吳晗清 李琳娜 夏國俊

摘 ? 要?化學實驗設計是學生實踐能力和創(chuàng)新精神形成的重要途徑。本研究對9名優(yōu)秀初中生進行個案分析，發(fā)現(xiàn)學生對猜想與假設、結果預測不夠重視，對實驗原理理解不夠透徹，對科學方法的運用不夠嚴謹，難以兼顧創(chuàng)新性與可行性，未養(yǎng)成書寫實驗報告的習慣?；诖?，本文提出了引導學生設計實驗的教學建議。

關鍵詞?實驗設計能力 化學教學 實驗教學

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，它總是強烈地依賴獨具特色的實驗技術手段而不斷進步的。在教學活動中關注實驗探究活動，不僅可以提高學生的學習興趣，而且可以在主動體驗探究的過程中養(yǎng)成科學態(tài)度，習得科學方法，從而培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實踐能力。課程標準中也強調(diào)，學生需要形成基本的化學實驗技能，學會設計并能完成一些簡單的化學實驗，從而養(yǎng)成勤于思考、敢于質疑、嚴謹求實、樂于實踐、善于合作、勇于創(chuàng)新等科學品質。

一、研究背景

實驗探究活動是學生積極主動地獲取化學知識、認識和解決化學問題的重要實踐活動。一般來說，涉及探究問題（問題情境、明確問題）、實驗設計（猜想與假設、儀器藥品、科學性、創(chuàng)新性、可操作性）、實施設計（進行實驗、收集證據(jù)）、總結反思（結論與解釋、反思與評價、表達與交流）等四個環(huán)節(jié)。其中，實驗設計是實驗探究活動的重要環(huán)節(jié)，它需要學生具有很強的思維能力，以便解決真實情境中的復雜問題。

化學實驗設計能力，是指面臨一個化學問題情境，能夠提出合理的猜想與假設，從而選擇合適的儀器和藥品，根據(jù)科學性和可操作性統(tǒng)籌設計嚴謹完整的方案，去檢驗假設或獲取新知的探究能力[1]。它不僅是一種實踐活動的方式，更重要的是一種理性思維的過程。它需要學生憑借已有的化學知識與經(jīng)驗，對相關化學問題呈現(xiàn)的眾多信息進行概括凝練、分析綜合等一系列復雜的加工處理，以把握實驗主題、設計實驗方案、獲得化學概念、揭示化學規(guī)律等的內(nèi)在認知過程?；瘜W實驗設計過程實質上是一個實踐創(chuàng)新的過程。它不僅需要一定的知識基礎、常規(guī)思維能力，還需要在此基礎上通過獨立思考和頭腦風暴，進行嫁接、整合，解構、結構，對簡單模仿進行超越，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性意識和習慣，為后續(xù)卓越發(fā)展奠定基礎[2]。

然而化學教學實踐中，更多的是由教師先講解實驗原理、步驟、注意事項，接下來演示關鍵的實驗操作，最后學生動手按實驗報告既定程序進行實驗。這種機械被動的實驗教學方式導致學生主動性的喪失，從而沒有興趣，毫無創(chuàng)新可言。不僅創(chuàng)新精神和實踐能力成了空洞的口號，就連基本的化學知識也難以掌握[3]。因此從學生接觸化學學科開始，就要有意識有目的地逐步培養(yǎng)學生的實驗設計能力，指向真實問題的解決，最終養(yǎng)成化學核心素養(yǎng)。

二、研究設計

1.研究對象與研究方法

本研究是對初中生實驗設計能力的案例分析。挑選的是北京市海淀區(qū)某示范中學科技創(chuàng)新班中選修化學研究性學習的9名學生。他們均為初三優(yōu)秀學生，由于保送高中，沒有升學壓力，創(chuàng)造性等思維受應試影響較小。同時由于已經(jīng)進行了一學期的化學研究性學習，在實驗設計方面有過一定的鍛煉，且動手能力較強。本研究采用的是測試法、案例分析法和訪談法。

2.研究工具

本研究一共采用三道題目考察九年級學生的實驗設計能力（見表1）。由于第一題的實驗原理是在學生已掌握知識的基礎上進行拓展，所以考查重點側重于對學生的猜想與假設、結果預測、儀器藥品的選擇和實驗嚴謹性的考察。第二題為創(chuàng)新題，作為全新的實驗，考察的是學生對新實驗原理的分析、儀器藥品的選擇、實驗的嚴謹性、實驗的創(chuàng)新性和可實施性等，題目較難。第三題出題背景為學生已在研究性學習中對該課題進行過研究，但是實驗設計存在嚴謹性不足等問題，所以再次進行設計，考察的是學生能否在原設計基礎上進行創(chuàng)新和完善。

三、結論分析

1.學生對猜想與假設、結果預測不夠重視

猜想與假設是實驗設計的前奏，而結果預測和猜想與假設又緊密聯(lián)系，即根據(jù)猜想來預測實驗結果，這方面的測試情況見表2。根據(jù)第一題的題干分析，一共存在四種可能性，即起催化作用的粒子分別是Fe3+、Cl-、Fe3+和Cl-、H2O，但因為H2O2溶液中本身就存在有水即排除水分子。而學生大都只能寫出其中一種可能性，僅2位學生寫出三種猜測，且沒有注意到水分子的影響。之后兩道題學生均未寫出猜想與假設，說明學生并不重視猜想與假設這一環(huán)節(jié)。在結果預測部分，大部分被測學生都受制于猜想。如只寫出一種猜想的學生預測也只能想出一種，與猜想相對應，只有1位學生寫出了3種預測。測試之后對被測學生進行訪談，發(fā)現(xiàn)學生在結果預測時主要考慮實驗現(xiàn)象的變化，即若沒有現(xiàn)象變化則被視為沒有發(fā)生反應。

綜上分析發(fā)現(xiàn)：學生往往只猜想一種可能，對于其他的可能并不做思考。猜想大都直接來自題目的提示，而很少自行分析。由此看到學生對于實驗中到底存在多少變量、多少結果并不清楚。這也間接影響到學生對實驗結果的預測，只能針對猜想有一說一，無法根據(jù)實驗條件綜合分析。

2.學生對實驗原理理解不夠透徹

實驗原理是學生正確進行實驗設計的前提，而儀器和藥品的選擇必須充分結合實驗原理進行，這兩方面的測試情況見表3。在實驗原理方面，由于初中生接觸化學時間短，故學生對離子的了解僅依靠老師零星的提及，有5位學生以為可以直接加入某種離子，而不清楚離子不能離開溶液單獨存在。第二題是信息題，學生對于信息的利用和理解較弱，題目中強調(diào)了低溫環(huán)境，但是在設計實驗時僅有2位學生設計了低溫環(huán)境，其他7位學生或是不會設計，或是錯理解為是燃燒產(chǎn)物的低溫處理。在儀器和藥品的選擇上，學生較少從生活經(jīng)驗出發(fā)來考慮問題。如第二題提及的低溫環(huán)境可以利用生活中常見的冰塊，但沒有任何學生想到這一點。有2個學生分別想到液氮、溶解吸熱來降溫，這僅是單純知識點，此處沒有實際意義。第三題中，只有2位學生選擇使用注射器進行實驗，通過訪談得知因老師曾經(jīng)在實驗中利用注射器控制藥品加入，所以學生聯(lián)想到了注射器。只有1位學生設計利用氣球的大小區(qū)別H2O2分解情況。這些均表明，化學知識與生活經(jīng)驗脫節(jié)，應加強聯(lián)系。

分析發(fā)現(xiàn)：學生在面對一個新實驗原理時的分析能力較弱，很難在短時間內(nèi)把握住實驗原理，同時不能夠很好的與學科知識和生活經(jīng)驗結合用于解決問題。在儀器和藥品的選擇上更加立足于實驗室內(nèi)部，將已掌握的實驗儀器和學科知識進行重新組合，很少主動將生活經(jīng)驗應用于實驗設計之中。學生的生活經(jīng)驗被隔離，主動性不強，需要教師提醒，如上述設計中有學生提到氣球和注射器，這都是教師在課上經(jīng)常會用到的生活用品。因此，亟需加強學科教學與生活經(jīng)驗的結合。

3.學生對科學方法的運用不夠嚴謹

保證實驗順利進行且數(shù)據(jù)可靠的關鍵在于實驗嚴謹有效，這方面的的測試結果見表4?？紤]到初中涉及到的化學實驗較少，設計題目時采用的都是較為簡單的科學方法。第一題和第三題考察的是簡單的控制變量法的使用，而第二題中涉及易爆氣體氫氣，考察學生是否關注到實驗過程中各物質的變化與注意事項。

第一題和第三題中皆僅有1人設置了空白對照，而在藥品濃度的控制上，大多數(shù)學生僅能控制其中一種的用量。第一題中，9人均控制了加入藥品的用量，而對于H2O2的用量和濃度并未提及。第三題中，7人注意到H2O2的用量，僅有2人注意到H2O2的濃度問題，未有人控制加入藥品的用量。對于反應時間兩道題中僅有1人注意到。在H2O2分解中有3人選擇通過粗略地觀察氣泡多少、快慢來進行判斷，有5人選擇準確地觀察液面差的變化進行判斷，如利用U形管連通器的原理或利用排水法收集氧氣的方式。由于第二題涉及點燃氫氣，所以需要考慮氫氣的爆炸極限，而僅有1人考慮到驗純。同時在第二題中隱藏著一個注意事項：因生成的H2O2由為氣態(tài)，而檢驗使用的是淀粉碘化鉀溶液，所以學生在設計時需要考慮將H2O2由氣體變?yōu)橐簯B(tài)。在9人之中，僅有2位學生設計了冷凝裝置，用于將H2O2氣體液化。

分析可得：學生在設計實驗步驟時科學方法的使用不嚴謹，而化學實驗涉及變量較多，學生初次接觸對于實驗中存在的變量查找不全，導致設計實驗時缺少相應的控制。實驗條件可能發(fā)生變化，學生不能很好地辨別和控制實驗條件的變化?；瘜W物質都有各自不同的化學性質，在設計實驗時需要充分分析和考慮不同物質的性質以及狀態(tài)的變化，以保證實驗的安全和順利進行。

4.學生未養(yǎng)成書寫實驗報告的習慣

化學實驗是學生實踐能力和創(chuàng)新精神形成的重要渠道和載體，但是創(chuàng)新實驗需要可操作為底線，無法實施的實驗設計是毫無意義的，而書寫實驗報告是化學實驗進行過程中的重要記錄，這三方面的測試見表5。創(chuàng)新性主要在第二題中反映，僅有2人進行了創(chuàng)新，分別是方法創(chuàng)新和儀器創(chuàng)新。方法創(chuàng)新是利用物理中的凸透鏡聚焦點燃白磷進而點燃氫氣，同時利用硝酸銨溶解吸熱進行降溫，該生將物理知識和溶解度進行融合，具有跨學科的能力，但是并未考慮氫氣在不含有氧氣的條件下無法點燃，無可實施性。儀器創(chuàng)新是自行設計了一個三口容器，分別用于通入氫氣和氧氣、排除空氣，利用液氮進行降溫，利用電火花點燃氫氣，該方法類似于汽車發(fā)動機，將生活與實驗相結合，打破了化學實驗室常規(guī)的實驗儀器，但由于實驗需要控制精準的反應時間和氫氣的驗純，所以可實施性不強。在書寫的完整性上，學生只重視實驗步驟，其余都是題目要求才會書寫，每道題都只有2～3人書寫完全，可見學生并沒有養(yǎng)成良好的書寫實驗報告的習慣。

分析可知：少部分學生設計時具有一定的創(chuàng)新性，可以進行跨學科知識應用，對化學實驗進行改進，但是可實施性普遍不強。學生在設計時更多設想理想狀況下，并不會考慮清楚實驗條件、物質性質等。而多數(shù)學生可能因接觸化學時間短，對于實驗儀器了解不多，經(jīng)驗不足，從而創(chuàng)新性弱。同時學生并沒有形成良好的書寫實驗報告的習慣，存在儀器不全、步驟不全、原理不寫等問題，說明學生書寫較少且自身不重視。

四、教學建議

1.引導學生設計實驗前進行基于證據(jù)的猜想與假設

學生很少會在實驗開始前進行猜想與假設，也不會對實驗結果進行預期分析，造成學生在實驗前無法充分調(diào)動已有的知識。由于對實驗并不了解，多數(shù)師生做實驗只為驗證課本知識或者便于記憶實驗現(xiàn)象，忽視和低估了化學實驗的教學價值。杜威認為學生在思考一個從未經(jīng)歷和認識過的新事物時，他們的經(jīng)驗和思維都會有所提高。猜想與假設作為科學探究的重要組成部分，教師應當在學生進行實驗探究以前，組織學生進行猜想與假設，并引導學生思考所有可能存在的情況，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)捏w系化思維，并應當組織學生結合自身的生活經(jīng)驗和學科知識，對假設進行分析解釋。一是判斷假設是否合理，便于實驗結果的分析;二是排除無用的假設，使實驗簡化;三是證據(jù)推理也是學生化學核心素養(yǎng)的重要組成部分，學生可以利用已有的證據(jù)，通過層層分析推理證實自己的觀點，發(fā)展學生的綜合思維能力。由于學生的結果預測會依據(jù)猜想假設，因此教師要引導學生思考，把好猜想與假設這一關，讓學生對整個實驗過程進行整體把握，從實驗原理、條件、方法、物質性質等方面考慮，最后對比設計前分析猜想的理由，提出合理的預測。

2.引導學生設計實驗時科學地分析實驗原理、實驗條件和實驗變量

學生面對陌生的化學實驗時，往往不知所措，不能從中抓取有用的化學信息并據(jù)此解決問題。教師需要結合學科前沿、生活經(jīng)驗等在學生最近發(fā)展區(qū)內(nèi)為其創(chuàng)造新的化學實驗情境，這樣不僅可以克服學生的畏懼心理，而且可以幫助學生學會利用已有知識全面分析實驗原理，為順利解決問題提供理論依據(jù)。初中學生剛開始接觸化學，對于化學中不斷變化的實驗條件，短時間內(nèi)并不能很好的消化和把握，這就影響到實驗探究時科學方法的使用以及實驗的嚴謹性。教師需要引導學生分析實驗中存在的化學變量、化學物質和化學條件，讓學生學會嚴謹?shù)叵到y(tǒng)地分析化學實驗，在養(yǎng)成一定的化學實驗思維之后，即可逐漸讓學生自己分析、自行設計。由于學生在實驗設計時陳述性知識應用較好，而缺乏程序性知識和策略性知識，所以教師在平時的實驗教學中要注重對程序性知識和策略性知識的培養(yǎng)，為學生進行實驗探究奠定基礎。“巧婦難為無米之炊”，學生想要自行設計實驗需要擁有一定的知識、能力和方法，否則實驗設計很容易成為紙上談兵、空中樓閣，難以激發(fā)學生持續(xù)的探究熱情。

3.鼓勵學生設計實驗時創(chuàng)新并具有可行性

化學核心素養(yǎng)強調(diào)注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。學生在進行科學探究時可將自己已有知識進行重新組合、利用，同化新的認知。初中生思維活躍，可以在設計實驗時進行跨學科知識的應用和綜合，學生思維的開放性又可推動學生在設計實驗時盡可能的創(chuàng)新。陶行知先生說，人人可以創(chuàng)造，時時可以創(chuàng)造。教師應當創(chuàng)設良好的氛圍，并對學生的創(chuàng)新給予鼓勵。學生由于知識和經(jīng)驗的限制常常會考慮不周，導致實驗的可行性不強。教師在學生實驗設計之后需要引導學生分析自己的實驗是否可行，陳述性知識、程序性知識和策略性知識是否應用得當，從而保證學生在進行操作之前對自己的實驗有充分的了解，促進學生嚴謹性思維的發(fā)展，提高其系統(tǒng)的統(tǒng)籌能力。訪談表明，學生不會書寫完整的實驗報告是因為他們對于化學探究的環(huán)節(jié)并不清楚，思維和行為不能序列化和結構化。在進行實驗之前，教師需要引導學生明確探究問題是什么，原理、目的、方法與步驟分別是什么，促進學生養(yǎng)成自覺、完整書寫實驗報告的良好習慣。

參考文獻

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[2] 姚健.化學實驗設計對學生能力的培養(yǎng)[J].職業(yè)技術教育，2005，26（29）.

[3] 吳晗清.高中化學實驗教學實踐癥結與對策探析[J].中國教育學刊，2013（02）.

[作者：吳晗清（1981-），男，安徽宿松人，首都師范大學教師教育學院，副教授（教授崗），北京師范大學教育學部，兼職教授，博士;李琳娜（1995-），女，山西古交人，首都師范大學化學教育研究所，研究生;夏國?。?981-），男，重慶秀山人，重慶市黔江中學校，中學一級教師。]

【責任編輯 ?郭振玲】