在单元教学活动中提升学生科学探究素养

范吉彦

摘要：以重要概念和方法为切入口，以经历科学探究的过程为主要方法，以实验报告和反思为主要评价依据，通过单元教学活动重新设计“氧气的制取和性质”学生实验，阐述培养学生科学探究核心素养的实践过程。

关鍵词：初中化学;学生实验;科学探究;单元教学;活动设计

文章编号：1008-0546（2022）03x-0002-05    中图分类号：G632.41    文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.001

近几年，义务教育课程改革和中考改革不断推进。课程标准指出，培养学生“科学探究与创新意识”，让“科学探究”和“化学实验”成为化学课程改革的重要“突破口”，在教学实践中从理论角度重新审视化学实验教学，落实科学实验方法、科学探究过程，有着重要价值。但在教学中科学探究如何实施？与实验的关系如何？学生的科学探究能力怎样培养等？仍然是亟待研究和解决的难题。

一、问题背景

1.核心素养中的“科学探究”

从2016年开始，“核心素养”一词成为教育和课改的新热点。中学生核心素养将“理性思维”“批判质疑”“科学探究”等要素纳入其中。吴星认为，核心素养中的“科学探究与创新意识”是化学学科实践能力的体现，包括对化学问题的猜想和假设，获取和处理信息，基于证据推理得出结论并作出解释，对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力[1]。科学实验与探究活动意味着对科学知识的加工、消化、吸收，以及在此基础上的内化、转化、升华，是形成素养的桥梁。化学课程需要通过演示实验、学生验证实验、探究性实验，基于生活的课外实验等活动过程培养学生的“科学探究与创新意识”核心素养。其中，探究性实验是指由教师给出或学生自定探索课题，让学生自己拟定实验方案，制订实验步骤，独立地运用实验手段，探索未知的现象或数据，并在获得的现象或数据的基础上通过科学抽象总结出结论的一种实验形式[2]。利用探究性问题的提出，教师可以引导学生更好地经历科学探究的过程，参与实验探究，调动学生的主动性，通过亲身体验提升科学探究素养。

2.学生实验教学与科学探究素养现状

在目前的初中化学教学中，学生实验教学和科学探究素养情况不甚理想。主要体现在以下三个方面。第一，学生实验过程中只是按照老师提供的实验步骤“照方抓药”般一步步做实验，只动手、不动脑，实验中的错误无法及时发现;完成实验后也没有及时充分的反思实验中的成败和得失，没有形成独立自主的思考和动手能力：这样在实验课上只收获了技能的操练和知识的重复，没有思想方法的综合体悟。第二，以探究为核心的实验教学需要充裕的时间去落实多样化的教学手段，但课程的教学时间有限。在中考压力下，一节简短的40分钟课堂内，无法落实让学生体验完整实验探究的过程。而教材教参上的探究主题，有些需要大量的时间、设备、准备，有些又与学科核心概念无关，学生即没有精力也没有兴趣去完成额外的课外探究。第三，无论是传统纸笔测试的评价方式，还是中考改革后的实验考试，都无法对实验探究过程进行评价，无法通过评价激励学生对于科学探究的兴趣。

二、以单元教学为整体设计单元实验探究活动

单元教学是课程教学的一种基本形式，是根据特定的单元内容来进行的教学活动[3]。而单元学习活动是化学学科核心素养形成与发展的重要途径，单元学习活动促进了学生的深度学习。学习活动的设计，即对学习活动任务的构思与计划。教师需要从单元主题上找到承载核心素养的核心概念和方法为突破口，通过跨课时活动目标和计划，串联出一个连续式、递进式的学生能力发展过程，使单元学习成为一个综合性问题的探究过程，并提供发展性评价的方式方法。如图1所示流程，笔者尝试利用单元学习活动设计的方法，针对化学学习中重要概念和知识点提出探究主题，利用跨课时活动将科学探究活动的不同板块分散到新课教学、作业评价、学生实验课中，引导学生在预习、实验、反思中充分设计拓展探究性实验，落实化学核心素养的培养。

在相关单元教学-跨课时探究活动流程中，学生的深度学习不仅在课堂上，也延续到了课堂外。教师需要对单元教学中的学生课内外活动的内容、任务进行整体构架和规划，并对学生在活动过程中可能出现的问题、困惑进行充分预设，进而设定学生核心任务的目标和评价标准，形成预案。

三、以“氧气的制取与性质”实验为例，设计单元活动的过程与方法

初中化学学生实验中，“氧气的制取与性质”是学生第一次接触和实践实验室制取气体实验，也是与“催化剂”这个核心概念密切相关的实验，在氧气的实验室制法这个单元小节中，氯酸钾制氧气和双氧水制氧气都用到了二氧化锰作为催化剂。学生在学习的过程中容易对催化剂的概念应用模糊不清，选择这个实验主题具体说明跨课时单元活动的开展。

1.抓住核心概念和重要方法，设计单元实验活动目标与评价

在氧气这一教学单元中，氧气的助燃性、氧气的实验室制法、催化剂为三个核心概念和重要方法，以此为切入口，设计单元课时活动：氧气的性质和制取演示实验和学生实验，跨课时活动-催化剂的探究。

在制定单元课时活动目标时，要依据单元教学目标细分，将具体的演示实验和学生实验目标落实到各课时中去。比如，将“通过实验活动，理解实验室制取氧气的原理，学会实验室制取氧气方法”这一单元教学目标，细分为第二课时的“通过观察氯酸钾制氧气的演示实验，知道氯酸钾制氧气的反应原理和装置，描述实验现象，书写化学方程式”;第三课时的“通过观察双氧水制氧气的演示实验，知道双氧水制氧气的反应原理和装置，描述实验现象，书写化学方程式”;第四课时（学生实验）的（1）完成、观察氧气的性质实验;（2）规范搭建实验装置，安全完成氯酸钾制氧气，并用排水法收集氧气;（3）检验氧气”。这些传统实验活动的教学目标，都可以通过纸笔测试和实验操作考核进行评价。

通过跨课时活动，将单元目标中的“通过探究活动，初步认识二氧化锰在双氧水分解、氯酸钾分解中的催化作用”落实到位。根据科学探究的过程，将单元目标具体细化并体现为：“（1）针对催化剂概念的三要素：加速反应、质量不变、化学性质不变，发现并提出探究问题。（2）针对提出的问题，通过一定的逻辑推理和想象，作出假设或预测。（3）围绕假设联系所学的本单元化学知识，利用对比实验方法，选择合适的试剂、仪器，设计简单实验的操作步骤，设计合理的观察和记录的方法。（4）能完成自己设计的简单实验，客观记录实验现象和数据，通过归纳、分析，验证猜想的有效性，认知化学事实和化学规律之间的关系。（5）能用规范的化学用语描述化学反应和原理。能针对实验结果，对自己的探究过程提出改进和反思，并书面表达和交流探究的过程与成果。”同时，尝试建立过程性的评价标准，通过学生和教师的星级自评互评，以及教师的建设性评语，促进学生科学探究素养的发展。

2.跨课时活动任务与计划安排

跨课时活动设计的原则，是根据氧气单元的课时目标和计划，将探究活动中“提出问题、猜想与假设、设计实验、进行实验、观察现象、结论与解释等”部分，合理安排进单元课时的课内和课外，如表1所示，在活动水平、工具、策略、评价等方面细化设计，归纳并最终提出核心任务要求。

3.创设探究情境，引导学生提出问题、设计方案

在氧气的制取单元课时内容中，涉及到二氧化锰做分解反应催化剂相关核心概念，以往学生仅仅理论学习，背出相关概念，然后在学生实验时体验相关实驗原理和操作。在本单元活动设计中，教师会在第二课时引导学生针对催化剂的定义的三要素提出探究性问题：“探究二氧化锰在氯酸钾分解反应中的催化作用？质量是否不变？化学性质是否不变？”并设计简单的实验验证。在第三课时，引导学生更灵活的提出有关探究性问题：“探究二氧化锰在双氧水分解反应中的作用;探究双氧水分解的条件：二氧化锰/加热/加热&二氧化锰;探究其他金属氧化物能否做双氧水分解的催化剂;探究催化剂的质量对催化反应的影响”等等。结合实验预习报告单（活动任务单）布置任务。

4.引导学生针对实际问题设计改进实验方案

在单元课时2布置任务后，教师需要批改评价学生的探究实验设计，统计学生在实验设计初稿中犯的错误，在接下来的课时中和课后进行针对性的指导。表2 是本次实施过程中统计的学生的问题和教师的指导。

可以看到，学生的问题主要集中在催化剂的作用、对比实验方法、和实验设计的简便安全可行性这三方面。经过这样一个实验设计和改进的过程，学生对于核心概念的认识，对于对比实验方法的理解，对于理论与实践的区别认识都有了很大的提高。

5.综合学生设计方案，进行课内和课外探究实验，记录现象

结合课前，课内实验的预习，以及拓展探究实验的设计，学生就能在40分钟的学生实验课中有比较充裕的时间完成实验。教师需要根据学生的拓展实验方案额外准备所需的实验仪器和设备。相较于往年的学生实验课，充分的预习工作使得学生实验的成功率有明显提升，同时缩短了教师课前的讲解用时和学生课内实验用时。实践表明，教师只需要花5分钟再次强调实验中的细节规范，大多数学生需要花20-25分钟左右完成课内实验。这样，就有空余的10-15分钟时间来完成跨课时活动的探究性实验。经过统计，大约有1/3学生在40分钟内勉强完成课内实验，2/3学生能完成探究实验。

6.学生反思实验，完成实验报告，教师评价实验报告，将优秀报告与同学交流

在学生实验课后，学生完成实验报告，并总结反思。目标重在学生将理论与实际的联系体验，体会真实实验的复杂性，从生成性问题与误差等方面找寻原因与改进措施，进行形成性反思。学生在经历几次实验反思后，逐步从“报流水账”的叙述式反思，发展为针对自己实验中的问题“一针见血”的点评式反思，甚至能提出不少优秀的改进和对下次实验的思考。教师引导学生对自己反思实验报告中的“证据与推理”“反思与交流”“质疑与解析”“探究与设计”4个要素进行自评，然后在这4个维度，针对学生的反思进行师评。表3是实验反思评价要素表。

四、小结与反思

化学是一门以实验为基础的自然科学;化学实验是化学学科最基本的特征;化学实验是中学化学的重要教学内容，也是学生掌握化学知识、技能与方法的重要学习方式，有助于学生认知的发展[4]。在越来越重视课程标准和科学素养的今天，以“预习——验证性课内实验——探究性课外实验——总结反思”为结构，重新进行学生实验课的教学与评价设计，运用单元教学和深度学习的理论，通过跨学科学习活动的形式，在整个单元中落实探究活动的主要过程。

收获主要有三点：

1.实验探究要围绕核心的化学知识、方法，促进学生对化学概念和方法的理解和化学观念的提升

在以往的中考复习中，涉及到已经做过的学生实验的实验题中，学生往往不能回忆起实验课上经历过的实验内容和操作内容，无法将设计的重要概念和实际操作、探究结合起来，只能在书面习题练习中，反复巩固背诵记忆考点。在本次活动实施中，大多数同学都选择了“探究二氧化锰在双氧水分解反应中的催化作用”和“探究氧化铜是否能做双氧水分解的催化剂”这两个比较简单问题。在设计实验、完成实验的经历后，学生对于催化剂概念中的“加快反应速度”“质量不变”“化学性质不变”三个维度印象深刻，在后续的复习课中学生都能不假思索的说出催化剂的概念。同时，在经过实验设计和改进后，学生对于对比实验方法有了更深刻的认识，能够更好的认识空白对照组在对比实验中的作用。

2.实验探究要尽可能让学生经历科学探究的主要过程——提出问题、猜想与假设、设计实验、进行实验、观察现象、结论与解释等，让学生学习、体验科学探究，启迪学生进行深度思考，提升学生的思维品质

以往的课堂中，往往“黑板实验”“叙述实验”常常代替了真实的动手实验，依靠“理论探究”“想象探究”来完成学生的探究活动。这样的探究往往落于表面，没有经历自然无法感悟化学的核心价值观。在实验探究教学活动中，应该充分发挥学生的主观能动性，使学生活动真正走进实验室，让学生真正融入到整个实验探究活动中，将学生的主动性充分地调动起来，让学生的思维能够有自由发挥的空间。本次学生活动实施中，以“探究氧化铜是否能做双氧水分解的催化剂？”为题的同学，都发现带火星的木条放在氧化铜和双氧水的试管口没有复燃。这个意外的现象进一步点燃了学生探究的热情，同学们通过猜想、继续实验、网络查找资料，查找原因，对意外现象进行解释，真正实现了自主思考、自主探究，落实了科学探究的核心素养。

3.在实验探究活动中，应落实持续性、发展性评价

在以往传统的化学实验教学和评价中，比较多地对实验现象、实验结论进行考查，学生仅凭记忆和背诵就能得分，无法将做实验和不做实验的学生、实验水平有差异的学生加以区分，更不要提学生是否有独立的思考和探究、是否提升化学学科核心素养了。这种教学和评价，让学生实验教学和日常的教学相孤立，即不利于学生对于课标中学科知识的掌握和学业成绩的进步，也无法真正培养学生的创新精神和科学素养。布鲁纳认为：“认识是一个过程，而不是一种产品。”学习不仅是让学生掌握知识，更要学生去体验认知知识的过程。因此，应该对整个单元學习活动的教学过程进行评价，包括实验前的知识点预习、设计实验，实验中的操作规范、实验习惯，实验后的实验结论、反思质疑等重要环节。评价的内容即包括学科知识，也包括学科思想方法、解决问题的能力、必备品格和价值观。同时，探究性实验评价不应该是终结性评价，教师应该思考评价的结果对学生今后的学习有什么促进作用，如何通过评价让学生得到更好的学业发展。在本次学生活动实施中，在“质疑与解析”维度，学生的自评均分是2.3星，而师评均分为1.4星，在“反思与交流”维度，学生的自评均分是2.4星，而师评均分为1.8星。可以看到，老师觉得不够好的反思，学生自己往往觉得还不错。子曰，知不足然后自反也。通过设计实验，学生可以知道自己对于实验方法掌握的不足，通过反思，学生可以知道自己实验操作和预习复习中的不足，通过自评和师评的对比，通过教师具体的评语，通过观摩优秀同学的反思案例，学生可以知道自己应该从那些方面去分析自己实验的问题，从什么角度去对意外的现象去进行猜想，从什么渠道可以查阅相关资料，用什么方法可以灵活地解决实验中遇到的实际操作问题等等。通过一学年5次探究学习经历，学生能够体会到实验探究的意义和重要性;通过成功的学生实验，获得实验基本操作和实验基本技能的训练、对于实验涉及的重要化学知识的巩固以及成功实验的积极体验;通过拓展性实验设计，脱离机械的背诵记忆习题的学习方法，学会在学习中思考、质疑、探究的方法，并通过实施拓展性实验，对化学知识的实证精神予以认同;同时，通过有趣的实验过程，美丽的实验现象，积极的合作，实验反思交流，让学生感受到化学的魅力，让学生能够更主动地在化学海洋中前行。

参考文献

[1]吴星.对高中化学核心素养的认识[J].化学教学，2017 （5）：3.

[2]王秀丽.初中化学探究性实验教学的研究[J].科技创新导报，2016（12）：144.

[3]徐睿等.单元教学设计指南[M].北京：人民教育出版社，2018.

[4]肖常磊，钱扬义.中学化学实验教学论[M].北京：化学工业出版社，2008.