循著學生思維軌跡探尋實驗教學模型

來源:用戶上傳      作者:厲業余 曹坤 劉江田

　　摘要：物質的制備和性質探究實驗是高中化學實驗基礎性內容，是實驗思維、實驗方法和操作能力形成和發展的起點。教學中，基于學生解決問題過程中的思維程序、方法以及思維盲點、障礙點，循著學生思維軌跡，引領學生共同探尋物質的制備和性質探究實驗的裝置模型、操作流程模型和思維模型。引導學生以“三關注”（實驗目的、實驗原理、實驗裝置）為著力點、以“三聚焦”（流程設計、實驗調控、結論形成）為關鍵點、以“三提升”（結果分析、方案評價、觀念形成）為核心點，建構“333化學實驗教學模型”，形成解決實驗問題的策略，培養學生思維能力，發展學生核心素養。
　　關鍵詞：學生思維軌跡；化學實驗；物質的制備和性質；實驗教學模型
　　文章編號：1008-0546（2023）03-0089-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B
　　doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.03.019
　　《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出：“教學中應突出對學生實驗探究能力的培養，引導學生掌握科學探究的一般過程與方法，建立解決某類化學實驗問題的特定思路與方法?！薄罢J識提出問題，設計、評價和優化實驗方案，開展實驗活動，收集實驗現象、數據等相關證據，根據證據進行分析推理，以及得出結論等環節中所需要的方法與策略?！盵1]實驗探究能力及高階思維能力是化學學科的核心內容之一，也是化學學科核心素養重要方面。
　　一、循著學生思維軌跡在實驗教學的意義
　　1.有利于融通教師主導與學生主體作用
　　美國行為主義心理學家約翰?華生（John Broadus Watson）認為：思維也是一種感覺運動的行為。因此，教學時引導學生有目的、有計劃地進行“認識思路”優化和“核心觀念”建構的結構化設計，將教師的主導和學生的主體作用有效融通，可以逐步提升學生的化學實驗知識結構化水平，發展化學學科核心素養。學生結合自己的思維水平，從模仿到自主、木植康秸體，聯想與研究對象相似、相近或相反的內容，通過觀察、比較、分類、推理、實驗等方法，將已有認識從一個對象遷移到另一個對象，按照化學學科知識之間的邏輯關系有效關聯。學生充分發揮其主體作用，在參與中積累發現、提出、分析和解決問題的策略，不斷形成化學觀念和完善思維模型。
　　2.有利于提高實驗教學效率
　　學生學習的有效性更重要的是體現在學習中形成的正確認識世界的視角、探索未知世界的科學方法。學生在主動參與學習的過程中獲得的不能是零散的、孤立的、固化的“知識”，而應該是系統的、聯系的、發展的認識。[2]實驗教學時，循著學生思維軌跡可使教學過程更真實、自然，更切合學生的思維實際。教學中引導學生從設計方案、實施實驗、獲取證據、分析解釋或建構模型、形成結論及交流評價等環節走進化學實驗教學的“最近發展區”，啟迪學生的科學思維，幫助學生形成化學實驗的思維模型，可大大提高學習效率。
　　二、循著學生思維軌跡，建構“333化學實驗教學模型”
　　化學學科核心素養導向下的教學設計與組織，應注重對知識所隱含的靈動的人的思維程序、思維方法的自覺揭示，注重對文字所代表的“客觀事實”的自覺鏈接。[3]實驗教學的主要任務應該是圍繞真實的實驗項目，與已有的實驗經驗相聯系，并遷移到新的實驗情境中，建構實驗思維模型。教師應當循著學生思維軌跡優化教學設計，引導學生建構科學的實驗問題的策略模型，切實讓學生體會到“問題有源頭、思考有方向、解決有模型”。
　　1.以“三關注”（實驗目的、實驗原理、實驗裝置）為著力點
　　化學實驗的基本問題有三個主要方面：解決什么問題――實驗目的、用什么方法――實驗原理、如何完成――實驗裝置。其中，實驗目的是所有問題解決的思維源頭，圍繞實驗目的展開的實驗思維活動有著其基本的思維規律，據此建構的思維模型可有效地幫助學生提升實驗探究能力。現以氣體性質探究――“設計‘探究SO2和Sr反應的產物’的實驗方案”為例，介紹以實驗目的、實驗原理、實驗裝置為“著力點”建構實驗裝置模型的具體做法。
　?。?）追尋學生思維源頭
　　教學設計時，教師應當想學生所想，從學生最容易、最直接的思維“最近發展區”出發，循著學生思維軌跡，準確把握實驗教學的起點。“設計‘探究SO2和Sr 反應的產物’的實驗方案”實驗的思維源頭是先要預測SO2和Sr反應的產物，然后根據產物的組成（類別）、結構、特征性質設計探究方案。
　?。?）循著學生思維軌跡
　　學生在解決“SO2和 Sr反應的產物是什么？”的實際問題時，首先要解決的是 SO2氣體的制備、凈化、干燥的方法并建構實驗裝置模型，然后是在預測 SO2和Sr反應產物基礎上，根據反應物 SO2和 Sr 的狀態和反應條件，設計SO2和Sr 的反應裝置及尾氣處理裝置，最后是對 SO2和 Sr反應產物分離提純后，依據預測產物的特征性質設計探究方案，證實或證偽預測的結論。
　?。?）建構實驗裝置模型
　　宋心琦先生曾說：“一個化學實驗可以歸納為作為實驗對象的物質體系；適當的儀器裝置和必要的安全措施；合理的實驗步驟和規范的操作技術等三個方面?！盵4]實驗的儀器裝置是對實驗對象物質體系的理解和對實驗步驟、規范的操作初步規劃的“物化”表現，實驗裝置的設計就是在實驗目的指導下的實驗思維。以探究SO2和Sr反應產物為例的實驗裝置模型建構過程如下：
　　首先需要選擇合適的試劑和裝置完成SO2氣體的制備、凈化、干燥，因為SO2是常見的酸性氧化物，也是大氣污染物。Sr與Mg 同位于ⅡA而且在金屬Ca 的下方，依據元素周期律可知 Sr是一種非?；顫姷慕饘?，金屬性強于 Mg。根據實驗目的、實驗原理和 SO2的性質特點，可以設計出“SO2和Sr反應”的實驗裝置（見圖1）。

　　然后根據分類思想和元素周期律可將SO2與Sr 的反應聯想到CO2和Mg 的反應，預測SO2與Sr 的反應產物為SrO 和S。因為化學反應的本質是原子的重新組合，應用元素觀推測 SO2與 Sr 可能的反應產物有 S、 SrS、SrO、SrSO3和SrSO4。
　　最后設計實驗方案證明產物預測的真偽：（1）反應后取裝置C 中的固體粉末于燒瓶中，加入足量稀硫酸，觀察到有氣體生成，將產生的氣體分別通入品紅溶液和硫酸銅溶液中，品紅溶液褪色、溶液中出現黑色沉淀說明產物中含有SrSO3和SrS。（2）探究（1）的燒瓶中的固體粉末中含有硫：首先考慮利用硫的特征性質，中學階段沒有直接檢驗硫的實驗，進而思考轉化為SO2，再利用SO2能使品紅溶液褪色的特征性質選擇圖2所示裝置。按氣流從左到右，依次連接 dcab 裝置，調控好條件進行實驗。
　　引導學生從問題和假設出發，依據實驗目的，分析反應原理，選擇合適的實驗試劑和儀器裝置，自主建構“氣體性質探究實驗”裝置模型（見圖3）。
　　2.以“三聚焦”（流程設計、實驗調控、結論形成）為關鍵點
　　“物質制備”實驗的基本問題也有三個：一是如何設計流程，包括制備、分離提純、獲得產品；二是依據反應原理調控反應的進行，如速率、減少副反應、提高產品產量和質量等；三是分析實驗現象與結果的因果關系，確保證據充分?，F以“設計制備 K2FeO4的實驗方案”為例介紹具體做法。
　　（1）追尋學生思維源頭
　　化學實驗流程設計是化學實驗得以實施的前提，設計過程中引導學生聚焦實驗條件的調控，根據實驗現象和數據初步形成結論是完成實驗的關鍵點?！爸苽?K2FeO4”實驗的思維源頭是流程設計，從流程中分析每一個步驟實施的原理，尋找每一個條件控制的依據，思考每一個結論形成的關聯。
　　（2）循著學生思維軌跡
　　“實驗室用 KClO 溶液與 Fe（NO3）3溶液的反應制備高效水處理劑 K2FeO4”曾被選為2015年江蘇卷和2018年北京卷的實驗題的背景材料。題中提供了 K2FeO4的有關信息：“K2FeO4具有下列性質①紫色固體，可溶于水、微溶于濃KOH溶液，②在0℃～5℃、強堿性溶液中比較穩定，③在 Fe3+和 Fe（OH）3催化作用下發生分解，④具有強氧化性，在酸性或中性溶液中快速產生O2”。
　　以實驗流程的設計為思維源頭：K2FeO4常用 KClO 溶液與 Fe（NO3）3溶液在強堿性條件下來制備，而KClO又是來源于Cl2與KOH反應，這就需要先制備 Cl2，學生聚焦的問題是如何使Cl2得到充分利用，依據資料信息和已有知識、經驗，采取緩慢滴加濃鹽酸、 KOH 過量、攪拌溶液等措施調控實驗條件制備K2FeO4；并以此為依據設計制備流程。
　　（3）建構流程設計模型
　　實驗教學中，讓學生聚焦流程設計的思維源頭、聚焦實驗條件的調控（溫度、酸堿度、試劑滴加順序等）、觀察并如實記錄實驗F象和數據，科學推理和定量分析，聚焦結論形成的證據。簡要的教學過程如下：
　　首先需要解決原料氣 Cl2的制備、凈化和尾氣處理，可設計成以下裝置完成實驗（見圖4）。
　　聯想生活中漂白液的制備，實驗室可用不同的氧化劑（MnO2、KMnO4、KClO3、NaClO 等）氧化濃鹽酸來制取氯氣。
　　然后調控好實驗條件有利于K2FeO4的制備：（1）將反應裝置 C 置于冰水中冷卻控制體系溫度。（2）在攪拌下，將 Fe（NO3）3飽和溶液緩慢滴加到 KClO飽和溶液中。最后可以得出“K2FeO4在0℃～5℃、強堿性溶液中比較穩定”的結論。
　　在明確實驗目的和理解實驗原理的基礎上合理選擇實驗裝置，設計實驗流程，調控實驗條件，引導學生逐步建構“常見氣體的制備和性質探究實驗”流程設計模型（見圖5）。
　　3.以“三提升”（結果分析、方案評價、觀念形成）為核心點
　　“探究物質性質”實驗的基本問題也有三個：一是從數據可靠性判斷、數據處理等方面的結果分析；二是對實驗方案、實驗過程和實驗結論進行評價，提出進一步探究的設想；三是在探究實驗中逐步形成并鞏固化學觀念?，F以“探究高鐵酸鉀（K2FeO4）的性質”為例介紹教學過程。
　?。?）追尋學生思維源頭
　　以結果分析為思維源頭，設計實驗方案對實驗結果的可能性進一步分析，根據假設提出多種探究方案，評價和優化方案，用數據、圖表、符號等處理實驗信息，對實驗中的“異常”現象和已有結論進行反思、提出質疑和新的實驗設想，進一步付諸實施。[1]“探究高鐵酸鉀的性質”實驗的思維源頭是紫色溶液（含有 K2FeO4、KCl、KClO）中加入稀硫酸產生 Cl2，設計實驗方案分析 Cl2產生的原因，然后評價實驗方案的合理性，實驗探究過程中不斷形成化學觀念。
　?。?）循著學生思維軌跡
　　（2018?北京28題節選）按圖4裝置探究K2FeO4的性質：取 C 中紫色溶液，加入稀硫酸，產生黃綠色氣體，得溶液a，經檢驗氣體中含有Cl2。
　　首先進行結果分析：Cl2可能是K2FeO4氧化Cl-，也可能是 KClO 氧化 Cl－而產生的。同學們設計出兩組實驗方案探究 Cl2產生的原因及 K2FeO4的性質：（Ⅰ）取少量 a，滴加 KSCN 溶液至過量，溶液呈紅色；（Ⅱ）用 KOH溶液充分洗滌 C 中所得固體，再用 KOH溶液將 K2FeO4溶出，得到紫色溶液 b。取少量 b，滴加鹽酸，有Cl2產生。
　　然后評價方案Ⅰ、Ⅱ是否合理？根據反應原理可知：C 的紫色溶液中含有 K2FeO4、KCl，還含有 KClO。方案Ⅰ中溶液變紅可知 a 中含有 Fe3+，但不一定是 K2FeO4被Cl-還原生成的，還可能是K2FeO4在酸性溶液中快速產生O2，自身被還原成Fe3+。產生Cl2還可能是 ClO-+Cl-+2H+=Cl2↑+H2O，即KClO 的存在干擾結果分析。方案Ⅱ用 KOH溶液洗滌是為了除去 KClO、排除 ClO-的干擾，同時保持 K2FeO4穩定存在，可以證明 K2FeO4氧化了Cl－而產生Cl2。還可以引導學生進一步思考：K2FeO4的制備實驗和方案Ⅱ實驗中 Cl2和 FeO4（2）-的氧化性強弱關系為什么不一致？
　　同學間、師生間相互評價實驗方案的優缺點、可行性，收集實驗證據，基于現象和數據進行分析并得出結論，對實驗過程和結果進行反思，不斷提升學生的結果分析能力和方案評價能力。在結果分析和方案評價中讓學生逐步形成元素觀、變化觀、實驗觀、化學價值觀等化學觀念。
　　（3）建構實驗教學思維模型
　　模型是解釋化學現象的一種思維方式，用來描述和解釋物質的結構、性質和變化，預測物質及其變化的可能結果，而建構模型的學習方法可使復雜概念（或問題）簡單化、直觀化?；瘜W實驗注重培養學生接受、吸收、整合化學信息的能力，分析和解決化學問題的能力，化學實驗與探究能力。教學時，以實驗目的作為學生的思維源頭，依據化學反應本質和規律分析化學反應原理，結合已有知識和經驗、按照實驗的相關要求設計實驗裝置，提取、加工相關信息，預測推理化學反應的產物，用實驗的方法探究物質性質，通過生生、師生間的討論質疑和交流矯正，科學規范解決實驗問題，建構“物質制備和性質探究實驗”的思維模型（見圖6），切實讓學生“思考有方向”。
　　4.建構“333化學實驗教學模型”
　　“物質制備和性質探究實驗”教學中，應當循著學生思維軌跡，追尋思維源頭，精選典型、真實實驗項目，引領學生在關注三個層面（實驗目的、實驗原理、實驗裝置）中建構實驗裝置模型、指導學生在聚焦三類要素（流程設計、實驗調控、結論形成）中建構流程設計模型、協同學生在提升三種能力（結果分析、方案評價、觀念形成）中建構思維模型，發展學生化學核心素養，形成“333化學實驗教學模型”（見圖7），切實讓學生“解決有模型”。
　　參考文獻
　　[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.
　　[2]江敏.追尋人類思維的脈絡[J].中學化學教學參考，2014（11）：1，5-10.
　　[3]王軍翔.以“思維發展”為抓手實現“核心素養”教育[J].中學化學教學參考，2018（7）：1-3.
　　[4]宋心琦.化學實驗教學問題[J].中學化學教學參考，2011（11）：3-6.


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