基于科学探究与实践素养发展的教学活动设计与实施

伍小斌

摘要： 科学探究与实践是初中化学核心素养的重要组成部分。通过多种途径，如重视发散思维以确立多样探究任务、强化问题假设以增加学生探究深度、丰富数据形式以培养分析提炼能力、加强资料分析以培养自主学习能力等，可以深化学生的探究体验，发展学生的实践能力，从而发展学生的科学探究与实践素养。

关键词： 科学探究与实践； 探究能力； 数据分析； 自主学习

文章编号： 10056629（2023）10003905 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

科学探究与实践既涉及经历化学课程中的实验探究，基于学科和跨学科实践活动形成的学习能力，也涉及综合运用化学等学科的知识和方法，通过一定的技术手段，在解决真实情境问题和完成综合实践活动中展现的能力与品格［1］。科学探究与实践是化学核心素养的重要组成部分，也是科学学习的主要方式［2］。通过科学探究与实践，不仅有助于学生建构对学习内容的深入理解，也有利于提高学生的科学探究能力，发展实践能力。

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“课程标准”）指出，要引导学生自主学习，开展以化学实验为主的多样化探究活动，重视学科实践活动［3］。然而，就当前探究与实践活动而言，存在较为明显的不足：一是探究与实践目标不明确，指向不清晰；二是探究与实践过程注重形式，用时短，学生虽然有所体验，但思维深度明显不够；三是技术应用较为传统，难以符合教学数字化的需要，影响对数据的分析与问题的探究。

落实科学探究与实践要求，可以基于三方面设计并实施活动。一是设计指向真实问题解决的科学探究活动；二是运用简单技术和工程方法设计、制作与使用相关模型和作品的活动；三是通过网络查询等方法获取和加工信息的自主学习活动［4］。在教学中，通过多种途径确立探究任务，开展深层次的科学探究，借助技术深化数据分析，并对实验结果进行深入反思。

1 重视发散思维，确立多样探究任务

课程标准要求根据学生认知发展水平，精心设计探究活动，有效组织和实施探究教学［5］。教材中的实验往往具有一定的探究成分，值得基于探究视角进行设计与实施。此外，还可引导学生发散思维，基于实验异常、实验拓展、联系生活实际等多个视角确定科学探究任务。

1.1 基于实验异常确立探究任务

在科学实验探究时，有时可以顺利得到预测的现象，得出预设的结论。不过，出现“意外”也很常见，有时甚至会影响实验结论的得出。对此，教师往往忽视这些现象，或简单地将现象归结于操作不当，进而把结论“硬生生”地引到“正确轨道”上来。殊不知，这样的教学处理，不仅使学生错过了绝佳的探究机会，更可能使学生轻视实验的价值。为此，对于“异常现象”，不要急于下结论，可让学生通过细致描述、交流讨论，进而确立探究任务去解决。

例如，在用4%的NaOH溶液和8%的CuSO4溶液反应制备Cu（OH）2实验时，有些学生发现并未得到预期的蓝色沉淀，而是浅绿色沉淀。这说明可能生成了其他物质，具体是什么原因呢？教师可据此引导学生确立探究问题：反应物的质量比是否会影响得到沉淀的成分呢？以此为基础，学生可以调整反应物的质量进行实验探究，进而通过查阅资料形成新的理解。需要注意的是，探究只要得出反应物的质量比会影响得到沉淀的成分即可，不宜要求学生记得具体的反应产物，更不能要求学生记住反应的化学方程式。

1.2 基于实验拓展確立探究任务

在探究教材实验时，不少实验都是浅尝辄止。教师往往不鼓励学生提出问题，或者对于学生提出的问题不置可否，这在较大程度上影响了实验促进探究与思维发展的价值实现。其实，教材实验也是深化学生思维、引导学生开展拓展探究的最佳载体，要善于引导、鼓励学生提出问题，进行拓展探究。

例如，在用H2O2制取氧气时，教材实验要求为：先在烧瓶中加入50mL水和0.5g MnO2，然后在分液漏斗中加入30mL15％的H2O2溶液。对于加入MnO2，其作用是催化剂，比较容易理解。但对于加入50mL水，学生往往不明其所以然，甚至认为多此一举。于是，教师组织学生进行分析，发现加入水之后会影响H2O2溶液的浓度，因而提出“加入适量水以减缓H2O2的分解速度，确保制取反应平缓进行”的探究任务。

1.3 基于生活实际确立探究任务

化学在生活中有重要应用，学习化学的目的之一就是要运用所学知识理解生活现象、解决生活问题。在探究教学中，可以联系与学生密切相关的生产生活情境，组织学生进行思考与讨论，鼓励学生提出探究问题，以此作为探究任务引导学生开展深度探究。

例如，在冬天进行输液时，时常在输液管上加一个一次性的输液加热棒，以消除药液温度与体温的差异。那么，加热棒里的成分是什么，其进行加热的原理又是什么呢？经查阅资料，发现说法存在一定差异，但均表述主要成分含有还原性铁粉、炭粉和氯化钠等物质。据此，可提出“如何确定加热棒是否含有铁粉、炭粉、氯化钠”的探究任务。

2 强化问题假设，增加学生探究深度

课程标准指出，学生应能主动提出有探究价值的问题，从问题和假设出发确定探究目标，设计和实施探究方案，获取证据并分析得出结论［6］。有时探究过程会流于形式，一个重要原因就在于缺乏问题的引导，学生对于操作、现象、结果等均缺乏预设，也就使得整个过程浮于表面。因此，教师可基于真实问题情境，引导学生提出假设，通过设计实验、收集证据、分析交流等探究环节解决问题，培养学生的科学探究能力。

案例1 如何确定加热棒是否含有铁粉、炭粉、氯化钠

（1） 假设1：加热棒内可能含有氯化钠

将加热棒内的物质放入烧杯中，加水充分溶解，通过过滤操作得到滤渣和滤液。取适量滤液于试管中，滴加适量的硝酸银溶液和稀硝酸，若出现白色沉淀，说明滤液中含有Cl-。用铂丝蘸取滤液，在无色火焰上灼烧，若观察到火焰颜色为黄色，说明滤液中含有Na+，从而确定加热棒内含有氯化钠。

（2） 假设2：加热棒内可能含有铁粉

用磁铁靠近滤渣，发现一些黑色粉末会被吸引。但有学生提出质疑，认为黑色物质四氧化三铁也能被磁铁吸引。于是，通过交流讨论，设计了如图1所示的实验装置开展探究。因为四氧化三铁和氢气在高温下反应生成铁和水，当没有观察到无水硫酸铜粉末变蓝时，可推理得出黑色粉末中不存在四氧化三铁。

进而，又有学生提出质疑，认为被磁铁吸引的黑色粉末还可能是钴粉、镍粉，为此，在查阅资料的基础上又设计了如下实验：取适量的能被磁铁吸引的黑色物质置于试管中，加入足量的稀盐酸进行反应，然后向试管中加入足量的H2O2溶液（能将Fe2+转化为Fe3+），再滴加硫氰化钾溶液。若溶液变为血红色，则可证明溶液中含有Fe2+，从而得出加热棒中含有铁粉这一结论。

（3） 假设3：加热棒内可能含有炭粉

把部分未被吸引的黑色粉末点燃，并将产生的气体通入足量的澄清石灰水中，若石灰水变浑浊，可得出加热棒内含有炭粉。

该探究实验基于学生的生活经验或常见现象而提出，如运用焰色反应检验Na+，滴加硫氰化钾检验Fe3+等实验操作。虽然整体存在较大难度，但通过教师的指导、学生查阅资料以及交流研讨，在降低难度的同时，有助于培养学生搜集信息、提出假设、设计与实施方案、分析并得出结论的能力，进而发展创新思维。此外，学生能提出某些质疑，如被磁铁吸引的黑色物质还可能是四氧化三铁、钴粉、镍粉等，则受益于物理学科相应内容的学习，体现了科学探究实验跨学科融合的特征。

3 丰富数据形式，培养分析提炼能力

课程标准指出，能运用简单的技术与工程的方法初步解决与化学有关的实际问题，完成社会实践活动［7］。使用传统方式开展实验时，数据获取的类型受到很大限制，数据转换也存在操作难点，这在较大程度上制约了数据加工深度。在数字技术加持下，实验现象的可视化程度明显提高，据此开展的定量研究，可深化数据处理方法，培养分析提炼能力。还可结合相关原理，融合跨学科知识，制作工程产品，培养学生的技术与工程实践能力。

3.1 融合信息技术设计探究活动

课程标准指出，引导学生经历真实的探究过程，注重运用现代化技术手段，加强探究活动中的科学思维［8］。在实验教学中，也要善于运用传感器等现代化技术手段获取实验证据，开展定量探究，建构数学模型，促进学生科学思维的发展。

案例2 借助数字技术探究“稀盐酸和氢氧化钠溶液反应”

探究稀盐酸和氢氧化钠溶液反应，一般的实验操作为：在盛有3mL氢氧化钠稀溶液的试管里，滴加1滴酚酞试液，酚酞试液显红色，再向试管里逐滴加入稀盐酸，边滴边振荡，直到红色刚好褪去。以溶液从红色变为无色来判断反应的发生或终止，该实验属于定性研究。

若运用信息技术开展探究，则可按图2所示连接好实验装置，在烧杯中先加入氢氧化钠溶液，然后滴加稀盐酸溶液，用玻璃棒搅拌，通过数字采集器的处理，在计算机上可显示出相关数据。若以时间作为横坐标，pH作为纵坐标，可绘制出溶液的pH随时间变化的曲线图，如图3所示，该数学模型直观形象地表现了反应过程。若要探究稀盐酸和氢氧化钠溶液反应时的温度变化，则可通过温度传感器在计算机上显示相应的曲线图。

有了曲线图之后，不必经过多描述即可得出结论。可从数学模型的视角，引导学生对曲线图进行解释，发现各阶段的典型特征，培养学生的建模思维。如对于pH变化曲线图，可发现反应经历了从氢氧化钠的量逐渐减少到盐酸的量逐步增加等几个阶段，当经过pH=7的阶段时说明既没有氢氧化钠也没有盐酸，也就意味着两者恰好完全反应。

3.2 基于工程制作设计实践活动

课程标准指出，能制作把科学原理转化为技术产品的简单装置，应用形象的模型演示抽象的科学原理［9］。工程制作是实践性很强的一项活动，在工程制作前，教师引导学生提出相关问题，通过查阅资料、交流讨论为实践做准备。在工程制作后，教师也要及时组织学生对作品进行评价，反思实践过程。

案例3 设计自救呼吸器

某研究性学习小组设计了自救呼吸器，其目的是为了在缺氧环境或出现高浓度有毒有害气体环境下逃生时使用（见图4）。围绕该呼吸器，学生通过查阅资料，发现生氧药品一般选择超氧化钾（KO2）。反应原理为超氧化钾与人体呼出的水、二氧化碳反应。于是，学生提出KO2与NaO2哪一种物质更合适作为生氧药品的问题，并提出要从生氧速度的角度进行比较。

为此，学生通过查阅资料，找到了使用两种物质时生氧速度与时间关系的曲线图（见图5）。经过讨论发现，KO2生氧速度虽然较慢，但波动较小，持续时间较长，氧气浪费也较少。

在制作和使用了自救呼吸器后，又组织学生进行思考：设计自救呼吸器时，为确定制氧剂的用量，需要查阅哪些数据？学生讨论后发现，需要了解人体每分钟呼吸次数、呼出气体中的水蒸气和二氧化碳含量，以及每次呼吸耗氧量等信息。

该实践活动通过制作自救呼吸器，运用了大气压、人体呼吸等物理学、生物学等跨学科知识，基于曲线图的分析选择生氧药品，有助于提高学生解决问题的能力，培养学生的创造性思维。

4 加强资料分析，培养自主学习能力

课程标准指出，自主学习能力体现在：自主确定学习目标、选择学习策略、监控学习过程、反思学习过程和结果［10］。在前面各部分中，已经将查阅资料作为获取证据的重要途径。其实，在科学探究与实践中，查阅与分析资料也属于重要的学习方式。教师可通过设计引導性问题或驱动性任务，引领学生基于资料收集、分析与应用，开展自主学习。

案例4 查阅、分析“质量守恒定律发现史”资料

在学习质量守恒定律时，可以依托科学探究史开展学习活动。

（1） 确定学习目标：通过有关质量守恒定律发现史的学习，培养守恒观，了解科学探究的方法，发展质疑批判的精神。

（2） 选择学习策略：查阅文献，交流讨论，教师补充。

科学史一：1673年，波义耳通过在密闭的曲颈瓶中加热金属后得到金属灰，冷却后打开容器，发现金属灰质量比原来金属质量增加了。

科学史二：1703年，施塔尔提出“燃素学说”，其主要观点有：①燃素是组成物体的一种成分，一般条件下被禁锢在可燃物中；②燃素在可燃物燃烧时会分离出来，且燃素可穿透一切物质。燃素学说具有体系优势，它是化学领域第一个把各种化学现象统一起来的原理［11］。

科学史三：1756年，罗蒙诺索夫将锡放在密闭的容器内燃烧，锡发生了变化，生成白色氧化锡，容器及容器里的物质的总质量，在煅烧前后是没有变化的。他又反复实验，把铜、铁、铅等金属放在容器中煅烧，得到相同结果。他虽然没能彻底地否定燃素，但他却是第一个较为清楚地表达了化学反应中质量守恒的思想。由于多种原因，罗蒙诺索夫的发现和他阐述的质量守恒思想对当时科学思想的进步并没有产生明显的影响［12］。百年后才引起了学术界的赞扬和惊奇。

科学史四：1777年，法国化学家拉瓦锡在密闭容器中研究氧化汞的分解和合成时，发现化学反应前后各物质的总质量相等。通过大量的实验，他发现了化学反应过程中质量守恒这一规律性，并在1789年出版的著作《化学纲要》中用清晰的语言把质量守恒定律表达出来［13］。拉瓦锡的研究成果很快就被许多化学家所了解。

（3） 推进学习过程：设计问题，解决问题。

在学生阅读科学探究史前，教师预设了3个问题，要求学生带着问题阅读科学史，并通过交流和讨论解决问题。①按照“燃素学说”，物质燃烧后质量会发生什么变化：变小；你有什么证据可以证伪“燃素学说”是不恰当的：如铁、镁在氧气中燃烧后质量是增加的；那当时为什么这个学说很受欢迎呢：这与18世纪统治科学界的机械论自然观相适应，可以解释有关燃烧方面的许多问题。②罗蒙诺索夫重做波义耳实验是基于什么假设：金属加热后增加的质量可能来自空气的假设。③波义耳错过了发现质量守恒定律的一个重要原因是什么：打开容器前没有称量容器的总质量。

在讨论过程中，学生也提出了问题，如罗蒙诺索夫、拉瓦锡为什么使用多种物质做同样的实验？学生通过分析，认为需要秉持科学态度，经过很多次重复实验，才能使得证据更充分，使结论具有普遍性。此外，学生还提出了“为什么罗蒙诺索夫的成果不如拉瓦锡的成果影响大”的问题，通过讨论，学生认识到积极发表成果以及通过多种方式传播成果的重要意义，从而深化了对于科学本质观的理解。

（4） 反思学习过程和结果。

在学生设计探究实验的基础上，引入科学探究史，使学生经历与科学家相似的探究过程，促进学生对教材白磷燃烧实验需要密封的理解。通过科学史实的分析比较，有助于培养学生的证据意识和批判性思维，领悟科学思想和科学本质。

正如课程标准指出的，创设真实问题情境，倡导“做中学”“用中学”“创中学”，开展项目式学习，重视跨学科实践活动［14］，这为科学探究与实践活动的设计指明了方向。科学探究、工程和技术实践、自主学习等活动是科学探究与实践的主要途径，这些活动不是泾渭分明，互不相干，而是紧紧融合、相互促进的，在科学探究中既可有工程和技術实践，又可进行学生自主学习能力的培养。

参考文献：

［1］［2］［3］［4］［5］［6］［7］［8］［9］［10］［11］［14］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022.

［12］刘瑞， 郑长龙， 白玉琴. 燃烧问题——波义耳与燃素学说［J］. 化学教育， 2009，（10）： 76～78.

［13］姜鹏， 郑长龙， 袁绪富. 关于“质量守恒定律”化学史教学的几个问题的讨论［J］. 化学教育， 2008，（9）： 77～78.

*2022年浙江省教育科学规划课题“学习质量诊断：区域教育质量管理转型的行动研究”（编号：2022SC010）；2021年浙江省教研课题“培养初中生自主学习能力新探索——学生自制微课”（编号：G2021031）研究成果。