关于基于化学实验思维发展的教材内容体系建构探析

年4月19日关于基于化学实验思维发展的教材内容体系建构探析文档仅供参考，不当之处，请联系改正。基于化学实验思维发展的教材内容体系建构探析孙丹儿王祖浩化学实验作为化学课程的重要组成，它对于培养学生的思维能力具有特殊的价值，化学知识与实验中的思维能力培养得到和谐的统一，在新的教科书中成为一道亮丽的“风景”。本文依据化学实验研究及教材编制的经验，对化学实验思维的内涵进行了新的界定，而且以化学实验思维发展为目的，对基于化学实验思维的教材实验内容体系进行了建构，以此指导中学化学相关教材的编制，为促进高中化学实验教学的发展寻求更多的途径。一、化学实验思维的内涵界定及其构成1．化学实验思维的内涵我们认为化学实验思维是人们在经历化学实验问题的解决过程后形成的一种科学思维。具体而言指在化学实验问题解决过程中，具备一定化学知识和理论的实验者对实验要素即物质的性质(反应物、中间产物及最终产物)、反应机理或反应原理、实验条件、实验装置、实验现象、实验数据、实验结果等的本质属性、内部规律以及要素与要素之间相互关系的间接的、概括的、能动的反映。这种反映集中体现为明确所研究的实验问题，收集和应用已有知识和信息，设计合理、有效的实验方案，实施实验并监控实验过程，解释实验现象，得出实验结论并对结论进行分析的思维行为。化学实验思维是化学实验能力的核心。化学实验思维是一种统摄化学实验全过程的内在心理特征，它的外在表现为化学实验能力。化学实验思维的活动过程是化学问题解决中的内在信息加工过程，该过程的物化结果便是实验各活动要素的完成。化学实验思维贯穿化学实验问题解决过程的始终，实验思维主体在对实验问题的表征和解析、实验方案的设计和实施、实验结果的检验和解释、反思及评价等活动中体现了化学实验思维的应用，实验问题的解决成效决定于实验思维能力的高低。2．化学实验思维的构成要素朱智贤等提出思维结构的要素有六点，即思维的目的、过程、材料或结果、自我监控、品质、认知因素与非认知因素。化学实验思维作为思维在化学实验问题解决中的另一种表现形式，本文借鉴该理论将化学实验思维分为实验思维的目的、内容和材料、过程和方法、结果、品质、自我监控和行为习惯等要素。其中实验思维的内容和材料为实验思维的原料部分，实验思维的过程和方法为实验思维的工具部分，借助实验思维的工具部分能够解决实验思维的内容问题。实验思维的品质、自我监控和行为习惯是由实验思维的主体所体现的，这些内容对于实验主体实验思维的形成和发展起着重要的作用。3．化学实验思维的内容模型化学实验思维的内容来源于化学实验问题，化学实验问题是化学思维形成的主要材料，为有效促进学生的化学实验思维，需要选择和开发一些基于化学实验思维发展的实验内容。基于对化学实验内容开发的途径研究，本文建构了化学实验思维的内容模型(如图2)，由图可知，化学实验思维的内容来源能够有两个方面，一个方面是宏观来源，现实生活和教学实际均可作为宏观来源；另一个方面是微观来源，微观来源特指实验本身，实验过程各要素，如药品和试剂、实验装置、反应机理或原理、实验操作以及实验结果等均能够作为实验思维内容的微观来源，这些要素成为开发实验内容的重要依据。化学实验思维内容模型有效说明了化学实验思维的内容来源，为促进化学实验思维的形成创造了前提。更重要的是化学实验思维的内容模型为基于实验思维发展的教材编制提供了理论指导，实验内容的选择、编排，实验课题的开发等均能够该模型为依据。二、基于化学实验思维发展的教材内容体系建构经过对化学实验思维的内涵、构成要素以及内容模型的分析，为基于化学实验思维发展的教材内容体系的建构提供了理论依据，教材内容体系包括三个内容：一是实验内容的选择；二是实验内容的横向体系，内容的横向建构需寻求合理的线索；三是实验内容的纵向体系，纵向体系经过课题内容的呈现方式得以体现。本文主要经过对苏教版《实验化学》实验课题的内容分析为基于实验思维发展的教材内容纵向体系的形成作参考。1．实验内容的选择基于化学实验思维发展的教材实验内容的选择，以启迪学生的思维和培养学生的多元能力为前提。据此中学化学实验内容的丰富性和多元教学功能应在教材中得到充分地体现，使学生能够经过多种类型的实验问题，获得化学实验问题解决的多种策略和方法，培养其化学实验思维的发散性和创造性。教材内容要求能够尽可能在引起学生兴趣的基础上，加强其对化学与社会、科学、技术之间的联系的认识，并对化学实验的应用价值有深刻的认识。因此，出于培养学生对多种化学实验问题的表征能力，获得多种实验方法和策略的学习与训练的目的，基于实验思维发展的教材实验内容应包含以下几个方面。(1)与现实生活有密切联系的实验内容。参考化学实验思维内容的宏观来源，可选取自然现象、生活、生产实际中的化学问题作为实验内容。可考虑的有日常生活化学(食品、化妆品、住房等)、化工、医药、环境、能源等。这些实验内容涉及面广，与生活联系密切，可引起学生对化学实验应用价值的认识，激发其学习兴趣。(2)现代技术在化学实验中的应用。随着现代信息技术的发展，除了利用多媒体技术强大的模拟功能为化学抽象知识的学习、有毒有害实验的实施创造条件外，数字设备及仪器的使用也逐渐普及。如基于传感器技术的手持技术实验，不但能够经过图像、刻度计、表格、视频等多种形式来动态地显示化学变化或物理现象的整个过程，且能对变化过程的数据进行直观、形象的处理。因此，在定量实验中应用传感器技术，能够使学生对现代化技术有一个直观的认识，而且对定量实验有更理性的认识。(3)微型实验、定量实验和趣味实验。微型实验的经济、低毒害的设计理念以及自成一体的造型各异的微型实验仪器能给予学生科学态度和价值观新的改造。利用微型实验仪器对学生熟知的常规化学实验进行改进，能使学生的实验思维在创新性方面得到新的发展。仪器微型化和试剂微量化的特点适合中国中学化学实验条件，便于在实验条件相对落后的学校进行开展。中学化学实验中定量实验的内容除了酸碱中和滴定外，还能够将一些常数、物质浓度、固体纯度等的测定方法作为定量实验的教学内容。选取的素材联系生活实际，将定量实验在培养学生操作技能、数据处理能力以及科学态度方面的教学价值充分体现出来，使学生的实验思维变得更为严谨和缜密。在趣味实验中对趣味现象的观察、产生趣味现象的原理探究以及新的趣味实验的设计等都能够将学生的思维主动性充分调动起来，使其乐于思考，乐于探究，增进对学科知识学习的兴趣。这些都是触发学生发挥能动作用的前提。(4)绿色化实验。实验绿色化理念要求化学实验对人体和环境造成的危害为零。因此，实验药品的用量、实验装置的选择、有毒物质的处理等均渗透绿色化学理念。可依据学生的认知水平，制定不同的绿色化实验标准，实验药品的使用和选择、实验路线的制定以及实验结果的评价能够作为绿色化实验设计的全部或部分内容，在绿色实验方案的制定中对学生实验思维的发散性和敏捷性方面提出了更高的要求。(5)探究性实验。经过选取典型的探究性实验案例，使学生体会探究性实验的过程，从而对探究性实验的解决原则、方法以及一般程序有较深的认识。使探究性实验发挥启迪学生思维，培养学生分析能力、合作交流能力的作用。特别是经过体验探究性实验的过程，提高学生实验思维的整体性，使实验思维的品质进一步得到提升。(6)强化方法和策略运用的实验。实验方法是化学实验思维的构成要素之一，是形成化学实验思维的前提。在化学学习中，将化学实验方法的学习渗透于实验内容中，使学生对实验研究方法的应用对象和特点等有较全面的认识。如绿色实验的设计方法、微型实验的设计方法、实验原理的探析方法，实验装置的设计和改进方法等常见的化学实验思维策略。基于化学实验思维发展要求的教材实验中绿色实验和微型实验应强调相应实验装置的设计方法和策略；趣味实验的问题解决应强调实验原理的探究方法；探究实验应强调实验探究的过程和方法，以训练学生的观察能力、分析能力为侧重点；定量实验应注重展示多种类型的定量实验及其设计方法，培养学生科学态度；手持技术实验则应侧重经过传统手段与技术手段之间的对比来体现该技术的应用价值。以上实验内容的选择和确定，应与教材的教学目的相匹配。如教学目的是加强学生对化学与生活的联系和认识，则能够倾向性地多引入绿色实验、趣味实验等；若教学目的是加深学生对化学知识和原理的认识，则可倾向性地多引入探究性实验、定量实验等。2．实验内容的横向体系实验内容的横向体系的形成需以内容线索为依据，内容线索的寻求能够有多种途径。从实验思维的内容来源出发，可分别从生活实际、教学实践以及实验各组成要素等角度进行考虑。本文认为基于化学实验思维发展的教材实验内容的组织方式能够有以下几种(1)以自然界物质研究的逻辑顺序为线索。根据此线索设置主题，如获得物质的方法(分离、提纯、合成)→物质性质的研究→物质性质的研究应用(检验、鉴别)→物质反应规律的研究→物质的制备与合成。这种建构方式以实验思维的方法应用为基点，结合生活、生产实际选取实验内容，特点是实验思维的内容较丰富，有助于培养学生实验思维的全面性，提高其综合实验能力。(2)以化学实验在生活生产中的应用为线索。根据此线索设置主题，如生活中的化学实验→农业中的化学实验→工业中的化学实验→环境中的化学实验。该线索的实验内容能够更多地从培养学生的情感、态度和价值观方面进行选取。将实验的趣味性经过生活中的实验问题来体现，将实验的实用性和实验技术的先进性经过工农业中的实验问题来体现，将实验的绿色化经过环境中的化学问题来体现。(3)以元素周期表中重要元素及其化合物为线索。根据此线索设置主题，如碱金属(钠及其化合物)→碱土金属(镁及其化合物)→硼族元素(铝及其化合物)→碳族元素(碳、硅及其化合物)→氮族元素(氮、磷及其化合物)→氧族元素(硫及其化合物)→卤族元素(氯及其化合物)。该线索以化学元素知识为基点进行建构，有助于学生化学元素知识的掌握和理解。能够侧重培养学生的分析和归纳能力，提高其化学实验思维的深刻性。(4)以实验的难易程度为线索。根据此线索设置主题，如实验基础知识及技能→物质的分离和提纯→物质的检验与鉴别→实验设计原理及方法→绿色实验研究→微型实验研究→异常及疑难实验研究。该线索按照所需实验思维水平的层次性来安排主题，能够有效促进学生的实验思维水平、思维品质得到系统的训练。(5)以实验的组成要素为线索。根据此线索设置主题，如实验原理或反应机理初探→实验装置设计→实验装置改进→综合实验设计。该线索以实验各要素为研究对象，有助于加强学生对化学实验的深层认识，培养实验思维品质的深刻性和灵敏性。在教材实验内容横向建构过程中，能够采用明暗线索结合的方法，充实教材内容，体现教材内容要素的多重价值。3．实验内容的纵向体系教材实验内容的纵向体系主要表现为课题内容的呈现形式。传统实验内容一般按照实验目的→实验原理→实验用品→实验步骤→实验记录→问题与讨论的形式将内容进行呈现，这种实验内容的纵向体系对于学生实验思维的发展具有一定的限制性。在实验内容横向体系已经确定的前提下，如何将实验内容进行有效地呈现，使化学实验思维的过程、方法等构成要素融入实验内容的纵向体系中是本文讨论的重点。本文以苏教版高中化学课程标准教科书《实验化学》为研究对象，对基于化学实验思维的教材实验内容纵向体系的建构方式作深入地探讨。《实验化学》实验内容的纵向体系有四个组成要素，分别为“知识预备”“课题方案设计”“记录与结论”和“拓展课题”，其结构如图5所示。各组成中穿插有一定数量的支持性栏目，便于各部分知识的学习。(1)“知识预备”的设置目的及特点。“知识预备”主要是将课题涉及的知识点以概念、定律、原理等内容呈现出来，这些概念、定律或原理都与课题的实验原理、方案设计及实验步骤密切相关。“知识预备”的设置旨在使学生具备设计实验方案和理解实验原理的基础知识。这为学生深刻领会实验设计意图，理解和熟悉实验操作步骤，对实验现象进行合理解释并经过讨论得出实验结果做好知识准备。这也是学生更好地表征实验问题，具备应有的实验思维所需的材料。(2)“课题方案设计”的设置目的及特点。“课题方案设计”主要以流程图、文字或流程图加文字的形式加以呈现。课题中，操作步骤较多和操作技术性较强的实验，如海带中碘元素的分离及检验、阿司匹林的合成等技术含量较高的实验均以文字配流程图的形式来描述实验方案；对于操作步骤简单，特别是学生较熟悉的课题方案就直接用流程图来表示，如牙膏中主要成分的检验；操作细节较多的实验则多以文字的形式进行叙述；而一些重点考查和培养学生实验设计能力的课题如“亚硝酸钠和食盐的鉴别”则只对实验的注意事项进行说明和提示。课题方案设计的不同呈现形式也间接体现了各类型实验的教学功能的侧重点，这样的设计不但有利于引导学生关注一些实验的操作细节，还有利于学生对各类实验问题解决的特征形成较全面的认识，促使学生形成有效的实验问题解决模式和实验思维能力。(3)“记录与结论”的设置目的及特点。实验的“记录与结论”主要以表格的形式进行呈现，表格的项目名称取决于课题的实验目的、实验内容和要求。“记录与结论”的设置旨在培养学生实验数据的处理能力，形成实事求是的科学态度，“解释”或“结论”等项目的设置有助于培养学生的分析和归纳的能力。经过对结论的反思与交流，能够进一步提高学生的实验思维的水平及其实验思维品质。(4)“拓展课题”的设置目的及特点。“拓展课题”的学习是实验课题的后续学习，是基础实验课题的实验研究方法和研究思路的迁移训练，是对基础实验课题学习的一种“评价”“总结”和“反思”，而且这种“评价”“总结”和“反思”是经过完成另一个实验来实现的。拓展实验课题的问题解决反映了学生基础实验课题的学习成效，这既是对学生知识的考查，又是对学生能力的考查。能够说，拓展课题的完成是对学生能力提升的一种肯定，也是有效锻炼学生实验思维的灵敏性、深刻性的途径。由以上分析可知，《实验化学》的实验内容体系与化学实验思维的形成有密切的相关性，除化学实验思维的行为习惯以及自我监控需在实验实施过程中进行培养外，化学实验思维的构成要素在该教材中得到了较好的体现。“知识预备”提供了实验思维的材料，“课题方案设计”提供了实验思维的内容、方法和过程，“记录与结论”的得出能够较好地体现学生化学实验思维的品质，“拓展课题”能够对学生化学思维进行迁移训练，以诊断和提升学生的实验思维水平。《实验化学》在实验内容上摒弃了传统实验内容的编排模式，而是以知识预备→课题方案设计→记录与结论→拓展课题的形式呈现，在一定程度上体现了实验思维的过程模式，并在纵向方面对方法、情感态度等作了要求。这种编排形式不但丰富了实验内容本身所蕴涵的知识价值，也将实验在过程与方法、情感态度与价值观的教学目标得到有效的体现。实验已非纯粹的传统意义上的实验，而是一个内涵丰富的课题，经过对实验课题的学习，学生将会在化学知识、实验技能、实验方法、科学态度等方面得到全面发展，特别是实验思维的形成和发展。三、结论与启示教材内容的精选是学生在有限的时间内获得知识和经验的前提，而精选的教材只有经过合理的编排才能充分发挥其培养学生知识迁移和问题解决的能力。中国教育心理专家指出，从迁移的角度看，其标准就是使教材达到结构化、一体化和网络化，即在使教材内容的各构成要素具有科学、合理的逻辑关系的前提下，将这种关系整合成有机的整体。基于实验思维发展的教材实验内容纵向体系的建构在一定程度上需遵循实验思维的操作过程，这种过程能够经过对实验任务进行内容分解的方法进行强化。经过以上对教材实验内容的选择，实验内容体系线索的寻求以及《实验化学》实验内容纵向体系的分析，本文认为基于化学实验思维发展的教材内容体系应遵循以下几点。1．合理安排教材明暗线索，建构立体化模式教材的线索是教材编写的生命线，基于化学实验思维发展的教材应充分考虑实验思维的构成要素来选取教材的线索。重视将自然现象、生活和生产实际中的实验所包含的核心知识线索与实验探究的过程、方法线索紧密结合。采用多层次、多线索来处理教材内容，并利用栏目内容充实和立体化教材体系，设置知识、能力、思维、方法的多重梯度，形成相互联系的网络式空间构型。2．将教材的表层结构和深层结构进行有效融合教材的结构是教材内部各要素、各成分以及它们之间的组合方式。精心设计的功能性栏目、相应的文字或图表的呈现形式体现了教材的表层结