基于科学探究的初中化学教学设计与思考

刘亮荣　夏建华　解令谦

摘要： 提出初中化学教学中科学探究的设计模型，以人教版九年级化学下册第十单元拓展内容“Ca（OH）2溶液导电性实验中异常现象的探究”为例，创设真实的实验情境，突出实验探究方案的设计与优化，关注学生批判性思维与创新能力的培养，提升学生的科学探究能力。通过案例分析，验证了科学探究的设计模型在初中化学教学中的运用价值。

关键词： 科学探究; 证据推理; 核心素养; Ca（OH）2溶液导电性

文章编号： 10056629（2019）10003305中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 问题的提出

《义务教育化学课程标准》（2011年版）将科学探究既作为学习内容，又作为学习方式，在“课程性质”中强调“在教学中创设以实验为主的科学探究活动，提高学生的科学探究能力”。为提升初中化学教学中科学探究课的设计水平，我们探索并提出了初中化学科学探究的设计模型如图1所示。

上述科学探究鱼骨图强调科学探究课的设计需要关注以下问题： 一是科学探究要源于真实的情境中产生的问题;二是探究的结果表现为问题解决、知识建构或建立模型;三是探究过程中要尽可能地运用化学学科核心知识，探究的结果应生成新的知识，避免走脱离学科背景的形式训练的探究误区;四是要引导学生自主经历发现问题、提出假设、设计实验、进行实验、分析现象与得出结论等主要探究过程，让学生学习控制变量等设计实验的方法;五是在探究的相关环节中，要关注学生的科学思维训练，需要根据科学证据得出结论，即基于证据的科学推理，它是一种内在的逻辑思维形式。在科学探究任务中，一般都涉及不同类型的科学推理，要让学生在探究过程中启动高阶思维，进行深度学习;六是探究过程中要重视学生科学态度的养成，深化对科学本质的理解。

本文基于上述六个方面的设计要素，以人教版九年级化学下册第十单元课题1“常见的酸和碱”中“Ca（OH）2溶液导电性实验中异常现象的探究”为题，设计了一节科学探究课，在实践中探索初中化学科学探究的设计理念。

2 “Ca（OH）2溶液导电性实验中异常现象的探究”教学设计

2.1 教学内容

本节课通过“测氢氧化钙溶液导电性”的实验让学生亲身经历和体验实验探究过程，并对实验过程中产生的“异常现象”——即用石墨做电极出现的“浑浊现象”进行大胆猜测和探究，并设计实验进行验证，最后得出正确结论。

2.2 学情分析

学生已经进入九年级复习阶段，学习并复习了关于酸碱盐、溶解度的相关内容，他们也有进一步探究更多相关知识的求知欲和兴趣。另外他们观看过多次教师演示实验以及化学实验操作训练，经历了中考理科实验操作考试，具有一定的实验操作技能。这些都将成为本节课教学的有力支撑点。

2.3 教学目标

（1） 通过氢氧化钙溶液导电性实验，认识溶液能导电的宏观事实与微观实质，深化对元素观和变化观的理解。

（2） 通过对Ca（OH）2溶液导电性实验中异常现象的探究，学会进行实验设计及实验分析，提高收集证据和分析推理的能力，发展科学探究与证据推理核心素养。

（3） 体会科学探究的乐趣，培养敢于质疑、勇于批判的科学态度，形成严谨的科学态度。

2.4 素养导向下的教学流程

教学流程设计见图2。

2.5 教学过程

2.5.1 创设情境，激趣导入

[教师演示实验]饱和Ca（OH）2溶液导电性实验。

[提问]观察到什么现象？

[学生]灯泡发光;两极产生气体;溶液出現白色浑浊。

设计意图： 通过陌生的实验及观察到的现象激发兴趣、引发问题、引导探究。

2.5.2 提出问题，做出假设

[教师]展示出现白色浑浊的图片。

[学生]好奇并提出问题： 为什么出现白色浑浊？白色浑浊是什么？

[教师]鼓励学生积极思考并大胆猜想，并引导学生提出猜想和假设。

[学生]小组合作，思考讨论。

假设1： 水的减少导致溶液中有氢氧化钙沉淀析出;

假设2： 温度升高，氢氧化钙溶液的溶解度减小，导致溶液中有氢氧化钙沉淀析出。

[质疑]电解时溶液温度是否升高？学生讨论后设计了用温度传感器来测定电解后溶液温度变化的方案。

[演示实验]介绍不锈钢温度传感器并测定饱和Ca（OH）2溶液导电性实验中温度是否发生改变（见图3）。

[收集证据]电解时溶液温度升高。

设计意图： 明确要探究的问题，让学生依据已有元素观、变化观及溶解度知识提出假设，再根据学生质疑后讨论的方案，演示用不锈钢温度传感器测定电解饱和Ca（OH）2溶液实验时温度的变化。通过温度上升的实验事实，确认假设2成立。以上教学环节具有如下作用： 一是帮助学生认识到假设是通过基于证据的推理形成的;二是让学生在探究中形成证据推理的素养;三是提升了学生交流合作的意识，培养了学生敢于质疑与批判的精神。

2.5.3 合作探究，实验验证

[学生]小组合作讨论，分享实验方案。

[验证假设1]

实验方案1： 将饱和Ca（OH）2溶液加热蒸发掉部分水（溶液体积和蒸发掉水的体积和上述演示实验相同），再冷却到室温，观察溶液中是否有浑浊出现。

实验方案2： 向90mL相同浓度饱和Ca（OH）2溶液中加入10mL蒸馏水，搅拌，在相同电压下再次进行导电性实验，观察是否变浑浊。

[验证假设2]

实验方案3： 取100mL饱和氢氧化钙溶液于大烧杯中，加热至电解时上升的温度（温度升高约4度），观察是否出现浑浊。

[教师]鼓励学生小组合作，设计实验方案，巡视各小组并予以引导。

[学生]按实验方案进行实验并记录现象，收集证据。

实验1： 溶液中出现少量白色浑浊;

实验2： 溶液中出现较多白色浑浊;

实验3： 溶液中没有出现白色浑浊。

[学生]分析证据，进行推理，得出结论：

实验1出现浑浊说明白色浑浊与电解时水的减少有关;实验2出现浑浊说明不饱和氢氧化钙溶液电解时也有白色浑浊，说明白色浑浊的生成还有其他因素，假设1不是唯一的原因。

实验3加热饱和氢氧化钙溶液至电解时的温度，没有出现明显的白色浑浊，说明跟温度的微弱升高没有明显关系，故假设2不成立。

设计意图： 设计实验方案是实验探究中最具挑战性的任务。本环节中，通过实验方案的设计培养学生的科学探究能力，提升证据推理的意识，特别是实验2从逆向思维角度设计的方案，体现了学生思维的变通性和创新特点。同时，学生在分组实验中，训练了动手能力和收集证据的能力，最后通过师生互动、生生互动，得出假设1不是唯一因素、假设2不成立的结论，训练了学生演绎推理能力和辩证思维能力。

2.5.4 推理释疑，剖析本质

[教师]那还有其他猜想吗？引导学生提出与石墨电极有关，然后介绍铂电极并用铂电极进行导电性实验证明。通过展示白色浑浊的图片（与电源正极相连的石墨电极周围变浑浊）引导学生提出新的猜想。

[学生]是否与电极有关呢？可以用铂电极来代替石墨电极做一个实验。

[教师]肯定学生的质疑精神和科学思维，演示用金属铂电极做电解饱和Ca（OH）2溶液的实验。

[收集证据]使用铂电极溶液果然不浑浊！

[学生]通过分析证据，推理溶液浑浊与电极有关。通过思考讨论以及在教师的引导下得出新的假设。

假设3： 可能是阳极产生的O2与石墨电极中的碳反应生成CO2， CO2与Ca（OH）2反应生成的CaCO3导致白色浑浊出现。

[设计方案]学生合作讨论设计实验方案并分享：

实验方案4： 向烧杯浑浊的液体中，滴加稀盐酸，观察是否有气泡产生。

[教师]提醒学生注意实验安全。

[进行实验，收集证据]学生实验操作并记录现象： 白色浑浊物消失，无明显气泡产生。

[学生]分析推理可能是Ca（OH）2溶液浓度小，产生CaCO3的量少，滴加稀盐酸后产生的CO2也很少;故无法观察到明显气泡。

[教师]解释上述传统实验仍有弊端，就是稍不注意也有可能看不到气泡产生，向学生介绍数字化实验并课堂演示。

实验方案5： 将浑浊的液体倒入密闭容器中，通过注射器注入稀盐酸，并利用二氧化碳传感器来测定装置中二氧化碳含量的变化（见图4）。

[收集证据]观察实验并记录数字化曲线现象： 二氧化碳含量上升（见图5）。

[实验结论]加入稀盐酸后产生了二氧化碳，故猜想3成立，即饱和Ca（OH）2溶液导电性实验中出现浑浊的原因是阳极产生的O2与石墨电极中的碳反应生成CO2， CO2与Ca（OH）2反应生成的CaCO3导致白色浑浊。

[师生共同小结]白色浑浊产生的原因主要有两个： 一是电解过程中阳极产生的二氧化碳和氢氧化钙溶液反应生成的碳酸钙;二是电解过程中水的减少导致氢氧化钙析出。至于电解时温度的微小变化不是产生浑浊的主要原因。

设计意图： 本环节首先让学生通过观察电解实验时溶液阳极部分产生浑浊的现象，推理出白色浑浊与石墨电极及阳极产物有关，从而提出假设3;然后引导学生运用传统实验方法验证假设3的产物碳酸钙，实验未发现明显气泡时进行反思，分析可能是碳酸钙含量少的原因，从而引入精确度高的数字化实验来深入探究，通过二氧化碳传感器得出的曲线，证明白色沉淀中确实含有碳酸钙，体现了数字化实验在科学探究过程中独特的应用价值;最后，师生共同就整个探究过程的结果进行小结，得出科学的结论。在这个环节中，学生在教师启发下独立提出假设、设计实验、分析现象、得出结论，提升了科学探究素养。

3 反思

通过“Ca（OH）2溶液导电性实验中异常现象的探究”的教学，我们深化了对科学探究本质的理解，在实践中验证了初中化学科学探究的设计模型。对于初中化学科学探究有以下几点反思：

3.1 创设真实的教学情境，得到有价值的探究结果

在设计科学探究教学时，要深度挖掘教材内容，捕捉适合初中生学习的能引导学生开展科学探究的真实而陌生的情境，尤其是一些没有固定答案的结构不良情境，让学生针对情境中的问题深入探究。本课例中，教师创设了对初中生而言较陌生的电解Ca（OH）2溶液实验情境，该实验过程中产生白色沉淀现象与学生的预期不同，有效地激发了学生的探究兴趣。且产生白色沉淀的因素较多，成因较复杂，没有固定的答案。这类结构不良性质的情境问题对学生的探究能力和思维品质要求较高，但探究过程中需要用到的知识却是初中化学的基础知识。学生在探究过程中解决了问题，得到了有价值的结论，提升了科学探究能力。

3.2 让学生自主经历科学探究的主要环节

表1是本节课科学探究相关环节中学生自主情况统计。

可见，学生在本节课的学习中自主经历了发现问题、提出假设、设计实验、进行实验、分析现象与得出结论的全过程，这种以学生为主体的探究体验是学生理解科学探究的本质、掌握科学探究的方法、培养严谨求实科学态度的重要过程，是形成科学探究能力的关键要素。

3.3 启迪学生在探究中进行深度思考

评价一节科学探究课对学生发展的价值，重要的是看学生在探究过程中是否进行了深度思考，是否启用了高阶思维来解决问题。在本课例中，学生针对电解氢氧化钙溶液为什么会出现白色沉淀的问题，根据已有知识与经验运用逻辑推理的方法提出了3个假设，并通过对假设的质疑（如电解时温度是否升高？），设计实验来验证假设的合理性，其质疑精神和批判思维在探究中得到了发展;接着，学生自主设计了4个实验来验证假设，在设计方案、讨论方案、进行实验、分析现象得出结论的过程中，学生进行了积极的思维活动。如通过正、逆向的实验得出假设1成立但不是唯一因素的结论，体现了学生较高的辩证思维能力;用铂电极来代替石墨电极验证假设3，反映了学生较强的思维变通性，具有一定的创新能力。从布鲁姆教学目标分类的角度来看，学生在探究过程中，充分运用了应用（如运用已有化学知识提出假设）、分析（如分析实验现象，得出结论）、评价（如评价、完善实验方案）和创造（如设计实验方案）的高阶思维来解决问题。

3.4 引导学生运用学科核心知识解决问题

为了防止科学探究脱离学科知识、走进形式训练的误区，应引导学生在科学探究中运用化学基础知识来解决问题，在提升科学探究能力的同时，深化对核心知识的理解，促进化学观念的建构。在本课例中，学生在探究过程中用到了氢氧化钙、氧气、二氧化碳、碳酸钙等物质的物理性质和化学性质以及溶解度概念、电解等基础知识。通过探究，深化了对以上化學知识的理解，促进了元素观和变化观的形成。

参考文献：

[1]张华. 论核心素养的内涵[J]. 全球教育展望， 2016， 45（4）： 10～24.

[2]罗玛. 证据推理的自然化[J]. 哲学研究， 1998， （4）： 71～79.

[3]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.