初中优秀生化学实验设计能力的个案研究

初中优秀生化学实验设计能力的个案研究

初中优秀生化学实验设计能力的个案研究

摘要化学实验设计是学生实践能力和创新精神形成的重要途径。本研究对9名优秀初中生进行个案分析,发现学生对猜想与假设、结果预测不够重视,对实验原理理解不够透彻,对科学方法的运用不够严谨,难以兼顾创新性与可行性,未养成书写实验报告的习惯。基于此,本文提出了引导学生设计实验的教学建议。

关键词实验设计能力 化学教学 实验教学

化学是一门以实验为基础的自然科学,它总是强烈地依赖独具特色的实验技术手段而不断进步的。在教学活动中关注实验探究活动,不仅可以提高学生的学习兴趣,而且可以在主动体验探究的过程中养成科学态度,习得科学方法,从而培养其创新精神和实践能力。课程标准中也强调,学生需要形成基本的化学实验技能,学会设计并能完成一些简单的化学实验,从而养成勤于思考、敢于质疑、严谨求实、乐于实践、善于合作、勇于创新等科学品质。

一、研究背景

实验探究活动是学生积极主动地获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动。一般来说,涉及探究问题(问题情境、明确问题)、实验设计(猜想与假设、仪器药品、科学性、创新性、可操作性)、实施设计(进行实验、收集证据)、总结反思(结论与解释、反思与评价、表达与交流)等四个环节。其中,实验设计是实验探究活动的重要环节,它需要学生具有很强的思维能力,以便解决真实情境中的复杂问题。

化学实验设计能力,是指面临一个化学问题情境,能够提出合理的猜想与假设,从而选择合适的仪器和药品,根据科学性和可操作性统筹设计严谨完整的方案,去检验假设或获取新知的探究能力[1]。它不仅是一种实践活动的方式,更重要的是一种理性思维的过程。它需要学生凭借已有的化学知识与经验,对相关化学问题呈现的众多信息进行概括凝练、分析综合等一系列复杂的加工处理,以把握实验主题、设计实验方案、获得化学概念、揭示化学规律等的内在认知过程。化學实验设计过程实质上是一个实践创新的过程。它不仅需要一定的知识基础、常规思维能力,还需要在此基础上通过独立思考和头脑风暴,进行嫁接、整合,解构、结构,对简单模仿进行超越,培养学生的创造性意识和习惯,为后续卓越发展奠定基础[2]。

然而化学教学实践中,更多的是由教师先讲解实验原理、步骤、注意事项,接下来演示关键的实验操作,最后学生动手按实验报告既定程序进行实验。这种机械被动的实验教学方式导致学生主动性的丧失,从而没有兴趣,毫无创新可言。不仅创新精神和实践能力成了空洞的口号,就连基本的化学知识也难以掌握[3]。因此从学生接触化学学科开始,就要有意识有目的地逐步培养学生的实验设计能力,指向真实问题的解决,最终养成化学核心素养。

二、研究设计

1.研究对象与研究方法

本研究是对初中生实验设计能力的案例分析。挑选的是北京市海淀区某示范中学科技创新班中选修化学研究性学习的9名学生。他们均为初三优秀学生,由于保送高中,没有升学压力,创造性等思维受应试影响较小。同时由于已经进行了一学期的化学研究性学习,在实验设计方面有过一定的锻炼,且动手能力较强。本研究采用的是测试法、案例分析法和访谈法。

2.研究工具

本研究一共采用三道题目考察九年级学生的实验设计能力(见表1)。由于第一题的实验原理是在学生已掌握知识的基础上进行拓展,所以考查重点侧重于对学生的猜想与假设、结果预测、仪器药品的选择和实验严谨性的考察。第二题为创新题,作为全新的实验,考察的是学生对新实验原理的分析、仪器药品的选择、实验的严谨性、实验的创新性和可实施性等,题目较难。第三题出题背景为学生已在研究性学习中对该课题进行过研究,但是实验设计存在严谨性不足等问题,所以再次进行设计,考察的是学生能否在原设计基础上进行创新和完善。

三、结论分析

1.学生对猜想与假设、结果预测不够重视

猜想与假设是实验设计的前奏,而结果预测和猜想与假设又紧密联系,即根据猜想来预测实验结果,这方面的测试情况见表2。根据第一题的题干分析,一共存在四种可能性,即起催化作用的粒子分别是Fe3+、Cl-、Fe3+和Cl-、H2O,但因为H2O2溶液中本身就存在有水即排除水分子。而学生大都只能写出其中一种可能性,仅2位学生写出三种猜测,且没有注意到水分子的影响。之后两道题学生均未写出猜想与假设,说明学生并不重视猜想与假设这一环节。在结果预测部分,大部分被测学生都受制于猜想。如只写出一种猜想的学生预测也只能想出一种,与猜想相对应,只有1位学生写出了3种预测。测试之后对被测学生进行访谈,发现学生在结果预测时主要考虑实验现象的变化,即若没有现象变化则被视为没有发生反应。

综上分析发现:学生往往只猜想一种可能,对于其他的可能并不做思考。猜想大都直接来自题目的提示,而很少自行分析。由此看到学生对于实验中到底存在多少变量、多少结果并不清楚。这也间接影响到学生对实验结果的预测,只能针对猜想有一说一,无法根据实验条件综合分析。

2.学生对实验原理理解不够透彻

实验原理是学生正确进行实验设计的前提,而仪器和药品的选择必须充分结合实验原理进行,这两方面的测试情况见表3。在实验原理方面,由于初中生接触化学时间短,故学生对离子的了解仅依靠老师零星的提及,有5位学生以为可以直接加入某种离子,而不清楚离子不能离开溶液单独存在。第二题是信息题,学生对于信息的利用和理解较弱,题目中强调了低温环境,但是在设计实验时仅有2位学生设计了低温环境,其他7位学生或是不会设计,或是错理解为是燃烧产物的低温处理。在仪器和药品的选择上,学生较少从生活经验出发来考虑问题。如第二题提及的低温环境可以利用生活中常见的冰块,但没有任何学生想到这一点。有2个学生分别想到液氮、溶解吸热来降温,这仅是单纯知识点,此处没有实际意义。第三题中,只有2位学生选择使用注射器进行实验,通过访谈得知因老师曾经在实验中利用注射器控制药品加入,所以学生联想到了注射器。只有1位学生设计利用气球的大小区别H2O2分解情况。这些均表明,化学知识与生活经验脱节,应加强联系。 分析发现:学生在面对一个新实验原理时的分析能力较弱,很难在短时间内把握住实验原理,同时不能够很好的与学科知识和生活经验结合用于解决问题。在仪器和药品的选择上更加立足于实验室内部,将已掌握的实验仪器和学科知识进行重新组合,很少主动将生活经验应用于实验设计之中。学生的生活经验被隔离,主动性不强,需要教师提醒,如上述设计中有学生提到气球和注射器,这都是教师在课上经常会用到的生活用品。因此,亟需加强学科教学与生活经验的结合。

3.学生对科学方法的运用不够严谨

保证实验顺利进行且数据可靠的关键在于实验严谨有效,这方面的的测试结果见表4。考虑到初中涉及到的化学实验较少,设计题目时采用的都是较为简单的科学方法。第一题和第三题考察的是简单的控制变量法的使用,而第二题中涉及易爆气体氢气,考察学生是否关注到实验过程中各物质的变化与注意事项。

第一题和第三题中皆仅有1人设置了空白对照,而在药品浓度的控制上,大多数学生仅能控制其中一种的用量。第一题中,9人均控制了加入药品的用量,而对于H2O2的用量和浓度并未提及。第三题中,7人注意到H2O2的用量,仅有2人注意到H2O2的浓度问题,未有人控制加入药品的用量。对于反应时间两道题中仅有1人注意到。在H2O2分解中有3人选择通过粗略地观察气泡多少、快慢来进行判断,有5人选择准确地观察液面差的变化进行判断,如利用U形管连通器的原理或利用排水法收集氧气的方式。由于第二题涉及点燃氢气,所以需要考虑氢气的爆炸极限,而仅有1人考虑到验纯。同时在第二题中隐藏着一个注意事项:因生成的H2O2由为气态,而检验使用的是淀粉碘化钾溶液,所以学生在设计时需要考虑将H2O2由气体变为液态。在9人之中,仅有2位学生设计了冷凝装置,用于将H2O2气体液化。

分析可得:学生在设计实验步骤时科学方法的使用不严谨,而化学实验涉及变量较多,学生初次接触对于实验中存在的变量查找不全,导致设计实验时缺少相应的控制。实验条件可能发生变化,学生不能很好地辨别和控制实验条件的变化。化学物质都有各自不同的化学性质,在设计实验时需要充分分析和考虑不同物质的性质以及状态的变化,以保证实验的安全和顺利进行。

4.学生未养成书写实验报告的习惯

化学实验是学生实践能力和创新精神形成的重要渠道和载体,但是创新实验需要可操作为底线,无法实施的实验设计是毫无意义的,而书写实验报告是化学实验进行过程中的重要记录,这三方面的测试见表5。创新性主要在第二題中反映,仅有2人进行了创新,分别是方法创新和仪器创新。方法创新是利用物理中的凸透镜聚焦点燃白磷进而点燃氢气,同时利用硝酸铵溶解吸热进行降温,该生将物理知识和溶解度进行融合,具有跨学科的能力,但是并未考虑氢气在不含有氧气的条件下无法点燃,无可实施性。仪器创新是自行设计了一个三口容器,分别用于通入氢气和氧气、排除空气,利用液氮进行降温,利用电火花点燃氢气,该方法类似于汽车发动机,将生活与实验相结合,打破了化学实验室常规的实验仪器,但由于实验需要控制精准的反应时间和氢气的验纯,所以可实施性不强。在书写的完整性上,学生只重视实验步骤,其余都是题目要求才会书写,每道题都只有2~3人书写完全,可见学生并没有养成良好的书写实验报告的习惯。

分析可知:少部分学生设计时具有一定的创新性,可以进行跨学科知识应用,对化学实验进行改进,但是可实施性普遍不强。学生在设计时更多设想理想状况下,并不会考虑清楚实验条件、物质性质等。而多数学生可能因接触化学时间短,对于实验仪器了解不多,经验不足,从而创新性弱。同时学生并没有形成良好的书写实验报告的习惯,存在仪器不全、步骤不全、原理不写等问题,说明学生书写较少且自身不重视。

四、教学建议

1.引导学生设计实验前进行基于证据的猜想与假设

学生很少会在实验开始前进行猜想与假设,也不会对实验结果进行预期分析,造成学生在实验前无法充分调动已有的知识。由于对实验并不了解,多数师生做实验只为验证课本知识或者便于记忆实验现象,忽视和低估了化学实验的教学价值。杜威认为学生在思考一个从未经历和认识过的新事物时,他们的经验和思维都会有所提高。猜想与假设作为科学探究的重要组成部分,教师应当在学生进行实验探究以前,组织学生进行猜想与假设,并引导学生思考所有可能存在的情况,培养学生严谨的体系化思维,并应当组织学生结合自身的生活经验和学科知识,对假设进行分析解释。一是判断假设是否合理,便于实验结果的分析;二是排除无用的假设,使实验简化;三是证据推理也是学生化学核心素养的重要组成部分,学生可以利用已有的证据,通过层层分析推理证实自己的观点,发展学生的综合思维能力。由于学生的结果预测会依据猜想假设,因此教师要引导学生思考,把好猜想与假设这一关,让学生对整个实验过程进行整体把握,从实验原理、条件、方法、物质性质等方面考虑,最后对比设计前分析猜想的理由,提出合理的预测。

2.引导学生设计实验时科学地分析实验原理、实验条件和实验变量

学生面对陌生的化学实验时,往往不知所措,不能从中抓取有用的化学信息并据此解决问题。教师需要结合学科前沿、生活经验等在学生最近发展区内为其创造新的化学实验情境,这样不仅可以克服学生的畏惧心理,而且可以帮助学生学会利用已有知识全面分析实验原理,为顺利解决问题提供理论依据。初中学生刚开始接触化学,对于化学中不断变化的实验条件,短时间内并不能很好的消化和把握,这就影响到实验探究时科学方法的使用以及实验的严谨性。教师需要引导学生分析实验中存在的化学变量、化学物质和化学条件,让学生学会严谨地系统地分析化学实验,在养成一定的化学实验思维之后,即可逐渐让学生自己分析、自行设计。由于学生在实验设计时陈述性知识应用较好,而缺乏程序性知识和策略性知识,所以教师在平时的实验教学中要注重对程序性知识和策略性知识的培养,为学生进行实验探究奠定基础。“巧妇难为无米之炊”,学生想要自行设计实验需要拥有一定的知识、能力和方法,否则实验设计很容易成为纸上谈兵、空中楼阁,难以激发学生持续的探究热情。

3.鼓励学生设计实验时创新并具有可行性

化学核心素养强调注重培养学生的创新精神。学生在进行科学探究时可将自己已有知识进行重新组合、利用,同化新的认知。初中生思维活跃,可以在设计实验时进行跨学科知识的应用和综合,学生思维的开放性又可推动学生在设计实验时尽可能的创新。陶行知先生说,人人可以创造,时时可以创造。教师应当创设良好的氛围,并对学生的创新给予鼓励。学生由于知识和经验的限制常常会考虑不周,导致实验的可行性不强。教师在学生实验设计之后需要引导学生分析自己的实验是否可行,陈述性知识、程序性知识和策略性知识是否应用得当,从而保证学生在进行操作之前对自己的实验有充分的了解,促进学生严谨性思维的发展,提高其系统的统筹能力。访谈表明,学生不会书写完整的实验报告是因为他们对于化学探究的环节并不清楚,思维和行为不能序列化和结构化。在进行实验之前,教师需要引导学生明确探究问题是什么,原理、目的、方法与步骤分别是什么,促进学生养成自觉、完整书写实验报告的良好习惯。

参考文献

[1] 祝生.如何提高学生化学实验操作及设计能力[J].学园,2013(24).

[2] 姚健.化学实验设计对学生能力的培养[J].职业技术教育,2005,26(29).

[3] 吴晗清.高中化学实验教学实践症结与对策探析[J].中国教育学刊,2013(02).

[作者:吴晗清(1981-),男,安徽宿松人,首都师范大学教师教育学院,副教授(教授岗),北京师范大学教育学部,兼职教授,博士;李琳娜(1995-),女,山西古交人,首都师范大学化学教育研究所,研究生;夏国俊(1981-),男,重庆秀山人,重庆市黔江中学校,中学一级教师。]

【责任编辑 郭振玲】