人教版高中化学实验探究水平研究

张嘉新 宫丽红

摘要：将探究水平重新分类并分析每个探究水平的作用，将其应用于分析新教科书必修部分探究性实验，探讨新教科书培养与提升学生探究水平的方式，进而提出教学建议。对指导中学化学课程合理实施科学探究有积极作用。

关键词：探究性实验;探究水平;教学建议;高中化学

文章编号：1008-0546（2021）09-0072-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.09.019

科学探究是世界范围内普遍倡导的一种研究范式，科学探究已经成为学生积极主动地获取科学知识、认识和解决科学问题的重要实践活动[1]。化学是一门以实验为基础的科学，化学实验是培养学生科学探究的重要途径之一。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对于化学实验提出了明确的学业要求：“有较强的问题意识，能提出化学探究问题，能做出预测和假设。能依据实验目的和假设，设计解决简单的实验方案，能对实验方案进行评价。能运用实验基本操作实施方案，具有安全意识和环保意识。能观察并如实记录实验现象和数据，进行分析和推理，得出合理的结论。能与同学合作交流，对实验过程和结果进行反思，说明假设、证据和结论之间的关系，用恰当形式表达和展示实验结果[2]”。强调要以科学探究的方式研究实验。基于此，化学教科书安排了多个探究性实验，笔者以2019版人教版高中化学必修教科书（下称新教科书）中探究性实验为研究对象，分析了这类实验的探究水平，并对培养和提升学生的探究水平提出了教学建议。

一、探究水平的提出

课程理论专家施瓦布（J.J.Schwab） [3]1962年首次依据教师或教科书与学生在提出问题、设计方案、得出结论三个探究要素中所占地位，将探究水平划分为三个依次升高的水平，学生的自主性逐步增强，探究活动开放性逐步增强。

此后，教育家赫伦（ Herron）[4]对施瓦布的探究水平体系做了继承和发展，提出在三个探究水平基础上加入水平0，该水平的三个探究要素均由教科书或教师提供，不具有任何开放性。各水平特征见表1。

我国研究者张新宇[5]、姚娟娟[6]等也对化学探究性实验的探究水平进行分类研究。笔者根据赫伦的探究水平分类也对其分类进行了研究。

二、探究水平分类

1.探究要素

笔者在赫伦三个探究要素基础上，增加方案实施探究要素，共有四个探究要素：问题提出、方案设计、方案实施、结论得出。

问题提出是对整个探究性实验提出总领性问题，是探究性实验的起始。

方案设计是依据探究性问题和相关知识设计实验步骤，决定整个探究性实验的方向。

实验实施主要包括仪器选择和连接，实验现象的观察和记录。化学实验是认知技能、操作技能的综合培养。学生是否有能力、有思路进行方案实施将决定实验能否顺利进行，实验实施是探究性实验的重要探究要素之一。

结论得出是依据实验现象和所学知识的综合分析得出，是整个探究性实验的重要一环。 新教科书中一些探究性实验配有该实验的仪器选择和连接以及实验现象的图片，则该实验的实验实施知识对于学生来说，是教科书直接给出的。一些探究性实验仅给出实验实施的文字描述，需要学生自主选择和连接实验仪器，观察和记录实验现象，是较高水平的考察。另一些探究性实验的实验实施由学生自主設计，是更高水平的考察。

2.探究水平分类依据

笔者将新教科书中探究性实验逐一分析，依据新教科书对探究性实验各探究要素指导程度的不同，进行探究水平分类。各水平具体特征见表2。

3.探究水平分析

（1）水平0

问题提出、方案设计、方案实施、结论得出均由教科书直接给出为水平0探究性实验。

水平0探究性实验的结论是学生完全没有接触过的，即使教科书直接给出详细的问题提出、方案设计、方案实施探究要素，学生也不能够分析得出探究结论，探究结论必须由教科书直接给出。水平0探究性实验虽然将各个探究要素都直接给出，但是学生经历了完整的探究过程，在实验探究中获得的知识和方法也为学生提供了新的探究思路，为提升学生探究水平做准备。

例如实验2-2，教科书正文提出问题：“如果加热，钠又会发生什么变化呢[7]”？实验内容：“将一个干燥的坩埚加热，同时切取一块绿豆大小的钠，迅速投到热坩埚中。继续加热坩埚片刻，待钠融化后立即撤掉酒精灯，观察现象（如图1所示）[8]”。钠在空气中加热学生根据已有知识可以分析出生成物是氧化钠的实验结论，但是氧化钠继续加热且生成物颜色由白色变为淡黄色，表明氧化钠在加热条件下能与空气继续反应，但是学生没有学习过过氧化物的相关知识，不能结合已有知识分析得出结论，所以实验结论必须由教科书直接给出;即该实验四个探究要素均由教科书直接给出，为水平0探究性实验。学生通过探究性实验，扎实地学习了过氧化物知识，并能运用到今后的探究性实验中。

（2）水平1

实验的问题提出、方案设计、方案实施由教科书直接给出，结论由学生得出为水平1探究性实验。

学生处于探究水平的初级阶段，尚不具备自主提出探究问题、设计实验方案、进行实验实施的能力，但是学生可以依据所学知识和教科书给出的探究要素内容分析得出实验结论，这不仅提升了学生的参与度，锻炼了学生分析问题能力，而且学生通过参与探究过程得出结论更有成就感。同时在探究性实验中培养学生多种实验探究方法和探究思路，水平1探究性实验对学生的探究水平培养起模板作用，为实验探究水平提升奠定基础，所以新教科书中水平1探究性实验数量最多。

例如新教科书必修1第34页探究，钠与水的反应：“①从物质组成及氧化还原反应的角度，预测钠与水反应的生成物。②在烧杯中加入一些水，滴入几滴酚酞溶液，然后把一块绿豆大小的钠放入水中。从钠在水中的位置、钠的形状变化、溶液颜色的变化等方面观察和描述实验现象。分析实验现象，得出哪些结论？③钠与水反应的生成物与预测是否一致[9]”？

虽然学生没有学习过金属与水的反应，但是学生已经学习过氧化还原反应知识，能够依据该知识做出合理推断，并能通过实验现象验证自己推断的结论，即学生有能力自主得出实验结论。该实验的问题提出、方案设计教科书都明确给出，在实验实施环节，不仅明确提出观察计划，且配有实验现象图片（如图2所示），由学生分析得出实验结论，该实验为水平1探究性实验。

（3）水平2

问题提出、方案设计两个探究要素由教科书直接给出，方案实施探究要素，教科书仅给出文字描述，结论由学生自主得出的探究性实验为水平2探究性实验。

通过水平1探究性实验模板的学习，学生已经熟悉探究性实验的一般思路和方法，了解实验实施的过程和实验仪器的选择与连接，能够在教科书没有给出完整的提示的情况下完成该环节。水平2探究性实验在培养学生依据实验现象得出实验结论的基础上，进一步培养学生的实验操作能力，学生在这一水平，基础探究能力得到充分的锻炼和提升，探究水平稳步提升，探究方法和思路的构建已经基本形成。但是由于知识和探究水平的限制，学生尚不能自主提出探究问题、设计方案和进行完整的方案实施。

例如新教科书必修1第84页实验活动2，铁及其化合物的性质：①提出实验目的;②给出实验用品;③给出文字实验步骤;④提出问题与讨论。该实验所涉及的仪器选择和连接及实验结论涉及的知识是学生学习过的，所以学生有能力在教科书不给出完整的实验实施探究要素情况下，自主得出实验结论，进一步提升实验操作能力。该实验问题的提出，方案设计教科书明确给出，方案实施教科书仅给出文字提示，结论由学生自己得出，该实验属于探水平2探究性实验。

（4）水平3

问题提出由教科书直接给出，方案设计、方案实施、结论得出均由学生自主得出，为水平3探究性实验。

水平3探究性实验属于较高水平的探究性实验，新教科书引导学生根据所学知识和探究方法框架，对实验内容进行自主探究。在水平3探究性实验中，教科书仅给出实验探究问题，给学生足够的思考空间，允许学生在预设的框架内不断尝试，让学生亲身参与更多环节的科学探究过程。该探究水平的实验可以发展学生的探究能力，通过自己的努力获得知识，体验探究的乐趣，获得信心，为更高水平的探究打下坚实基础。但由于一些知识还没有学习到，学生的探究水平仍有待提高，学生在这一水平尚不能自主提出探究性问题。

例如必修2第70页探究，烃的分子结构：①实验目的：借助模型认识烃的分子结构;②方案设计和方案实施教科书没有给出;③问题和讨论。学生已经分别学习了甲烷、乙烯、乙炔的结构式、电子式等知识，该实验将烃的分子结构放在一个实验中探究，学生已经学习了足够的理论知识;参与了大量探究性实验，学生有能力在教科书仅给出探究问题的情况下完成实验探究。该实验探究问题由教科书给出，方案设计和方案实施以及结论得出均由学生自主得出，为水平3探究性实验。

（5）水平4

问题提出、方案设计、方案实施、结论得出均由学生自主得出为水平4探究性实验。

水平4探究性实验是最高水平的探究性实验，新教科书只在元素化合物模块设置了一个最高水平的探究性实验，虽然必修部分探究性实验的探究水平不做过高要求，但是这个探究水平实验的出现并不突兀，教科书在元素化合物模块的探究性实验的探究水平设置逐步提升。经过教科书的不断培养，学生有能力进行完全自主的探究。学生独立进行完整的探究过程，可以更好地培养学生的探究意识和科学精神。

例如必修2第8页探究，不同价态含硫化合物的转化：“从含硫物质的转化关系中选择一种或几种，设计实验实现其转化，并填写表格[10]”。学生已经进行过大量元素化合物知识的学习，并且学习了元素周期律，有强大的理论支撑学生进行自主探究。教科书仅做简略要求，该实验的四个探究要素均由学生得出，为水平4探究性实验。

三、新教科书探究性实验水平统计

统计样本不同探究水平探究性实验出现在人教版新教科书化学必修第一册、第二册中的具体章节及出现的频率（见表3、表4），并分析其作用。

由表3、表4可知，新教科书水平0探究性实验仅在元素化合物部分出现两次，且都是在正文“实验x一x”中。这两个探究性实验与其匹配的知识内容出现的位置较为靠前，此时的学生的探究水平处于较低状态，而且这两个实验所对应的实验结论是学生在以前的学习中没有学习和接触过的，实验结论必须由教科书给出，同时为学生提供新的探究思路。

水平1探究性实验在新教科书的每一章均有分布。在必修阶段，学生学习很多化学知识，如氧化还原反应的原理等，可以作为推断依据。水平1探究性实验大量出现，涉及不同章节的不同知识，旨在提供大量的探究思路及探究方法，帮助学生更好地理解和记忆新知识的同时，掌握探究模板，为提高探究水平做准备。

水平2探究性实验共有5个;三个出现在“实验x—x”，两个出现在“实验活动x”。水平2探究性实验共同特点是：①实验没有危险;②实验药品、实验仪器简单，操作流程不复杂;③实验现象明显;④学生已经掌握一些知识，具有推出实验结论的能力。水平2探究性实验出现在新教科书某一章的末尾或某一模块的末尾位置，不仅能调动学生已有知识，还能有效促进知识迁移。

水平3探究性实验共有3个，其中元素化合物模块一个，有機模块两个。随着元素化合物知识学习的深入;学生掌握的探究模板数量不断增加，学生的探究水平不断提高。在必修一结束部分安排水平3探究性实验，要求学生自主设计实验方案、自主进行方案实施，自主得出结论是合理的。有机部分的两个水平3探究实验都是搭建模型认识分子结构的实验，按照正文内容和实验内容的安排顺序来看，有机物分子结构已知。新教科书将这三个实验设置为水平3探究性实验，有助于学生对所学知识和探究模板的综合应用，有助于学生的探究水平的提升。

水平4探究性实验仅有一个，出现在必修二元素化合物模块的末尾部分，在这一阶段学生已经学习了大量元素化合物知识及元素周期律的知识，掌握了探究性实验的思路和方法。能够自主进行高水平的实验探究。该实验不仅调动了学生学习过的元素化合物知识、实验探究模板知识，同时由于各个探究要素均由学生自主得出，学生的思维得到极大的锻炼，科学探究水平得到极大提升。

总体来说，新教科书水平1探究性实验安排最多，水平0、水平2和水平3探究性实验设置较少，水平4探究性实验仅有一个。而且新教科书中探究性实验的探究水平并不是单一的直线上升，而是在将学生的探究水平由较低探究水平培养到较高探究水平后，仍然设置较低探究水平的实验，将不同探究水平的探究实验穿插排列，不断地巩固学生探究水平，教给学生不同的探究方法和探究思路。新教科书试图将学生带入到具有探究特征的具体情境中，吸引和引导学生积极参与其中，逐步培养和提高学生探究水平。

四、关于实验探究水平的教学建议

笔者根据探究水平分类框架及新教科书设置的探究性实验的探究水平分析，对新教科书各个探究水平的探究性实验的培养和提升提出教学建议。

1.各水平探究性实验教学建议

（1）水平0

水平0探究性实验的探究结论是学生没有学习过的知识，学生会对实验现象及结论有强大好奇心，有参与实验探究的兴趣。教师在进行水平0探究性实验教学时，做好问题提出这个环节就显得尤为重要。可以采用认知冲突、设疑、引入生活情境的方式提出探究问题，吸引学生注意力。教师在教学中注意实验节奏紧凑，实验现象明显，对每一个探究环节都和实验现象涉及的知识点都应讲授清楚，环环相扣，从而让学生能够接受和掌握实验结论。

（2）水平1

水平1探究性实验要发挥模板作用，应该让学生集中注意力全程参与。水平1探究性实验的实验结论学生可以由实验现象推断出来。教师应在水平0实验教学的基础上，引领学生一步一步分析实验步骤、实验的仪器的选择和连接、实验现象。对于基础型学生可采用自由讨论的方式得出探究结论，对于优秀学生可让学生自己思考得出探究结论。

（3）水平2

水平2探究性实验的实验实施环节仅有文字描述，一些学生可能会不习惯。教师在做好问题提出和实验方案设计的教学基础上，在实验实施环节可提供多样化的实验仪器供学生选择，让学生根据实验步骤选择并连接实验仪器;由学生描述实验现象并分析其对应的实验结论，不全的由其他学生补充，最后由学生共同总结出实验结论。

（4）水平3

学生初步接触探究水平较高的探究性实验，需要教师带领学生简要复习涉及的知识，引导学生在一定框架内进行探究，再提出探究问题，带领学生初步分析实验。水平3探究性实验可能包含多个小型探究性实验，而学生又刚开始自主设计实验方案，所以可以采用分组实验的方法，每个小组负责一个实验，最后一起总结整个实验的探究结论。教师在教学中应及时指导和纠正学生的实验操作，遇到共性问题讲解给所有学生。

（5）水平4

水平4探究性实验四个探究要素均由学生自主得出，在此之前学生已具备自主进行实验方案设计、实验实施、得出实验结论的能力，学生能否自主提出探究性问题，是能否达到水平4的关键。教师在进行实验教学前，可先告诉学生要完全自主地完成探究性实验，激发学生想要胜任的心理，产生较强内驱力完成高水平实验探究。教师依据实验内容，引导学生说出几种物质，让学生分析几种物质的区别与联系，引发学生的思考，给学生充分的思考空间，让学生自主探究。教师巡堂观注学生的状况，及时给予干预和指导。

2.将低水平探究提升至高水平教学建议

一些高水平学生不满足于教科书提供的探究性实验的探究水平，针对这种情况，教师可在教学中适当将低水平探究性实验提升至较高水平。水平0探究性实验位置靠前，且实验结论学生没有学习过，不宜贸然提升探究水平。水平1、水平2、水平3探究性实验在大量练习后，可以考虑将一些低水平探究性实验采用较高探究水平的教学方式进行教学。或在进行完较低水平探究性实验后，及时引入相同类型的探究性实验，采用较高探究水平的教学方式引领学生进行探究性实验。

参考文献

[1]张新宇，王祖浩.国外关于“探究水平”研究的述评[J]。教育科学研究，2009（5）：72-75

[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年

版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020

[3]Schwab&Brandwein.The Teaching of Science[Ml.Cam-bridge， Massachusetts： Harvard University Press， 1962

[4] Herron， M.D.The nature of scientific enquiry[J].SchoolRe-vlew，79（2）：171-212

[5]張新宇，占小红，陈琳.基于探究水平的科学教材活动比较研究[J].化学教学，2012（10）：10-13

[6]姚娟娟，王世存，姚如富，等.高中化学教材中实验类栏目的探究水平和探究技能研究[J].化学教学，2020 （10）：19-23+29

[7][8][9]化学课程教材研究发展中心.普通高中教科书（化学必修第一册）[M].北京：人民教育出版社，2019

[10]化学课程教材研究发展中心.普通高中教科书（化学必修第二册）[M].北京：人民教育出版社，2019

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