中学化学实验研究视角的分析及其启示

孙丹儿

摘要：从已有研究及其存在的问题出发，从实验本体和实验教学两个方面，针对已有问题，结合国外研究进展，分析了中学化学实验研究的诸多视角，拓展了中学化学实验研究的思路，提供了实验本体和实验教学创新设计的途径，为中学化学实验研究的提升奠定了理论基础。

关键词：实验本体；实验教学；实验研究；创新设计

文章编号：1005-6629（2013）7-0007-04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

中学化学实验的地位和教学价值历来为化学教学所重视。从教学角度讲，化学教师是化学实验内容的解析和传授者；从研究角度讲，化学教师肩负设计、改进研者究化学实验内容及其教学活动等多重任务。教学和研究两者相互联系与相互促进，对化学教学的效果产生直接影响。作为一名化学教师，面对一个实验，尤其是一个疑难实验，有哪些研究点可循？有哪些方法？实验的教学方法有哪些改进和拓展之处？本文从研究的角度，对实验本体和实验教学两个方面进行分析，归纳在实验本体和实验教学这两个方面，化学实验研究的视角和途径，供同行参考。

1 已有研究及存在的问题

实验本体的已有研究，主要有实验显性因素（实验组成）和隐性因素（实验方法）的研究。统计化学教育类核心期刊《化学教学》和《化学教育》中实验文章所得，显性因素研究中有关实验装置改进所占比例最高为23.11%，有关反应条件改进或设计占15.11%，有关实验装置从无到有设计的占5.33%。隐性因素研究中关于反应原理或机理的探究占15.56%，与理论质疑和验证的研究比例相同；其次为方法改进或创新占15.11%；最后为实验新设计，占10.22%。可见，关于实验创新设计和改进设计的比例失衡，前者明显偏少。对实验内容的分析发现，科学实验方法的重视不够，教师实验新设计的能力不强，理论水平有待提高。在对实验教学的研究中发现，关于创新实验教学模式的开发和应用的案例不多；在探究式实验教学的研究中，中学教师对实验教学效果进行实证研究的也不多。因此，本文结合国内外相关研究进展，对实验本体研究和实验教学新模式展开讨论，提出相关的研究视角和研究途径，以期拓宽中学化学教师的研究思路，提升其研究认识。

2 化学实验本体的研究视角

2.1实验装置

当前研究中，化学实验装置改进和设计中，使用的方法比例由高到底分别有一物多用法（17.5%）、缩放法（16.2%）、移植法（15.0%）、组合法（15.0%）、综合法（10%）、简化法（11.2%）、替换法（7.5%）、强化法（6.25%）、变换输出法（1.25%）。研究者在实验装置研究方面灵活运用了各种设计方法，但是各方法比例不一。主要问题是创新设计和改进设计比例失调，创新设计远少于改进设计；装置改进的重复研究过多；为改进而改进，反而使装置复杂化。因此，在实验装置的研究中，笔者认为需结合具体教学情境，遵循简化原则，增进实验装置的实用性；灵活运用各种实验装置的设计方法，做到有理有据，增强实验装置设计的科学性；平衡实验装置研究和实验其他因素的研究，加强对实验综合影响因素的探讨。

2.2反应条件和反应原理

当前研究中，关于反应条件的研究包括催化剂种类、光源种类、反应物种类、温度、浓度等单一因素的研究及多种反应条件的综合研究。分析当前研究的具体内容，笔者认为在反应条件研究方面，应多利用科学试验方法，加强多种反应条件的探究；应从多个角度对反应条件的探究依据进行阐述，理论和实践结合予以佐证；详细地呈现实验的过程；需从教学和研究两个层面得出结论，使得反应条件的研究既具科学价值又具教学价值。

同样，在反应原理研究方面，尤其是探讨异常或疑难实验的反应原理时，需注重理论分析和实验验证相结合，增强实验结论的科学性；另外，可以适当借助高校实验仪器或手段，以合作研究的方式，提升实验研究的科学性。

2.3新实验开发

新实验的开发，是指从实验课题开发的角度，实现某些化学理论的实验设计或是对某些理论进行验证的实验设计，从而形成研究型课题的研究过程。通过对国内外实验新开发的内容分析，笔者总结新实验的开发途径可以集中于以下几个方面：教材理论的“物化”、基于STS（E）（科学-技术-社会-环境）理念的实验开发、基于手持技术的实验开发、计算机支持的模拟实验开发、学生探究实验的开发。国外在基于手持技术的实验开发和计算机支持的模拟实验开发方面取得了诸多成果，值得借鉴。

2.3.1基于手持技术的实验开发

如图1所示，手持技术实验的核心构成为：实验变量、用于检测实验变量的传感器（探头）、用于数据收集和存储的数据采集器，以及用于数据管理和分析的软件系统。软件系统往往装载于电脑或掌上电脑等。

教育领域中的手持技术发展，主要体现在技术的更新和教学研究内容的转变两个方面。技术更新表现为硬件和软件种类的增多和性能的加强，如传感器种类的增多，数据采集器灵敏度的增强，软件数据呈现和分析方式的多样化以及装载设备便携化和操作简单化等。如图2为国内常见手持技术实验系统，软件系统为学生提供程序化的实验步骤进行实验操作；图3为美国PASCO公司的彩屏触摸式手持技术系统，软件系统依据科学探究模式引导学生实验；图4为NOVA掌上电脑手持技术系统，其软件系统不但包含大量的科学实验，且兼具上网和信息查询，以及文件编辑等功能。三种不同的手持技术系统，体现了基于手持技术实验研究的不同进展，为当前手持技术系统组件的研究提供了方向。

文献研究表明，国外基于手持技术的教学侧重四个方面的研究：学生概念转变和能力考察、新教学模式的探索、教师认识及其能力的调查、教师培训模式的探索。反观国内研究，我国在基于手持技术的教学常规实验改进、抽象理论的实验新设计以及课外实验活动的开发等方面取得了诸多成果，但是在基于手持技术的教学研究方面仍有待提高。在基于手持技术的教学研究方面有以下视角：

可侧重对实验教学模式和应用效果等方面研究（如学生概念转变、能力变化等）。

（1）教师培训方面，对教师的手持技术的认识和使用情况等进行较全面和系统的考察，有针对性的开展教师教育。

（2）实验开发方面，开发多种类型的实验活动，如将验证性演示实验转为学生自主探究实验，将教师导向式探究转为一定的开放式探究，将学生个人探究转向合作式探究，将课堂探究转为野外探究。

（3）多开发优秀的教学应用案例，多收集使用后的反馈意见并改进。将优秀的课例集结成教学手册，建设共享平台。

（4）移动技术（手机、掌上电脑）的适当介入，实现活动内容和数据的师生共享。

2.3.2计算机模拟实验的开发

在模拟实验的开发方面，常见的有单一实验环境的开发，如美国科罗拉多大学开发的PhET，美国西北大学开发的Netlogo等，即可以通过控制模拟软件设置的实验变量，观察一个实验的多种实验现象的一类模拟实验软件，如图5。近几年来，国外在此类模拟实验的开发上，强调如下：实验内容紧密联系实际；微观现象可视化；强调简化事实以促进理解；概念表征的多样化；多个变量可调可控；图像揭示变量间定量关系；提供多种定量的测量工具。这样的设计特点，不但使得模拟软件的通用性加强，而且加强了软件对于提升学生抽象概念理解的作用。

除单一实验环境外，随着计算机技术的不断发展，国外在基于模拟实验的学习系统开发方面取得了诸多成果。这种学习系统就是将单一的模拟实验与一定的教学理论（科学探究、发现式学习、反思性评价等）相结合而形成学习平台。如图6所示，为WISE探究式科学学习系统，该系统为教师提供了一个以探究式教学模式为指导的教学设计平台，学生进入教师设计的主题活动后，进行探究活动，系统为学生探究活动提供了诸多模拟实验及其相关问题，引导学生深入思考，培养技能，增进概念理解。图7为Co-lab科学学习系统，该系统依据发现学习理论设计教学内容，使得学生通过对动态模拟实验的操作和相关内容的学习，深入理解科学概念，并获取相关能力。国外的相关研究中，对模拟实验的教学模式及其教学价值进行了深入的研究，取得了一系列研究成果，尤其是基于模拟实验的学习系统的开发和研究方面，已经朝更为综合化的方向发展，增加了合作学习的要素，也有反馈和评价的功能，为发展学生的多种学习能力提供支持。

3 化学实验教学的研究

美国高中科学实验报告指出：四个因素决定了实验教学的效果，即教师对实验教学效果要有清晰的认识；实验与课堂教学理论全面有序地进行结合；实验需融合科学内容和科学过程；实验过程需结合学生的后续反思和讨论。在实验教学研究中，将实验与教学理论结合的有关研究备受关注。报告指出将教学理论与实验教学结合可以使得实验内容更好地与课堂教学整合。POE（预测-观察-解释）教学模式的开发者Richard White和Richard Gunstone提出，当将实验过程与认知学习的经验（比如POE教学模式）相结合，可以使得实验过程与认知变化过程融合，而不是纯粹联系实验用品、步骤或注意事项等，可以更好地促进学生科学学习。在具体的实现方式中，有以下几种途径。

3.1设计基于POE教学理论的学生实验工作单

POE实验报告的应用有助于学生在实验操作时，能够根据实验工作单的内容，通过重点观察实验现象，引发有关思考，并利用已有知识进行解释。将观察、思考和解释的过程以文字描述的形式在实验报告中体现出来，不但能够促进学生课后反思，而且可以帮助教师认识到学生概念理解水平和相关能力变化，予以反馈和总结。相关研究在POE模式的基础上，依据具体教学要求，对该模式进行了改进，形成了学生实验工作单。如图8和图9所示为两种不同形式的基于POE理论的学生实验工作单。前者通过预测-解释-观察-解释四个步骤引导学生预测、记录并解释实验现象；后者则是从更为具体的角度，呈现学生在各步骤中所要进行的活动内容，使得学生的观察、思考和解释更有针对性和有效性，尤其是对于认知水平较低的学生，更具导向性。

3.2拓展设计POE教学模式

在一些研究中，针对不同的学习情境和特点，研究者试图通过拓展POE的三个关键步骤来加强实验教学的针对性和指导性。如在John Haysom，Michael Bowen的研究中，学生的实验活动围绕拓展的POE模式：激起疑问-介绍实验-预测-讨论-观察-解释-反思、总结或评价。例如，以“溶液”为主题活动，在激起疑问环节中，教师先呈现一段关于糖块溶解后，水中的糖分子质量是否会变化的问题情境给学生，然后收集学生不同的回答，激起认知冲突，使学生对溶解现象及其背后的原理产生兴趣。接着进入介绍实验阶段，为学生提供实验用品和实验步骤，指导学生操作实验，并按照预测-讨论-观察-解释的步骤进行相关内容的填写。在实验完成后，最后环节要求学生思考如何将糖分子从糖溶液中提出来。因此，POE教学模式的拓展设计注重为学生创设问题情境，引导学生进入实验探究，并且注重对结果进行反思，通过解决新问题来评价学生。

3.3设计不同水平的探究式实验教学模式

探究式教学理论与实验教学相结合，是当前实验教学模式创新的主要途径之一。探究式实验教学的基本模式可以归纳为：情境-提问-设计实验-解释-收集数据-分析数据-解释-反思和总结。在实际教学中，教师可以适当删减或增加一些环节来改进基本模式，以适应教学需要。在具体探究式教学设计中，需考虑学生的认知能力来设计不同水平的探究内容。美国学者Carl.J.Wenning归纳了探究水平的划分依据，即依据活动内容所含有的知识和技能与实验活动的控制主体的变化来判断和划分探究式实验活动的水平。往往知识和技能要求相对简单，数量少，以及教师控制环节相对较多，那么此探究水平则降低，反之则高。因此，在探究式实验教学活动的设计中，在遵循教学理论的基本模式情况下，需要依据教学实际和学生水平，设计更多与学生水平相符合的探究实验活动，不能太低也不能太高，使学生在相对自由的探究空间下，习得知识和获得技能。

3.4实验教学与合作学习相结合

以色列威兹曼科学研究院教授Avi Hofstein认为实验为学生和教师参与合作探究创造了良机，借助合作学习的相关理论，在实验中，教师可以激励学生表达实验所得和已有问题的联系，学生和学生之间讨论、解释、反思实验数据，并分析实验数据意义的过程，是学生分析、判断和获得有关知识以及培养反思能力、批判性思维和合作学习能力的有效途径。在大量研究基础上，他提出了双阶段合作探究实验教学模式：第一阶段为初探，即通过直接实验来观察并记录现象，第二阶段则为深入探究阶段，学生小组（3～4人）通过假设、计划、实验、观察并记录、讨论和交流来再探究和分析初探阶段所得结论。在此活动期间，涉及分工、知识分享、激辩、达成等合作学习理论有关的教学要素，需教师借助合作学习理论的教学策略予以引导，使得合作探究式实验教学更为有效。

4 结论

我国在实验本体及其教学研究方面历时已久，尤其是实验本体的研究方面，成果颇多，这也是具有中国特色的一项研究内容。而国外则注重对实验的教学方法应用及教学效果的评价等方面的研究，值得我们借鉴。具体而言，对实验的本体研究，多关注创新设计的研究，减少重复性的研究内容；在阐述实验依据和总结时，需加强理论的论述和实验的佐证；多利用科学试验方法，借助先进的实验仪器，增强实验研究的科学性；切实考虑教学需要，实验设计应面向学生，尽量简洁和实用；关注国外手持技术的实验和模拟实验研究的新进展，有针对性的进行有关培训，多开发创新的教学模式，多研究优秀教学案例以共享。在教学研究方面，借鉴国外的实验教学模式，如POE等，设计适合我国实验教学的学生实验工作单或拓展一定的教学模式，为创新实验教学做出努力；在探究式实验教学活动的设计中，将对实验形式或过程的关注适当转移到对实验内容设计的关注中，针对学生已有认知和能力，设计一定水平的探究式实验活动。另外，在实验教学的活动环节中，依据实验内容的复杂程度、实验能力要求的高低等，来设计学生小组合作实验，来体现合作学习为学生带来的知识获取和思维技能形成方面所具有的价值。