思维逻辑[3]。开展凸显实验习题的学科特色人教版教材习题改编活动，建立实验素养阶梯性培养的习题逻辑设置策略。形成了“实验基本技能———实验方法了解———定性实验———制备实验———定量实验———探究实验———实验实践活动”的递进设计思路，建立实验习题库，编制了《实验导学》丛书，开展了“六技”教学技能展示大赛。

（三）开发了实践型实验活动实施路径

1.跨学科实验课程

以学科实验研究为基础，开展跨学科实验融合课程研究。以基地校开展活动为主体，建立跨学科研究活动小组，通过确立相关主题，研制开发通过多学科整合，以实验为基础综合性开展问题学习和研究。跨学科实验综合课程为学生提供实验模拟平台和实践空间，引导学生在解决实际问题的过程中建立问题意识、形成创新精神和实践能力，进而内化为学科素养。

2.实验家庭作业

开展了学科课后实验作业研究，拓展了学生的作业形式，发挥了实验对学生学习助力作用。开发形成家庭实验作业资源包，通过实验作业，激发学生的学习兴趣，引发学习思考，内化学习能力，提高科研素养。

3.科普家庭实验

将实践活动与科普推广相结合是课后拓展实验活动的方向之一。选编部分符合学生认知水平、引发学生深度思考的科普实验、实践活动，建立学生科普实验实践资源集，编写了《实验与实践》科普专著。

4.项目化学习

根据学生的认知能力水平，围绕学科知识拓展、学科知识与生活实践、学科知识与职业规划、学科高新科技、跨学科知识融合项目等内容。开发项目化学习主题，组织开展项目化学习。通过项目化学习，学生的实践能力、问题解决能力、综合分析能力、科研能力、团队合作意识、社会责任感等显著提高。项目化学习实践让学生从课上走向课下，从学科走向多元，从学校走向社会，凸显实践育人综合价值。

实验活动在实施研究过程中，积累了大量的实践活动资源。例如：实践活动课程、案例，如《家庭实验作业》《跨学科实践课程案例》《项目化学习案例》《社会实践活动案例》《校本课程案例》；科普活动成果资源，如《科普家庭实验》《实验与实践》《健康与生活》《走进化学百科》科普丛书；教学案例、作品，如《实验教学优秀案例成果集》《实验课堂教学大赛案例》《实验创新优化设计作品集》《实验导学》；实施方案、制度、标准，如《实验操作考评方案》《实验优化创新评价标准》《教学仪器装备行业标准》等。

2002年，学院课题“探究性学习教学方式研究”标志着研究的起点，经历了从2004年课程教材研究所重点课题“在新課改形势下教学模式研究”、省教育学会重点课题“中学化学实验设计与创新研究”、中国教育学会“十三五”重点课题“真实情境的化学核心素养考查及教学策略研究”、黑龙江省教育科学规划2017年度重点课题“核心素养视阈非连续文本功能与使用策略研究”，到全国教育科学“十四五”规划2021年度教育部专项课题“立德树人背景下义务教育阶段香港与内地学生价值素养培育路径比较研究”，在20余年的研究与积累中，研究成果在国家、省级的多种类型、多种模式的研讨会、展示会展示，通过全省化学学科多层次、多角度赛事、项目、课题等交流活动的历练，取得如下应用效果：

（一）促进学习方式改变，有效提升了学生的认知能力、思维水平

成果的应用为学生提供了解决疑难问题、破解思维障碍、寻找科学答案的行动路径。增强了学生的自主探究、协同发展的空间，帮助学生以行动学习的方式建构关键能力和思维品质。不仅成为学生学习新知识、建构科学理论的工具，还成为创造性解决问题的武器，得到广大师生的高度认同。近年来，中高考中实验探究、推理分析、问题解决、设计优化等试题的得分率有较大幅度提高。

（二）有力提升了教师实验教学水平和研究能力

成果通过全省实验课题研讨会、“实验五环节”大赛等主题教研活动，帮助教师建立用学科内和学科外“行动思维”研发案例的思想、以实施流程和要素帮助教师开展个性化实践研究，提升了教师的教学水平和研究能力。十几名教师运用该成果在教育部基础司、中国教育装备行业协会举办的实验说课大赛、实验创新大赛上获得优异成绩。项目主持人作为点评专家先后4次承担实验说课大赛的现场评审、6次网络评审。

（三）建立了多元的优质资源，辐射作用及成效显著

应用该模式研发的化学实验课例集、视频资源、习题资源，被人民教育出版社出版的义务教育《化学》教材、教学用书采用，印证了成果的科学性和价值。创设的行动学习新模式、构建的活动任务设计单、实践课程体系和网络空间资源，获得广大教师的认可，说明成果可复制、可推广。

“以课例为载体的系列化教研模式研究与实践”“初中化学实验课有效性研究与实践”“高中化学实验改进与实验研究”分别获得2015、2018年黑龙江省基础教育教学成果一等奖。

依据研究成果，主编了系列科普丛书《走进化学百科———健康与生活》；《实验与实践》等系列科普书籍在化工出版社出版；主编参编的教材、教辅资料10本；发表论文20多篇。

（四）获得国内同行的高度认可

该成果在省内外得到广泛推广应用，到省外交流发言10余次，展示课30余节。成果在教育部基础教育司、中国教师发展基金会、中国教育装备行业协会、中国知网联合举办培训活动中做介绍；项目主持人作为专家参加高中理科及小学科学教学装备配置标准8个学科制修订项目结题鉴定会，参与2022版新课程方案、新课程标准的修订工作，承担义务教育学业质量测评任务等。

参考文献：

[1]林崇德.中国学生发展核心素养：深入回答“立什么德、树什么人”[J].人民教育，2016（19）.

[2]中华人民共和国教育部.关于加强和改进中小学实验教学的意见[EB/OL].（2019-11-28-）[2022-11-21].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html.

[3]许虹宇.实验导学，初中、高中[M].哈尔滨：黑龙江教育出版社，2010：1-160.

见习编辑/张婷婷