中小学生在化学实验中差异性表现的实证研究

凌一洲 郁志珍 颜晓红 任泽中

摘要： 利用现场观察、文本分析、访谈法，比较了22名中学生和28名小学生在完成相同化学实验时的差异性表现。从方法、认知、情意3个维度分析了参与者在动手操作、观察现象、记录结果、得出结论等各阶段的差异，得出充分发挥化学实验育人价值的教学启示。

关键词： 中小学生; 化学实验; 差异性表现; 实证研究; 教学启示

文章编号： 10056629（2019）7003005中图分类号： G633.8文献标识码： B

学生的核心素养水平应该随着年龄（学历）的提升而同步提升，具体体现在学科认知由浅显到深入、解决问题的情境由简单到复杂、思想观念由模糊到内化等[1]。

因此，在理想状态下，如果让中学生、小学生完成同一个化学实验，并比较学生表现水平的差异，应该会发现中学生与小学生相比，方法、认知、情意等各方面都得到了显著发展。

但是，在实践中并非完全如此。通过研究中学生、小学生的差异性表现，可以更好地理解学生在不同年龄阶段的具体特点，进而得出充分发挥化学实验育人价值的教学启示。

1 研究对象

选取江苏省某中学的22名高中一年级学生、某小学的28名小学高年级学生为参与者。由同一位教师担任中学生、小学生的授课教师。在小学生实验过程中，另有2位教师全程看护、陪同，以确保安全。

2 研究方法

本研究采用现场观察、文本分析、访谈法对参与者进行跟踪调查。

2.1 现场观察法

通过现场观察，可以记录学生在实验各阶段的动作、语言、情绪等现场表现。

在中学、小学分别开设以可视化微型化学实验为主题的校本课程，课程的教学组织形式均以分组实验为主，中学生、小学生每2～3人为一组，以小组为单位合作完成实验。

在课堂上，教师和助教需观察和记录学生的语言、行为、神态等表现，包括实验操作的熟练程度、实验观察的完整程度、实验记录的准确程度、实验过程的情感变化等。

2.2 文本分析法

使用文本分析法，可以分析学生撰写实验报告和课程总结的内容。

在每次实验结束后，各小组需要完成实验报告，包括“实验步骤”、“实验结果”、“实验结论”等内容，鼓励学生在文字描述的基础上，用符号、示意图、实验照片等辅助表达。分析这些实验报告，可以了解学生对单个实验的理解程度和思维发展程度。

在课程临近结束时，每位学生需要完成课程总结，形式和内容不限，可以包括“对课程的总体评价”、“自己的收获与遗憾”、“对某个印象深刻的实验的再思考”等内容。分析这些课程总结，可以了解学生的关注重心、认知层次、情感态度等多方面的信息。

2.3 访谈法

利用访谈，可以进一步了解学生对实验的态度和实验过程中的感受。

对学生的访谈分为两部分： 当堂实验课后和下次实验课前的现场访谈。在当堂实验课后，教师随机挑选学生进行个别访谈，访谈问题为： ①实验操作的难度大不大？有没有遇到困难？②实验是否有趣？实验过程中是否心情愉悦？

在下一次实验课前，教师在查阅学生实验报告的基础上，随机挑选学生以小组为单位进行团体访谈，形式与答辩类似，主要询问学生对实验结果的理解。

3 研究过程

在中小学开设课程，课程内容以动手操作的可视化微型化学实验为主，包含“氢氧化钠与氯化钴反应的微型实验”“置换反应中金属树的观察”“电解反应中金属树的观察”等相同的实验。采用相同的实验，是为了控制变量，即尽量控制除了学生年龄（学历）以外的因素。在實验设计时，有意采用了与教材实验不同的形式与方法（例如上述3个实验都在载玻片上完成，与教材中出现的仪器完全不同），避免中学生因为已经做过类似实验而造成结果的差异。

每次上课，首先由教师讲解实验步骤，学生聆听;然后，由学生动手实验、观察现象、记录结果、得出结论，教师作现场观察;最后，每次实验结束后，教师将抽取学生访谈，每组学生还需完成实验报告;在学期期末，学生需撰写课程总结。结合现场观察、实验报告、课程总结和访谈结果，可以分析学生在化学实验各阶段的行为、认知与情感，并进一步比较中学生、小学生在这些方面的差异。

4 研究结果与讨论

4.1 典型案例

在不同实验中，中学生、小学生呈现的差异表现较为一致，本文以“氢氧化钠与氯化钴反应的微型实验”为典型案例介绍研究结果，并进行深入比较。“氢氧化钠与氯化钴反应的微型实验”过程在载玻片上进行，先在载玻片上滴加少量氢氧化钠溶液，然后在氢氧化钠溶液上滴加一滴氯化钴溶液，观察两者反应的现象。在授课时，教师为小学生详细讲解实验操作步骤，对中学生则简略介绍。本实验的难度较低，且实验原理、操作、现象等都不与教材实验重复，使中学生、小学生都能完成实验并产生自己的理解。实验报告、课程总结和学生访谈的结果如下。

中学生学生A我觉得可视化技术不仅仅可以用在微型化学实验中，还可以用于密度可视化、流体可视化，利用密度差，光会在其中发生折射，利用这些细微的变化再来进一步反映客观事实……本课程较传统课程有着极大的不同，学生可以在做中学，对于真理的探究不会因为课程而结束，从被动的接受到主动去求知思考技术的其他用途;产生对探究的兴趣

学生B在亲自动手操作了一个又一个实验后，对原本抽象模糊的化学概念有了较为清晰的理解，对我在平时化学学科的学习上有了很大的帮助……在校本课程中，不只是单独地进行实验操作，更是培养了同学们的团队协作能力……加深对学科的理解;培养团队协作能力

学生C我想，倘若这样的技术用于医学方面，如微型创口的快速愈合或许也有作用……当然，该实验在将来的作用，还有待发掘思考技术的其他用途

小学生学生D我们迫不及待地开始了实验……接下来会发生什么呢？我好奇地望着液滴……聚精会神地盯着它，兴奋地观察着它的变化，我的心完全被它吸引了……我不禁两眼放光，仿佛见到了海底的红珊瑚……可是，红色加无色溶液怎么会形成别的颜色，会发生这么大的变化呢？我疑惑不解起来……我们可以用富有观察力的眼睛去发现大自然的神奇之处。等到长大了，它们的秘密就会变成知识，刻在我们的脑海里表达对化学实验的喜爱;感叹化学反应的神奇;产生继续探索的欲望

学生E还有美丽的沉淀小实验……每一滴都要小心小心再小心，十分谨慎，一步有错，满盘皆输……便完工啦！从旁边看去，似乎有红绿相间的山峰，又好似是片片彩云漂浮在天空中，美丽极了……最后，要感谢×老师给我们提供材料，为我们打开化学世界的大门感叹化学实验的严谨;感叹化学反应的美丽

学生F这是一门让人着迷的课程，它将我们带入神秘的化学世界……这个过程必须非常小心，稍一疏忽就会失败……最终，大家齐心协力，完成了任务，两种液体相互渗透，产生奇妙现象……生出一种朦胧之美，一种扑朔迷离、腾云驾雾的感觉油然而生……课程虽然结束了，但那一幕幕精彩的画面、一阵阵欢乐的笑声还在我脑中盘旋，感谢学校安排这么有趣的课程，感谢授课的×老师的辛苦付出感叹化学实验的严谨;感叹化学反应的美丽、有趣

当堂实验课后访谈的结果表明： （1）大部分中学生都认为实验操作难度不大，少数认为难度较大（木夹的高度需要反复调节，才能使手机清晰对焦）;而大部分小学生认为难度较大，需要教师或其他小组至少一次的帮助。（2）几乎所有小学生都认为实验很有趣，非常期待每周的实验课;大部分中学生认为实验有趣，但小部分认为实验现象（与大象牙膏、法老之蛇等相比）比较平淡。下一次实验课前访谈的结果可以对表1作交叉验证。

4.2 分析与讨论

为便于研究，可以将学生在化学实验中的表现分为方法、认知、情意3个维度分别讨论。

4.2.1 方法维度的差异

与已经受过实验方法训练的中学生相比，小学生刚刚接触化学实验，其实验方法只能来源于教师的现场引导和生活经验的借鉴。

在操作层面，中学生能规范地完成实验，准确得出结论，但实验观察的指向性很强，容易对实验的现象和过程形成刻板印象。例如，在访谈中发现，所有中学生都认为沉淀反应的现象就是“溶液变浑浊，生成某色沉淀”，因此几乎所有中学生都认为观察沉淀反应，只要观察产物颜色即可。

相比之下，小学生操作的规范性、观察的目的性、表述的严谨性相对较弱。例如，在实验时用滴管取液后可能会平放或倒置，搭建铁架台的顺序有误，没有观察和记录到关键的现象等。

4.2.2 认知维度的差异

中、小学生在认知水平上存在明显差异，根据皮亚杰的认知发展理论[2]，中学生的认知正处于形式运算阶段，而小学生处于具体运算阶段，即中学生的思维活动不需要具体事物的支持，而小学生需要。例如，即便小學生已经看过氢氧化钠与硫酸亚铁反应的实验视频（包括白色沉淀在空气中变黄的过程），但仍然很难把氢氧化钴沉淀变黄与氢氧化亚铁变黄联系起来;而中学生可以构建氢氧化亚铁变黄的化学模型，并用模型解释首次遇见的氢氧化钴变黄的现象。这种模型认知的能力反映出中学生的思维能脱离内容，做出具有逻辑性和创造性的思考，而小学生则不能。

又如，中学生能主动从微观层面思考化学反应的本质（溶液中2种离子结合，生成分子），宏观微观相结合地理解实验（生成的分子不溶于水，在宏观层面表现为固态沉淀）。小学生在实验时仅仅“观察并描述对象的外部形态特征及现象”，即从宏观层面辨识实验现象。

上述认知层面的差异状况与我国课程标准对各阶段学生的认知要求存在差异有关。小学科学课程标准[3]仅要求小学生“了解与认知水平相适应的科学知识”，具体而言，仅需“初步了解常见的物质的变化”。因此大部分小学生仅仅发现了物质颜色和状态的变化，甚至小部分未意识到物质的状态变化（仅认为“两种液体相互渗透”，而未意识到液态变为固态）。高中化学课程标准[4]要求学生认识“一定条件下各类物质可以相互转化”（沉淀反应有新物质生成），“元素在不同物质中可以具有不同价态”（二价钴离子可以被氧化成三价）等，提出了更高的要求。

4.2.3 情意维度的差异

在情感态度层面，小学生的态度更加积极，愉悦感更加强烈。具体而言，一是怀有更强烈的好奇心和实验热情，在实验前满怀期待，在实验时感叹化学的神奇、有趣、美丽;二是对实验的态度更加重视和严谨，认为实验是严肃的事情，要“小心小心再小心”;三是具有团队合作与交流的意愿，每位组员都能积极参与其中。

在价值追求层面，中小学生都以“求真”为基础，但在此基础上，中学生倾向于“求善”（即“追求化学之用”），小学生倾向于“求美”（即“追求化学之美”）。从实验目的上看，中学生更注重实验结论的得出，而小学生更在注重验过程的体验。从实验价值上看，中学生更关注实验结果的应用，而小学生更关注实验本身的趣味和美感。通过访谈发现，中学生的实验目的性较强，认为做实验主要是为了发现物质的性质，发现物质的性质是为了决定物质的用途，因此常常只搜集自己需要的证据（忽略其他关系不大的实验现象）;相反，小学生的实验目的较为纯粹，大多认为做实验是因为好奇、有趣、美丽，例如“因为不知道所以要做实验”、“化学真奇妙”、“现象很美丽”等，因此尽可能会全面地观察、记录实验现象。

5 教学启示

无论在中学还是小学，化学实验的实施和应用都应该承担培育科学素养的作用。中学化学实验教学可以按照课程标准的要求进行;对小学而言，化学实验可以作为常规实验的补充和拓展，承担“科学知识”（了解化学启蒙知识）、“科学探究”（体验科学探究的基本过程、发展思维能力）、“科学态度”（激发对化学的学习兴趣、满足对未知化学世界的好奇心）、“科学、技术、社会与环境”（树立正确的化学观，防止小学生受到社会对化学工业片面的负面印象的误导）等方面的育人价值。

但是，对中学和小学而言，化学实验的教学目的和侧重点应该随着学生能力水平的提升而改变，以有效发挥化学实验教学的良好功能。对小学而言，化学实验侧重对现象的观察，为学生提供感性认识，增强知识的直观性，同时激发学生的兴趣;对中学而言，化学实验侧重对现象的分析与讨论，为学生的知识积累提供情境，为实验探究提供证据，为意义构建提供支撑。这体现了实验目的与学生的核心素养水平层级的同步提升。

5.1 强化实验的方法功能

现阶段，教师在认知和行为上，都容易忽视实验的方法维度层面的教学功能[5]。然而事实上，通过化学实验教学，学生不仅应该习得组装铁架台、滴加液体等化学基本操作，还应该形成微宏结合、变化平衡等化学观念，掌握实验假设、设计、观察、记录、分析等一般实验方法和实验思维。

在小学阶段，教师应该培养学生尽早形成良好的实验操作习惯，突出体验经历和思考探究的价值，引导学生用科学的视角看待实验。在中学阶段，教师仍应该强调严谨的实验操作，注重科学方法的渗透，强化化学学科观念的培育。

例如，小学生在观察实验现象时比较随意和盲目，教师应该引导学生在实验中积累经验、寻找规律，发现化学反应的典型现象是颜色变化、生成沉淀、生成气体等，便于将来有指向性地观察现象，以提高学习效率。而中学生在实验观察时指向性过强，只关注自己最需要的现象，甚至为了迎合考试时格式化的标准答案的需要，朝着“统一”的方向观察，久而久之容易对化学产生刻板印象，且不利于发现异常现象、形成发散性思维。此时教师应该引导学生突破预设立场的局限，全面地观察现象，形成生动深刻的印象，同时鼓励学生发现异常现象并做进一步的探究。

5.2 强化实验的认知功能

面向中小学生的实验教学，都需要学生基于实验结果（反应现象），分析背后的影响因素（反应本质），进而认识物质的组成、性质、用途（化学知识）。

教师应尽可能创设生动活泼的教学情景，降低学生的认识难度。尤其是对处在具体运算阶段的小学生而言，新知识的引入最好以已知的具体情景为铺垫，例如在介绍空气具有氧化性時，可以创设“氢氧化钴在隔绝空气时不变色，但暴露在空气中变黄”的情景。对到达形式运算阶段的中学生而言，应发展模型认知、证据推理等需要一定逻辑基础的关键能力，例如在已知“氢氧化亚铁在空气中变色”的基础上，要求学生解释“氢氧化钴在空气中变色”的原因。

5.3 强化实验的情意功能

实验的情意功能常常处于“说起来重要，做起来次要”的地位，在本研究发现中学生很少关注化学之美，相反，小学生更容易从实验中获得强烈的愉悦感、满足感。这是因为，学生很容易对未知的、新奇的事物产生直接的兴趣，因而小学生常常惊叹于化学的神奇，但随着阅历的增加，常规的实验对学生的吸引力会逐渐降低，学生做实验的热情也会逐渐消退。

为提升中学生对实验的兴趣，一方面可以引入实验现象直观新异的趣味实验，另一方面要引导学生从感受化学之美（沉淀的色彩丰富、纹理细腻、形状动感等）深入到鉴赏化学之美（从反应物的种类、浓度、量、滴加顺序等角度探析沉淀颜色、纹理、形态等具有美感的原因），从表面（反应现象）的兴趣升华到本质（反应抽象的因果关系）的兴趣。用这种方法加强美育在学科中的渗透[6]，保护学生的好奇心和探究热情。

致谢： 杨建、程鹏、谢建、蒋丽君、徐洁等老师为本研究的实地授课提供了场地安排、时间协调、器材准备等方面的便利，在此表示感谢。

参考文献：

[1]朱鹏飞. 研究化学学科核心素养需要关注的几对关系[J]. 化学教学， 2018， （6）： 12～18.

[2]卢濬. 皮亚杰认知发展理论对教育的影响[J]. 教育研究， 1989， （5）： 23～28.

[3]中华人民共和国教育部制定. 全日制义务教育科学课程标准（实验稿）[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2001.

[4]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[5]王强， 周婧， 郭明， 等. 化学实验在小学科学教育中的教学功能研究[J]. 化学教育， 2014， 35（12）： 45～48.

[6]江乐霄， 王伟. 初中化学中的美育： 功能、类型及实践策略[J]. 化学教学， 2018， 40（7）： 23～27.