化学探究教学开放性和实效性的研究

　　北京市十一学校 程同森

　　内容提要：对开放性和实效性，在认清二者含义和理清之间关系的前提下，确定把学习方式的开放作为研究重点，论证了用动手实验的方法学习化学就能创设一种开放的学习环境，探讨了实验探究8个要素中具有实效性的开放性措施，得出了开放过程中的生成性是开放达到实效的桥梁的结论。并进一步研究了制约开放性的因素和解决方法。

　　关键词：化学学习方式 化学探究教学 开放性 生成性 实效性

　　“学生学得轻松，老师教得愉快，师生都能获得较好发展，学生学业成绩又比较好”，是我们化学教学的追求。北京市教科院基教研中心唐建华老师领衔的中国教育学会十一五规划课题《创设开放性学习环境，提高化学课堂教学实效性研究》为实现这一理想搭建了一个研究平台。我们以《做科学中学科学——化学教学回归实验室》为子课题参与研究[1]，用“学生动手实验”创建开放式学习环境，努力寻求提高化学教学实效性的方法和措施，现将获得的一些成果和心得报告大家。

　　一、开放性与实效性的关系

　　研究伊始，在认真学习化学课程标准和研究教学现状的基础上，首先明确了开放性和实效性的含义和它们之间的关系。我们认为，创设开放性学习环境包括教学目标、内容、方法、评价(管理)等多个领域，但在构成学习环境诸因素中，问题最多，改变困难最大，却又居于中心地位的是学习方式，所以新一轮课改才把转变学习方式作为课程改革的“突破口”。实效性的含义无可争议，必须体现在新课程规定的三维目标的落实上。

　　开放性是实效性的必要条件，即没有开放性的教学环境，三维教学目标就难以落实，也就没有素质教育的实效性;但有了开放性的学习环境是否必然产生素质教育的实效性?也不尽然。因为人们对开放性有着不同的理解和操作，使得“开放”具有不同的层次和水平，这就要求我们必须把研究的重点放在创设和实施那些具有实效性的开放性措施上。

　　二、为什么要开放?

　　中国改革开放30年取得的成果表明，没有开放，难以有发展。中国的化学教学现状亦表明，封闭在讲、练、考的老套子里，化学教学已没有生气可言，除了应试，别无它用，甚至成为阻碍师生发展的力量。

　　义务教育化学课程标准较之旧的化学教学大纲其突出特征就是它在教学“目标”“内容”“方法”“评价”诸多领域的开放性。在学习方式方面，它“倡导多样化的学习方式”，认为“科学探究是一种重要而有效的学习方式”“实验是学生学习化学、进行科学探究的重要途径，观察、调查、资料收集、阅读、讨论和辩论等也是积极的学习方式。”并特别强调“科学探究既是一种重要的学习方式，也是义务教育阶段化学课程的目标和重要内容，对发展学生的科学素养具有不可替代的作用。” [1]

　　我们的课题把转变学习方式作为研究的突破口，把课堂搬回实验，让学生用动手做实验的方法学习化学。学生动手实验为什么会造成一种开放的学习环境?

　　1.学生动手实验学习化学有兴趣，能焕发出学习的积极性。学生早已厌倦了听、记、背、练的学习方式而又特别渴望用动手做实验的方法学习化学。克莱恩说：“一旦我们开始根据人类的天性做事，过去认为复杂的事也变得简单。”化学是一门很有趣，很容易学的学科，因为我们不去或很少去做实验，却变得很难教和很难学了。

　　2.动手实验使学习的内容变得开放。丰富多彩的实验现象，由现象引发的各种各样的问题，都大大拓展了由教科书白纸黑字所呈现的教学内容。

　　3.动手实验使学习的途径变得开放。实验调动了学生所有的认识器官。视觉的、听觉的、嗅觉的、触觉的，打开了人体的几乎所有的抵达左脑的、右脑的信息通道。从感性出发的认识路线保证了认识的高效性。

　　4.动手实验，学生能力的发展是开放的。实验为不同学生各自能力的发展提供了舞台。它能满足各种潜质的学生能力发展的需要。正如开放的大自然，选择进化了各有生存绝技的不同生物一样。

　　5.动手实验使学生素质的发展变得开放。知识对学生的教育价值能够全方位体现。因为只有感受了知识的产生过程，知识的三重价值(工具价值、智力价值、情意价值)才能在学生身上发挥作用。

　　三、开放性的措施

　　在确定了创建开放性学习环境的主要方法是开放实验室，让学生通过动手的实验来学习化学以后，我们又明确了以下两条研究思路：1.相对于封闭的结论性教学，开放性教学的实质是过程教学。开放性体现在展现知识发生发展的教学过程中，核心是探究。2.要克服实验教学的急功近利思想，勿把实验搞成只是知识教学的手段和掌握知识的工具。

　　课题研究和实施的开放性措施体现在“提出问题、猜想与假设、制定计划、进行实验、收集证据、解释与结论、反思与评价”等科学探究要素中。现分述如下。

　　1.提出问题。以往教学的问题，往往是课本或教师直接提出的。在此环节开放性措施的研究中，我们遵循了紧密联系学生个人的经验构建问题情境，让学生自己提出问题，问题自然产生于学生的内心深处的原则，具体的做法包括“实验”“科学史料”“生活事例”“反常现象”“悖逆常理”“智力挑战”“头脑风暴”“逸闻趣事”等等，力求把问题情境创设的真实生动，如在眼前。在这样的问题环境里，学生的问题意识和提出问题的能力逐步增强。比如，学过二氧化碳之后，有同学提出：“万分之三体积的二氧化碳的微小变化为什么会造成地球气候的灾难性后果?”学过燃烧的条件后有同学问：“在太空无重力环境下，燃烧的条件与地球上一样吗?”有时，教师也会用问题进一步启发学生，提高学生提出问题的水平。比如，学过质量守恒定律后，问学生：“如果质量有变化，天平因其精度的原因测不出来怎么办?如果化学变化过程中原子不变的假设有错误怎么办?”

　　2. 猜想与假设。在此环节教学中，不平白无故地让学生吃现成饭，更不用现成的猜想和假设绑架学生。开放性的措施是先让学生自由的“猜”、“设”，若受阻，则以现成的猜想为引子让学生说出赞同或反对的理由。这种有层次的开放，激活了学生的知识库存，促进了直觉、想象、逻辑推理等多种科学素养的形成。同时造成了每个学生巴不得立即实验以证明自己的猜想是否成立的那种摇摇欲试的探究欲望。

　　3. 制定计划。以往的“照方抓药”式化学实验，实验方案是别人设计好的，学生仅是一个操作者。制定计划(设计方案)是由猜想走向实验的关键步骤，是培养学生创造力的很重要的环节。我们根据学生的能力现状，灵活开放。起初，学生独立设计实验方案困难较大，可以在学生一筹莫展的时候提供一些现成的方案让其模仿，或对已有的装置、路线让其改进。比如提供多种测量空气中氧气体积的装置(图)让学生比较对照，体悟其中的设计思想;随着学生能力的提高，开放度会逐渐加大，比如让学生独立设计“如何测定石灰石的纯度”“如何测定一瓶盐酸的溶质质量分数”的实验方案等。

　　4. 进行实验。以往的化学实验常常是教师在课堂里把一切环节和要求都反复交代好以后才敢把学生带进实验室的。我们在课题实验中，起初也怕学生失败，在实验前用了较多的时间做交代，学生表现出不耐烦。后来考虑到学生对实验要解决的问题和假设已了然在胸，方法步骤也做了反复的设计，并且具有了扎实的实验基本功(我们先前进行了专项的实验基本技能的训练)，还有什么不敢放手让学生自主进行实验的呢?大胆放手后发现学生实验热情高，专注度高，精力集中，少有违反实验纪律的现象发生。学生对发生在个人手里的化学变化，呈现在自己眼前的现象，充满了激动和好奇，比如当学生做酒精和水混合的实验时，对体积的缩小发出惊诧的“啊”声，对混合时出现的很多细小的气泡大惑不解，在随后的交流讨论中对这一现象与体积减小的关系争论了很久，这在以往只做演示实验的时候是不可能发生的事情。动手的实验造成的课堂教学的生成性，让课堂重现了勃勃生机。

　　5. 收集证据、解释与结论。动手的实验让学生观察记录了现象，归纳整理了事实，这些第一手的资料为学生随后“解释与结论”阶段的理性思考提供了坚实的基础，没有这些感性素材，学生的思考不但没有现实的对象，只能封闭在陌生的文字符号之中，不会变得开放。往常轻视学生实验，把学生看作是直接吸收知识而不必进行直接经验的人，认为只要“心灵”能集中注意，他就能掌握知识的意义，由此背弃了感性在先、实践第一的化学教学的正确认识路线。

　　但仅有感性是不够的，动手实验的深刻意义更体现在“解释与结论”阶段的理性思维上，思维的深刻与否决定着课堂的实效性高低。例如，学生用燃烧红磷的方法完成测定空气中氧气含量的探究实验后，我们提出两个问题让大家思考：1.“为什么要等集气瓶冷却到室温后再打开止水夹?”全班42人只有9人回答正确，正确率仅为21%，像“防止玻璃瓶由于温度突然下降而爆炸”;“没有冷却，氧气没有消耗干净”;“要等红磷放热的过程结束等”均表明学生还没有真正理解这个操作的意义。2.“是否可以用硫、木炭、蜡烛代替红磷进行此项实验?”该问题10人答对，正确率为24%，有的认为，“可以的：都可以跟氧气结合，只要将集气瓶中的氧气消耗完即可”;有的认为，“不可以：其他反应不能生成五氧化二磷;因为磷在燃烧时会放出大量的热;因为木炭、蜡烛需要燃烧的时间较长，不能实际操作;因为硫、蜡烛会烧没，而红磷不会烧没”等，也表明对选用红磷做燃烧物的原因也还没有真正理解。过去，我们过多地强调思维的统一，往往把标准答案直接告诉了学生，如今开放的教学环境下，学生有机会表达了自己的理解，才让我们看到学生的理解是千差万别的。学生的不同理解难道是一个标准答案就能解决的了的吗?研究后进一步采取的开放性措施是，一是接纳、理解每一个学生的观点，不对学生说“不”;二是给学生留足时间和空间，让不同水平的学生都能保有心理的自由和安全，去静心思考;三是组织讨论，让各种观点进行交锋。碰撞越是激烈，思维越是深刻，学生收获才能越大。下面是我们常举的一个例子。在“物质是由微粒构成的”这节课上，学生先动手做实验，把一些酒精密封在一个塑料袋里，将其放进热水里，塑料袋膨胀后酒精看不见了，将塑料袋从热水里拎出来，静止一会儿，酒精又看得见了。怎样解释这一现象?甲：气化了，变成气体了就看不见了。乙：为什么气体就看不见?甲：气体无色就看不见。乙：无色的酒精为什么就看得见?甲：物质聚在一起看得见，分散了不能反射光线就看不见。乙：物质分散了为什么不能反射光线?甲：酒精气化分散变成小微粒，肉眼就看不见了。乙：微粒是因为分散变小的还是分散前本来就小?……

　　郭思乐先生曾指出，“小组的讨论交流是最重要的，是课堂教学改革的突破口。”[3]这也是我们构建开放性学习环境的主要措施。其中，教师的组织引导在赢得开放的实效性方面起着重要作用。例如，学生完成“人体吸入的空气和呼出的气体有什么不同”的探究实验后，在“解释结论”环节中，开展了以下讨论。甲：燃着的木条在呼出的气体中不燃烧是因为呼出的气体中不含氧气。乙：如果呼出的气体中不含氧气，我们上课的教室，不是很快就因这么多人的呼吸使人窒息了吗?丙：木条在呼出的气体中熄灭的快，说明二氧化碳含量高，理由是二氧化碳不支持燃烧。丁：只有二氧化碳不支持燃烧吗?燃着的木条在氮气中、甚至在氢气中也会熄灭，你又怎么解释这一现象?戊也对丙提出质疑：如果在高含量的二氧化碳中不断的增加氧气呢?当学生对木条熄灭的原因究竟因氧气含量少，还是二氧化碳含量多这两种解释争执不下的时候，教师作了这样的引导：木条燃烧的条件是什么?燃着的木条熄灭的直接原因是什么?随后，教师又用“二氧化碳的多少究竟采用何种方法检测是恰当的?”再给以引导，一时滞涨的思想的河水立时顺流而下了。教师还像舵手，引导学生思维的航船绕开暗礁，使开放的措施收到实效。另外，学生在讨论中会提出他们已有知识无法回答的问题，例如，学生给“化学变化”“物理变化”举例的时候，有同学举出的化学变化的例子有，“不同颜料相互搭配形成不同颜色” 、“洗涤灵在水中摇匀后出现很多泡沫”等;举出的物理变化例子有“在真空罩中的闹铃无声”、“透过平面镜可以看见自己”、“从灯光下走过影子会逐渐变短再变长”等，都需要教师及时做出反馈和正确解释。

　　开放的学习环境暴露了学生的学习“错误”，对学生来说，这是取得学习实效的第一步，错误是学习的宝贵财富，只有改正了“错误”才有可能获得正确。没有与错误做过斗争的“正确答案”，学生并非是真正理解的。美国教育家杜威说过，“一个人无论在什么年龄，接触任何新材料的第一阶段不可避免地总是属于尝试错误的性质，他必须在游戏或工作中实际上利用材料，试做一件什么事，进行他自己的冲动所引起的活动(不是迎合教师意志的活动或遵从教师要求的活动)，然后注意他的力量和他所用的材料的力量之间的相互作用。当一个儿童玩积木时，就发生这种情形。但是，当一个科学家在他的实验室里开始用他不熟悉的材料作实验时，同样发生这种情形。”[2]

　　6. 反思与评价、表达与交流。如果说前面的“解释和结论”的思维对象是客观的化学变化现象和事实，而“反思与评价”是学生把自己的认识过程和认识结果作为思维对象的活动，是学生对探究活动的一种意义追问，价值体验和情感升华。总之，学生只有把自身作为认识的对象和自觉实践的对象时，才从真正意义上成为自我发展的主体，素质的养成才是最具现实性和实效性的。此环节教学最需要体现学生的个体化特征，因此最需要开放。我们采取的措施，就是让学生在自由交流畅谈的环境中，敞开心扉，检测自己所行所思的每一个环节，比如，在绪论一节让学生围绕以下问题进行反思：1本节课的标题是“换一种视角看世界”，你认为是个什么样的“视角”?2课文中提到的那粒“化学的种子”是什么?3说说你如何学好化学的打算?等。

　　“表达与交流”，不仅是实验结果的表达，而是一个思维历程的表达，思想诉诸于文字，留驻在笔端，是一个再思考再创造的过程，对学生的素质发展同样具有重要的作用，不是照抄结论可以替代的。

　　四、开放性、生成性与实效性的关系

　　传统实验教学，若是教师的演示实验，学生只是观看，充其量只经历了下图所示的“五”和“六”两个环节;若是学生的动手实验，大多是结论已知的验证性实验，也不过增加了第“四”环节。在这样的教学活动中，学生的参与很有限，常常是教师按照备课中设定的预案(预设)完成教学任务，课堂很沉闷，看不到学生的思想火花。这样的实验教学把最具有探究性即开放性的环节都舍弃了，造成了实验育人功能的很大丧失。

　　如今以“探究”为灵魂的化学实验，八个要素呈现了人的科学认识的完整过程，较之封闭的结论教学，这是一种开放的教学。过程的每一环节都向着学生的智慧开放，都演出着学生的活剧，生成着智慧的过程和方法。比如，学习“物质的微粒性、分子原子的基本性质”这部分内容时，学生完成了7个探究实验和观看了7个视频、图像等资料，大大激活了学生的思维和联想，提出了很多的问题：

　　微粒是最小的吗?有比微粒更小的吗?微粒是不是应该由一个个更小的微粒组成的呢?微粒是由什么构成的?为什么会有微粒?微粒究竟起何作用?微粒有什么其他的性质?木头是由什么微粒组成的?各种物质的微粒都一样大吗?最大的微粒有多大?微粒有颜色吗?微粒为什么会固定住而不会散开?是分子结构越紧密物体越结实吗?为什么当固体受到很大压力时会断裂?微粒怎样消失又怎样产生?微粒繁殖吗?微粒与化学有什么关联?微粒间有语言或其他形式上的交流吗?分子是怎样产生的?物体的颜色、气味是决定于其分子的颜色、气味吗?分子与分子间的斥力是由什么决定的?

　　为什么微粒会不断运动?分子为什么会运动?液体固体中的分子在移动的过程中为什么不进行长距离的移动，却只在小范围内移动?既然微粒运动，为什么杯子里的水不会从杯子里渗出来?分子为何受热就会分散呢?为什么受热时，分子运动的速度会变快?原子的运动速度能超过光速吗?

　　如果加入第三种液体，体积会不会再次减小?微粒之间为什么会有间隔?物体分子间隔的大小是因什么决定的?微粒间会不会发生没有间隔的情况?微粒间是否存在其他的物质?两种不同的微粒进入到对方中，同时会杀死对方的微粒吗?改变分子间隔是否形成新物质?较小分子进入较大分子间隙时，较大分子的间隙改变吗?为什么构成气体的微粒的间隔大于构成液体的微粒的间隔?微粒间能不能没有空隙?为什么当玻璃制品在先受热膨胀再遇冷收缩时容易破裂?真空情况下微粒能自由移动吗?分子有大小之分吗?如果有，有小分子进入大分子缝隙中的说法吗?小微粒能进入大微粒的空隙中，但能否从大微粒空隙中脱离出来?为什么把注射器中的空气压缩后，放开手后，栓塞会弹开?微粒运动快慢如何决定微粒的间隔大小?微粒可否因为热量而自身膨胀?

　　这些问题只有在开放的学习环境中才能“生成”，所谓生成，其主要特征是学生对所学提出了更多的问题，超越了教师的预设，使得课堂教学变为由学生的问题来推动。师生围绕这些问题的实验、思考、讨论等活动，无疑使化学课堂变得很活泼、很快乐，实现“知识技能”“过程方法”“情感态度价值观”目标很容易，很高效。

　　生成性的课堂是最具实效性的课堂。通过研究我们得出的结论是：“开放”造就课堂的“生成”，“生成”达到课堂的“实效”。

　　在该课题实验的三个学年里，我们都对参与实验的学生进行了问卷调查。在对 “你喜欢科学课的实验吗?”这个问题的调查中，中关村中学被调查的785人中选择“非常喜欢”和“喜欢”达94.6%，其中有54.3%选择“非常喜欢”(其中5个班达70%以上，最高76%)。在北京五中分校的抽样调查中，持“非常喜欢”和“喜欢”态度的占到97.0%，“比较喜欢”2.6%，“不喜欢”0.4%。每次看到学生对问卷的回答都让我们非常激动。特别是学生对“你认为通过动手实验的学习方式与听讲做习题的学习方式相比，有哪些优点?”这个问题的回答，更表明了新的学习方式的意义和价值。以下摘录的是部分学生的回答。

　　做实验可亲手去做完它并更深了解其中的奥妙，然而听讲不知道是怎样产生的，并很乏味。

　　动手实验可以让我们更理解实验的结果是怎样产生的，更有助于我们明白最后结论，还锻炼了我们的动手能力和独立思考;

　　动手实验能够加深对实验的理解，而听讲做练习只能够知道自己的知识漏洞;

　　光听不做比较枯燥，有动手会让我们更专心的听讲;

　　动手实验可以放松，听讲做题枯燥无味;

　　动手实验使课堂更生动、形象，更有意思。而做练习题则相比起做实验有些无聊;

　　可以更好的帮助我们理解概念，听讲做练习题比较枯燥而且容易忘;

　　可以动手做实验观察一些现象，让我们有一个更直观认识，讲练习题太死，没劲;

　　可以让我们亲自动手探究一些知识形成的原因和过程，比听讲做习题更容易理解。化学本来就是一科多动手多动脑的学科，所以动手实验会更增加趣味性;

　　可以让我们看到所发生的现象，而不是凭空想象;

　　听讲做习题，头脑呈现的是抽象的影像，而动手做实验可以加深对听讲、做习题的理解;

　　这种动手做实验使同学们有成就感，启发他们通向化学之路的大门而且这种方法不是很死，可以灵活运用，让我们自己去尝试，培养动手能力和合作精神，理论与实际相结合;

　　动手做实验可以遇到问题，与同学讨论研究，自己动手还可以培养能力、合作意识，比听讲做习题的学习方式更有趣味;

　　三次期末考试，采用与初三同等难度试题测试参与实验的初二年级学生，平均分均达到80分(满分100)以上，最后一次84.42，但所用时间不足常规教学的2/3。研究结果表明，以上教学措施和方法在实现化学的“知识与技能”“过程与方法”“情感态度价值观”三维目标的过程中具有高的效率。[3]

　　五、制约开放的因素及解决方法

　　开放的实验探究教学，造就了丰富的课堂生成活动，这都需要更多的教学课时。这些超量的教学时间来自哪里?来自对讲授内容的精简。在该课题研究中，我们把化学启蒙教学的内容精简为教学生“三会”：会做化学的事(化学实验)——实验基本技能、观察记录实验现象;会写化学的字(化学符号)——化学用语的识、读、写;会说化学的话(化学概念)——会使用“化学变化”“原子”等概念词语。把建立“宏观——微观——符号”相互联系的思维方式作为对学生进行化学启蒙的核心任务。我们已经编写了一个32学时的化学启蒙教材，期望用这个教材达到老子的“道生一，一生二，二生三，三生万物”的效果。把以往讲解、特别是无休止的习题训练大多转化为学生的自主、合作、探究学习时间，这样就可以解决开放性教学前期需要较多时间的问题，我们相信，探究教学是遵循“先慢后快”规律的。课题研究虽然告一段落，但因对开放性教学会实现更大的实效性充满更多期待，我们还要在“高效低耗”的化学教学道路上继续研究下去。