探究性学习设计与科学素养培养.doc

螆莃蒂蚃袈膆莈蚂羁莁芄蚁肃膄薃螀螃羇葿蝿袅膂莅螈羇羅芁螈螇膁芇螇衿肃薅螆羂艿蒁螅肄肂莇螄螄芇芃袃袆肀薂袂羈芅蒈袂肀肈蒄袁袀芄莀蒇羂膆芆蒆肅莂薄蒅螄膅蒀蒅袇莀莆薄罿膃节薃肁羆薁薂螁膁薇薁羃羄蒃薀肆芀荿蕿螅肂芅蕿袈芈薃薈羀肁葿蚇肂芆莅蚆螂聿芁蚅袄芅膇蚄肆肇薆蚃螆莃蒂蚃袈膆莈蚂羁莁芄蚁肃膄薃螀螃羇葿蝿袅膂莅螈羇羅芁螈螇膁芇螇衿肃薅螆羂艿蒁螅肄肂莇螄螄芇芃袃袆肀薂袂羈芅蒈袂肀肈蒄袁袀芄莀蒇羂膆芆蒆肅莂薄蒅螄膅蒀蒅袇莀莆薄罿膃节薃肁羆薁薂螁膁薇薁羃羄蒃薀肆芀荿蕿螅肂芅蕿袈芈薃薈羀肁葿蚇肂芆莅蚆螂聿芁蚅袄芅膇蚄肆肇薆蚃螆莃蒂蚃袈膆莈蚂羁莁芄蚁肃膄薃螀螃羇葿蝿袅膂莅螈羇羅芁螈螇膁芇螇衿肃薅螆羂艿蒁螅肄肂莇螄螄芇芃袃袆肀薂袂羈芅蒈袂肀肈蒄袁袀芄莀蒇羂膆芆蒆肅莂薄蒅螄膅蒀蒅袇莀莆薄罿膃节薃肁羆薁薂螁膁薇薁羃羄蒃薀肆芀荿蕿螅肂芅蕿袈芈薃薈羀肁葿蚇肂芆莅蚆螂聿芁蚅袄芅膇蚄肆肇薆蚃螆莃蒂蚃袈膆莈蚂羁莁芄蚁肃膄薃螀螃羇葿蝿袅膂莅螈羇羅芁螈螇膁芇螇衿肃薅螆羂艿蒁螅肄肂莇螄螄芇芃袃袆肀薂袂羈芅蒈袂肀肈蒄袁袀芄莀蒇羂 探究性学习设计与科学素养培养浙江省黄岩中学 王万林摘 要：针对科学素养培养认识的发展和探究性学习理念的形成，论述了中学化学教学中进行探究性学习设计的必要性，体现科学素养培养的探究性学习设计的意义，并展示了进行探究性学习设计的案例。关键词：科学素养 探究性学习 教学案例 晶胞一科学素养培养认识的发展1长期以来，对科学素养的理论定位存在分歧。传统科学教育理论受旧的科学观的制约，缺乏对科学教育的整体认识，或强调知识的学习，或着重科学方法的训练。这种取向对我国科学教育的影响是广泛而深远的，传授基本知识和培养基本技能几乎成了教育界上下一致的共识，深深扎根于广大教师的教育思想深处，变成了一种自觉的职业行为。这种把科学知识和科学方法当成科学素养的全部的认识是片面的、不合理的。思想观念的形成固然离不开具体知识的学习，能力的培养也离不开具体实验的操作，但是如果仅仅停留或沉迷于具体层面，显然是本末倒置了。220世纪70年代初期，在一些教育发达国家的中学自然科学课程中(如澳大利亚)就提出了科学素养的理念，并把培养学生的科学素养作为课程的基本任务。我国政府也认识到科学素养的重要性，在1992年、1994年、1996年、2001年开展了四次公众对科学知识、科学方法、科学技术对社会和个人所产生的影响三方面内容的基本了解程度的公众科学素养调查，了解公众的科学素养的基本情况，并在2001年修订了新的义务教育课程标准，把培养学生的科学素养摆到了重要的位置。科学素养培养已成为科学教育家和大多数理科教师的共同理念，成为当今理科课程发展的一个共同趋势。3科学素养的内涵已进一步明确。科学素养由科学知识、科学能力、科学方法、科学意识和科学品质五大要素构成，这五大构成要素构成一个相互联系、相互影响的有机整体。其中，科学知识起着基础性的作用，是培养和形成其他要素的载体；科学能力是核心，包括各种科学思维能力和科学实践能力等内容；科学方法是科学素养的重要组成要素，是科学的认识方法；科学意识和科学品质是科学素养的重要表现形式，其中科学意识包含科学的世界观、在社会生产及生活中有理解和应用科学的意识等内容，科学品质主要指科学态度、精神以及对科学的兴趣、情感、动机等内容。二探究性学习理念的形成 1“探究性学习”是在20世纪50年代美国掀起的教育现代化运动中，由施瓦布(J.J.Schwab)倡导提出来的。他认为学生学习的过程与科学家的研究过程在本质上是一致的。开展探究性实践活动有利于激发学生的学习兴趣，有利于训练学生动手操作能力，有利于学生个性的发展，有利于激励学生探索创新，促进知识迁移。探究性实践活动是化学科学认识的源泉，是训练科学方法的有效途径，是养成科学态度的必由之路。这种学习理念，一经提出，就引起广大化学教育工作者的关注。2我国著名化学家戴安邦指出“只传授化学知识和技术的化学教育是片面的，全面的化学教育要求既传授化学知识和技巧，又训练科学方法与思维，还培养科学精神和品德。”要培养和提高学生的科学素养，教学方法上就要从以教师为中心、书本为中心、课堂为中心的灌输式学习中走出来，倡导以问题为中心，进行探究性学习。一个相对完整的探究活动包括：提出问题作出猜想和假设制订计划进行实验或调查收集证据作出合理的解释或结论反思与评价表达与交流。就一个具体的探究问题来说，可以是以上过程的部分或全部。3义务教育化学课程标准对探究性学习提出了明确的要求，指出应该“让学生有更多的机会主动地体验探究过程，在知识的形成、联系、应用过程中养成科学的态度，获得科学的方法，在做科学的探究实践中逐步形成终身学习的意识和能力。”这就要求教师转变对课程功能的认识，改变课程过于注重知识传授，让学生接受学习、死记硬背、机械训练的现状，强调使学生形成积极主动的学习态度，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力，获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力，倡导从学生和社会发展的需要出发，发挥学科自身的优势，将科学探究作为课程改革的突破口，激发学生的学习主动性和创新意识，促使学生积极主动地学习，使获得知识和技能的过程也成为理解科学、进行科学探究、联系社会生活实际和形成科学价值观的过程。三科学素养培养的有效途径探究性学习1从科学发展的历史我们可以看到，整个科学发展的历史就是一部科学探究的历史。人们从最古老的完全处于自己的生活经验对世界的种种解释，到后来的通过设计实验，通过对自然界的观察得到种种结果，并根据结果进行推论形成种种理论，本质上就是一个科学探究的过程。因此，在化学教学中应给予学生创设类似于科学家进行科学研究的环境，引导学生自己构建自己的知识体系，实践科学探究的基本过程和方法。例如：对燃烧的产生和灭火，学生都有一定的生活经验。如果让学生置身于一系列似乎是司空见惯的生活场景中动手探究，如：试一试都是无色液体的水和酒精，哪种物质能被点燃；试一试在酒精灯火焰上点燃木条和煤块的难易；尝试熄灭蜡烛火焰的种种方法，回忆生活中熄灭煤气炉火、扑灭油锅火焰、吹灭煤油灯火的经验，从中领悟并归纳燃烧的条件和灭火的方法。通过以上这种探究性学习得出的结论，与直接告诉学生燃烧的条件和灭火的方法相比，在培养学生科学素养中所起的作用，是显而易见的。通过探究性学习，学生用已获取的知识，领悟科学的思想观念、领悟科学家们研究自然界所用的方法和进行的各种活动。2进行探究性学习，学生可以把化学知识与观察、推理和思维技能结合起来，从而可以能动地获得对化学知识的理解。学习的过程由掌握知识的状态向探索知识的过程延伸。在探究活动中，在参与解决问题、参与做计划、参与决策、参与小组讨论、参与评价的过程中，学生们将所学的化学知识同他们从多种渠道获得的化学知识联系起来，并把所学的化学内容应用到解决新的问题中去。通过探究活动，学生对探究的手段、使用证据的规则、形成问题的方式、提出解释的方法等一系列问题都有了亲身的体验,而不仅仅是听到或记住有关的知识或结论。通过探究活动，学生对化学与社会的关系，化学与技术进步的关系，化学与自然界的关系等一系列的问题都有了更切身的认识和体验，而不仅仅是获得关于这些问题的标准答案。3探究性学习是一种学生学习方式的根本改变，学生由过去从学科的概念、规律开始学习的方式变为学生通过各种事实来发现概念和规律的方式。这种学习方式的中心是针对问题的探究活动，当学生面临各种让他们困惑的问题的时候，他就要想法寻找问题的答案，在解决问题的时候，要对问题进行推理、分析，找出问题解决的方向，然后通过观察、实验来收集事实，或通过其他方式得到第二手的资料，再对获得的资料进行归纳、比较、统计分析，形成对问题的解释。最后通过讨论和交流，进一步澄清事实、发现新的问题，对问题进行更深入的研究。 探究性学习的一个最大目的是要学生掌握科学研究的方法，如果不亲自参与探究，学生就无法理解科学探究的艰难，无法体会科学家在科学研究中可能遇到的各种问题，以及科学家怎样通过一次一次的尝试来解决问题，参与探究可以帮助学生领悟科学的本质。四科学素养培养的探究性教学案例设计案例1探究性理论课设计：元素周期律的教学 问题情境：出示一组图形，请学生找出这组图形编排的规律，并画出该组图形中缺少的那个图形。 寻找规律：分析以上图形的变化规律，在“”中选择“”回答问题。 展示材料：(2000年人教版高一化学第97页表5-5)118号元素的核外电子排布、原子半径和主要化合价，寻找核外电子排布、原子半径和主要化合价的变化规律。 分析数据：对所提供的数据进行加工处理，得出如下图形。 观察图形，经分析、讨论，得出结论：(1)随着原子序数的递增，元素原子核外电子层排布呈现周期性变化；(2)随着原子序数的递增，元素原子半径呈现周期性变化；(3)随着原子序数的递增，元素化合价呈现周期性变化 提出假设：元素的金属性和非金属性也将随着原子序数的递增而呈现周期性变化？ 资料检索，实验探究：观察Na、Mg、Al和水、酸反应的剧烈程度；查阅Si、P、S、Cl生成氢化物的难易及氢化物的稳定性强弱、最高价氧化物对应水化物的酸性强弱。小结规律：1118号元素的金属性和非金属性递变规律。 Na Mg Al Si P S Cl Ar 金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强 稀有气体元素总结：元素的性质随着原子序数的递增而呈现周期性变化。案例2探究性实验课设计：对乙炔的分子式、结构式和性质的探究。问题情境：在盛有电石(CaC2)的试管中滴加适量水，观察到剧烈反应，产生大量气体(科学实验测得乙炔气体的相对分子质量是26)。将生成的气体通入溴水，观察到溴水褪色；点燃，火焰明亮带浓烟；往反应后的溶液中滴加酚酞，溶液呈红色。试推断乙炔的分子组成及结构？猜想假设：分析反应物，可知存在Ca、C、H、O四种元素。往反应后的溶液中滴加酚酞呈红色，判断有Ca(OH)2生成；气体燃烧有黑烟生成，判断气体分子中一定含C，可能含有H、O，可设乙炔的组成为CxHyOz，理论分析：乙炔的相对分子质量为12x+y+16z=26 (x、y、z为正整数)，因为x1，若z=1，则12+1626，所以z只能等于零，可分析乙炔中不含O。又设乙炔的分子式为CxHy，则12x+y=26；若x=1，y=14，CH14 (不可能)；若x=2，y=2，C2H2 (合理)，推测乙炔可能的结构式为HCCH，含有不饱和键，与能使溴水褪色的性质相符。反思激疑：若乙炔与溴水发生取代反应也能使溴水褪色？如何设计实验证明乙炔与Br2发生的是加成反应而不是取代反应。分组讨论：若乙炔与溴水发生取代反应，有HBr生成，溶液中c(H+)变化较大；若乙炔与溴水发生加成反应，无HBr生成，溶液中c(H+)无明显变化。可测定反应前后溶液的pH。实验探究：实验测得反应前后溶液的pH无明显变化。得出结论：乙炔的分子式是C2H2，结构式为HCCH，具有不饱和烃的性质，能与溴水发生加成反应。案例3探究性习题课设计：NH4Cl溶液为什么能使Mg(OH)2 沉淀溶解？问题情境：加入NH4Cl溶液后，白色的Mg(OH)2 沉淀为什么会溶解？提出假设：Mg(OH)2(固)Mg2+2OH-，NH4+H2ONH3H2O+H+，由于NH4+水解生成的H+和Mg(OH)2电离生成的OH-发生H+OH-=H2O的反应，使Mg(OH)2的电离平衡正向移动，Mg(OH)2 沉淀溶解。Mg(OH)2(固)Mg2+2OH-，NH4ClNH4+Cl-，NH4Cl电离生成的NH4+和Mg(OH)2电离生成的OH-发生NH4+OH-=NH3H2O的反应，使Mg(OH)2 沉淀溶解。理论分析：(1)因NH4Cl溶液中既存在较大浓度的NH4+，又存在较大浓度的H+，无法确定假设还是假设正确。(2)可考虑选用：a不含NH4+的酸性溶液如HCl、HNO3溶液；b不含H+的铵盐溶液如CH3COONH4溶液(查阅资料，可知稀醋酸和稀氨水的电离度近似相等，CH3COONH4溶液呈中性)。实验探究：(1)向Mg(OH)2悬浊液中加入适量的稀HCl溶液，振荡，可观察到Mg(OH)2 沉淀溶解了。(2)向Mg(OH)2悬浊液中加入适量的饱和醋酸铵溶液，振荡，也可观察到Mg(OH)2 沉淀溶解了。得出结论：(1)Mg(OH)2 沉淀能溶于强酸溶液如HCl溶液等；(2)Mg(OH)2 沉淀也能溶于水解呈酸性的铵盐溶液如NH4Cl溶液等；(3)Mg(OH)2 沉淀还能溶于水解呈中性的铵盐溶液如CH3COONH4溶液等。由此，学生在分析、讨论、实验、交流的基础上，归纳出假设是合理的。案例4探究性活动课设计：晶体结构的学习和研究问题情境：展示NaCl晶体结构模型(2003年人教版高三化学第2页)。若已知最近的Na+与Cl-核间距离为2.8110-8cm，如何求NaCl晶体的密度?设计方案：(1)回忆=，需要确定质量m和体积V。(2)确定质量m：(分摊法)截取一个1/8大的小立方体如图1，因各顶点上的Na+或Cl-为8个小立方体共用，故小立方体占1/2个Na+，1/2个Cl-，即占1/2个NaCl。 m= =4.8610-23g(3)确定体积V：立方体体积V=(2.8110-8cm)3 =2.2210-23cm3故密度：=2.19gcm-3 ，与实际查得NaCl的密度(2.16gcm-3)接近。 推广应用：用类似的方法求出教材中CsCl晶体的密度。如图2，最近Cs+和Cl-间的距离是3.5510-8cm，可算出立方体边长a的具体数据。分析小立方体中占有1个Cs+和Cl-，可算出CsCl晶体的密度，再与实际查得CsCl的密度(3.99gcm-3)比较，证明以上分析方法的科学性。新问题：金刚石不是立方体结构，如何计算金刚石密度？实施步骤：(1)观察金刚石的晶体结构，模仿求NaCl、CsCl晶体密度的思路，截取如图3所示的一个正四面体。根据正四面体边长可以求出正四面体体积，但还存在一些问题：顶角上的C被多少个四面体分占呢? 四面体中含有多少碳原子？截取正四面体后，剩余的空隙部分如何计算体积？(2)应用数学知识，经反复研究，构建一个将金刚石四面体放于一个立方体之中的图形，如图4所示。计算过程如下：立方体占1.5个C，图示1.5510-8cm是立方体对角线的1/2，则21.5510-8cm=a，得a=1.5510-8cm=1.7910-8cm =5.21gcm-3 ，这与查得金刚石密度(3.51gcm-3)不符。自我评价：可能在模型的处理、计算的方法上存在错误。查阅资料，寻找新方法：查阅金刚石球棍模型，仔细观察模型，可以发现图4不断向三维空间延伸得到的不是金刚石的晶胞晶体的最小重复单元。金刚石的立方晶胞应为图5。计算如下：图5所示立方体中含有的碳原子数：顶点为8(1/8)=1个，面心6(1/2)=3个，体内4个，共8个。由数学知识求得晶胞的边长为：1.5510-8cm =3.48gcm-3 ，与金刚石密度（3.51gcm-3）接近。延伸拓展：展示干冰晶体、石墨晶体的模型，寻找计算晶体的密度的方法。五体现科学素养培养的探究性学习设计的意义1中学化学课程能够并且应当使学生终身受益的，不是化学学科精深的专业知识，而是影响他们世界观、人生观和价值观的化学思想观念；不是诸如制备、分析、提纯等特殊的实验方法和技能，而是影响他们思维方式和解决问题能力的具有化学特点的认识论和方法论。在探究性学习设计过程中，可以最大限度的调动学生参与探究的积极性、主动性，学生可以亲自去实践、去收集和筛选有用证据、加工和应用各种信息、去寻找解决问题的途径和方法，自主的、科学的获得知识与技能，最终学会学习，为终身学习打下坚实的基础。2通过探究性学习设计，学生有亲身体验“做科学”的机会，可以用各种方法去研究有关的化学问题，形成自已的观点，而不是全盘接受他人的结论，真正从“听和背”中解脱出来，实现“做中学”。通过对研究课题的所蕴含信息的深刻挖掘，可以激发学习化学的好奇心和持续的学习兴趣，发挥学习主动性，提高资料检索能力、实验设计水平和操作能力，发展分析问题和解决问题的能力。在探究过程中，学生用文字记录探究过程和探究结果，可以发展文字应用的能力；借用图形描述科学事实则使科学与艺术建立联系；用图表、计算式表示和解释实验数据，将科学与数学融为一体。总之，开展探究性学习，可以培养学生综合科学知识，提高科学素养。3通过探究性学习设计，可以使学生体验到科学探究是人们获取科学知识、认识客观世界的重要途径，意识提出问题和作出猜想对科学探究的重要性，了解科学探究可以通过实验、观察等多种手段获取事实和证据，理解提出的问题和作出的猜想都必须用事实来验证，认识到科学探究既需要观察和实验、又需要进推理和判断，体会合作与交流在科学探究活动中的重要作用。这种设计活动，涉及了科学素养的各方面，从而达到全面提升学生的科学素养的目的。参考文献：1.化学新课程与学科素质培养:化学教育新视野/李晶,何彩霞主编.北京:中国纺织出版社,2002.3 2.全日制义务教育化学课程标准解读/教育部基础教育司组织武汉:湖北教育出版社,20023.论高中化学探究性学习的课堂案例设计/孙夕礼.化学教学.2003,3三、从习题中选择内容研究性学习的一个显著特征就是开放性,习题中有一部分是开放性问题,开放性问题的答案不固定,因此开放性问题具有发散性,学生可以在不同的经验和能力水平上提出自己的思路和方法,进而培养创新精神和创造能力。开放性问题与研究性学习的特征相吻合,因此开放性问题是研究性学习的重要内容,对课本中一些封闭性问题可以改造成开放性问题进行研究性学习,如高中化学第一册新教材上有这样一个习题：加热3.24Na2CO3和NaHCO3的混合物至质量不再变化,剩余固体的质量为2.51。计算原混合物中Na2CO3的质量分数。教学中在习题的基础上,可以改成一个开放性的问题:如何测定Na2CO3、NaHCO3混合物中N