非实验探究教学法

鲁名峰

    说明：本文发表于《广东教育》（综合版）2009年第4期。 

    探究性课堂教学就是模拟科学研究的一般程式、为学生提供材料（文字、数据或实验器材）、通过学生的自主探究和分工合作发现问题、提出假设、进行探究、得出结论的课堂教学。以实验为手段的探究课堂教学模式已日趋成熟，而以物质结构理论为内容的探究课堂教学，因其内容的非实验验证特性及高科技手段在教学中不能使用的特点，使本类探究课堂教学还处于不断探索之中。本文作者经过一轮多新课程的教学实践得出：探究性课堂教学也能以阅读和思辨的方式进行，并初步建构了以物质结构理论为内容的非实验探究课堂教学的基本模式，在教学中取得了良好效果。

    1．知识不仅是经验的结果

    《普通高中新课程标准》把培养学生的科学素养放在教育的中心地位，强调通过模拟科学家进行科学研究的过程进行探究性学习，在注重获取知识结果的同时更重视探求知识的过程。以实验为特征的化学学科是践行《新课标》理念的良好载体，但新教材中有许多内容不是学生通过普通中等基础类学校实验条件所能进行实验探究的，有些知识也不是能够进行实验验证的，如轨道杂化、化学键、晶体类型等。于是，误以为：探究是实验的“专利”。这来源于人们关于知识产生过程的认识误区——知识是经验的归纳。关于知识的起源，墨子有三说：亲知（来自认识者亲身经验），闻知(来自权威的传授)，说知（来自推论的知识）；罗素亦有三说：一为个人直接体验所得的知识，二为通过他人间接体验所得的知识，三为内省所得的知识。这两位大哲学家跨越时空惊人相似地把知识概括为三类。事实上，第一类和第二类知识都叫经验的知识，第三类知识叫推论的知识，前者是经验（实践的或实验的经验）的归纳，后者是经验的衍生。所以从知识的起源上可以把知识概括为经验的直接知识和推论的衍生知识两类，如轨道杂化就是推论的衍生知识而不是经验的直接知识，还没有人能通过什么先进的仪器看到过原子中电子到底以何种轨迹运动。但是，杂化轨道理论很好地解释了甲烷的四面体构型和氨气分子的三角锥形，这个理论应当是科学的知识。

    因此，模拟科学研究的过程进行探究性课堂教学和指导学生进行探究性学习，可根据知识产生的背景不同以实验探究方式进行，也可以思辨和阅读探究的方式进行。

    2．非实验探究课堂教学模式

    ２.1非实验探究课堂教学模式的基本结构和意义

    由理论到理论的衍生知识的研究活动，一般是沿着如下思路进行的：发现问题，建立假设；思辨证明或证伪，查阅资料证明或证伪；归纳总结，得出结论；演绎推理，形成理论。与此对应，以物质结构理论为内容的非实验探究性课堂教学建构如下基本模式：“给出材料，联想质疑→提出问题，建立假设→探究学习，证明假设（第一阶段思辨证明或证伪，第二阶段阅读证明或证伪）→归纳探究，得出结论→演绎探究，迁移运用。” 该模式的基本理念是：基于知识形成的建构主义思想，提供学生与他们原有经验相联系的材料，模拟科学研究的一般程序，引导学生在探究过程中发现问题、分析问题和解决问题，在形成基本理论知识的同时充分培养学生的科学探究方法和探究性学习能力，进而培养学生的科学素养和创新能力。该模式探究课堂教学，在实施过程中可以收到以讲为主要手段的传统教学方式所不能企及的良好效果：通过讨论和交流，可以培养学生的分工合作精神；通过表述可以锻炼学生的语言表达能力；通过查阅资料可以训练学生的阅读能力及加工处理信息的能力。

    2.2教学案例——原子晶体探究教学案例

   ［联想与质疑］

    上表为第二周期元素单质晶体的熔点数据，观察这些数据你发现了什么问题？

    [问题与假设]

    硼和碳元素单质晶体的熔点表现出特殊性，不是以前学过的分子晶体，碳原子会以何种方式结合呢？学生经过热烈讨论，联系原有知识，建立了诸多假设，具代表性的有如下五种：

   假设1：碳原子间没有化学键，在碳的晶体中，碳原子采取最紧密堆积方式；

   假设2：碳原子的电子排布为1s²2s²2p²,有两个单电子，可以配对成键构成双原子分子，这些分子紧密堆积成晶体；

   假设3：碳原子采取sp¹杂化，杂化轨道“头对头”重叠成δ键，另两个P电子所在原子轨道“肩并肩”重叠成大Л键，构成一条条长链状分子；

   假设4：碳原子采取sp²杂化，杂化轨道“头对头”重叠形成δ键，每六个碳原子以单键形成了正六边形的一张张网，每个碳原子未杂化的2P电子所在原子轨道“肩并肩”重叠形成覆盖整个网的大Л键；

   假设5：碳原子采取sp³杂化，杂化轨道“头对头”重叠形成δ键，每个碳原子形成四个共价键，共价键向空间伸展形成空间立体网状结构的晶体。

   [思辨证明或证伪]

    学生针对五种假设，在分组讨论后交流如下讨论结果：

    假设1不成立，如果成立将形成如稀有气体一样的分子晶体，分子间作用力很小，常温下为气体，熔点比氖的还要低，这与碳单质的高熔点不符。

    假设2不成立，如果成立，将形成如氧气晶体一样的分子晶体，分子间作用力很小，常温下应当成为气体。

    假设3不成立，如果成立，其晶体将如聚乙烯一样拉成很长的丝且有弹性，但事实上，这种高熔点的碳单质非常坚硬，是块状而不是丝线状。

    假设4成立，因为要使该晶体熔化就要打断每个碳原子的三个化学键，还要打断遍布整个平面网的大Л键，这需要很大的能量，它的熔点将必然很高，这与给定数据相符。这种结构的晶体将可能有如下性质：因层间不存在化学键，只存在分子间作用力，易克服，层间可滑动而有滑腻感；因电子属整个大Л键，电子在网内可自由移动，该晶体应当有单向导电性。

    假设5成立，这样形成的分子是一个空间网状结构的晶体，要从晶体中取掉一个碳原子，同时得打断四个化学键，熔点和硬度当很大，这与表中数据相符。

   [查阅资料证明或证伪]

    学生汇报讨论结果时，我对他们的思维激情给予了高度赞扬，但我没有对汇报的内容给予肯定或否定评判。为了使学生进一步弄清自己的假设及对假设的分析是否正确，我指导学生开始阅读探究。

   [归纳总结，得出结论]

    通过阅读教材和教学参考资料,学生基本明确了上述假设的真假及对假设分析的正误,也弄清了原子晶体的概念。学生通过填写学案中原子晶体的概念内涵、物理特性、熔沸点比较等内容，获得了关于原子晶体的系统知识。这种通过自己参与探究过程获得的知识比听教师讲述获得的知识在学生看来弥足珍贵，在探究过程中既加深了对知识的理解，同时锻炼了各种能力，还感受了成功的内心体验。

   [演绎探究，迁移运用]

   金刚石中最小的碳环是几元环？你知道每个环平摊几个碳原子吗？学生对这个问题一时回答不了，课堂教学进入演绎探究阶段。我一边放映金刚石结构模型的flash模拟动画，一边给每个学习小组发了一个具有多个晶胞的金刚石球棍模型，让学生仔细观察并展开讨论，课堂出现了第二次高潮。在学生弄清金刚石的结构后，我告诉学生：如果把金刚石中的碳原子改成硅原子，就成了硅晶体；如果在硅晶体中每两个硅原子间插入一个氧原子，就成了二氧化硅晶体。最后附以必要的循序渐进的富于梯度的课堂练习。课堂教学在学生的回顾总结和提问答疑中结束。

    3．非实验探究教学应注意的问题

    3.1要充分体现材料典型性与知识生长性的有机结合。

    非实验探究的对象包括文字的描述和实验的数据等。典型性指探究材料要典型，便于学生发现问题，通过探究获得新知；生长性指探究材料应建立在学生知识的“最近发展区”内，链接学生的固有经验，在旧知识上自然地生长出新知识。探究材料要让学生感到既熟悉又存在暂时无法解释的事实或矛盾，便于学生提出探究的问题，激发探究兴趣。如果材料是全新的，所涉及的知识学生一点都不知道，探究将失去前提和基础。上边引述的教学案例，如果学生在本节课前不知道分子晶体、离子晶体的概念和性质特点，探究将无法开展，因为学生不知道表中的熔点数据能说明什么问题。因此，探究材料既要具备典型性，又要具备生长性，充分体现典型性与生长性的有机结合。

    3.2要充分体现学科知识结构和学生认知结构的有机结合。

     学科知识结构是指学科知识、学科内容的知识体系，学生认知结构指“联系固有经验、提出问题建立假设、通过阅读和思辨证明或证伪进而解决问题的思维程序”。阅读与思辨探究教学要充分体现学科知识结构与学生认知结构的有机结合，使知识主线和认知主线既相互独立又相互融合，在注重建构学科知识的同时更重视科学探究方法的培养，既遵循知识发生发展的一般规律，体现由表及里、由浅入深、循序渐进、螺旋上升的知识发展主线，又遵循发现问题、探究问题、得出结论、运用理论的认识主线，使获得知识和养成科学素养相互促进共同发展。

    3.3要充分体现忠实性与创造性的有机结合。

    所谓忠实性就是课堂教学要忠实践行《普通高中新课程标准》理念，严格把关《课标》高度和难度，不折不扣地完成“课程计划”中规定的相应学段的相应模块所要求的知识任务、技能任务和科学素养养成任务。所谓创造性是指教师不惟书本之命是从，依据《课标》大胆的重组整合教材，从社会热点问题、化学科学前沿（如诺贝尔化学奖）吸收新鲜的化学素材，设计和组织探究课堂教学。

    设计“非实验探究课堂教学”的创造性主要表现在选择探究素材和重组整合教材两个方面。现成的探究素材在教科书中是很有限的。教师要在彻底弄懂《课标》要求的前提下，依据课堂教学目标，一方面要加工整合教材内容，使原本没有探究功能的材料具备探究的一般特征；二是要从科技书籍或科技文章中寻找或筛选探究素材（如上案例中第二周期元素单质的熔点数据就取自于一本科技手册）。在必要情况下，为顺利实施一节“思辨与阅读探究课堂教学”课，还需要对教材的编排体系进行大胆调整，对学生暂时还没有学到的知识以“知识在线”的形式进行“空投”，做好知识铺垫。上面所述案例，在制订章教学计划时，我改变了教材原来的内容顺序，按以下序列进行教学：认识晶体→金属晶体→分子晶体→离子晶体→原子晶体→物质的其它聚集状态。之所以这样调整，基于两个原因：一是从学生理解知识的难度讲，金属晶体<分子晶体<离子晶体<原子晶体，从易到难、循序渐进地进行探究教学，更符合人们的认识规律；二是前面知识的学习为后面知识的探究作了铺垫，让学生面对新材料与旧知识间的矛盾能够发现问题提出假设。

    非实验探究课堂教学既要体现忠实性又要具有创造性，是“忠实”前提下的“创造”，是“创造”基础上的“忠实”。

    3.4要充分体现学生主体性和教师指导性的有机结合

    学生主体性指整个探究课堂教学要突出学生的自主探究，由学生自主探索解决问题的思路、途径和方法，而不是由教师包办代替。学生所要完成的主要任务是，在明确所要解决的问题的基础上形成解决问题的“知识清单”；确定搜集知识信息的渠道、途径和方法；搜集所需要的知识和信息并进行分析和处理；利用知识和信息解决提出的问题，完成学习任务。要充分发挥学生的自主性，教师就要给学生留出发挥积极性和创造性的空间，提供学生在不同的情境下建构知识、运用知识、表现自我的多种机会，让学生通过主动学习形成自我监控、自我反思、自我评价、自我反馈的学习能力。

    教师的指导性指探究课堂教学的大环节要在教师的预设框架下进行，这种框架要与知识结构与学生认知结构相一致，是知识形成与发展所必然经历的自然历程。教师的指导作用体现在让学生感到不是被教师牵着鼻子走而是自己在自主探究，体现在学生在教师的组织和参与下交流、讨论学习成果。
    思辨与阅读探究课堂教学不是削弱了教师的作用，而是对教师提出了比传统教学更高的要求，教师的任务不仅是帮助学生获得知识和技能，更重要的是潜移默化地培养学生探究性学习的多种能力。教师指导作用的最高境界是不露声色、毫无察觉、但又真实有效，让学生在非意识状态下沿着教师设计的教学环节、通过自主探究循着知识形成和发展的自然程序在旧知识上建构新知识。

    3.5要充分体现分工探究与合作学习的有机结合

    非实验探究教学的探究开放性和教学时间有限性间的矛盾，决定了每一位学生不可能在一节课内思考和探究所有问题。这就要求教师在教学时，组织学生分工探究，一个学习小组（2人至6人不等）探究一个或少数几个问题，在分工探究的基础上进行合作学习。

    分工探究是主动学习的实质性环节，合作学习是主动学习的拓展性环节。学生群体在教师的组织和参与下交流、讨论各自探索的学习成果，批判性地审察各学习小组提出的思辨和查阅资料的结果，通过社会协商的方式使群体的智慧为每一个个体所共享，内化为个体的智慧，拓展个体知识视野，形成完整的知识体系。合作学习，既可以锻炼学生表达、交往、评价、批判的能力，又可以培养学生的团队精神和分工合作的意识，因为科学发展到现阶段，单靠个人的力量攻克某个科学堡垒已变得不太可能，需要团队共同奋斗，进行集团化攻坚战。分工合作是未来科学家必须具备的非智力科学素养。

    3.6要正确处理定向探究的有限性与思维的广阔性、保护学生的创造性与预防建立假设失控可能性间的关系

    非实验探究的问题有些是定向的，前文案例，为什么碳元素的一种单质的熔点特别高，这个问题是有限的、明确的，具有定向性；但学生思考这个问题的思维活动却是自由的、开放的，具有广阔性。思辨探究不能漫无边际地乱想，猜想和思辨要有一定的科学根据，这种依据就是学生已经具备的知识和经验。教师在指导学生进行猜想与思辨时，要根据学生在探究过程中的各种表现进行暗示或提示，确保正确的探究方向，解决好定向探究有限性和思维广阔性间的矛盾。

    在探究性课堂教学中，学生成为学习的真正主人，具有很高的积极性、主动性和创造性，这种积极的学习状态是教师应该大加鼓励和培养的。但创造性有可能使学生在面对问题建立假设时天马行空、放荡无辑，真理与谬误并存、理性和怪诞伴生。教师在备课时要对学生可能提出的假设进行预测，面对学生的各种猜想进行轻重有别的筛选，确定运用思辨和阅读进行证明或证伪的主要假设，既要保护学生的创造性不被伤害，又要预防建立假设时可能出现的失控局面。

   非实验探究课堂教学能很好地体现新课程理念，有利于培养学生的各种能力和科学素养，值得提倡和推广。但也不能忽视其可能出现的高耗时低效率，不可滥用，要结合教材内容特点和自己学生的实际情况，决定是否实施思辨与阅读探究性课堂教学。对于一些没有必要进行探究教学的物质结构理论知识，传统的讲述来得更直接、明了和精确。

参考文献

1．  鲁名峰．质疑假设探究演绎．中国教师报，2008年5月7日,总第249期,B2.

2．  秦自云.探究学习也能以思辨和查阅资料的方式进行. 中国教师报，2008年5月7日,总第249期,B2.