化学探究实验教学中的外延研究，本文主要内容关键词为：外延论文,化学论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
化学是一门重要的基础科学，化学是一门实验性科学。通过在原子分子水平上对物质的组成、结构、性质和变化的研究，化学促进了人们对物质世界形成和发展的认识。所有的化学研究成就都源自于化学家的实验室工作。可以说和数学、物理相比，化学更注重物质的个性。虽然近年来理论化学取得了长足的进步，例如，计算化学作为新兴的化学分支对新物质的发现与合成、对化学学科的进步起到了重要的作用，但是所得结论仍然需要通过精心设计的实验来验证，这更说明了化学仍然是一门实验性科学。 实验教学是化学教学中最为重要的一环，在教学中，教师的每一个讲解，如果不能得到实验的有效验证，其说服力就会大打折扣。俗话说：宏观看现象，微观找原因。“宏观看现象”离不开实验，实验是化学实现宏观—微观联系的基础和保证。实验不但为化学科学中概念和假说的形成提供基础材料，为化学科学的形成和发展提供科学事实，而且可以检验科学假说，否定错误的假说，支持和完善科学理论。 现在探究实验可以说是非常流行，凡是教学必要探究，而过去在教学中比较重视的是探究的内涵，注重探究的形式，也就是让学生主动感知这是在探究，让学生认知对某件事或者知识的一种认知感觉，强化解决具体教学目标，却忽略了所有的知识学习从根本上来说都是探究，也就是探究式可以无限扩大，即探究的外延没有得到重视。 一、探究的第一个外延是想象力 德高望重的科学家钱学森一生言辞甚微，但在其弥留之际以最和蔼的口吻很留面子地向中国总理发出了提问：“为什么我们的学校总是培养不出杰出的人才？”其实钱学森心里未必就不知道问题的答案，也未必就仅是对中国的教育界发出提问，而这个提问至今没有人能令人信服地回答，不能不说这是当下的中国人尚且还回答不起的一个悬疑问题。 我们的学生缺乏好奇心、想象力和批判性思维能力。好奇心和想象力部分来自天生，至少有一些人是这样的，但是后天会把它们磨灭。所有的教师都有这个体会，初中课堂或多或少有纪律问题，但绝不会担心课堂互动，不会冷场。然而到了高中，课堂上总是死气沉沉，提问是没有人主动回答的。因此化学实验教学首先要做到的就是满足学生的好奇心，激发其想象力，培养其批判性思维。 郑长龙将教学行为归纳为两大类7小类24种行为，其中教师主体15种，学生主体9种。与实验直接有关的教学行为见下页表1[11]。 我们从表1中不难发现，实验在教师教学环节中的重要性与地位似乎没有我们强调的那么重要。而在学生那里，实验的地位却非常地显赫。探究不是书本上的思想的探究，而是必须通过实验来完成的。所有的化学教师都曾经有过上课演示实验演砸了的经历。笔者从教的第一年，演示铁丝在氧气中燃烧的实验（图1），上课前试做，听老教师一节课，第一个班上课正常，第二个班再做却怎么也做不出来。课后再试，有的成功，有的失败，究其原因就是铁丝放入氧气瓶中的时机太早了，火柴梗首先燃烧，将氧气耗尽，现象不佳，过晚则铁丝温度不够，无法与氧气反应。如果用一句话来概括，就是在火柴梗将熄未熄时放入氧气瓶，此时，火柴梗已经燃烧完毕，不会消耗集气瓶中的氧气，而余温尚在，得以保证铁丝的温度，使其在氧气中能够燃烧，此时的现象最佳。
学生实验课时，通常这个实验作为教学实验的一个环节，课堂上给的时间非常少，一节课既要制备氧气又要进行性质实验，学生在开始发现实验不成功时，通常的态度就是实验失败了，而后进行其他的实验。面对这种情况，教师就会直接将最佳方案告诉学生，而不会让学生经历失败。学生少了一次发现问题、解决问题的机会。 多年后，将这个问题作为探究课题，让学生在实验中经历失败，发现这个“难题”，并且解决这个“难题”。首先在课堂上不告知学生最佳方法，学生实验失败后进行讨论，再专门安排课时进行探究。由于问题切入点接近学生，学生非常感兴趣。其实最让学生感兴趣的是这个问题在任何参考书和课外班上都没有答案，从而使学生产生了研究的动力。而学生的想象力大大超过了预想，学生提出的方法各种各样，他们研究了铁丝的长度、卷曲程度、粗细程度、钢丝与铁丝的差别等多种因素。我们过去为了追求课堂效率反而失去了很多很多，况且我们以为的正确答案难道就永远都是正确答案吗？ 给学生的探究课题其实并不需要高端大气上档次，探究实验设计的起点在于发挥学生的想象力。 二、学科综合是探究的第二外延 学习是一种特殊的劳动。学习的过程就是培养自己的过程，是开发自己智慧的过程，是投资未来的过程。学习有两条路，一条是书本学习，另一条是在实践中学习。无论是通过哪种方式，最终都是要将知识运用到实践中去，去解决实际的问题。而如果仅仅从书本上得知，在运用到实践的过程中就必然还需要一次转化的过程。 素质教育就是培养好习惯的教育方式。实验教学是素质教育的基础，探究教学是素质教育最佳的载体。 在探究教学中，不论是物理、化学、生物等自然科学，还是历史、哲学等人文科学都存在着探究，而在教学中各个学科是各自为政的，缺少学科间有效的关联，很少有教师在教学中主动利用其他学科的知识与技能协助解决本学科的问题。 在教材中有一个乙醇和加热过的铜丝反应实验，用来证明乙醇的催化氧化，这个看似简单的实验，有学生提出，该实验使用的是无水乙醇，如果使用不纯的乙醇或者说含有水分的乙醇，该反应能否进行，也可以说，当乙醇的浓度下降到多大浓度的时候该反应就不存在。学生能够主动提出问题非常好，并且这个问题虽然已有结论，但学生不易查到，这个探究不是一个简单的定性实验而是通过定量研究，再寻找和运用一些基本分析方法，自己设计实验。学生利用业余时间几次调整方案，虽然方法还有待继续完善，但总体上效果较好，也和已知的结论基本吻合。提交的实验报告虽然非常稚嫩，但该有的要素基本齐全。而最难得的是，学生发现了另外一个规律，即随着酒精浓度的下降，反应时间延长，通过反应时间可以近似测定酒精的浓度，并能用绘图的形式表现出来（下页图2）。 虽然学生作的图有着明显的缺陷，没能进行直线拟合，但是瑕不掩瑜，其探究的思想和直觉值得学习和借鉴。而这个缺陷也暴露了我们学科之间缺少有效关联的问题。
学生创立了新方法之后，问题并没有结束，还需要开阔思路，如还有什么其他方法可以解决同一问题。学生最后利用类似的思维方式，继续探索，发现可以根据密度近似估算酒精浓度，酒精浓度越大密度越小，且密度与浓度之间呈线性关系。学生还大胆提出设想，沸点与酒精浓度有无关联，经过多次实验，学生发现，将不同浓度的酒精置于恒温水浴锅内加热，其加热至沸腾的时间不一样，酒精浓度越大，沸腾得越快。3种实验方法得到的曲线惊人的一致。 学生最后研究已经超过了教师的想象，并且已经从单一的化学转变为物理与化学的结合。 三、科学思想方法训练是探究教学最重要的外延 吴俊明曾经撰文指出现在化学实验教学存在的几个问题[2]。 （1）课题选择缺乏系统性，存在着重复和偏废现象，研究的资源配置不合理。 （2）对实验方案的评价标准尚未形成合理和比较普遍、稳定的共识，使得一些研究结果难以得到广泛的认可。 （3）应用科学理论指导不够，不善于应用化学和其他科学已有的成果来解决实验中的问题，有的甚至违反科学规律、得出不符合客观实际的结论。 （4）方法粗放、手段落后、缺少计划。有的盲目地用尝试—错误法寻找最佳实验条件，效率低下，或者对影响因素的研究停留在简单比较的水平上（甚至于不进行比较），定性研究多，定量研究少。 （5）实验研究成果表达形式各异、尚未形成规范；有的表达过于简单，或者不完整，使别人看了不得要领；研究结果的复核、鉴定、评价、交流制度尚未形成等等。这些情况表明，目前的中学化学实验研究方法多数还停留在直觉和经验的水平上。没有理论指导的实践是盲目的实践，缺乏理性的研究其水平难免低下。要取得中学化学实验研究的进步，必须用中学化学实验研究方法论作指导，应用科学理论和科学知识来提高研究水平。 控制变量是中学最常用的科学方法，然而只有在做探究题时学生才会有使用控制变量法的意识，而对于平常的实验往往忽视科学方法的使用[3]。 在初三讲解到复分解反应的时候，如果单纯地介绍复分解反应规律为要有气体、沉淀、水生成，而后进行实验验证（这是非常传统的教学方式），那么对学生的科学逻辑训练没有任何帮助。笔者设计了一组探究实验，并将其设计为表2形式。
学生按照表2中①②两项完成实验，观察记录现象。提出假设并利用实验验证。 学生在实验时就会发现一组有现象，一组无现象，是哪两种离子有反应？学生都能够提出应该是硫酸根离子和钡离子发生反应。但是仅仅这一个实验就能说明硫酸根离子和钡离子发生反应，而这正是我们平常教学最忽视的问题。用一个实验就证明了一个规律。 学生要真正研究，就要进行分类，将各种试剂分为酸、碱、盐，在盐类中再分硫酸盐、盐酸盐、钠盐等等，通过实验对比，自主设计，对实验现象进行归纳对比。通过排除干扰，能确定是硫酸根离子和钡离子发生反应。 问题既是研究的起点，又是研究探索的内在动力所在，善于提出和发现问题是创造性思维的第一步，也是科学发现的关键一步。爱因斯坦说：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。”因为解决问题也许仅仅是一个数学或实验上的技能而已，而提出一个问题，用新的可能性、新的角度去看待旧的问题却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。难点在于如何引导学生发现问题。 在平时的实验教学中，其实有很多实验都是值得我们引导学生进行探究的。例如，乙烯的制备实验都会出现副产物
以及液体变黑的现象，因为已经见怪不怪，形成了研究的盲区。而引导学生在这类实验中进行一些探究则显得非常有意义，并且对学生来说不但强化了课堂知识，更强化了科学思维。 学生先通过查阅文献，而后进行一系列的实验，分别使用了浓硫酸催化乙醇制乙烯、浓硫酸和五氧化二磷混合催化乙醇制乙烯、氯化铁催化乙醇制乙烯、溴乙烷制乙烯几种方法进行对比，最后得到结论：“从实验室制取的角度来说，转化率、反应速率、副反应及副产物均是影响反应选择的重要因素。综合实验所得数据及分析，最适宜在实验室中使用的方法是浓硫酸、五氧化二磷催化乙醇制乙烯。”但是这个结论却存在重大缺陷，因为学生没有做单独五氧化二磷催化实验，那么得到浓硫酸混合五氧化二磷催化乙醇制乙烯最佳的结论就显得牵强。 郑长龙曾经归纳了4点实验学习的特点，实验是化学实验学习的基础；化学实验学习是大胆想象与小心求证相结合的过程；化学实验学习是动手操作与动脑思考相结合的过程；化学实验学习需要实现从现象到结论的飞跃。 当学生的能力达到一定的水平的时候，就能够自主发现问题，并且能够根据自己的能力和水平结合适当的工具来进行研究型学习。而让学生达到的一定的水平不仅仅是知识水平，更要强化科学思想的训练。 在具体的教学过程中根据实际教学内容的需要，我们可以把探究的各要素进行重组，以此逐步提高探究的难度。第一阶段是在教师的指导下进行封闭式探究，此时的探究教材有答案，学生可以很容易地找到结论，我们的训练目的是让学生了解和掌握一些基本的探究方法，并以此巩固课堂学习，属于课堂教学的有效补充，所有的学校都具备这个条件。第二阶段是开窗式指导，在教材知识基础之上，对一些教材细节做探究，此时的结论基本上也是已知的，或者是几种可能性中的一种，在这种探究中，学生要学会运用课堂知识和技能，自己设计和完成探究，属课堂教学的有效延伸，大部分学校是可以完成这一步的，现在很多学校的研究性学习一般停留在这个阶段上。第三阶段是半开放式或者叫做部分开放式，此时学生仅仅依靠课本知识已经远远不足，教师一般可以给出一些指导性意见，而探究的结论也具有一定的不确定性，课题难度与广度也大大超过课本要求，现在只有部分学校才能完成，但是应该是所有学校应该达到的目标。第四阶段可以叫做整体开放型或者研究型实验，内容已经超越课本束缚，由学生自主研究，中学教师大多在知识上甚至方法上已经无能为力，需要依靠外脑来进行，以学生自主学习与研究为主，是探究式教学的最高境界。 这几个步骤，开放性逐步提高，从封闭到开放；答案从已知到未知、从单一到多样；解决的方法从已知到未知，从简单到多样；学生从被动到主动，教师从牵引、帮扶最后放手，学生能力得以全面提升。从追求探究要解决具体教学目标和单一方法的内涵式教学，逐步转变为强化学科综合、培养想象力和多种科学思维与方式论综合运用的外延式发展。 在科学探究的每一个要素或步骤中，都包含或隐含着科学术语、科学知识、科学思想、科学方法、科学情境、科学判断、科学过程，这些对提高学生的科学素养是必不可少的。
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