新课程背景下化学学科的探究教学策略(二) 化学探究教学的基本程序

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  本期以普通高中课程标准实验教科书《化学(选修4·化学反应原理)》(人教版)第三章第三节“盐类的水解”(90分钟)的教学为例,对化学教学中的探究教学程序进行全程说明。
  
  1.基本程序
  参照科学探究的方法,探究学习一般包括以下几个阶段:进入情境—提出问题—建立假说—制订方案—实施探究—得出结论—知能建构。本案例即按照这一模式进行设计和教学。
  
  2.教学流程
  (1)进入情境
  学习的愿望总是在一定情境中产生的。学生接触、了解与化学学习内容有关的情境,这个情境可以是化学材料或实物、展现在学生面前的化学问题、一项任务,甚至可以是人际间的交流环境,主要目的是引起学生的认知冲突,为下一步提出问题作好铺垫,并大致上界定探究范围(领域)和对象。教师要巧妙地把学生要学习的内容转化为问题情境。
  本节课在实验室里上,教师事先在每个学生的实验桌上摆放了一些化学药品和用具。上课后,教师在讲台上用pH试纸测定了一种溶液的pH,然后要求学生们也测定一下自己实验桌上溶液的pH,并要求大家将实验结果记录下来。教师在教室里巡视,时而指出学生的操作错误,时而和学生一起观察、记录、讨论。经过近5分钟的活动,每组学生都通过亲手操作获得了一些实验数据。动手实验让每个学生的思维都处于活跃的学习状态,这时的学生没有了成绩好与坏、学习自觉与不自觉的区别。教师用重复学生的描述或问“是这样吗”、“你的意思是×××吗”等方式耐心地帮助他们将问题明确。
  (2)提出问题
  探究始于问题,这个问题是学生置身于教师精心设计的情境,捕捉到与原有知识产生联系但又与答案有一定距离的信息后形成的。也就是说,当情境中隐含与学生现有知识结构相冲突的、令人困惑的信息时,学生便能提出许多“是什么”、“怎么样”、“为什么”、“如何”的问题。
  教师说:“面对大家的实验结果,你有什么想法呢?能够作出一些判断、疑问或者假设吗?”
  一个学生说:“我测定了NaCI溶液的pH是7,KNO3溶液的pH也是7,说明这些盐溶液都呈中性,但我测定的醋酸钠溶液pH却等于9,显碱性。”教师追问道:“这和你的看法有矛盾是吗?”“是的。”“那么你认为盐溶液应该呈什么性呢?”“嗯……我认为应该呈中性。”“好的,我们看看其他同学有什么问题。”
  另一个学生说:“我也测定了NaCI溶液的pH是7,Na2SO4溶液的pH也是7,但Na2CO3溶液pH是10,我认为盐的溶液要么显中性要么显碱性,刚才那位同学的结果也证实了我的观点。”“很好,能够利用他人的材料作为自己的论据。”另几个学生马上起来反对:“但是我测定的AICI3溶液的pH却等于32,是显酸性的”;“还有,我测定的NH4CI溶液pH等于4……”
  许多学生都交流了自己的实验结果。教师不时地让学生们陈述自己的观点和疑问,同时也不停地将大家的实验结果记录在白纸上,并提示学生们注意收集和利用他人的信息。最后学生们都认识到盐溶液有的显酸性、有的显中性、有的显碱性,并且都将注意力集中到以下问题上来。
  问题:为什么盐溶液有的显酸性、有的显中性、有的显碱性?
  规律:哪些盐溶液显酸性?哪些盐溶液显中性?哪些盐溶液显碱性?
  至此,每个学生都充满了想把问题弄清楚的热情,这种热情来自于他们通过探究体验产生的认识冲突,因而是一种内在的兴趣和需要,比教师直接提出教学问题的效果要好得多。
  (3)建立假说
  问题提出来后,就有了学习和探究的目标。任何人面对一个问题,都会自发地将问题与原有的知识经验产生联系,试图选择原有的知识和策略解决它——“可能是由于……”这就是提出了假说,也就是对问题进行推理。假说可以充分训练学生的分析、推理等逻辑思维和判断能力,无论其被证明或证伪,都能促进学生的认知发展。
  接下来,教师要求学生们对上述问题进行推测性解释,并鼓励大家大胆发表观点,先不管对错。
  有的学生提出了“有些盐能电离出H+而显酸性,有些盐溶液能电离出OHˉ而显碱性”的推论。他的假设马上遭到了学生们的反对,看来许多学生都注意到了AICI3、Na2CO3、K2S等根本不含H的问题,它们是绝对不可能电离出H或OHˉ的。看着那位学生有些沮丧的样子,教师提醒学生们注意:“刚才这位同学的推测也许不对,但他的想法或许会对我们有些启示。”
  提示是及时的,但这个提示没有给出任何结论或方法,只给学生留下了开阔的思维空间。
  另一个学生略加思考,提出了自己的推断:“我认为应该和他一样从H+或OHˉ的角度思考,盐溶液显酸性或碱性肯定是H浓度比OHˉ浓度大或OHˉ浓度比H浓度大。”
  就这样,大家你一句我一句热烈地讨论着,教师帮助他们分成小组进行推理和假设,一个个新的观点被学生们提出来又否定掉或被改进。最后,每个小组都有了自己的“假说”。
  “我们认为盐溶液中的H或OHˉ均来自于水,是盐的溶解使水电离出了更多的H或OHˉ。”
  “我们的观点和他们相反,是盐的溶解使水电离的H或OHˉ减少了。”
  “你们讨论过盐的溶解是如何使水电离的H或OHˉ增多或减少的吗?”教师进行了提示。
  “可能是有些盐的离子可以结合水电离的H或OHˉ。”
  这离我们的目标越来越近了,看来,只要给学生足够的空间,他们就会灵光闪现。
  “我和李政同学把大家的测定结果用图表进行了归纳,发现钠(钾)盐溶液显中性或碱性。我们觉得还可能得出别的什么结论,但还没想好……”
  “能把你们的图表提供给大家参考吗?”于是,教师把他们制作的图表投影到屏幕上(见下表)。
  
  大家的注意力集中到了图表上,受到刚才这位学生的启示,许多学生从物质的组成和类别着手进行思考,教师让大家就近组成小组进行讨论,提出了自己的看法。
  “钾盐、钠盐的溶液pH总大于或等于7,硫酸盐、盐酸盐、硝酸盐溶液的pH总小于或等于7。”   “弱酸的盐溶液显碱性,强酸的盐溶液显酸性或中性。”
  “弱碱的盐溶液显酸性,强碱的盐溶液显碱性或中性。”
  “是不是盐溶液的浓度不同,pH就不同呢?”
  ……
  上面这些假设,在教师看来,有的是科学的,有的还不够严谨,而且全部是教材或教师要介绍的知识,但是对学生来说,这些从材料开始,经历问题、思考和推理等过程得出的猜想,比直接从教材或教师那里接受的讲解要有价值得多,也更加宝贵。
  (4)制订方案
  这一环节由学生对假说进行进一步推理,提出证明的方案。方案可由学生独立提出,也可由教师进行适当的指导。教师要善于发现和肯定方案的闪光点,因势利导,使之完善,即使明知假设或方案不可行,如果学生坚持也不必武断否决,仍可给予鼓励,因为发现错误同样是探究,学生探究能力的发展必然要经历一次次失败,才能更好地认识问题和解决问题。
  怎么证明自己的假说是否正确呢?在课外开展过研究性学习的学生们很快提出了多种可行的方案。最后,有近一半的学生提出采用实验的方法进行验证。教师帮助他们分成三组,并要求他们讨论初步的实验方案。还有些学生觉得即使做实验,也只能得到有限的证据,他们觉得可以应用自己的知识进行推理,这一想法也得到了相当多学生的赞同。另外还有一些学生觉得最简单有效的方法是去查阅化学专业书籍,看看结论到底是怎样的。
  (5)实施探究
  实施探究即执行方案,搜集材料信息来验证假设的过程。实施探究的过程是一个实践的过程,这种实践活动可以分为两种,一是资料式,即学生通过查阅、调查等方式搜集、整理有关支持假说的材料,再经过分析、概括而得出结论;二是实验式,即按照方案进行实验,通过分析实验现象、数据,总结实验结果。
  提出通过查阅资料来证明假设的两个小组的学生在获得教师的批准后,带上纸笔离开办公室到校图书室去了。决定通过实验来验证的几组学生,经过讨论,在准备好药品清单和记录表后,由实验教师带领到药品室去寻找药品并进行实验验证。剩下还有部分学生在教室里进行讨论,试图应用学过的知识证明假说。中途有几个学生遇到了困难,经过商量,他们决定去访问本校的某位化学教师。教师要求所有离开教室的学生10分钟以后回教室。
  (6)得出结论
  提出问题是探究的开始,而问题解决是以得出结论为标志的。得出结论是指学生在实践的基础上,根据探究实践中收集的材料进行逻辑推理,找到事件的因果关系或作出其他新的解释与发现。这时,学生的解释必须与实证材料一致,运用各种思维方法(分类、类比、分析、演绎、归纳等),推理出新结论或新发现,并将其用科学语言表达出来,力求他人的认可。
  10 分钟以后,各部分学生陆续回到教室,并不停地互相交换着探索情况。等到学生们都回来后,教师请各个小组推举一名学生向大家介绍本组的过程和结果。
  实验组的学生说:“我们测定了18种盐溶液的pH,发现AgNO3、NH4NO3、AI2(SO4)3、AICI3、MgSO4、FeCI3、CuSO4等强酸弱碱盐溶液的pH均小于7,说明这些溶液显酸性。而NaNO3、BaCI2、Ba(NO3)2、CaCI2、KI2、NaBr、NH4HCO3等强酸强碱盐溶液pH为7,显中性。还有K2S、漂白粉、NaHCO3、NaNO2等强碱弱酸盐的溶液是显碱性的,因为它们的pH大于7。这证明了我们的假设是正确的。”另一个学生补充道:“我们作了不同浓度的Na2CO3溶液以及不同浓度的(NH4)2SO4溶液的对比,发现浓的Na2CO3溶液与稀的Na2CO3溶液pH均大于7,但浓的Na2CO3溶液的pH更大;同样浓的(NH4)2SO4溶液与稀的(NH4)2SO4溶液的pH均小于7,但浓的更小。”
  当教师问他们是否能对这些实验结果进行解释时,他们没能给出解释,但查阅资料的小组向大家介绍了本组的情况并指出:“我们查阅了《中学化学教师手册》和《中学化学百科全书》,上面都给出了解答。”教师要求他们到黑板上演示一下。小组中的一名学生自告奋勇地上台把自己笔记上抄录的解答写在了黑板上,并进行了讲解。
  教师请学生们进行评价。询问教师的几个学生说教师的讲解和他们查阅的情况完全相同。
  至此,本节课的授课内容基本完成,学生们通过自己的努力,完成了从未知到结论的穿越,并作出了解释。这个过程是在学生原有知识水平的基础上,通过学生自己的探究实践,发现和掌握“新”知识的过程,这正是现代教育对培养学生创新能力的要求。
  (7)知能建构
  知能建构是探究学习的最后一个阶段,也是学生能力发展最困难的一个阶段,它包括“上升”、“应用”和“反思”三层含义:上升即将探究结果上升到概念和原理,以学科规范的形式纳入学生的知识结构;应用则是将所获得的“新”知识应用于现实情境,解决实际问题,以获得进一步的内化和熟练应用;反思是在解决问题后,对探究过程进行反思,从该过程中得出经验和教训,对所采用的方案、探究的具体操作作出评价,以强化科学思维和方法,这是提升探究学习能力的重要步骤。
  教师要求学生们把自己的结论用切合化学学科特点的语言概括出来,尽量做到和科学定义(定律)一样简洁、明确。接下来,教师要求学生们拿出课本自学,并与自己的探究结果进行比较,修正自己表达上的不规范、不准确和繁复,并反思自己走了哪些弯路,哪些地方的陈述还要改进。
  最后,教师和学生们一起进行了回顾,重新审视了本节课的内容,明确了一些概念和规律的提法,并应用这些规律判断和分析了一些实例。
  
  3.点评
  本节课从学生原有的“盐的溶液显中性”与待学习的“盐溶液会因为水解而显酸碱性”认知矛盾出发,以学生对水的电离平衡及溶液酸碱性的认识为基础,设计了测定盐溶液pH的实验来让学生接触到问题情境,让学生感知到实验结果(盐溶液既可能显酸性也可能显碱性,还可能呈中性)和原有认知(盐溶液显中性)之间的矛盾,从而顺利提出问题,进行“探究定向”。然后,教师不是直接告知学生为什么这样或者通过什么途径来解决这一矛盾,而是鼓励学生应用刚学过的知识推测可能的原因(提出假说),并组织大家进行讨论,制订证明假说的方案,最后通过实施这些方案,得出判断,获得关于盐类水解的意义建构。这种教学设计,发端于实验情境和学生之间的交往情境,启动于认知冲突和问题的产生,活跃于学生的主动假说和自主探究,成功于学生获得新结论和方法态度上的新体验、新发展,是一次完整意义上的探究教学实践。
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