高中化学必修新教材探究实验设计特点比较研究

摘要： 从科学探究本质、探究过程技能和探究过程水平三个维度分析2019版人教版、鲁科版和苏教版高中化学必修教材探究实验的设计特点。结果显示，教材探究实验对科学探究本质内容的呈现不够全面；探究过程技能以观察、比较、推断与预测、分析与解释技能为主；所呈现的探究过程水平基本在水平1或水平2。

关键词： 高中化学教材； 探究实验； 科学探究； 对比分析

文章编号： 1005-6629（2024）07-0014-07 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

“科学探究”作为化学学科核心素养之一，是化学学科在实践层面上育人的具体体现［1］。探究实验是化学教材中最具探究属性的活动，其特征在于明确以解决问题为核心，旨在使学生亲身体验探究的过程和思路［2］。对化学教材中探究实验设计特点的研究可以充分挖掘出探究实验的素养功能，有助于提升科学探究教学的实践水平。

1 研究背景

作为科学素养的核心要素之一，科学探究已成为国际科学教育改革的主要趋势［3］。教材中的探究实验不仅为学生提供了参与真实科学探究的机会，而且还具有引导学生进行自主探究，建构学科知识，掌握探究技能和发展科学探究素养等多方面的功能价值［4］。

关于教材中探究实验的研究，从实验改进［5，6］和实验教学［7］的层面来探讨的比较多，而关于教材探究实验设计的研究还比较少。陈俞文等［8］分析了人教版高中化学教材探究实验的知识类型和探究水平；郑柳萍等［9］分析了人教版初中化学教材中探究栏目的内容特点等。可见，不论是从研究对象还是研究内容上看，对不同版本高中化学新教材探究实验设计特点的相关研究仍较为不足。

必修课程是全体学生全修全选的内容，对于化学学科核心素养发展和科学探究能力的培养具有普适性［10］，因此，选择使用范围广泛且具有代表性的2019版人教版“探究”、鲁科版“活动·探究”和苏教版“实验探究”栏目中的探究实验选择2019版人教版“探究”、鲁科版“活动·探究”和苏教版“实验探究”栏目中的探究实验为研究对象，虽然各栏目的定位不完全一致，但本质在于“探究”二字，栏目定位共同点在于兼顾实验的开放性和探究性进行设计，为学生理解科学知识及其产生过程，启迪科学思维和发展科学探究素养提供了重要支持。）为分析单元，对比分析不同版本新教材中探究实验设计的特点，可以为进一步深化探究实验教学提供参考。

2 研究设计

目前对教材探究实验设计特点的研究，大致可分为三类：一是从探究实验的开放性水平分析，如张新宇等［11］根据教师与学生在探究活动环节中的角色地位，构建了科学教材“五环节、三水平”的探究水平分析框架。二是从探究过程技能视角分析，如龚正元［12］对化学教材的探究过程技能设计进行了研究。三是基于探究实验的功能视角，如杨文源等［13］从支持构建科学概念、使用探究过程技能和树立对科学探究本质的理解3个角度构建了评价生物教材探究实验文本的分析框架。Lederman等［14］认为科学探究包含探究本质和过程技能两个部分，二者分别从认识论和实践层面诠释了科学探究的内涵。教材探究实验的设计不仅应该为学生理解科学探究本质和掌握探究过程技能提供有效支持，还需考虑其探究过程水平应与学生的能力水平相契合。

因此，从科学探究本质、探究过程技能和探究过程水平三个维度构建高中化学教材探究实验设计特点的分析框架，分析不同版本高中化学必修教材探究实验设计的特点，为新教材的使用和探究教学的开展提供参考。

2.1 科学探究本质

科学探究本质指科学家所从事活动的特征，解释了科学家是如何进行工作的［15］。Lederman等［16］提出了科学探究本质的8个条目（1） scientific investigations all begin with a question and do not necessarily test a hypothesis; （2） there is no single set of steps followed in all investigations; （3） inquiry procedures are guided by the question asked; （4） all scientists performing the same procedures may not get the same results; （5） inquiry procedures can influence results; （6） research conclusions must be consistent with the data collected; （7） scientific data are not the same as scientific evidence; （8） explanations are developed from a combination of collected data and what is already known.），杨文源等［17］在此基础上构建了科学教材中科学探究本质的分析框架（如表1所示），借鉴此科学探究本质框架进行分析。

2.2 探究过程技能

探究过程技能指学生在探究过程所需要用到的思维方式和操作技能。美国科学促进会提出13种探究过程技能，包括基础技能（观察、测量、分类、交流与质疑、预测、推论、空间或时间关系的使用、数字的使用）和综合技能（下操作性定义、控制变量、数据解释、提出假设、实验）［19］。在此基础上，姚娟娟等结合新课标对探究过程技能的要求，构建了探究过程技能的分析框架（如表2所示）［20］。

2.3 探究过程水平

探究过程水平是指学生在探究过程中所表现出的自主性或独立性的程度。依据新课标中化学学科核心素养“科学探究”的要求［22］，将科学探究的要素“提出问题、猜想假设、制定实验方案、获取证据、形成结论、交流评价”作为二级维度，构建如表3所示探究过程水平分析框架。

3 研究过程

3.1 分析对象

选择2019版人教版“探究”栏目、鲁科版“活动·探究”栏目和苏教版“实验探究”栏目中探究实验为分析对象，并依据分析框架对探究实验进行编码。

3.2 编码标准

为保证编码的相对客观性，由2位学科教学（化学）专业的研究者依据分析框架对3版教材中的探究实验文本独立分析统计统计说明：为了体现完整性，将栏目前后的必要连接部分也纳入其中进行分析。用出现指标“1”的次数与各版本总探究实验的数目的占比表示该指标在该版教材中的占比。）。在评定过程中，科学探究本质和探究过程技能的所有指标均采用“1”或“0”评定，若符合某一指标的描述，则评定为“1”，反之则评定为“0”。对于探究过程水平的指标，用“1”“2”“3”和“4”分别表示“水平1”“水平2”“水平3”和“水平4”，若教材未体现具体的科学探究过程，则用“0”进行评定。

3.3 示例说明

以人教版教材中的探究“不同价态含硫物质的转化”实验为例，进行示例说明，如图1和表4所示；在编码时，将栏目前必要的连接文本“那么，在实验室如何实现不同价态含硫物质的互相转化呢？”纳入其中分析。

3.4 信度分析

利用SPSS26.0软件对2位研究者的编码结果进行内部的一致性和相关性检测，Kappa值为0.883，说明编码可靠性较好。最后对评定不一致处重新讨论，达成一致后确定最终评定结果。

4 研究结果分析

4.1 科学探究本质分析

3版教材探究实验对科学探究本质的呈现情况如图2所示。从整体上看，3版教材探究实验对科学探究本质内容呈现的丰富程度不同，均较为重视探究实验中问题的导向作用（1-1、 1-3），其探究流程均不按固定步骤进行（1-2），能够体现论证逻辑一致性的科学思维（1-6），凸显了证据和数据差别（1-7），能注重解释的形成过程（1-8）。

值得注意的是，3版教材对指标1-4的呈现均较弱，只有鲁科版关注到过程性因素的影响，出现在“补铁剂中铁元素价态的检验”中，让学生思考补铁剂中的维生素C、添加剂等成分对实验结果可靠性的影响，促进学生对探究结果是否受到其他因素影响的思考。另外，指标1-5体现相对较低，分析发现，教材中探究实验给定实验方案的情况较多，可能使得学生难以理解不同探究设计方案对研究结果产生的影响。

4.2 探究过程技能分析

3版教材探究实验中探究过程技能统计结果如图3所示。基础技能中，主要凸显观察、比较、推断与预测技能，对测量技能练习偏少。教材多用“适量”“一些”等词来描述用量或不给出具体用量，对学生测量技能的要求偏低。教材对展示与表述技能培养略显不足，实际教学中可设计分享汇报、调查实践等多样化活动，将探究思维方法外显，提高学生探究能力。

综合技能中，3版教材均突出对分析与解释技能的训练，也较为重视对“形成并验证假设”和“数据（图表、符号）表征”技能的培养。相对而言，对“识别并控制变量”技能训练要求偏低，只是在“影响化学反应速率的因素”探究实验中明确了变量控制的思想。

4.3 探究过程水平分析

3版教材探究实验中探究过程水平的统计结果如图4所示。整体看来，在必修阶段学习中，探究实验所呈现的探究过程水平基本处于1、2水平，由教材直接提供相关表述，或引导学生进行思考。值得注意的是，在猜想假设和制定实验方案环节，出现水平3的情况较多。在具体实施时，对于必修阶段学生的能力水平而言具有一定难度。教师在实际教学时可根据学情和课标要求，可适当调整探究实验教学难度，给予学生预测和方案设计思路引导。

5 结论与建议

5.1 研究结论

通过以上分析，发现3版教材探究实验设计具有如下特点：

（1） 教材探究实验设计对科学探究本质内容呈现不够全面，较为关注问题导向、论证逻辑一致性、探究流程灵活性、证据和数据差别、解释的形成过程等。相比之下，对于“科学家使用相同的过程可能不会获得一样的结论”，整体关注不够。

（2） 在探究过程技能维度，基础技能以观察、比较、推断与预测为主，对测量技能的使用频率整体偏低；在综合技能上教材均比较关注分析与解释技能，但对于识别并控制变量技能呈现都较少。

（3） 在探究过程水平维度，各环节的探究过程水平多数处于1、 2水平，较为符合必修阶段学生的能力水平发展要求。也有部分探究实验在猜想假设、制定实验方案环节处于3水平，对于学生的能力水平要求较高。

5.2 教学建议

5.2.1 重视追问和反思，加深对科学探究本质的理解

不同探究实验蕴含的科学探究本质丰富程度不同，教师可对探究实验本身特点进行分析，挖掘值得重点发展的科学探究本质内容。如在探究“钠与水的反应”实验中，教材要求学生根据钠在水中的位置、溶液颜色变化等现象得出结论，教师可重点强化学生对“论证逻辑一致性”的理解，设计诸如“你认为‘证据-结论’之间具有何种关系”的问题进行追问。

此外，真实探究过程中不可控制的预期结果应该被传递到课堂，可针对性设计如“本实验中哪些因素会影响实验的结果？如何保证实验的准确性？”等问题，促进元认知反思，以增进对“科学家使用相同的过程可能不会获得一样的结论”的理解。

5.2.2 强化测量技能训练，加强变量控制的思路引导

针对探究实验中测量技能的使用频率整体偏低这一特点，教师需关注实验中药品具体浓度和用量，对教材中没有给出浓度或用量的实验予以必要补充，加强量筒、天平、容量瓶等测量仪器的使用技能训练，强化“量”的意识。

针对教材对“识别并控制变量”技能培养不足的情况，在设计对比实验教学时，有意识地加强变量控制的思路引导，显性呈现各变量之间的关系，如试管体积大小、溶液的体积、温度、压强等变量的处理方法，再以表格的形式将设计方案中的自变量、因变量和无关变量显性化呈现，引导学生控制变量进行实验验证，以培养学生的变量意识。

5.2.3 基于教材特征和学情特点，合理调整探究过程水平

教师在实际教学中，可结合教材内容特征和学生认知发展特点，根据实际情况设计和调整探究任务的水平层次，为学生自主探究提供“支架”。如“铁盐和亚铁盐的性质”探究实验要求学生自主预测FeSO4和FeCl3的性质并设计实验方案，对于学生能力要求略高。一方面，教师可先以FeSO4为范例引导学生从“价-类”二维视角预测物质性质，再让学生自主进行FeCl3的性质预测，以降低探究过程水平。另一方面，可依托“资料卡片”呈现教材所给实验试剂的性质，为学生提供知识储备，降低认知负荷，从而支撑学生从显色反应和氧化还原视角选取实验试剂设计实验方案。

此外，已有研究表明［23］，我国中学化学教师对科学探究本质及科学探究过程的理解还相对不足，制约了探究实验教学活动的开展，所以教师还有必要不断地进行理论学习和文献研读，加深对科学探究本质和过程的理解，提高探究式教学的质量水平。

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（四川师范大学教改课题“一流本科课程（线下型）《中学化学课程标准与教材研究》（20210047SKC）”；四川师范大学教改课题“核心课程《中学化学课程标准与教材研究》（20220118XKC）”。）