开放性探究:在化学课堂上开展科学探究的一些实用方法

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“哦，我不知道在我的课堂上是否可以尝试开展一些探究性活动。这太难了，我甚至不知道该从何开始。”

你常听到类似的评论吗？可能你自己就已经作过这样的评论。科学探究以“学生易学、教师难用”而闻名。但是事实却并非如此。科学探究可以采取多种形式，对于任何级别的学生、一个学年中任何科学课程的任何教学时间点，它都适用。本文以盐酸和铝箔之间化学反应为例，阐述了如何帮助化学课的学生研究出一套合适的方法来解决他们自己的研究问题，我们称其为“开放性探究”。但开放性探究并不是唯一的选择。本文中我们将说明如何构思探究活动以适应不同学生的不同经历，从而调整探究活动的难度。教师也可以利用这种直截了当的方法来对他们正在采用的研究活动作出改进。什么是科学探究？它为什么重要？

“科学探究”的一个实用性定义为：“学生通过数据分析来解决研究问题的一个主动学习过程”（BeU，Smetana和Binns，2005，p31）。科学探究集假设、调查、观察、解释及评估等科学实践于一体（NRC，2011）。但是，请注意以下3点说明：

（1）并非所有的动手实践活动都是科学探究活动，也并非所有的科学探究活动都需要亲自动手实践。动手实践活动可定义为任何一种学生利用各种材料进行互动体验或者手工制作的活动（Lumpe和Oliver，1991）。例如，制作3D分子模型是动手实践活动但未必是科学探究活动。另一方面，如果学生在他们的探究过程中通过数据分析的方法来找出研究问题的答案，他们有可能是通过互联网获得这些数据，而不是自己亲自去实验室收集数据。

（2）虽然科学探究是科学教育的必要组成部分（NRC，2000），但其他类型的活动也同样具有价值。例如，高效率的教师可能会选择将量纲分析法（dimensiohal　analysis）的相关知识点直接讲授给学生。此外，如采用探究的方式来进行实验安全教育，则是极其不负责任的！

（3）许多老师都认为所有的科学探究都应是开放性的，但事实并非如此，也不应该如此（settlage，2007）。不同水平层次的科学探究有助于学生在迈向成功的过程中奠定扎实的基础。探究的不同层次

科学探究是由循序渐进的4个层次构成：证实性、结构性、引导性以及开放性探究（Beu，Smetana和Binns，2005）。在所有的水平层次中，学生都需要通过分析数据找出研究问题的答案；每个层次的不同点在于教师提供信息量的多少（图表1）。

在证实性探究活动中，教师会直接提供一个研究问题及其研究步骤，并要求学生来证明之前已经学过的某个关联关系。在结构性探究中，研究问题和步骤也是现成的，但学生却并不知道预期的结果。在引导性探究中，学生根据现有的研究问题，自己开发出研究步骤来解决难题。在开放性研究中，学生们则会提出自己的研究问题和研究步骤。图表l以化学实验活动为例来说明探究活动的水平层次。教师们也可以使用他们自己开展的活动作为案例。

我们在教科书中找到的大多数探究活动仅停留在证实性和结构性探究的水平层次上（Fizini，Shepardson和Abell，1991）。它们被称为“菜谱式”实验，因为它们一般会详细地规定每一步的操作步骤。并不是所有的菜谱式实验都是探究活动，但只要学生能够通过分析数据来找到研究问题的答案，并用证据来证明这些研究结果的话，他们就是在进行科学探究。我们建议学生先通过证实性和结构性探究活动来获得足够的经验之后，再进一步地体验引导性和开放性探究活动。

开放性探究：金属的活性

开放性探究活动实施起来是最具有挑战性的（Davis，Petish和Smithey，2006），但它也是最有意义的。建议在开展这项探究活动时准备好技术装备和资源。

教学示范

此项探究活动用于化学课中关于反应速率这个知识点的教学，以教学示范作为活动的开始。当教师将一团铝箔球放入盐酸中时，让学生预测并观察会发生什么现象（图表2）。（安全注意事项：教9币须佩戴防护眼镜和手套，鉴于氢气的扩散性，学生们也要戴好防护眼镜并往后站。教学示范的地点应选择在通风良好的房间，或者有可能的话，在通风橱内完成）反应开始大概需要1～3分钟，时间长短取决于盐酸的浓度（约3M标准的溶液对于教学示范会比较适用）。观察整个示范过程对学生来说有两点好处：

·他们亲眼见证了整个的反应过程，为开发他们自己的实验提供了一个良好的起点。

·实验的操作过程会让他们非常兴奋。

四问策略

对于这个开放性探究活动模型的建立，我们利用了改良版的“四问策略”和一个实验设计工作表（Cothran，Geiss和Rezba，2000）。这两项工具的共同使用能够帮助学生确定并设计出他们自己的可行的探究调查方案。

全班可以一起来讨论这个“四问策略”（图表3），这样有助于学生确定出需要测试的变量。这4个问题是：（1）哪些材料比较容易买到？（2）反应过程是如何进行的？（3）我如何通过改变材料来影响整个反应的过程？

（4）我如何评估这个改变所导致的结果？

经过一番头脑风暴，学生们对这些问题都有了各自的答案，但你也会意识到对手问题3他们可能会提出一些不切实际的想法。例如他们可能会想要试图改变盐酸的浓度，若实验在付诸实施之前没有讨论过溶液相关知识的话，这样做会非常有难度（如果学生真的想要研究浓度的话，你可以预先配置好各种不同浓度的溶液以供他们进行实验）。问题4对于学生来说是最具有挑战性的。例如他们可能会试图测量反应时间。但在这个反应过程中，学生对于测量时间的起点和终点有很多种可能的选择，所以指导他们将一些可能性排除是非常重要的。如果学生对于这些变化结果的测量没有想出一套标准化解决方案的话，那么他们接下来的实验将很难进行下去。学生可能会提议采取一些定性的方式来测量因变量，比如随着化学反应的进行，溶液的颜色如何变化等，这是可行的。

实验设计工作表

学生们利用实验设计工作表（图表4）及他们对上述4个问题的回答，来确定他们需要检测的研究问题。这4个问题与实验设计工作表的密切结合，能够帮助学生独立设计出一个实验。

虽然实验设计工作表是从“研究问题”开始的，学生还是应该首先选出他们的自变量和因变量（分别选自问题3和问题4）。学生进入化学课堂时常带着不同的背景经验。可以的话，他们最好能开发出全新的实验。应注意防止学生提出多个自变量。提醒他们注意利用好实验设计工作表、四问策略表以及他们同伴或者教师的指导。为了这个过程的顺利进行，首先应将大的班级分成若干个小组。

在完成了实验设计之后，学生会填写一份实验步骤和数据表，也就将关注点转向实验中比较重要的实践环节（例如：他们应该使用多少体积的盐酸，如果所有铝箔球的大小和质量都相同的话，又如何确定盐酸的使用量等）。在让学生开始进行实验之前，教师应该检查学生填写的实验步骤和数据表以确保实验的安全性。

实验

由于整个实验过程当中要使用到盐酸，学生必须遵守所有的安全注意事项，包括佩戴防护眼镜和手套。尽管教师在示范的时候使用的是3M标准的盐酸溶液，出于对学生安全的考虑，应让他们使用0，1～1M标准的溶液。反应开始后需要一些额外的时间，让学生能够记录下详细的观察结果。对于每个层次的自变量的测试，学生可以做2～3次的实验；如果时间有限，他们可以只做1次实验，并在后续的环节中讨论这样做会如何影响数据的可靠性。

随着实验的进行，学生们在各自的数据表中记录下所有的数据，并在实验完成后与他们的工作小组一起来完成数据分析的工作。对于许多教师来说这是开放性探究活动中最令人望而却步的部分，因为其结果不可预测。数据会各有不同，而且并不是每个学生的数据都能够明确反映出温度与反应速率之间的关系。可以借此机会来讨论一下科学研究也是一项人类的活动，调查结果常常是混乱和复杂的（Beu，2008）。

注意：此实验中所产生的所有液体的收集、中和、过滤和处理过程都要严格参照当地的政策法规进

成果交流

除了数据分析，学生还需要相互交流及讲解他们的研究结果。每个小组应准备一份数据表、图表或者其他可视化的表达手段来展示他们的研究结果以及通过这些数据所推导出来的任何关联关系。可以利用海报、PPT或者个人实验专题报告等形式向全班同学作展示（例如图表5就提供了一份参考样本）。学生应根据他们的观察结果一起合作想出科学合理的解释。例如，他们可能会解释说，铝箔的质量越小，所需的反应时间就越短，这是由于参与反应的铝原子较少的缘故。学生可能对某种现象还有其他的不同解释，为确保他们能从分子层面准确理解所发生的现象，在整个学习单元中坚持对这项探究活动作出解释说明是非常必要的。

图表6是关于这项探究实验的一份建议日程表。这项调研活动可以在一学年中的任何时间点开展，并同时将计量单位、实验设计、化学反应或者热力学等知识都整合到这堂实验课中。相应地，学生的过程技能如数据分析能力，或表面积与反应时间之间的关系等特定知识内容也能在此过程中得到检验。图表6还结合探究活动的不同阶段加入了形成性、真实性和变通性评估的相关内容。

实验改造

上述的调查研究活动中，学生都是在参与开放性探究过程中自己提出问题和研究方法，并想出解决方案。但是开放性探究不一定总是最合适的方式（settlage　2007）。改造它的方法之一便是给学生提供现成的研究问题。如果时间有限或者是针对特定内容的话，这种方法就非常有用。例如，在热力学这个单元的学习过程中，学生就可以调查表面积与反应时间之间的关系。这就可以通过改变铝箔球的紧实度或者将1个大球分成几个小球的方式来达到目的。另外，在化学反应这一章节的学习中，学生可以调查金属类型与反应强度之间的关系。提供一个特殊的研究问题来让学生解答，这样的实验就变成了一个引导性探究。

不仅提供现成的研究问题而且还提供研究步骤的话，这就是一个结构性探究。它可能适合于那些不习惯自己开发实验的学生，或者适用于专门让学生分析数据并推导结论的情形。可以给学生提供现成的数据表或者让他们自己设计一个数据表。

在结构性探究和证实性探究中，学生都是拿到现成的问题和操作步骤。确定采用何种形式探究活动的关键是看你以何种顺序来下达这些操作指令。在将学习内容教授给学生之前开展的探究活动就是结构性探究活动，反之则是证实性探究活动（Bell，Smetana和Binns　2005）。例如，学生可以利用不同数量的铝箔球来确定表面积与反应速率之间的关系（结构性），或者他们先学习表面积越大反应速率越快这个知识点，然后再从铝箔与盐酸的反应实验当中，通过数据分析来证实这种关系的存在（证实性）。证实性探究活动有助于学生加深对难度较大概念的理解，或者专门用于学习诸如滴定测试等特殊的实验技术。

牢记以下3点简单的策略，这个转换过程可适用于大多数的实验。首先，一旦有相关的研究问题提出，让学生参与到数据分析的工作当中，并通过这些数据得出结论，一项调研活动就被塑造成了探究性活动。第二，将调查探究环节从课程的最后调整到最开始，会使其成为一个更为开放性的探究活动。第三，将教科书中“菜谱式”实验的部分忽略掉，例如实验步骤或者数据表，也可以让实验少一些束缚。

结论

本文以特定内容为例，阐述了如何在化学课堂上开展开放性探究活动。在实践中，我们为学生使用四问策略和实验设计工作表出色地完成了他们的实验而感到高兴。我们也详细阐述了如何将调查任务改造成其他层次的探究活动，以适应不同教学任务或学生的需要。微小的改变也能带来巨大的回报。学生参与的积极性更高了，对于整个活动及其内容也有了充分的了解和掌握。通过使用这些简单的技巧来设计探究活动的框架，教师也可以在整个学年中将探究活动与他们正在开展的调查活动整合到他们的化学教学实践当中。