深度学习视角下的化学实验教学

王秀阁 姚晓倩

摘   要

为了落实立德树人的教育目标，以中学化学实验教学为载体，以学生关键能力培养的教学理念为指导，提出实验贯穿教学、驱动质疑、联系生活、构建实验思维导图、自主探究实验和多元评价实验的教学策略，使学生围绕学习内容积极参与，把握化学学科的思想方法，形成内在的学习动机并获得发展，以期提升学生的化学素养。

关键词

深度学习  化学实验  中学化学

化学实验活动是化学学科学习的基石，实验实践活动教学的有效实施是转变学生学习方式和实现化学学科育人功能的重要保障。深度学习缘起于人工智能中多层神经网络的机器学习方法，教育领域的深度学习是指能够超越表层知识达成对知识意义的深层次理解，敢于质疑，主动、批判地学习新思想并将它们融入原有的认知结构中，通过知识迁移在新情境中做出恰当的决策来解决问题[1]。化学实验教学中开展深度學习活动能够培养创新精神和科学态度，对学生形成科学的世界观和方法论有深刻的影响[2]，深度学习活动的开展是核心素养培育与提升的基本途径，也是实现立德树人教学改革深入发展的关键[3]。

一、化学实验对提高深度学习能力的影响

化学实验是科学实践的一种类型，实践活动是落实立德树人教育目标的重要途经。2017年《普通高中化学课程标准》指出化学实验要研究物质性质，探究反应规律，进行物质分离、检验和制备等不同类型化学实验及探究活动的核心思路与基本方法，体会实验条件控制对完成科学实验及探究活动的作用，进一步体现了化学实验教学落实化学学科核心素养的要求。化学实验教学中引导学生深度学习可达到从宏观现象到微观涵盖的复杂概念、结构化知识等知识性目标，高阶思维能力、高水平动作技能的技能性目标，还有知识应用过程中形成的情感态度价值观目标，这些深度学习目标的实现是提升学生核心素养的重要基石。

实验教学的各环节都能为学生的深度学习提供载体，实验现象观察中发现问题，实验设计探究中求证问题，实验异常分析中拓展思维解决问题，实验结果交流中批判性地看待问题解决方案的优缺点，形成自主学习和深度学习的学习习惯，提升学生的化学核心素养。化学变化能够发生的原因与多方因素密切相关，丰富的实验现象能够激发学生主动思考，思考是牵动深度学习的源头。化学教学中利用实验引导学生运用多种感官协同作用认识物质的性质及变化规律，提高观察和分析推理能力;运用已有知识辨析实验现象并对现象产生的原因进行合理推理，形成由具体到抽象、由现象到本质的认知过程，提高证据推理和模型建构能力;根据实验提供的真实情境培养学生信息获取能力和思维辨析、分析解决问题的能力，通过批判思维和知识的迁移应用塑造认真严谨的科学品质，可培养学生坚持持续发展的责任感。

二、中学生化学实验深度学习状况调查

1.问卷的编制与分析

深度学习是学习者利用深度学习法获得高质量学习结果、实现有意义学习的一种学习方式，其最终目标是促进学习目标的全面达成和高阶思维能力的发展[4]。高阶思维能力主要是指批判思维、自主学习、解决问题的能力，结合前人对深度学习的解析及化学实验特点，从深度学习的批判思维、迁移运用能力、知识整合与建构、主动学习与反思四个维度设计“中学生化学实验深度学习状况”调查问卷，了解学生深度学习能力的发展现状，各维度题目分析情况见表1。

2.问卷调查结果与分析

采用李克特五点量表法对问卷各题进行赋分，选项A.完全符合B.比较符合C.不确定D.不太符合E.完全不符合，分别对应5、4、3、2、1分，总分65分，得分越高，说明化学实验深度学习能力越强。选取唐山市部分中学生为调查对象，随机发放问卷160份，回收160份，无效问卷4份，有效问卷156份。

（1）问卷整体结果与分析

问卷平均分43.4分，说明中学生化学实验深度学习意识不强。对批判思维、迁移运用能力、知识整合与建构、主动学习与反思各维度分别分析发现四个维度的平均得分为：3.05、3.62、3.59、3.02，主动学习与反思意识最差，批判思维能力还有待提升，学生在知识的迁移运用和整合建构方面具有较高水平。这一结果说明学生与老师的观点不同时，更多是在“倾听”，而没有进行自主思考和批判性思维的习惯，这就要求老师要不断提高自己的专业素养，教学时给学生留下反驳的机会，鼓励并引导学生用批判的思维方式分析实验现象，寻找充分的证据进行论证和推理。

实验教学中教师可利用学生已具备的知识建构能力，以问题探究为契机引导学生多角度思考，全方面深度学习培养学生的质疑精神，为高阶思维的发展做铺垫。当实验结果与已知结论相悖时，要给学生从实验源头分析为什么出错的机会，同时引导学生从证明和证伪两个角度分析实验过程，并用批判性思维巧妙应用实验反驳学生错误，在实验观察分析与探究中提升深层次学习思考的能力。例如盐类水解复习课中，以FeCl3和Na2SO3实验为引子，实验前让学生根据已有知识分析两者反应可能的现象，但不告诉学生具体的操作步骤。然后学生进行实验，有的学生将FeCl3滴入Na2SO3溶液中，有的学生将Na2SO3滴入FeCl3溶液中，两者实验现象不同，老师抓着此机会，引导学生从物质类别和氧化还原反应两个角度分析FeCl3和Na2SO3反应，根据实验现象的不同如何证明两者发生了哪一类型的化学反应？用证伪的思想怎样用实验反驳和你不一样现象的实验结果呢？批判性的解释酸碱性对该反应发生类型的影响，并进一步探究设计实验证明你的观点。

（2）不同性别学生的调查结果与分析

男女生在理解能力、分析能力、性格特征等方面都有差异，对调查结果分性别进行整理，总体上看男生化学实验的深度学习意识总体比女生好。男生思维活跃度高，会尝试设计多种实验方法，并能选取最优方案进行实验操作，女生心思细腻但缺乏探索意识。实验教学中可以让女生担任小组长，一方面出于责任感，女生会积极探究;另一方面，男生可以从中学习女生认真细心的学习态度，充分发挥男女生的学习优势。

（3）不同年级学生的调查结果与分析

初三到高二学生的年龄在15～17周岁，由叛逆期逐渐走向成熟期，学生的理解力有所提高。而随着年级的增高，学习内容的深度和难度增加，对学生深度学习的要求也逐渐提高。研究不同年级深度学习能力的四个维度平均分（见图1）发现：四维度不同年级阶段的学生得分都不高，相对来说高二学生的批判思维和主动学习与反思意识较强，初三学生的知识整合与迁移运用能力得分较高，说明知识熟练掌握程度是运用知识解决问题的关键，教学中要多创设实验情境，贯穿质疑问题，加深对所学知识的理解，用思维导图、模型建构等方式增进知识的长时记忆。

三、化学实验深度学习的教学策略

问卷调查结果显示中学生深度学习能力一般，结合深度学习的思维方式和不同阶段学生的深度学习现状，以化学实验教学为载体，着重发展主动学习和批判反思意识，掌握知识整合与体系建构的方法，形成知识迁移能力，充分发挥化学实验教学的育人功能。

1.实验贯穿课堂教学，激发学习兴趣

兴趣是引领学习发展的良师益友，化学实验是激发学习兴趣常用的方法之一。实验贯穿课堂教学始终，从观察到的宏观实验现象到反应本质的深入分析，从化学反应本质的深入分析到探究实验信息的深层次加工过程，能够促进知识建构和知识转化的发生，以实验引发的认知冲突推进学生思维发展，进而形成良性循环的学习过程。九年级化学上册第一节“物质的变化和性质”是学生初次接触化学，也是利用实验激发学生学习兴趣的最佳时机。课堂导入时，老师可以展示自己做的“蛋雕”：一个写有“化学”二字的鸡蛋，让学生猜测“化学”二字是怎么写上去的。学生猜测是用笔写的，真相是这样的吗？剥去蛋壳发现蛋白上仍然有“化学”二字，这一现象与学生的猜测形成认知冲突，深层的探究与思考被激发。课堂教学过程中，沿着如何在鸡蛋上“刻字”？“刻字”过程发生了什么变化？“刻字”的思路和原理是什么？一系列的思维发展过程建构知识，伴随着实验操作完成化学性质、物理性质、化学变化和物理变化等重难点知识的学习。实验贯穿教学始终，用实验验证猜想，理论分析实验，初步形成研究物质的一般思路，初建物质研究的思维模型。课堂结束时，结合课堂所学知识留给学生课后“蛋雕”作业，雕刻内容自由发挥，下节课前进行“蛋雕”PK赛。正式学习和非正式学习结合起来促进学习的有效性，增加学习兴趣和加深对学习内容的理解，形成正确的学习观念和态度，落实深度学习目标。

2.实验驱动质疑反思，培养批判思维能力

化学实验过程中充满未知因素，充分利用千变万化的实验现象和不拘一格的实验操作，对实验进行反思质疑，回归探寻科学规律的本质。学生在不确定的情境和不知晓实验结果的前提下，通过实验引发的认知冲突调动学生参与探究活动的积极性，由实验现象驱动对实验本质的探索、分析和求证，反思实验结果的可靠性，获取知识和建构知识，实现思维向纵深发展。由探究情境引发质疑和思考，在求证（证实或证伪）思维和创新思维中拓宽认知角度，实现知识关联化、组织化和结构化理解，从而提升科学思维、判断推理和实践能力，促进学生核心素养的不断形成和发展[5，6]。比如在氯气化学性质的学习中，学生用类比法根据氯气与铜的反应产物猜测氯气与铁的反应产物，大部分学生很可能会做出错误猜测-氯化亚铁，然后设计实验并提出递进性问题引导思考：（1）如何设计该反应的绿色化操作;（2）如何验证反应产物是氯化铁还是氯化亚铁;（3）运用已有知识，寻找能够解释实验现象和实验产物的理论依据;（4）由此实验结果，你得到了哪些启示。经过问题引领设计实验方案、获得实验体验、分析实验结果，逐步进入获取知识、领悟科学观念、掌握科学方法的深入学习过程，发展学生批判思维能力和勇于探究的科学精神。

3.实验联系生产生活，培养迁移运用能力

化学与人类社会、科技、生产生活息息相关，从学生熟悉和感兴趣的生活生产实际中开发实验活动资源，灵活运用自主实验探究和教师引导式实验探究等探究方式，不仅可以完成化学知识的学习，更是为学生提供学以致用的机会，形成社会责任感。以真实生活情境和复杂社会问题为背景材料设置实验教学，实现面向问题解决的信息整合，促进知识建构和迁移应用，运用化学知识解决实验中出现的问题，发展学生归纳推理和演绎推理的能力。比如不同价态铁元素相互转化的知识学习，可用生活中常见的营养燕麦片为对象，从学生关心的生活应用为线索展开实验教学：燕麦片中是否含铁;什么形式的铁能被人体吸收;还原铁粉易被氧化为三价铁，为什么燕麦片中要加还原铁粉;设计实验方案研究补铁剂中是否真的含有二价铁;做为一名质检员，如何检测该燕麦片是否符合生产标准[7]？学生在生活问题的探究中掌握了知识，形成了不同价态元素间相互转化的探究思路，拓宽了认识问题的角度，发展学生在面对化学与社会、生活、科技和环境等问题时运用科学知识解决实际问题的意识，使学生能对与化学的生活问题进行理性思考，做出正确判断，提升知识迁移应用能力和社会责任素养。

4.实验思维导图的构建，培养建构知识能力

实验内容繁多，运用思维导图系统思考实验原理、操作、设计和注意事项间的关系，用图示的形式将相互隶属的层级关系表现出来，建立主题、关键词、图像等知识间的链接，建构实验相关内容的结构化记忆图示，培养学生结构化思考和知识建构的能力。制作思维导图的过程是学生对前后知识建立联系，经过知识内化形成知识体系的过程，利于学生对知识的提取和应用，促进化学素养的提升。

5.实验评价多元化，指导学生深度学习

教师的评价对学生的学习发展非常重要，尝试展开多角度评价，重视形成性评价对深度学习的指引作用，实现教学中的互利共赢[8]。第一，用沟通交流的评价方式，使教和学处于平等灵活的交互模式中。比如在讲解中和热实验时，老师向学生提出疑问——如何操作才能确保实验数据的准确性，老师对作答学生的解答思路进行询问并做出评价，使学生学习的疑难问题得到及时帮助和指导。第二，用“因材施评”的评价方式。比如在配置一定物质的量浓度的溶液教学时，对于动手能力较好而理论计算能力较弱的同学，老师可加强对其实验操作过程的鼓励性评价，对实验数据的计算提出对比性评价，帮助学生树立信心的同时发现不足之处。第三，用生生互评的评价方式。比如小组合作的探究性的实验，同学之间交流沟通，起到相互补充、相互促进的作用，有利于学生的认知向纵深发展。

实验对于化学学习具有不可替代的作用，通过化学实验引导学生体验化学学科的独特魅力，感受学科精神，保持长久的学习动力，培养学生真正热爱化学的学习态度。化学实验教学中，充分利用化学实验的学习特点，转变育人方式，在知识整合与建构、迁移运用、评价方式等方面采用合适教学策略帮助学生学会学习、学会合作，提高学生深度学习能力。深度学习能够使学生独立思考，将知识迁移应用于问题解决中，形成批判性思考方式，維持长久的学习兴趣，实验教学有助于学生养成实事求是的科学态度和不畏艰难的科学精神，利于学生个性化发展，全面提高教学质量。

参考文献

[1] 冯嘉惠.深度学习的内涵与策略-访俄亥俄州立大学包雷教授[J].全球教育展望，2017，46（09）：3-12.

[2] 孙佳林，郑长龙.发展学生化学学科核心素养离不开化学实验[J].化学教育，2019，40（05）：59-63.

[3] 王秀阁.深度学习核心概念的教学研究[J].化学教学，2019，41（12）：40-45.

[4] 吴秀娟，张浩.基于反思的深度学习实验研究[J].远程教育杂志，2015，229（04）：67-74.

[5] 许亮亮，邹正，王瑞霖，等.基于科学核心观念建构的高中化学创新实验研究[J].化学教育，2019，40（05）：64-67.

[6] 王秀阁.化学关键认知能力的发展路径及培养策略[J].化学教育，2020，41（15）：24-28.

[7] 王星乔，藤瑛巧，汪纪苗，等.基于化学核心素养的教学设计[J].化学教学，2017（05）：51-55.

[8] 刘玉荣，史鹏园.“深度学习”视野下高中化学实验教学：问题与对策[J].化学教育，2018，39（17）：58-65.

[作者：王秀阁（1973-），女，河南南阳人，唐山师范学院化学系，副教授，硕士;姚晓倩（1995-），女，河北石家庄人，石家庄市元氏县第一中学，教师。]

【责任编辑  郭振玲】