探究式学习理论在化学教学中的应用与思考
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文章编号：1005－6629(2009)01－0035－04中图分类号：G633.8文献标识码：B
“我听说了，就忘记了；我看见了，就领会了；我做过了，就理解了。”美国华盛顿大学校园的这副条幅，突出了“做中学”的重要性；中国著名科学家王选院士总结出的“科技创新之道”：“...... ,一定要在年轻的时候养成自己动手的习惯...... ，（他自己）30岁以前具备了计算机硬件和软件两方面的知识和具体实践，长期在第一线拼命干活”，即实践探究是创新的基础和关键。王选所言，正击中我国传统“灌输教学”之弊端，那么，我们怎样才能在课堂教学中有效地实施探究式学习呢？
1值得实施探究式教学的内容――有价值问题的主要特征
依据美国著名课程专家威金斯（Wiggins）和麦克泰（McTighe）的观点，教学中值得深入理解（即值得探究）的学习内容具有以下特征：⑴居于学科的中心，即居于课程的中心，且是抽象的、易于误解的观念性问题，是具有高度概括性和辐射性的内容；⑵具有持久的价值，具有超越课堂的持久价值，代表一种重大的观念；⑶有吸引力，对学习者具有潜在的价值需要发现，值得深入探讨。可以概括为，值得探究的内容是关系深入理解学习的概念性、抽象性问题，关联学生未来智能发展的核心内容。
课堂教学无论采取什么方式方法，关键在于激发学生的智能发展，为学生的终身发展奠基。前苏联教育家维果茨基在谈到教学和发展的关系时，提出了“最近发展区”理论。从形式上，教师要从教学目标出发，更多地设计一些发散类和探究类问题。从问题涉及的内容看，我们把问题类型分为五大类：一是判别类问题，主要是对事物加以判定，常用词语是“是不是”、“对不对”；二是描述类问题，主要是对客观事物加以陈述和说明，常用词语是“是什么”、“怎么样”；三是探索类问题，主要是对事物的原因、规律、内在联系加以剖析，常用词语是“为什么”、“你从中发现什么”、“找到什么规律”等；四是发散类问题，主要是从多角度、多方面、多层次、多领域去认识客观事物，常用词语是“除此之外，还能想到哪些方法”、“你从中体会到了什么”，此类问题最根本的特点是答案不唯一；五是集中类问题。主要是比较多种方法、多种途径、多种答案，筛选出最佳方案。常用词语是“你认为哪种方法最好”；所以，值得探究的问题是具有探索性、发散性、求同性的问题。若按语义记忆的类型，当代认知心理学家把语义知识主要分为三类[1]： 一是描述性知识，也叫语义知识，指关于世界的事实性知识，主要回答“是什么”、“怎么样”等问题；二是程序性知识，指在特定条件下可以使用的一系列操作步骤或计算法则；三是策略性知识，实质是关于如何学习和如何思维的知识，是关于如何使用描述性知识和程序性知识去学习、记忆、解决问题的一般方法。按语义记忆的分类方法，有价值问题值得探究的知识主要是策略性知识。
2探究式学习的内涵与基本特征
要研究探究式学习，首先得明确什么是探究？按照《牛津英语词典》中的定义，探究是“求索知识或信息，特别是求真的活动；是搜寻、研究、调查、检验的活动；是提问和质疑的活动”。美国《国家科学教育标准》中提出：“对产生于学生的经验的真实问题的探究是科学教学的核心策略......，探究是多方面的活动，包括观察；提出问题；通过阅览书籍和其他信息资源发现什么是已经知道的结论：制定调查计划；根据实验证据对已有的结论做评价；用工具搜集、分析、解释数据；提出解答、解释和预测；以及交流结果。探究要求确定假设，进行批判和逻辑的思考，并且考虑其他可以替代的解释。”根据对探究和探究性学习过程的分析，可将探究性学习的基本特征概括为五个方面的内容，简要地说包含如下要素：问题、设想（假设）、证据、结论与解释、评价和交流；探究性学习就是通过一系列探究活动去发现问题（提出问题）、分析问题、提出假设、搜集证据、解决问题、评价和交流的学习过程。
例案1：Ⅰ.怎样用图示装置图1（a）制备NO并验证其还原性？可设计下列依次主要操作：⑴向广口瓶内注入足量热NaOH溶液，将盛有铜片的小烧杯放入瓶中；⑵关闭止水夹，点燃红磷，伸入瓶中，塞好胶塞。⑶待红磷充分燃烧，一段时间后打开分液漏斗旋塞，向烧杯中滴入少量稀硝酸。请回答：
①步骤⑶后还缺少的一步主要操作是什么？
②书写红磷充分燃烧的产物与NaOH溶液反应的离子方程式？
③步骤⑶滴入稀硝酸后，烧杯中的现象是什么？请用离子方程式配以必要文字说明。
Ⅱ.一定温度下，将1mol N2O4置于密闭容器中，保持压强不变，升高温度至T1的过程中，气体由无色逐渐变为红棕色。温度由T1继续升高到T2的过程中，气体逐渐变为无色。若保持T2, 增大压强，气体逐渐变为红棕色。气体的物质的量n随温度T变化的关系如图1(b)所示。
①请书写出温度在T1～T2之间时，所发生反应的化学方程式。
②请计算出温度在T2～T3之间，气体的平均相对分子质量（保留1位小数）是多少？
提示：图1（a）中的问题探究难在第①问，关键在于抓住实验目的“要求制备NO并验证其还原性？”，显然在制得NO后， 应当通入少量氧气（或空气，即采取打开止水夹）的办法来进行检验。Ⅱ中，“升高温度至T1的过程中，气体由无色逐渐变为红棕色”，产生的综色气体显然是NO2，易联想到 N2O4存在自发进行的可逆反应：N2O42NO2；那么，题中已知“温度由T1继续升高到T2的过程中，气体逐渐变为无色”， 为什么温度继续升高，气体反而变成无色呢？运用平衡移动理论显然对N2O4 2NO2无法解释，只能推测红棕色气体NO2存在其它反应，且生成其他无色物质（可能是2NO22NO+O2，从题给条件前后联系看，用可逆符号更恰当；若认为NO2此时分解生成N2和O2，则在加压时N2和O2并不能反应生成NO2，这与题中条件“气体逐渐变为红棕色”不相符）
附答案：Ⅰ①打开止水夹，通入少量氧气; ②P2O5+6OH-=2PO43-+3H2O; ③Cu片逐渐溶解，有无色气泡产生，溶液由无色变为蓝色。因为发生Cu与稀硝酸发生氧化反应：3Cu+8H++2NO3-=3Cu2++2NO+4H2O
Ⅱ小题：①2NO2 2NO+O2 ②30.7
以上例案所涉及怎样检验NO气体等相关系列问题，它是一个颇有价值的研究性课题，需要我们前联后挂，综合发散，纵向深入，横向拓宽，如：可引导学生逐步讨论以下问题：
可用哪些方法检查此装置的气密性？为了准确检验产物NO，还有哪些方法可以除去氧气？连接怎样的装置，才能较为准确地测定NO气体的体积？为防止NO气体排入空气中，应采取怎样的措施？限于篇幅，仅讨论前三个问题。
可用哪些方法检查此装置的气密性？此问题的理论依据在于理想气体状态方程式：pV= nRT（其中R为常数），可由此演变得出：压强（p）、体积（V）、气体的物质的量n、温度T四个物理量中，V、n、T其中之一的变化，都会引起压强的变化。因此检验原理是：使封闭体系不同位置的仪器空间之间产生压强差，并且通过产生明显可见的实验现象来判断装置的气密性――主要通过气泡的产生、水柱的形成、液面的升降等现象来进行判断。而检验的操作方法主要有：①手捂法；②加水液封法（检验方法见图2）；③直接加热法：这种方法主要适用于多仪器，关键要选准加热仪器及相应加热部位；④特殊检验法――适用于涉及注射器的特殊装置。例案中，检验方法是（气密性检查在加入药品之前进行），如图装置，关闭止水夹，通过分液漏斗向广口瓶滴加蒸馏水，滴至一定时候水不再滴下，即表明装置气密性良好。
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为了准确检验产物NO，还有哪些方法可以除去氧气或空气？本例案中，采取的是方法即是，（1）通过化学反应直接除去氧气，但又不能引进新的气体杂质，除去氧气的办法如跟红磷、白磷、灼热铜丝（片）；（2）用跟NO不反应的“惰性气体（如CO2、N2等气体）”赶走装置中的空气；（3）反应前瞬间，用液体充满容器空间，反应时产生的NO通过排液而得到收集，请看右图2，该实验内容仍为“做铜与稀硝酸的反应，怎样检查装置气密性？怎样操作才能确保收集到的气体是全是NO并进行检验？”
顺便先看怎样对装置2进行气密性检查？先关闭分液漏斗活塞（最高原则是装置密闭），然后从U型管的右管加水至形成液面差，一段时间后，液面高度几乎没有变化，证明装置气密性良好。确保收集的气体全是NO的操作是，检查装置气密性后，打开分液漏斗旋塞，从U型管的右端缓缓注入稀硝酸，直到U型管的左端液面至旋塞时，迅速关闭旋塞。
连接怎样的装置，才能尽最大可能较为准确地测定NO的体积？显然在图1（a）中的止水夹处连接一个能测量气体体积的装置，如图3。在量气读数时，为了尽可能使测量较为准确，第一次读数在连通器两管液面相平时进行，第二次读数前，须上下移动右边的滴定管，保持连通器两管液面相平，此时才能进行第二次液面读数。
例案2：某研究性学习小组的一个课题是“NO2能否支持木条的燃烧？”由于实验室中没有现成的NO2气体，该小组的同学设计了两个方案（忽略N2O4的存在，图中铁架台等夹持仪器均已略去。
Ⅰ．实验装置如图4所示
(1)实验开始后木条上的火星逐渐熄灭，有的同学得出“NO2不能支持木条的燃烧”的结论。你认为这一结论是否正确？相应的理由是什么?
Ⅱ．实验装置如图所示
(2)当集气瓶中充满红棕色气体时，木条复燃了，有的同学得出“NO2能支持木条燃烧”的结论。你认为这一结论是否正确？相应的理由是什么?
Ⅲ．为了更直接说明“NO2能否支持木条的燃烧”这一问题，请你重新设计一个简单的实验方案，简述实验原理和主要操作。
提示：正确判断此探究性问题的关键在于，联系日常生活常识，找准火星复燃的判断基准――空气中氧气的体积含量为21%，但余烬木条上的火星并不会复燃。根据(1)中所发生化学反应方程式，初看木条熄灭的原因是硝酸分解产生的氧气含量为20%，略低于空气中氧气的体积含量，但更为主要的原因是加热时硝酸溶液中水蒸气的大量挥发而导致火星熄灭； （2）中硝酸铜受热分解的化学方程式：2Cu（NO3）2 2CuO+4NO2+O2。可见，分解产生的混合气体中氧气的体积分数为20%，跟空气中氧气的含量近似相等。
答案：(1)不正确；带火星的木条熄灭可能是由于加热时产生大量水蒸气所致。(2)正确；硝酸铜分解产生的混合气体中氧气的体积分数与空气中氧气的体积分数基体相同，若NO2不支持燃烧，则木条与在空气中情况一样而不会复燃。(3)用金属铜与浓硝酸反应制取NO2气体，并用浓硫酸或无水氯化钙进行干燥，再将带火星的木条伸入二氧化氮中观察现象。
4 探究式学习的思考
⑴探究式学习中老师的责任：就是把时空还给孩子，“给学生一批疑难，让他去探索；给学生一个目标，让他去追求；给学生一片空间，让他去创造。”只有这样，每个学生的个性才能得到充分发展。探究的意义在于经历，在于放手让学生自行探究，主动获取；让学生带着问题去探究，在探究的过程中碰撞出新的问题火花，新的矛盾，然后再针对新问题进行新的探索。
⑵探究式学习在化学新课程中的作用表现在以下几个方面：①培养学生的创新意识和创新能力；②培养学生问题意识和解决问题的能力。问题意识即一种怀疑精神，一种探索意识，它是创造的起点，没有问题意识就没有创造性。探究式学习从一开始就把目标指向学生的问题意识的培养上，在探究过程中，学生通过发现问题、提出问题、提出解决问题的设想、收集资料、分析资料、形成假设与千方百计求证结论等，都能够培养问题意识，逐步训练掌握基本的科学探究方法，学会在一个开放环境中收集信息、加工和处理信息。以上各个环节都是在训练学生学习和运用科学研究方法，发现和解决问题的过程；③培养学生的合作精神和人际交往能力；④获取和应用科学知识及方法。在探究活动中，学生能够了解和学习假说、观察、实验、分析、比较、判断、归纳、概括等科学方法，在了解科学方法的过程中，进一步巩固和发展已经掌握的科学知识；⑤培养学生的科学精神和科学态度。当今近代科学研究的主要方式是集体研究，因此强调学生在个人独立探究的基础上，进行小组合作探究，这有利于培养学生科学精神、合作精神；⑥培养学生关注现实、关注人类发展的意识和责任感[2]。
⑶要切实推行探究式学习，需要从各级管理到各个学科整体联动。推行新课程改革，已经喊了整整十年了，现在的问题关键在行动，而且必须至少是以班为单位各科齐动，否则实施新课改是一句空话。
⑷切实加强实验教学，提升实验探究素质。化学有两个重要的特点，一是以实验基础，二是在生产和生活实际中具有广泛的应用。笔者于2003年底在西南师大参加学习，曾向王祖浩教授提过关于加强实验教学的建议，一是让新毕业大学生在工作第一年不上课，专门听课和做中学化学从初中到高中的实验，二是加强对实验教学的考核工作，特别是对实验操作成绩的考核，具体设想如下：以省(区)为单位，备选相当数量的实验操作考试监考教师，采取从本省（区）其他市区（县）抽签组建监考教师，实验操作考试内容尽可能的宽，某考区（校）的监考教师抽签产生后，旋即在较短时间内抽签产生考试题目，只要评分要点尽可能的细，应该说本项工作具有操作性。只要考试过硬，日常实验教学自然得到大幅度加强，培养创新精神和实践能力的状况自然可得到大幅度改观。
参考文献：
[1]张庆林，当代认知心理学在教学中的应用[M].重庆：西南师范大学出版社，1995，12：42.
[2]王祖浩，化学新课程中的科学探究[M].北京：高等教育出版社，2003，4：21-24.
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