探究性实验设计教学的基本原则

由于探究性实验设计本模式的组织实施除了遵循探究性教学的一般性原则如主动性、探究性、实践性等原则以外，还应该遵循以下原则：

1.1 主体性原则

探究性实验设计关注学生自主进行设计，要彻底摈弃教师控制学生的学习过程的传授式做法，把学习的主动权交给学生。教师要给学生充分探究的机会，让学生面对设计任务与原有知识和方法技能产生联想，提出解决方案，并实施方案进行验证。因此，教师应该重视课堂教学中能否引起学生对自身发展的关注，能否激发起学生的发展热情，在这个意义上，不仅教师要关注学生体验和发展，放手学生自主学习，更要引导学生关注自己的体验和发展。

1.2 探究性原则

教师必须改变传统的知识呈现方式。要将教师认为学生应该掌握的实验设计方法既能设计为未知情景，给学生提供隐藏有学习目标、学习信息的背景资料，为学生创设将实验设计任务与原有认知水平（反应原理、仪器选择、实验步骤等）联系起来的学习情景，将学生置于一种问题（包括问题的解决）状态，让学生接触解决未知教学内容的一切材料，在开放的情景中体验、决断和操作。

1.3 实践性原则

即要贯彻“学中用，用中学，学用一体”的思想。教师必须停止说教和唱独角戏，将学生的一切学习活动外化为可感知、可操作的现实事物之中，如鼓励学生将想法表达出来、组织学生进行演示和讲解等，让学生在实践中体验，在体验中升华认识，并且通过外化的实践活动，降低实验设计的抽象性，同时降低学习难度。

1.4 和谐性原则

即实验设计的探究任务应该经过教师的精心设计，所有引发探究和促进探究的课堂情景应该既与学习任务的解决相一致，又与学生的原有知识结构相和谐，该情景既相对于原有水平有一定的差距或矛盾，又保证学生通过探究有解决的可能性。

1.5 表现性原则

由于原理选择、方案设计和探究实践必须让学生来实施，本模式要求学生个体、小组进行探究后，向其他学习成员展示自己的观点，将自己的探究以一定的形式表现出来，而不再是教师直接告知学生可以或应该怎么做，即提倡每位学生具有参与和表现的热情，教师则为之创设必要的时空环境。

1.6 延缓判断原则

由于实验设计是一项不断完善的过程，学生既可能由于经验和方法的欠缺而提出一些不理想甚至错误的设想，也可能出现多个不同的但可以实施的方案，这时教师不应过早做出评判，应给学生留有充分的思考和探究空间。特殊情况下还可以让学生尝试其错误方案，通过“试错”获得新知。

2 实施方法

2.1 模式流程

 探究性实验设计教学过程按照探究教学的基本程序设计，具体程序如下图所示：

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2.1.1 原理探究

原理探究是指从化学反应、化学计算等角度对实验进行理论上的探讨，主要解决完成实验任务的理论问题。进行相关原理探究时，一般经历以下三个阶段：

任务定向，即教师通过一定的情景引发问题，展示实验设计任务，确定整堂课的学习方向。

复现展示，即通过任务定向，将学生引导到对相关化学原理的思考，学生面对待解决的任务，产生解决的欲望之后，便会自然而然地与大脑中已有的认知产生合理联想，并进行筛选，此时教师应该尽量给学生一定的表现和展示的时空，让学生通过陈述、板书等形式把自己的思考展现出来。

选择判断，即待同学们展示出有代表性的原理思考结果之后，组织同学们对各原理进行评价，判断其合理性和可行性，最后选择出可行的原理，为下一步的探究做好准备。

2.1.2 方案设计

学生选择出可行的实验原理之后，教师不能直接给出肯定或否定的判断，也不必提示实验方案，应该由学生根据原理进行实验设计，将抽象的化学原理与实际的实验任务结合起来，设计实验方案。一般采取以下方式进行：

将学生进行分组，每组选择上一步中确定的可行原理进行设计，完成设计之后，每组选派代表将本组的设计方案进行展示和讲解，其他同学提出疑问和指出缺漏，最后，大家选择出可行的方案。注意，一项探究性实验设计的任务，允许有多个可行性方案。

2.1.3 实验验证

前面两步是理论上的设计，该设计是否科学，还有待实验来验证，因此，探究性实验设计的教学必须有实验验证的阶段。这一阶段往往也采用分组实施的方式进行，有条件的学校可以采取个体独立实验进行。在实验验证中，教师要事先估计到学生可能出现的实验方案，从而准备好可能需要的仪器、试剂和用品。每组学生可以自主选择自己认为合理的方案进行实验。在实验过程中，教师要提醒学生不仅注意操作，更要做好记录，获得足够的信息，以便对实验设计进行评价。最后，根据实验结果和记录分析实验结果，得出对该方案的评价。并提出解决和改进办法。

2.1.4 目标建构

目标建构是许多教师组织教学时容易忽略的一个环节，其实，这个环节对于学生认识的升华至关重要。因为前面三个环节，表面上看似乎已经完成了任务，其实，大多数学生是还停留在一种感性体验和表面、零碎的认识上，对于任务本身还需要形成整体认识，对于探究性实验设计还需要形成方法和技能上的建构。

一般情况下，探究性实验设计教学中的目标建构应该包括两个方面，一是对任务本身从原理、试剂、仪器、步骤、操作等的全面回顾和归纳，另一方面，还要根据本次探究中出现的问题和成功的经验，归纳出解决该类问题的基本思路。

2.2　组织实施

2.2.1　组织条件

本模式在实验室里上，课前应该为学生准备一些可能用到的仪器和药品，也可以提供实验设计空白表单作为导航。教室里还应准备一台实物投影仪，以便将学生设计的方案投影到前台屏幕上进行展示点评。由于是学生实验课，除了任课教师外，实验员教师应该辅助学生的课堂探究。

2.2.2　教学设计

教师应该在课前进行充分的估计，以便准确预测学生中可能出现的观点（正确或错误），并尽可能为学生可能产生的需要提供条件。主要分析以下几个方面的问题：学生完成此实验方案设计的知识基础；如何创造有利于学生得到创新发展的情景；学生可能产生的判断、疑问和困难；学生可能需要的仪器和药品等。

3　模式实例

下面以本学期笔者所执教的《探究氨气的实验室制法》为例进行说明，重点阐述模式的操作流程。

3.1　原理探究

由于学生已经学习过许多与氨气的产生有关的化学反应，因此，可以从列举这些反应开始本堂课的探究。

建构1：复习建构——学生自发补充、点评，教师补评。

建构2：意义建构——学生尝试得出结论，其他同学补充，直到形成以下认识：

①不合适：因为反应条件在实验室不易达到，且为可逆反应，转化率不高，得到的氨气中有大量未反应完的N₂和H₂。

②不合适：因为产生NH₃的同时产生HCl（杂质），且冷却时二者又会化合成NH₄Cl晶体。

③可以，但不太理想，因为产生NH₃的同时产生CO₂ 、H₂O（杂质），需要添加除杂装置（碱石灰）。

④可以，但极易溶解在水中，必须确保氨水的浓度足够大，且会产生大量水蒸气，需要干燥。

⑤可以，需要除去杂质水蒸气，所用两种试剂浓度越大越好，最好是固态时反应。

3.2　方案设计

在对以上原理进行认真分析，明确了各种化学反应应用于制备氨气的合理性和利弊之后，就可以选择合理的反应原理，进行实验方案的设计了。

必要时教师应提示：选择发生装置时要考虑反应物状态、如何提供反应条件？选择除杂装置时要注意不能损耗产品；选择收集装置时要考虑产品的水溶性和对空气的相对密度；选择尾气吸收药品和装置时要注意吸收要完全，且不会产生其他危险如倒吸

建构３：建立方案——经过上一步的探究，学生形成了三套方案，并针对各种情况，对以下问题有了明确认识。

A.发生装置：对于③、④、⑤，同学们设计了以下装置：

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       ③              ④                      ⑤

B.除杂装置；主要是干燥，不能选用浓硫酸；对于⑤，既然要用到烧碱，不如将发生装置与除杂装置合并，直接选用碱石灰作反应物兼起干燥作用．同时考虑到上一章才学过玻璃的主要成分是SiO₂，而容易与烧碱反应，因此，最好用熟石灰（Ca(OH)₂）代替NaOH ，即反应物用熟石灰＋氧化钙＋氯化铵．固体干燥剂用干燥管盛放。

C.收集装置．由于NH₃极易溶于水，不能用排水法；氨气的密度比空气小，宜用向下排空气法（试管或集气瓶）。

D.尾气吸收装置：用水即可，为防止倒吸，用倒扣的漏斗。

E.操作.应按以下顺序和要点操作：①组装；由下而上；由左至右；高度要一致；②检查气密性；③装药品；固体要混匀、平铺于试管底部；④加热：先预热，再集中火力加热；⑤验满：用湿润的红色石蕊试纸或蘸有浓盐酸的玻璃棒；⑥拆除。

值得说明的是方案本身可能并不重要，更重要的是在设计、研讨、修改完善方案的过程中获得对相关问题的认识应该是意义建构的重点。

3.3　实验验证

建构4：撰写完整的实验方案和实验报告（可课余完成或第二课时完成）。

3.4　目标建构

实验完毕后，教师组织学生进行实验操作情况汇报（结论）、评价与反馈，教师（或学生）总结氨气的实验室制法的相关问题。重点突出以下问题：

3.4.1　氨气的实验室制法的要点归纳

组织学生进行要点归纳，以对氨气的实验室制法有一个全面的认识。

建构5：学生从实验原理、实验条件、实验仪器和装置、实验药品、实验步骤、实验记录和结论等方面完成对氨气的实验室制法的全面认识。

3.4.2　实验设计的基本方法和原则

    这一步，教师组织学生结合本实验的完成过程进行反思，对气体制备的基本方法和原则进行归纳，通过此环节，引导学生明确以下内容：

一般实验设计的内容应该包括：①实验名称；②实验目的；③实验原理；④实验对象；⑤实验条件；⑥实验仪器选择；⑦实验药品；⑧实验步骤；⑨实验记录；⑩实验结论分析。

    一般实验设计的原则应该符合：①原理可行，不产生杂质或杂质易除；②实验条件易达，一般不需要加压，加热用酒精灯即可；③无副反应或副反应较少；④实验仪器组装简单；⑤不产生环境污染；⑥符合实验目的要求。