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摘要：介绍了一则国外对探究性实验与学生能力发展之间关系的研究案例，分析了国外科学教育研究中常见的实证研究过程、数据处理和研究特点。
关键词：实证研究；实验探究；学生思维
文章编号：1005–6629（2013）12–0074–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
课程改革带来了教材、教法的一系列变化，现在的化学教材更加注意学材化，课堂教学更关注探究性，探究性实验和探究性教学也成为现代教育教学中耳熟能详的词了。然而，课堂教学中先让学生思考要研究的问题，然后再分组实验，观察实验现象，进而提出假设、解释以及需要进一步研究的问题，这样一种用实验探究来引导化学学习的方式是否有其根据？与验证性实验相比，探究性实验是否更有利于学生能力的培养？又能够培养学生怎样的能力？对于这些问题，教师有着怎样的思考与认识呢？
笔者在中国基础教育全文数据库中以“探究实验”为检索词，以“题名、关键词和摘要”为检索项，共搜索到28414篇文献。选择高中学段不同学科教师的16篇文章作为研究对象进行分析，发现这些文章更多重视的是探究性教学的案例分析。文章往往首先分析自己的教学案例，一般介绍了课堂教学中探究性实验设计、教师的引导思维的问题设计、学生在探究过程中生成性的问题以及处理方法和结果、师生间对于实验的进一步交流与讨论。在案例分析的基础上，文章往往指出探究性实验激发了学生的“学习兴趣和求知欲”，培养了学生的“实践能力”与“创新精神”，提高了学生“分析问题和解决问题的能力”，有助于学生初步形成“科学的态度和价值观”。
这些研究从教师在课堂教学实际出发进行研究，将自己积累的教学知识、智慧形成了直觉化的观念，非常值得肯定。然而，认真思考也会发现，这些研究往往主观性较强，研究结论的得出缺乏明确有力的证据链条与实证支撑，未能揭示出探究性实验教学与学生能力发展之间最直接明了的因果关系。因此，进一步运用客观的研究方法来检验探究性实验对于学生学习以及能力发展的作用，将实证研究与教学事实、教学常识和教育原则相联系[1]，这应该成为目前国内科学教育研究值得关注的问题。
他山之石，可以攻玉。以色列教育者的研究“通过化学探究性实验发展学生提出更多更有价值的问题的能力”（Developing Students’Ability to Ask More and Better Questions Resulting from Inquiry-Type Chemistry Laboratories）[2]，为上述问题提供了一个有力的证据和结果。研究者选择平行班级建立实验班和对照班，用了两年时间开展实验，测量实验结果，并分析得出其研究结论。
1 研究的過程
研究者希望研究探究性实验与学生能力发展之间的关系，他们首先针对“在实验室和从实验室中学习”（Learning in and from Science Laboratories）这样一个主题查阅了大量的文献资料，重点分析了两个层面的内容：实验教学如何促进学生的能力发展，学生针对科学现象提出问题的能力。在此基础上，研究者确定了两个具体的研究目标，一是研究高中学生是否能够通过化学探究性实验发展了提出问题尤其是探究性问题的能力；二是研究高中化学实验教学中形成的提出问题的能力能否迁移至其他学习情境中。
然后，研究者分析了11到12年级化学课程中的实验，通过对一个具体实验的两种不同方案的比较，指出常规的“菜单式”实验与探究性实验在实施过程中的差异，概括出了探究性实验经历的一般步骤。接下来研究者确定研究对象为12年级（年龄为17～18岁）的六个班级的高中学生，其中实验班共55人，对照班共56人。研究过程中两班学生使用同样的化学教科书，完成同样的教学内容，只是完成实验的方式不同。研究的过程如图1所示。
在实施研究的过程中，实验班以探究性实验展开学习，实验过程较开放，学生经历了产生问题、提出假设、选择问题开始探究、设计实验、动手操作、观察分析和得出结论整个实验研究的过程。对照班则在教学任务完成后到实验室完成验证性实验，实验是根据给定的步骤完成，提供的探究机会很少，实验的开放性不强。除了完成化学实验的方式不同，两个班学生其他学习条件如教师的专业水平、学生实验学习情况的定期评估以及实验时间与实验设备等都基本相同。两年来，两班学生分别以不同方式完成了15个化学实验。在学生参加的化学测试中，实验班与对照班的成绩基本相同，无显著差异。所以研究表明，探究性实验并没有增加学生的学业成绩。
接下来，研究者开发了实践性测试和批判性阅读这两种测量工具，用以比较两班学生在新实验情境中和批判性阅读科普文章时的科学思维水平以及提出更多更好问题的能力。在实践性测试中，研究者给两班学生一个相同的新实验情境，让其完成一个虽简单但陌生的实验，然后根据观察到的实验现象提出若干问题，以评估学生在平时探究性实验教学过程中培养出的能力。在批判性阅读测试中，研究者让两班学生阅读介绍化学前沿知识的文献，然后提出若干问题并要求学生根据文献加以回答，以评估学生在平时的探究性实验中所培养的能力的迁移效果。
对于探究性实验与学生能力发展之间的关系，普通的纸笔测试无法测量。研究的关键在于测量工具的开发与使用，下面对其进行重点分析。
2 测量工具
根据文献研究，研究者认为，探究性实验能够发展学生提出问题的能力，这种能力既体现在提出问题的数量上，也体现在提出问题的质量上；同时，学习者从探究性实验学习中发展而来的能力能够迁移至其他的学习环境中。为此，研究者开发了实践性测试与批判性阅读两个测量工具。
2.1 实践性测试
实践性测试要求学生将两种未知粉末（柠檬酸若干和小苏打10 g）放于塑料袋中，混合两种固体。再向小试管中加入10 mL水，也将其放入塑料袋中（不能使固体与水接触）。然后在塑料袋中插入温度计，扎紧袋口，倒置试管，使水与固体混合。实验由3人合作完成，在实验过程中学生观察到袋子鼓起，混合后体系的温度降低。研究者要求学生观察并记录这些现象，并根据记录做出自己的分析和假设。实验结束后每个学生独立完成一份问卷，根据实验现象提出自己的问题，对可能的原因进行假设与猜想，最后选出一个自己认为最值得研究的问题。下面是学生需要完成的问卷： 实验过程中记录你所观察到的现象。完成实验后，回答下列问题：
（1）做完实验后，你产生了哪些问题？
（2）选择一个问题帮助你继续探究。
（3）你为什么选择了这个问题？
（4）你认为该问题的答案可能是什么？
（5）设计一个实验来证明你的假设是正确的，将每个实验步骤写清楚。
2.2 批判性閱读
在批判性阅读测试中，研究者选择了一篇与应用技术相关的化学边缘领域的文献，然后按照高中学生的阅读能力和化学知识背景进行简化。研究者认为学生对这样的文章较感兴趣，愿意阅读并配合实验，能够增加测试结果的信度。在学生阅读完毕后需要回答八个问题，而其中实际有效并最终统计的只是最后两个问题，这样学生并不清楚研究者的意图，避免其在答题时更多考虑教师可能预期的结果，增加了研究的可信度。研究者选择并改写后的文献如下：
一氧化氮分子既出现于神经系统，又能够防止感染、调节血压，还是控制血液流向不同器官的“门卫”。人的一生中体内都存在一氧化氮，但其存在寿命极短，仅有几秒钟。因而，在低浓度下直接监测一氧化氮非常困难。科学家发明了一种新的电子传感器，用于在室温下监测生物体内的一氧化氮。它的工作程序是这样的：监测器的表面涂有某种有机物，该有机物与半导体材料镓砷合金相连，当一氧化氮附着于监测器的表面时，有机物与一氧化氮结合，使合金表面产生变化，引起半导体材料中电流的变化，从而被监测器感知。
……
（1）根据文中描述，说明什么是电阻器，什么是半导体。
（2）概括出文章的主要内容。
（3）研究者通过测量哪个物理量完成对一氧化氮的监测？
（4）若将一氧化氮通入溶液，图像会发生什么变化？
（5）图中何处表示实验的结果？
（6）文中哪些科学概念是你不熟悉的？
（7）写出你读完文章所产生的所有疑问。
（8）在上述你列举的问题中，如果让你进一步展开研究，你最想研究的是哪一个？
3 数据处理和结论
研究者对实践性测试和批判性阅读的结果进行统计与分析，采用了定量分析和定性分析的方法。定量分析是统计每个学生提出问题的数目，以及在这些问题中属于高水平层次的有多少，低水平层次的有多少。而定性分析则研究学生选择用以进一步探究的问题的层次性。对学生所提出的问题所属层次性的评估，是由四位教育专家及经验丰富的教师组成专家组进行。少数问题专家组无法达成共识究竟属于哪一层次，则不计入统计数据。研究者用列表法和图示法表示其数据统计结果。
3.1 实践性测试的结果与分析
实践性测试中研究者发现，在低层次问题的数量上，两班学生无明显差别；而在高层次问题上，两班学生的差别则极为显著。实验班共提出了123个高层次问题，而对照班仅提出了18个。高层次问题上的差异证明了研究假设，在分析低层次问题数量无明显差异的原因时，研究者认为可能是由于问卷要求学生列举出脑中出现的所有问题。
对于“提出准备进一步探究的问题”的分析发现，两班学生的差别也非常显著。对照班学生中有相当数量的学生没有回答，即使做出回答，答案中也有很多是不适合进一步探究的低层次问题。例如：袋子为什么会鼓起来？白色固体是什么？而实验班学生往往能够选择具有一两个变量值得深入探究的问题。例如：两种固体的用量对最终温度的变化有何影响？用其他液体代替水进行实验会产生怎样的效果？
研究者同时还发现，两班学生对待任务的态度也有较大差异。实验班的学生花费了更多的精力和时间，几乎所有学生填写了所有项目。相比之下，在“进一步探究的问题”、“提出假设”和“设计新的实验”这些问题上，对照班中有一些学生没有填写。
3.2 批判性阅读的结果与分析
在批判性阅读测试中，针对“写出你读完文章所产生的所有疑问”这一要求，实验班共提出196个问题。研究者对这些问题进行分类后发现，共有117种不同的问题。在这117种问题中，又有88.3%属于高层次问题。例如：在其他温度下该实验效果如何？该装置能否用以测量高浓度的一氧化氮？如何才能使装置进入到人体内？该装置能否用来监测其他气体？相比之下，对照班共提出了27个问题，研究者对这些问题进行分类，发现共有23种不同问题，其中64%为低层次问题，例如：该装置是监测什么气体的？电流是如何被记录下来的？
因此，在批判性阅读测试中，两班学生在提出问题的数量与质量上也表现出了显著差异，实验班提出的问题数量和质量均优于对照班。
3.3 研究结论
根据对实验统计数据的分析，研究者得出结论：探究性实验发展了学生研究问题的能力和习惯，锻炼和提高了学生的思维与实践能力，这些能力能够迁移至其他学习环境中。研究者认为，出现这种差异的原因在于，实验班平时经历了探究性实验过程，从而学会了科学研究的一般思路与方法。
4 启发与反思
探究性学习与探究性实验是现今教育领域耳熟能详的词语，无论是教育专家还是一线教师，都认为探究性实验更能培养学生的能力，都提倡教师应该用探究的方式在课堂上呈现化学知识，学生也应该用探究的方式学习化学内容。然而，探究性学习究竟发展了学生怎样的能力？学生的科学研究能力是否通过探究性实验得到提高？要研究这样的问题并不容易。纵观该研究的整个过程，研究者在文献综述的基础上提出研究假设，将学生思维能力具体化为“提出更多更有价值的问题”，将学生的科学研究能力定量化，成为可以用来统计与分析的结果。设计并开发出恰当的测量工具，对实验结果进行定性和定量的分析，通过实证研究探讨了一个具体的教育教学问题。
实证的意识、规范的思路、科学的方法，这个研究给了广大教师很好的启示。教育教学理论的证实与丰富需要实证研究的支撑，希望更多教师在自己的教育教学实践研究中学习与借鉴这样的研究方法，用实验和数据为各种有效教学的原则以及具体的教学方案和教学实践提供更加有力的证据。
参考文献：
[1][美]罗伯特·斯莱文著.姚梅林等译.教育心理学 理论与实践[M].北京：人民邮电出版社，2004：10.
[2] Avi Hofstein， Oshrit Navon， Mira Kipnis， Rachel MamlokNaaman. Developing Students’ Ability to Ask More and Better Questions Resulting from Inquiry-Type Chemistry Laboratories [J]. Journal of Research In Science Teaching，2005，VOL.42，（NO.7）：791～806.
关键词：实证研究；实验探究；学生思维
文章编号：1005–6629（2013）12–0074–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
课程改革带来了教材、教法的一系列变化，现在的化学教材更加注意学材化，课堂教学更关注探究性，探究性实验和探究性教学也成为现代教育教学中耳熟能详的词了。然而，课堂教学中先让学生思考要研究的问题，然后再分组实验，观察实验现象，进而提出假设、解释以及需要进一步研究的问题，这样一种用实验探究来引导化学学习的方式是否有其根据？与验证性实验相比，探究性实验是否更有利于学生能力的培养？又能够培养学生怎样的能力？对于这些问题，教师有着怎样的思考与认识呢？
笔者在中国基础教育全文数据库中以“探究实验”为检索词，以“题名、关键词和摘要”为检索项，共搜索到28414篇文献。选择高中学段不同学科教师的16篇文章作为研究对象进行分析，发现这些文章更多重视的是探究性教学的案例分析。文章往往首先分析自己的教学案例，一般介绍了课堂教学中探究性实验设计、教师的引导思维的问题设计、学生在探究过程中生成性的问题以及处理方法和结果、师生间对于实验的进一步交流与讨论。在案例分析的基础上，文章往往指出探究性实验激发了学生的“学习兴趣和求知欲”，培养了学生的“实践能力”与“创新精神”，提高了学生“分析问题和解决问题的能力”，有助于学生初步形成“科学的态度和价值观”。
这些研究从教师在课堂教学实际出发进行研究，将自己积累的教学知识、智慧形成了直觉化的观念，非常值得肯定。然而，认真思考也会发现，这些研究往往主观性较强，研究结论的得出缺乏明确有力的证据链条与实证支撑，未能揭示出探究性实验教学与学生能力发展之间最直接明了的因果关系。因此，进一步运用客观的研究方法来检验探究性实验对于学生学习以及能力发展的作用，将实证研究与教学事实、教学常识和教育原则相联系[1]，这应该成为目前国内科学教育研究值得关注的问题。
他山之石，可以攻玉。以色列教育者的研究“通过化学探究性实验发展学生提出更多更有价值的问题的能力”（Developing Students’Ability to Ask More and Better Questions Resulting from Inquiry-Type Chemistry Laboratories）[2]，为上述问题提供了一个有力的证据和结果。研究者选择平行班级建立实验班和对照班，用了两年时间开展实验，测量实验结果，并分析得出其研究结论。
1 研究的過程
研究者希望研究探究性实验与学生能力发展之间的关系，他们首先针对“在实验室和从实验室中学习”（Learning in and from Science Laboratories）这样一个主题查阅了大量的文献资料，重点分析了两个层面的内容：实验教学如何促进学生的能力发展，学生针对科学现象提出问题的能力。在此基础上，研究者确定了两个具体的研究目标，一是研究高中学生是否能够通过化学探究性实验发展了提出问题尤其是探究性问题的能力；二是研究高中化学实验教学中形成的提出问题的能力能否迁移至其他学习情境中。
然后，研究者分析了11到12年级化学课程中的实验，通过对一个具体实验的两种不同方案的比较，指出常规的“菜单式”实验与探究性实验在实施过程中的差异，概括出了探究性实验经历的一般步骤。接下来研究者确定研究对象为12年级（年龄为17～18岁）的六个班级的高中学生，其中实验班共55人，对照班共56人。研究过程中两班学生使用同样的化学教科书，完成同样的教学内容，只是完成实验的方式不同。研究的过程如图1所示。
在实施研究的过程中，实验班以探究性实验展开学习，实验过程较开放，学生经历了产生问题、提出假设、选择问题开始探究、设计实验、动手操作、观察分析和得出结论整个实验研究的过程。对照班则在教学任务完成后到实验室完成验证性实验，实验是根据给定的步骤完成，提供的探究机会很少，实验的开放性不强。除了完成化学实验的方式不同，两个班学生其他学习条件如教师的专业水平、学生实验学习情况的定期评估以及实验时间与实验设备等都基本相同。两年来，两班学生分别以不同方式完成了15个化学实验。在学生参加的化学测试中，实验班与对照班的成绩基本相同，无显著差异。所以研究表明，探究性实验并没有增加学生的学业成绩。
接下来，研究者开发了实践性测试和批判性阅读这两种测量工具，用以比较两班学生在新实验情境中和批判性阅读科普文章时的科学思维水平以及提出更多更好问题的能力。在实践性测试中，研究者给两班学生一个相同的新实验情境，让其完成一个虽简单但陌生的实验，然后根据观察到的实验现象提出若干问题，以评估学生在平时探究性实验教学过程中培养出的能力。在批判性阅读测试中，研究者让两班学生阅读介绍化学前沿知识的文献，然后提出若干问题并要求学生根据文献加以回答，以评估学生在平时的探究性实验中所培养的能力的迁移效果。
对于探究性实验与学生能力发展之间的关系，普通的纸笔测试无法测量。研究的关键在于测量工具的开发与使用，下面对其进行重点分析。
2 测量工具
根据文献研究，研究者认为，探究性实验能够发展学生提出问题的能力，这种能力既体现在提出问题的数量上，也体现在提出问题的质量上；同时，学习者从探究性实验学习中发展而来的能力能够迁移至其他的学习环境中。为此，研究者开发了实践性测试与批判性阅读两个测量工具。
2.1 实践性测试
实践性测试要求学生将两种未知粉末（柠檬酸若干和小苏打10 g）放于塑料袋中，混合两种固体。再向小试管中加入10 mL水，也将其放入塑料袋中（不能使固体与水接触）。然后在塑料袋中插入温度计，扎紧袋口，倒置试管，使水与固体混合。实验由3人合作完成，在实验过程中学生观察到袋子鼓起，混合后体系的温度降低。研究者要求学生观察并记录这些现象，并根据记录做出自己的分析和假设。实验结束后每个学生独立完成一份问卷，根据实验现象提出自己的问题，对可能的原因进行假设与猜想，最后选出一个自己认为最值得研究的问题。下面是学生需要完成的问卷： 实验过程中记录你所观察到的现象。完成实验后，回答下列问题：
（1）做完实验后，你产生了哪些问题？
（2）选择一个问题帮助你继续探究。
（3）你为什么选择了这个问题？
（4）你认为该问题的答案可能是什么？
（5）设计一个实验来证明你的假设是正确的，将每个实验步骤写清楚。
2.2 批判性閱读
在批判性阅读测试中，研究者选择了一篇与应用技术相关的化学边缘领域的文献，然后按照高中学生的阅读能力和化学知识背景进行简化。研究者认为学生对这样的文章较感兴趣，愿意阅读并配合实验，能够增加测试结果的信度。在学生阅读完毕后需要回答八个问题，而其中实际有效并最终统计的只是最后两个问题，这样学生并不清楚研究者的意图，避免其在答题时更多考虑教师可能预期的结果，增加了研究的可信度。研究者选择并改写后的文献如下：
一氧化氮分子既出现于神经系统，又能够防止感染、调节血压，还是控制血液流向不同器官的“门卫”。人的一生中体内都存在一氧化氮，但其存在寿命极短，仅有几秒钟。因而，在低浓度下直接监测一氧化氮非常困难。科学家发明了一种新的电子传感器，用于在室温下监测生物体内的一氧化氮。它的工作程序是这样的：监测器的表面涂有某种有机物，该有机物与半导体材料镓砷合金相连，当一氧化氮附着于监测器的表面时，有机物与一氧化氮结合，使合金表面产生变化，引起半导体材料中电流的变化，从而被监测器感知。
……
（1）根据文中描述，说明什么是电阻器，什么是半导体。
（2）概括出文章的主要内容。
（3）研究者通过测量哪个物理量完成对一氧化氮的监测？
（4）若将一氧化氮通入溶液，图像会发生什么变化？
（5）图中何处表示实验的结果？
（6）文中哪些科学概念是你不熟悉的？
（7）写出你读完文章所产生的所有疑问。
（8）在上述你列举的问题中，如果让你进一步展开研究，你最想研究的是哪一个？
3 数据处理和结论
研究者对实践性测试和批判性阅读的结果进行统计与分析，采用了定量分析和定性分析的方法。定量分析是统计每个学生提出问题的数目，以及在这些问题中属于高水平层次的有多少，低水平层次的有多少。而定性分析则研究学生选择用以进一步探究的问题的层次性。对学生所提出的问题所属层次性的评估，是由四位教育专家及经验丰富的教师组成专家组进行。少数问题专家组无法达成共识究竟属于哪一层次，则不计入统计数据。研究者用列表法和图示法表示其数据统计结果。
3.1 实践性测试的结果与分析
实践性测试中研究者发现，在低层次问题的数量上，两班学生无明显差别；而在高层次问题上，两班学生的差别则极为显著。实验班共提出了123个高层次问题，而对照班仅提出了18个。高层次问题上的差异证明了研究假设，在分析低层次问题数量无明显差异的原因时，研究者认为可能是由于问卷要求学生列举出脑中出现的所有问题。
对于“提出准备进一步探究的问题”的分析发现，两班学生的差别也非常显著。对照班学生中有相当数量的学生没有回答，即使做出回答，答案中也有很多是不适合进一步探究的低层次问题。例如：袋子为什么会鼓起来？白色固体是什么？而实验班学生往往能够选择具有一两个变量值得深入探究的问题。例如：两种固体的用量对最终温度的变化有何影响？用其他液体代替水进行实验会产生怎样的效果？
研究者同时还发现，两班学生对待任务的态度也有较大差异。实验班的学生花费了更多的精力和时间，几乎所有学生填写了所有项目。相比之下，在“进一步探究的问题”、“提出假设”和“设计新的实验”这些问题上，对照班中有一些学生没有填写。
3.2 批判性阅读的结果与分析
在批判性阅读测试中，针对“写出你读完文章所产生的所有疑问”这一要求，实验班共提出196个问题。研究者对这些问题进行分类后发现，共有117种不同的问题。在这117种问题中，又有88.3%属于高层次问题。例如：在其他温度下该实验效果如何？该装置能否用以测量高浓度的一氧化氮？如何才能使装置进入到人体内？该装置能否用来监测其他气体？相比之下，对照班共提出了27个问题，研究者对这些问题进行分类，发现共有23种不同问题，其中64%为低层次问题，例如：该装置是监测什么气体的？电流是如何被记录下来的？
因此，在批判性阅读测试中，两班学生在提出问题的数量与质量上也表现出了显著差异，实验班提出的问题数量和质量均优于对照班。
3.3 研究结论
根据对实验统计数据的分析，研究者得出结论：探究性实验发展了学生研究问题的能力和习惯，锻炼和提高了学生的思维与实践能力，这些能力能够迁移至其他学习环境中。研究者认为，出现这种差异的原因在于，实验班平时经历了探究性实验过程，从而学会了科学研究的一般思路与方法。
4 启发与反思
探究性学习与探究性实验是现今教育领域耳熟能详的词语，无论是教育专家还是一线教师，都认为探究性实验更能培养学生的能力，都提倡教师应该用探究的方式在课堂上呈现化学知识，学生也应该用探究的方式学习化学内容。然而，探究性学习究竟发展了学生怎样的能力？学生的科学研究能力是否通过探究性实验得到提高？要研究这样的问题并不容易。纵观该研究的整个过程，研究者在文献综述的基础上提出研究假设，将学生思维能力具体化为“提出更多更有价值的问题”，将学生的科学研究能力定量化，成为可以用来统计与分析的结果。设计并开发出恰当的测量工具，对实验结果进行定性和定量的分析，通过实证研究探讨了一个具体的教育教学问题。
实证的意识、规范的思路、科学的方法，这个研究给了广大教师很好的启示。教育教学理论的证实与丰富需要实证研究的支撑，希望更多教师在自己的教育教学实践研究中学习与借鉴这样的研究方法，用实验和数据为各种有效教学的原则以及具体的教学方案和教学实践提供更加有力的证据。
参考文献：
[1][美]罗伯特·斯莱文著.姚梅林等译.教育心理学 理论与实践[M].北京：人民邮电出版社，2004：10.
[2] Avi Hofstein， Oshrit Navon， Mira Kipnis， Rachel MamlokNaaman. Developing Students’ Ability to Ask More and Better Questions Resulting from Inquiry-Type Chemistry Laboratories [J]. Journal of Research In Science Teaching，2005，VOL.42，（NO.7）：791～806.