孫丹兒

摘要：從已有研究及其存在的問題出發(fā)，從實驗本體和實驗教學(xué)兩個方面，針對已有問題，結(jié)合國外研究進(jìn)展，分析了中學(xué)化學(xué)實驗研究的諸多視角，拓展了中學(xué)化學(xué)實驗研究的思路，提供了實驗本體和實驗教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計的途徑，為中學(xué)化學(xué)實驗研究的提升奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：實驗本體；實驗教學(xué)；實驗研究；創(chuàng)新設(shè)計

文章編號：1005-6629（2013）7-0007-04

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

中學(xué)化學(xué)實驗的地位和教學(xué)價值歷來為化學(xué)教學(xué)所重視。從教學(xué)角度講，化學(xué)教師是化學(xué)實驗內(nèi)容的解析和傳授者；從研究角度講，化學(xué)教師肩負(fù)設(shè)計、改進(jìn)研者究化學(xué)實驗內(nèi)容及其教學(xué)活動等多重任務(wù)。教學(xué)和研究兩者相互聯(lián)系與相互促進(jìn)，對化學(xué)教學(xué)的效果產(chǎn)生直接影響。作為一名化學(xué)教師，面對一個實驗，尤其是一個疑難實驗，有哪些研究點可循？有哪些方法？實驗的教學(xué)方法有哪些改進(jìn)和拓展之處？本文從研究的角度，對實驗本體和實驗教學(xué)兩個方面進(jìn)行分析，歸納在實驗本體和實驗教學(xué)這兩個方面，化學(xué)實驗研究的視角和途徑，供同行參考。

1 已有研究及存在的問題

實驗本體的已有研究，主要有實驗顯性因素（實驗組成）和隱性因素（實驗方法）的研究。統(tǒng)計化學(xué)教育類核心期刊《化學(xué)教學(xué)》和《化學(xué)教育》中實驗文章所得，顯性因素研究中有關(guān)實驗裝置改進(jìn)所占比例最高為23.11%，有關(guān)反應(yīng)條件改進(jìn)或設(shè)計占15.11%，有關(guān)實驗裝置從無到有設(shè)計的占5.33%。隱性因素研究中關(guān)于反應(yīng)原理或機(jī)理的探究占15.56%，與理論質(zhì)疑和驗證的研究比例相同；其次為方法改進(jìn)或創(chuàng)新占15.11%；最后為實驗新設(shè)計，占10.22%?？梢?，關(guān)于實驗創(chuàng)新設(shè)計和改進(jìn)設(shè)計的比例失衡，前者明顯偏少。對實驗內(nèi)容的分析發(fā)現(xiàn)，科學(xué)實驗方法的重視不夠，教師實驗新設(shè)計的能力不強(qiáng)，理論水平有待提高。在對實驗教學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn)，關(guān)于創(chuàng)新實驗教學(xué)模式的開發(fā)和應(yīng)用的案例不多；在探究式實驗教學(xué)的研究中，中學(xué)教師對實驗教學(xué)效果進(jìn)行實證研究的也不多。因此，本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展，對實驗本體研究和實驗教學(xué)新模式展開討論，提出相關(guān)的研究視角和研究途徑，以期拓寬中學(xué)化學(xué)教師的研究思路，提升其研究認(rèn)識。

2 化學(xué)實驗本體的研究視角

2.1實驗裝置

當(dāng)前研究中，化學(xué)實驗裝置改進(jìn)和設(shè)計中，使用的方法比例由高到底分別有一物多用法（17.5%）、縮放法（16.2%）、移植法（15.0%）、組合法（15.0%）、綜合法（10%）、簡化法（11.2%）、替換法（7.5%）、強(qiáng)化法（6.25%）、變換輸出法（1.25%）。研究者在實驗裝置研究方面靈活運用了各種設(shè)計方法，但是各方法比例不一。主要問題是創(chuàng)新設(shè)計和改進(jìn)設(shè)計比例失調(diào)，創(chuàng)新設(shè)計遠(yuǎn)少于改進(jìn)設(shè)計；裝置改進(jìn)的重復(fù)研究過多；為改進(jìn)而改進(jìn)，反而使裝置復(fù)雜化。因此，在實驗裝置的研究中，筆者認(rèn)為需結(jié)合具體教學(xué)情境，遵循簡化原則，增進(jìn)實驗裝置的實用性；靈活運用各種實驗裝置的設(shè)計方法，做到有理有據(jù)，增強(qiáng)實驗裝置設(shè)計的科學(xué)性；平衡實驗裝置研究和實驗其他因素的研究，加強(qiáng)對實驗綜合影響因素的探討。

2.2反應(yīng)條件和反應(yīng)原理

當(dāng)前研究中，關(guān)于反應(yīng)條件的研究包括催化劑種類、光源種類、反應(yīng)物種類、溫度、濃度等單一因素的研究及多種反應(yīng)條件的綜合研究。分析當(dāng)前研究的具體內(nèi)容，筆者認(rèn)為在反應(yīng)條件研究方面，應(yīng)多利用科學(xué)試驗方法，加強(qiáng)多種反應(yīng)條件的探究；應(yīng)從多個角度對反應(yīng)條件的探究依據(jù)進(jìn)行闡述，理論和實踐結(jié)合予以佐證；詳細(xì)地呈現(xiàn)實驗的過程；需從教學(xué)和研究兩個層面得出結(jié)論，使得反應(yīng)條件的研究既具科學(xué)價值又具教學(xué)價值。

同樣，在反應(yīng)原理研究方面，尤其是探討異?；蛞呻y實驗的反應(yīng)原理時，需注重理論分析和實驗驗證相結(jié)合，增強(qiáng)實驗結(jié)論的科學(xué)性；另外，可以適當(dāng)借助高校實驗儀器或手段，以合作研究的方式，提升實驗研究的科學(xué)性。

2.3新實驗開發(fā)

新實驗的開發(fā)，是指從實驗課題開發(fā)的角度，實現(xiàn)某些化學(xué)理論的實驗設(shè)計或是對某些理論進(jìn)行驗證的實驗設(shè)計，從而形成研究型課題的研究過程。通過對國內(nèi)外實驗新開發(fā)的內(nèi)容分析，筆者總結(jié)新實驗的開發(fā)途徑可以集中于以下幾個方面：教材理論的“物化”、基于STS（E）（科學(xué)-技術(shù)-社會-環(huán)境）理念的實驗開發(fā)、基于手持技術(shù)的實驗開發(fā)、計算機(jī)支持的模擬實驗開發(fā)、學(xué)生探究實驗的開發(fā)。國外在基于手持技術(shù)的實驗開發(fā)和計算機(jī)支持的模擬實驗開發(fā)方面取得了諸多成果，值得借鑒。

2.3.1基于手持技術(shù)的實驗開發(fā)

如圖1所示，手持技術(shù)實驗的核心構(gòu)成為：實驗變量、用于檢測實驗變量的傳感器（探頭）、用于數(shù)據(jù)收集和存儲的數(shù)據(jù)采集器，以及用于數(shù)據(jù)管理和分析的軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)往往裝載于電腦或掌上電腦等。

教育領(lǐng)域中的手持技術(shù)發(fā)展，主要體現(xiàn)在技術(shù)的更新和教學(xué)研究內(nèi)容的轉(zhuǎn)變兩個方面。技術(shù)更新表現(xiàn)為硬件和軟件種類的增多和性能的加強(qiáng)，如傳感器種類的增多，數(shù)據(jù)采集器靈敏度的增強(qiáng)，軟件數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和分析方式的多樣化以及裝載設(shè)備便攜化和操作簡單化等。如圖2為國內(nèi)常見手持技術(shù)實驗系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)為學(xué)生提供程序化的實驗步驟進(jìn)行實驗操作；圖3為美國PASCO公司的彩屏觸摸式手持技術(shù)系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)依據(jù)科學(xué)探究模式引導(dǎo)學(xué)生實驗；圖4為NOVA掌上電腦手持技術(shù)系統(tǒng)，其軟件系統(tǒng)不但包含大量的科學(xué)實驗，且兼具上網(wǎng)和信息查詢，以及文件編輯等功能。三種不同的手持技術(shù)系統(tǒng)，體現(xiàn)了基于手持技術(shù)實驗研究的不同進(jìn)展，為當(dāng)前手持技術(shù)系統(tǒng)組件的研究提供了方向。

文獻(xiàn)研究表明，國外基于手持技術(shù)的教學(xué)側(cè)重四個方面的研究：學(xué)生概念轉(zhuǎn)變和能力考察、新教學(xué)模式的探索、教師認(rèn)識及其能力的調(diào)查、教師培訓(xùn)模式的探索。反觀國內(nèi)研究，我國在基于手持技術(shù)的教學(xué)常規(guī)實驗改進(jìn)、抽象理論的實驗新設(shè)計以及課外實驗活動的開發(fā)等方面取得了諸多成果，但是在基于手持技術(shù)的教學(xué)研究方面仍有待提高。在基于手持技術(shù)的教學(xué)研究方面有以下視角：

可側(cè)重對實驗教學(xué)模式和應(yīng)用效果等方面研究（如學(xué)生概念轉(zhuǎn)變、能力變化等）。

（1）教師培訓(xùn)方面，對教師的手持技術(shù)的認(rèn)識和使用情況等進(jìn)行較全面和系統(tǒng)的考察，有針對性的開展教師教育。

（2）實驗開發(fā)方面，開發(fā)多種類型的實驗活動，如將驗證性演示實驗轉(zhuǎn)為學(xué)生自主探究實驗，將教師導(dǎo)向式探究轉(zhuǎn)為一定的開放式探究，將學(xué)生個人探究轉(zhuǎn)向合作式探究，將課堂探究轉(zhuǎn)為野外探究。

（3）多開發(fā)優(yōu)秀的教學(xué)應(yīng)用案例，多收集使用后的反饋意見并改進(jìn)。將優(yōu)秀的課例集結(jié)成教學(xué)手冊，建設(shè)共享平臺。

（4）移動技術(shù)（手機(jī)、掌上電腦）的適當(dāng)介入，實現(xiàn)活動內(nèi)容和數(shù)據(jù)的師生共享。

2.3.2計算機(jī)模擬實驗的開發(fā)

在模擬實驗的開發(fā)方面，常見的有單一實驗環(huán)境的開發(fā)，如美國科羅拉多大學(xué)開發(fā)的PhET，美國西北大學(xué)開發(fā)的Netlogo等，即可以通過控制模擬軟件設(shè)置的實驗變量，觀察一個實驗的多種實驗現(xiàn)象的一類模擬實驗軟件，如圖5。近幾年來，國外在此類模擬實驗的開發(fā)上，強(qiáng)調(diào)如下：實驗內(nèi)容緊密聯(lián)系實際；微觀現(xiàn)象可視化；強(qiáng)調(diào)簡化事實以促進(jìn)理解；概念表征的多樣化；多個變量可調(diào)可控；圖像揭示變量間定量關(guān)系；提供多種定量的測量工具。這樣的設(shè)計特點，不但使得模擬軟件的通用性加強(qiáng)，而且加強(qiáng)了軟件對于提升學(xué)生抽象概念理解的作用。

除單一實驗環(huán)境外，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，國外在基于模擬實驗的學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)方面取得了諸多成果。這種學(xué)習(xí)系統(tǒng)就是將單一的模擬實驗與一定的教學(xué)理論（科學(xué)探究、發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)、反思性評價等）相結(jié)合而形成學(xué)習(xí)平臺。如圖6所示，為WISE探究式科學(xué)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)為教師提供了一個以探究式教學(xué)模式為指導(dǎo)的教學(xué)設(shè)計平臺，學(xué)生進(jìn)入教師設(shè)計的主題活動后，進(jìn)行探究活動，系統(tǒng)為學(xué)生探究活動提供了諸多模擬實驗及其相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，培養(yǎng)技能，增進(jìn)概念理解。圖7為Co-lab科學(xué)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)依據(jù)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生通過對動態(tài)模擬實驗的操作和相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，深入理解科學(xué)概念，并獲取相關(guān)能力。國外的相關(guān)研究中，對模擬實驗的教學(xué)模式及其教學(xué)價值進(jìn)行了深入的研究，取得了一系列研究成果，尤其是基于模擬實驗的學(xué)習(xí)系統(tǒng)的開發(fā)和研究方面，已經(jīng)朝更為綜合化的方向發(fā)展，增加了合作學(xué)習(xí)的要素，也有反饋和評價的功能，為發(fā)展學(xué)生的多種學(xué)習(xí)能力提供支持。

3 化學(xué)實驗教學(xué)的研究

美國高中科學(xué)實驗報告指出：四個因素決定了實驗教學(xué)的效果，即教師對實驗教學(xué)效果要有清晰的認(rèn)識；實驗與課堂教學(xué)理論全面有序地進(jìn)行結(jié)合；實驗需融合科學(xué)內(nèi)容和科學(xué)過程；實驗過程需結(jié)合學(xué)生的后續(xù)反思和討論。在實驗教學(xué)研究中，將實驗與教學(xué)理論結(jié)合的有關(guān)研究備受關(guān)注。報告指出將教學(xué)理論與實驗教學(xué)結(jié)合可以使得實驗內(nèi)容更好地與課堂教學(xué)整合。POE（預(yù)測-觀察-解釋）教學(xué)模式的開發(fā)者Richard White和Richard Gunstone提出，當(dāng)將實驗過程與認(rèn)知學(xué)習(xí)的經(jīng)驗（比如POE教學(xué)模式）相結(jié)合，可以使得實驗過程與認(rèn)知變化過程融合，而不是純粹聯(lián)系實驗用品、步驟或注意事項等，可以更好地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)。在具體的實現(xiàn)方式中，有以下幾種途徑。

3.1設(shè)計基于POE教學(xué)理論的學(xué)生實驗工作單

POE實驗報告的應(yīng)用有助于學(xué)生在實驗操作時，能夠根據(jù)實驗工作單的內(nèi)容，通過重點觀察實驗現(xiàn)象，引發(fā)有關(guān)思考，并利用已有知識進(jìn)行解釋。將觀察、思考和解釋的過程以文字描述的形式在實驗報告中體現(xiàn)出來，不但能夠促進(jìn)學(xué)生課后反思，而且可以幫助教師認(rèn)識到學(xué)生概念理解水平和相關(guān)能力變化，予以反饋和總結(jié)。相關(guān)研究在POE模式的基礎(chǔ)上，依據(jù)具體教學(xué)要求，對該模式進(jìn)行了改進(jìn)，形成了學(xué)生實驗工作單。如圖8和圖9所示為兩種不同形式的基于POE理論的學(xué)生實驗工作單。前者通過預(yù)測-解釋-觀察-解釋四個步驟引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測、記錄并解釋實驗現(xiàn)象；后者則是從更為具體的角度，呈現(xiàn)學(xué)生在各步驟中所要進(jìn)行的活動內(nèi)容，使得學(xué)生的觀察、思考和解釋更有針對性和有效性，尤其是對于認(rèn)知水平較低的學(xué)生，更具導(dǎo)向性。

3.2拓展設(shè)計POE教學(xué)模式

在一些研究中，針對不同的學(xué)習(xí)情境和特點，研究者試圖通過拓展POE的三個關(guān)鍵步驟來加強(qiáng)實驗教學(xué)的針對性和指導(dǎo)性。如在John Haysom，Michael Bowen的研究中，學(xué)生的實驗活動圍繞拓展的POE模式：激起疑問-介紹實驗-預(yù)測-討論-觀察-解釋-反思、總結(jié)或評價。例如，以“溶液”為主題活動，在激起疑問環(huán)節(jié)中，教師先呈現(xiàn)一段關(guān)于糖塊溶解后，水中的糖分子質(zhì)量是否會變化的問題情境給學(xué)生，然后收集學(xué)生不同的回答，激起認(rèn)知沖突，使學(xué)生對溶解現(xiàn)象及其背后的原理產(chǎn)生興趣。接著進(jìn)入介紹實驗階段，為學(xué)生提供實驗用品和實驗步驟，指導(dǎo)學(xué)生操作實驗，并按照預(yù)測-討論-觀察-解釋的步驟進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的填寫。在實驗完成后，最后環(huán)節(jié)要求學(xué)生思考如何將糖分子從糖溶液中提出來。因此，POE教學(xué)模式的拓展設(shè)計注重為學(xué)生創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入實驗探究，并且注重對結(jié)果進(jìn)行反思，通過解決新問題來評價學(xué)生。

3.3設(shè)計不同水平的探究式實驗教學(xué)模式

探究式教學(xué)理論與實驗教學(xué)相結(jié)合，是當(dāng)前實驗教學(xué)模式創(chuàng)新的主要途徑之一。探究式實驗教學(xué)的基本模式可以歸納為：情境-提問-設(shè)計實驗-解釋-收集數(shù)據(jù)-分析數(shù)據(jù)-解釋-反思和總結(jié)。在實際教學(xué)中，教師可以適當(dāng)刪減或增加一些環(huán)節(jié)來改進(jìn)基本模式，以適應(yīng)教學(xué)需要。在具體探究式教學(xué)設(shè)計中，需考慮學(xué)生的認(rèn)知能力來設(shè)計不同水平的探究內(nèi)容。美國學(xué)者Carl.J.Wenning歸納了探究水平的劃分依據(jù)，即依據(jù)活動內(nèi)容所含有的知識和技能與實驗活動的控制主體的變化來判斷和劃分探究式實驗活動的水平。往往知識和技能要求相對簡單，數(shù)量少，以及教師控制環(huán)節(jié)相對較多，那么此探究水平則降低，反之則高。因此，在探究式實驗教學(xué)活動的設(shè)計中，在遵循教學(xué)理論的基本模式情況下，需要依據(jù)教學(xué)實際和學(xué)生水平，設(shè)計更多與學(xué)生水平相符合的探究實驗活動，不能太低也不能太高，使學(xué)生在相對自由的探究空間下，習(xí)得知識和獲得技能。

3.4實驗教學(xué)與合作學(xué)習(xí)相結(jié)合

以色列威茲曼科學(xué)研究院教授Avi Hofstein認(rèn)為實驗為學(xué)生和教師參與合作探究創(chuàng)造了良機(jī)，借助合作學(xué)習(xí)的相關(guān)理論，在實驗中，教師可以激勵學(xué)生表達(dá)實驗所得和已有問題的聯(lián)系，學(xué)生和學(xué)生之間討論、解釋、反思實驗數(shù)據(jù)，并分析實驗數(shù)據(jù)意義的過程，是學(xué)生分析、判斷和獲得有關(guān)知識以及培養(yǎng)反思能力、批判性思維和合作學(xué)習(xí)能力的有效途徑。在大量研究基礎(chǔ)上，他提出了雙階段合作探究實驗教學(xué)模式：第一階段為初探，即通過直接實驗來觀察并記錄現(xiàn)象，第二階段則為深入探究階段，學(xué)生小組（3～4人）通過假設(shè)、計劃、實驗、觀察并記錄、討論和交流來再探究和分析初探階段所得結(jié)論。在此活動期間，涉及分工、知識分享、激辯、達(dá)成等合作學(xué)習(xí)理論有關(guān)的教學(xué)要素，需教師借助合作學(xué)習(xí)理論的教學(xué)策略予以引導(dǎo)，使得合作探究式實驗教學(xué)更為有效。

4 結(jié)論

我國在實驗本體及其教學(xué)研究方面歷時已久，尤其是實驗本體的研究方面，成果頗多，這也是具有中國特色的一項研究內(nèi)容。而國外則注重對實驗的教學(xué)方法應(yīng)用及教學(xué)效果的評價等方面的研究，值得我們借鑒。具體而言，對實驗的本體研究，多關(guān)注創(chuàng)新設(shè)計的研究，減少重復(fù)性的研究內(nèi)容；在闡述實驗依據(jù)和總結(jié)時，需加強(qiáng)理論的論述和實驗的佐證；多利用科學(xué)試驗方法，借助先進(jìn)的實驗儀器，增強(qiáng)實驗研究的科學(xué)性；切實考慮教學(xué)需要，實驗設(shè)計應(yīng)面向?qū)W生，盡量簡潔和實用；關(guān)注國外手持技術(shù)的實驗和模擬實驗研究的新進(jìn)展，有針對性的進(jìn)行有關(guān)培訓(xùn)，多開發(fā)創(chuàng)新的教學(xué)模式，多研究優(yōu)秀教學(xué)案例以共享。在教學(xué)研究方面，借鑒國外的實驗教學(xué)模式，如POE等，設(shè)計適合我國實驗教學(xué)的學(xué)生實驗工作單或拓展一定的教學(xué)模式，為創(chuàng)新實驗教學(xué)做出努力；在探究式實驗教學(xué)活動的設(shè)計中，將對實驗形式或過程的關(guān)注適當(dāng)轉(zhuǎn)移到對實驗內(nèi)容設(shè)計的關(guān)注中，針對學(xué)生已有認(rèn)知和能力，設(shè)計一定水平的探究式實驗活動。另外，在實驗教學(xué)的活動環(huán)節(jié)中，依據(jù)實驗內(nèi)容的復(fù)雜程度、實驗?zāi)芰σ蟮母叩偷龋瑏碓O(shè)計學(xué)生小組合作實驗，來體現(xiàn)合作學(xué)習(xí)為學(xué)生帶來的知識獲取和思維技能形成方面所具有的價值。