凌一洲 郁志珍 顏曉紅 任澤中

摘要： 利用現(xiàn)場觀察、文本分析、訪談法，比較了22名中學(xué)生和28名小學(xué)生在完成相同化學(xué)實驗時的差異性表現(xiàn)。從方法、認知、情意3個維度分析了參與者在動手操作、觀察現(xiàn)象、記錄結(jié)果、得出結(jié)論等各階段的差異，得出充分發(fā)揮化學(xué)實驗育人價值的教學(xué)啟示。

關(guān)鍵詞： 中小學(xué)生; 化學(xué)實驗; 差異性表現(xiàn); 實證研究; 教學(xué)啟示

文章編號： 10056629（2019）7003005中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

學(xué)生的核心素養(yǎng)水平應(yīng)該隨著年齡（學(xué)歷）的提升而同步提升，具體體現(xiàn)在學(xué)科認知由淺顯到深入、解決問題的情境由簡單到復(fù)雜、思想觀念由模糊到內(nèi)化等[1]。

因此，在理想狀態(tài)下，如果讓中學(xué)生、小學(xué)生完成同一個化學(xué)實驗，并比較學(xué)生表現(xiàn)水平的差異，應(yīng)該會發(fā)現(xiàn)中學(xué)生與小學(xué)生相比，方法、認知、情意等各方面都得到了顯著發(fā)展。

但是，在實踐中并非完全如此。通過研究中學(xué)生、小學(xué)生的差異性表現(xiàn)，可以更好地理解學(xué)生在不同年齡階段的具體特點，進而得出充分發(fā)揮化學(xué)實驗育人價值的教學(xué)啟示。

1 研究對象

選取江蘇省某中學(xué)的22名高中一年級學(xué)生、某小學(xué)的28名小學(xué)高年級學(xué)生為參與者。由同一位教師擔任中學(xué)生、小學(xué)生的授課教師。在小學(xué)生實驗過程中，另有2位教師全程看護、陪同，以確保安全。

2 研究方法

本研究采用現(xiàn)場觀察、文本分析、訪談法對參與者進行跟蹤調(diào)查。

2.1 現(xiàn)場觀察法

通過現(xiàn)場觀察，可以記錄學(xué)生在實驗各階段的動作、語言、情緒等現(xiàn)場表現(xiàn)。

在中學(xué)、小學(xué)分別開設(shè)以可視化微型化學(xué)實驗為主題的校本課程，課程的教學(xué)組織形式均以分組實驗為主，中學(xué)生、小學(xué)生每2～3人為一組，以小組為單位合作完成實驗。

在課堂上，教師和助教需觀察和記錄學(xué)生的語言、行為、神態(tài)等表現(xiàn)，包括實驗操作的熟練程度、實驗觀察的完整程度、實驗記錄的準確程度、實驗過程的情感變化等。

2.2 文本分析法

使用文本分析法，可以分析學(xué)生撰寫實驗報告和課程總結(jié)的內(nèi)容。

在每次實驗結(jié)束后，各小組需要完成實驗報告，包括“實驗步驟”、“實驗結(jié)果”、“實驗結(jié)論”等內(nèi)容，鼓勵學(xué)生在文字描述的基礎(chǔ)上，用符號、示意圖、實驗照片等輔助表達。分析這些實驗報告，可以了解學(xué)生對單個實驗的理解程度和思維發(fā)展程度。

在課程臨近結(jié)束時，每位學(xué)生需要完成課程總結(jié)，形式和內(nèi)容不限，可以包括“對課程的總體評價”、“自己的收獲與遺憾”、“對某個印象深刻的實驗的再思考”等內(nèi)容。分析這些課程總結(jié)，可以了解學(xué)生的關(guān)注重心、認知層次、情感態(tài)度等多方面的信息。

2.3 訪談法

利用訪談，可以進一步了解學(xué)生對實驗的態(tài)度和實驗過程中的感受。

對學(xué)生的訪談分為兩部分： 當堂實驗課后和下次實驗課前的現(xiàn)場訪談。在當堂實驗課后，教師隨機挑選學(xué)生進行個別訪談，訪談問題為： ①實驗操作的難度大不大？有沒有遇到困難？②實驗是否有趣？實驗過程中是否心情愉悅？

在下一次實驗課前，教師在查閱學(xué)生實驗報告的基礎(chǔ)上，隨機挑選學(xué)生以小組為單位進行團體訪談，形式與答辯類似，主要詢問學(xué)生對實驗結(jié)果的理解。

3 研究過程

在中小學(xué)開設(shè)課程，課程內(nèi)容以動手操作的可視化微型化學(xué)實驗為主，包含“氫氧化鈉與氯化鈷反應(yīng)的微型實驗”“置換反應(yīng)中金屬樹的觀察”“電解反應(yīng)中金屬樹的觀察”等相同的實驗。采用相同的實驗，是為了控制變量，即盡量控制除了學(xué)生年齡（學(xué)歷）以外的因素。在實驗設(shè)計時，有意采用了與教材實驗不同的形式與方法（例如上述3個實驗都在載玻片上完成，與教材中出現(xiàn)的儀器完全不同），避免中學(xué)生因為已經(jīng)做過類似實驗而造成結(jié)果的差異。

每次上課，首先由教師講解實驗步驟，學(xué)生聆聽;然后，由學(xué)生動手實驗、觀察現(xiàn)象、記錄結(jié)果、得出結(jié)論，教師作現(xiàn)場觀察;最后，每次實驗結(jié)束后，教師將抽取學(xué)生訪談，每組學(xué)生還需完成實驗報告;在學(xué)期期末，學(xué)生需撰寫課程總結(jié)。結(jié)合現(xiàn)場觀察、實驗報告、課程總結(jié)和訪談結(jié)果，可以分析學(xué)生在化學(xué)實驗各階段的行為、認知與情感，并進一步比較中學(xué)生、小學(xué)生在這些方面的差異。

4 研究結(jié)果與討論

4.1 典型案例

在不同實驗中，中學(xué)生、小學(xué)生呈現(xiàn)的差異表現(xiàn)較為一致，本文以“氫氧化鈉與氯化鈷反應(yīng)的微型實驗”為典型案例介紹研究結(jié)果，并進行深入比較?！皻溲趸c與氯化鈷反應(yīng)的微型實驗”過程在載玻片上進行，先在載玻片上滴加少量氫氧化鈉溶液，然后在氫氧化鈉溶液上滴加一滴氯化鈷溶液，觀察兩者反應(yīng)的現(xiàn)象。在授課時，教師為小學(xué)生詳細講解實驗操作步驟，對中學(xué)生則簡略介紹。本實驗的難度較低，且實驗原理、操作、現(xiàn)象等都不與教材實驗重復(fù)，使中學(xué)生、小學(xué)生都能完成實驗并產(chǎn)生自己的理解。實驗報告、課程總結(jié)和學(xué)生訪談的結(jié)果如下。

中學(xué)生學(xué)生A我覺得可視化技術(shù)不僅僅可以用在微型化學(xué)實驗中，還可以用于密度可視化、流體可視化，利用密度差，光會在其中發(fā)生折射，利用這些細微的變化再來進一步反映客觀事實……本課程較傳統(tǒng)課程有著極大的不同，學(xué)生可以在做中學(xué)，對于真理的探究不會因為課程而結(jié)束，從被動的接受到主動去求知思考技術(shù)的其他用途;產(chǎn)生對探究的興趣

學(xué)生B在親自動手操作了一個又一個實驗后，對原本抽象模糊的化學(xué)概念有了較為清晰的理解，對我在平時化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)上有了很大的幫助……在校本課程中，不只是單獨地進行實驗操作，更是培養(yǎng)了同學(xué)們的團隊協(xié)作能力……加深對學(xué)科的理解;培養(yǎng)團隊協(xié)作能力

學(xué)生C我想，倘若這樣的技術(shù)用于醫(yī)學(xué)方面，如微型創(chuàng)口的快速愈合或許也有作用……當然，該實驗在將來的作用，還有待發(fā)掘思考技術(shù)的其他用途

小學(xué)生學(xué)生D我們迫不及待地開始了實驗……接下來會發(fā)生什么呢？我好奇地望著液滴……聚精會神地盯著它，興奮地觀察著它的變化，我的心完全被它吸引了……我不禁兩眼放光，仿佛見到了海底的紅珊瑚……可是，紅色加無色溶液怎么會形成別的顏色，會發(fā)生這么大的變化呢？我疑惑不解起來……我們可以用富有觀察力的眼睛去發(fā)現(xiàn)大自然的神奇之處。等到長大了，它們的秘密就會變成知識，刻在我們的腦海里表達對化學(xué)實驗的喜愛;感嘆化學(xué)反應(yīng)的神奇;產(chǎn)生繼續(xù)探索的欲望

學(xué)生E還有美麗的沉淀小實驗……每一滴都要小心小心再小心，十分謹慎，一步有錯，滿盤皆輸……便完工啦！從旁邊看去，似乎有紅綠相間的山峰，又好似是片片彩云漂浮在天空中，美麗極了……最后，要感謝×老師給我們提供材料，為我們打開化學(xué)世界的大門感嘆化學(xué)實驗的嚴謹;感嘆化學(xué)反應(yīng)的美麗

學(xué)生F這是一門讓人著迷的課程，它將我們帶入神秘的化學(xué)世界……這個過程必須非常小心，稍一疏忽就會失敗……最終，大家齊心協(xié)力，完成了任務(wù)，兩種液體相互滲透，產(chǎn)生奇妙現(xiàn)象……生出一種朦朧之美，一種撲朔迷離、騰云駕霧的感覺油然而生……課程雖然結(jié)束了，但那一幕幕精彩的畫面、一陣陣歡樂的笑聲還在我腦中盤旋，感謝學(xué)校安排這么有趣的課程，感謝授課的×老師的辛苦付出感嘆化學(xué)實驗的嚴謹;感嘆化學(xué)反應(yīng)的美麗、有趣

當堂實驗課后訪談的結(jié)果表明： （1）大部分中學(xué)生都認為實驗操作難度不大，少數(shù)認為難度較大（木夾的高度需要反復(fù)調(diào)節(jié)，才能使手機清晰對焦）;而大部分小學(xué)生認為難度較大，需要教師或其他小組至少一次的幫助。（2）幾乎所有小學(xué)生都認為實驗很有趣，非常期待每周的實驗課;大部分中學(xué)生認為實驗有趣，但小部分認為實驗現(xiàn)象（與大象牙膏、法老之蛇等相比）比較平淡。下一次實驗課前訪談的結(jié)果可以對表1作交叉驗證。

4.2 分析與討論

為便于研究，可以將學(xué)生在化學(xué)實驗中的表現(xiàn)分為方法、認知、情意3個維度分別討論。

4.2.1 方法維度的差異

與已經(jīng)受過實驗方法訓(xùn)練的中學(xué)生相比，小學(xué)生剛剛接觸化學(xué)實驗，其實驗方法只能來源于教師的現(xiàn)場引導(dǎo)和生活經(jīng)驗的借鑒。

在操作層面，中學(xué)生能規(guī)范地完成實驗，準確得出結(jié)論，但實驗觀察的指向性很強，容易對實驗的現(xiàn)象和過程形成刻板印象。例如，在訪談中發(fā)現(xiàn)，所有中學(xué)生都認為沉淀反應(yīng)的現(xiàn)象就是“溶液變渾濁，生成某色沉淀”，因此幾乎所有中學(xué)生都認為觀察沉淀反應(yīng)，只要觀察產(chǎn)物顏色即可。

相比之下，小學(xué)生操作的規(guī)范性、觀察的目的性、表述的嚴謹性相對較弱。例如，在實驗時用滴管取液后可能會平放或倒置，搭建鐵架臺的順序有誤，沒有觀察和記錄到關(guān)鍵的現(xiàn)象等。

4.2.2 認知維度的差異

中、小學(xué)生在認知水平上存在明顯差異，根據(jù)皮亞杰的認知發(fā)展理論[2]，中學(xué)生的認知正處于形式運算階段，而小學(xué)生處于具體運算階段，即中學(xué)生的思維活動不需要具體事物的支持，而小學(xué)生需要。例如，即便小學(xué)生已經(jīng)看過氫氧化鈉與硫酸亞鐵反應(yīng)的實驗視頻（包括白色沉淀在空氣中變黃的過程），但仍然很難把氫氧化鈷沉淀變黃與氫氧化亞鐵變黃聯(lián)系起來;而中學(xué)生可以構(gòu)建氫氧化亞鐵變黃的化學(xué)模型，并用模型解釋首次遇見的氫氧化鈷變黃的現(xiàn)象。這種模型認知的能力反映出中學(xué)生的思維能脫離內(nèi)容，做出具有邏輯性和創(chuàng)造性的思考，而小學(xué)生則不能。

又如，中學(xué)生能主動從微觀層面思考化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)（溶液中2種離子結(jié)合，生成分子），宏觀微觀相結(jié)合地理解實驗（生成的分子不溶于水，在宏觀層面表現(xiàn)為固態(tài)沉淀）。小學(xué)生在實驗時僅僅“觀察并描述對象的外部形態(tài)特征及現(xiàn)象”，即從宏觀層面辨識實驗現(xiàn)象。

上述認知層面的差異狀況與我國課程標準對各階段學(xué)生的認知要求存在差異有關(guān)。小學(xué)科學(xué)課程標準[3]僅要求小學(xué)生“了解與認知水平相適應(yīng)的科學(xué)知識”，具體而言，僅需“初步了解常見的物質(zhì)的變化”。因此大部分小學(xué)生僅僅發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)顏色和狀態(tài)的變化，甚至小部分未意識到物質(zhì)的狀態(tài)變化（僅認為“兩種液體相互滲透”，而未意識到液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)）。高中化學(xué)課程標準[4]要求學(xué)生認識“一定條件下各類物質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)化”（沉淀反應(yīng)有新物質(zhì)生成），“元素在不同物質(zhì)中可以具有不同價態(tài)”（二價鈷離子可以被氧化成三價）等，提出了更高的要求。

4.2.3 情意維度的差異

在情感態(tài)度層面，小學(xué)生的態(tài)度更加積極，愉悅感更加強烈。具體而言，一是懷有更強烈的好奇心和實驗熱情，在實驗前滿懷期待，在實驗時感嘆化學(xué)的神奇、有趣、美麗;二是對實驗的態(tài)度更加重視和嚴謹，認為實驗是嚴肅的事情，要“小心小心再小心”;三是具有團隊合作與交流的意愿，每位組員都能積極參與其中。

在價值追求層面，中小學(xué)生都以“求真”為基礎(chǔ)，但在此基礎(chǔ)上，中學(xué)生傾向于“求善”（即“追求化學(xué)之用”），小學(xué)生傾向于“求美”（即“追求化學(xué)之美”）。從實驗?zāi)康纳峡?，中學(xué)生更注重實驗結(jié)論的得出，而小學(xué)生更在注重驗過程的體驗。從實驗價值上看，中學(xué)生更關(guān)注實驗結(jié)果的應(yīng)用，而小學(xué)生更關(guān)注實驗本身的趣味和美感。通過訪談發(fā)現(xiàn)，中學(xué)生的實驗?zāi)康男暂^強，認為做實驗主要是為了發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的性質(zhì)是為了決定物質(zhì)的用途，因此常常只搜集自己需要的證據(jù)（忽略其他關(guān)系不大的實驗現(xiàn)象）;相反，小學(xué)生的實驗?zāi)康妮^為純粹，大多認為做實驗是因為好奇、有趣、美麗，例如“因為不知道所以要做實驗”、“化學(xué)真奇妙”、“現(xiàn)象很美麗”等，因此盡可能會全面地觀察、記錄實驗現(xiàn)象。

5 教學(xué)啟示

無論在中學(xué)還是小學(xué)，化學(xué)實驗的實施和應(yīng)用都應(yīng)該承擔培育科學(xué)素養(yǎng)的作用。中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)可以按照課程標準的要求進行;對小學(xué)而言，化學(xué)實驗可以作為常規(guī)實驗的補充和拓展，承擔“科學(xué)知識”（了解化學(xué)啟蒙知識）、“科學(xué)探究”（體驗科學(xué)探究的基本過程、發(fā)展思維能力）、“科學(xué)態(tài)度”（激發(fā)對化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣、滿足對未知化學(xué)世界的好奇心）、“科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境”（樹立正確的化學(xué)觀，防止小學(xué)生受到社會對化學(xué)工業(yè)片面的負面印象的誤導(dǎo)）等方面的育人價值。

但是，對中學(xué)和小學(xué)而言，化學(xué)實驗的教學(xué)目的和側(cè)重點應(yīng)該隨著學(xué)生能力水平的提升而改變，以有效發(fā)揮化學(xué)實驗教學(xué)的良好功能。對小學(xué)而言，化學(xué)實驗側(cè)重對現(xiàn)象的觀察，為學(xué)生提供感性認識，增強知識的直觀性，同時激發(fā)學(xué)生的興趣;對中學(xué)而言，化學(xué)實驗側(cè)重對現(xiàn)象的分析與討論，為學(xué)生的知識積累提供情境，為實驗探究提供證據(jù)，為意義構(gòu)建提供支撐。這體現(xiàn)了實驗?zāi)康呐c學(xué)生的核心素養(yǎng)水平層級的同步提升。

5.1 強化實驗的方法功能

現(xiàn)階段，教師在認知和行為上，都容易忽視實驗的方法維度層面的教學(xué)功能[5]。然而事實上，通過化學(xué)實驗教學(xué)，學(xué)生不僅應(yīng)該習(xí)得組裝鐵架臺、滴加液體等化學(xué)基本操作，還應(yīng)該形成微宏結(jié)合、變化平衡等化學(xué)觀念，掌握實驗假設(shè)、設(shè)計、觀察、記錄、分析等一般實驗方法和實驗思維。

在小學(xué)階段，教師應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生盡早形成良好的實驗操作習(xí)慣，突出體驗經(jīng)歷和思考探究的價值，引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的視角看待實驗。在中學(xué)階段，教師仍應(yīng)該強調(diào)嚴謹?shù)膶嶒灢僮?，注重科學(xué)方法的滲透，強化化學(xué)學(xué)科觀念的培育。

例如，小學(xué)生在觀察實驗現(xiàn)象時比較隨意和盲目，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生在實驗中積累經(jīng)驗、尋找規(guī)律，發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的典型現(xiàn)象是顏色變化、生成沉淀、生成氣體等，便于將來有指向性地觀察現(xiàn)象，以提高學(xué)習(xí)效率。而中學(xué)生在實驗觀察時指向性過強，只關(guān)注自己最需要的現(xiàn)象，甚至為了迎合考試時格式化的標準答案的需要，朝著“統(tǒng)一”的方向觀察，久而久之容易對化學(xué)產(chǎn)生刻板印象，且不利于發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象、形成發(fā)散性思維。此時教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生突破預(yù)設(shè)立場的局限，全面地觀察現(xiàn)象，形成生動深刻的印象，同時鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象并做進一步的探究。

5.2 強化實驗的認知功能

面向中小學(xué)生的實驗教學(xué)，都需要學(xué)生基于實驗結(jié)果（反應(yīng)現(xiàn)象），分析背后的影響因素（反應(yīng)本質(zhì)），進而認識物質(zhì)的組成、性質(zhì)、用途（化學(xué)知識）。

教師應(yīng)盡可能創(chuàng)設(shè)生動活潑的教學(xué)情景，降低學(xué)生的認識難度。尤其是對處在具體運算階段的小學(xué)生而言，新知識的引入最好以已知的具體情景為鋪墊，例如在介紹空氣具有氧化性時，可以創(chuàng)設(shè)“氫氧化鈷在隔絕空氣時不變色，但暴露在空氣中變黃”的情景。對到達形式運算階段的中學(xué)生而言，應(yīng)發(fā)展模型認知、證據(jù)推理等需要一定邏輯基礎(chǔ)的關(guān)鍵能力，例如在已知“氫氧化亞鐵在空氣中變色”的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生解釋“氫氧化鈷在空氣中變色”的原因。

5.3 強化實驗的情意功能

實驗的情意功能常常處于“說起來重要，做起來次要”的地位，在本研究發(fā)現(xiàn)中學(xué)生很少關(guān)注化學(xué)之美，相反，小學(xué)生更容易從實驗中獲得強烈的愉悅感、滿足感。這是因為，學(xué)生很容易對未知的、新奇的事物產(chǎn)生直接的興趣，因而小學(xué)生常常驚嘆于化學(xué)的神奇，但隨著閱歷的增加，常規(guī)的實驗對學(xué)生的吸引力會逐漸降低，學(xué)生做實驗的熱情也會逐漸消退。

為提升中學(xué)生對實驗的興趣，一方面可以引入實驗現(xiàn)象直觀新異的趣味實驗，另一方面要引導(dǎo)學(xué)生從感受化學(xué)之美（沉淀的色彩豐富、紋理細膩、形狀動感等）深入到鑒賞化學(xué)之美（從反應(yīng)物的種類、濃度、量、滴加順序等角度探析沉淀顏色、紋理、形態(tài)等具有美感的原因），從表面（反應(yīng)現(xiàn)象）的興趣升華到本質(zhì)（反應(yīng)抽象的因果關(guān)系）的興趣。用這種方法加強美育在學(xué)科中的滲透[6]，保護學(xué)生的好奇心和探究熱情。

致謝： 楊建、程鵬、謝建、蔣麗君、徐潔等老師為本研究的實地授課提供了場地安排、時間協(xié)調(diào)、器材準備等方面的便利，在此表示感謝。

參考文獻：

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