循着学生思维轨迹探寻实验教学模型

来源:用户上传      作者:厉业余 曹坤 刘江田

　　摘要：物质的制备和性质探究实验是高中化学实验基础性内容，是实验思维、实验方法和操作能力形成和发展的起点。教学中，基于学生解决问题过程中的思维程序、方法以及思维盲点、障碍点，循着学生思维轨迹，引领学生共同探寻物质的制备和性质探究实验的装置模型、操作流程模型和思维模型。引导学生以“三关注”（实验目的、实验原理、实验装置）为着力点、以“三聚焦”（流程设计、实验调控、结论形成）为关键点、以“三提升”（结果分析、方案评价、观念形成）为核心点，建构“333化学实验教学模型”，形成解决实验问题的策略，培养学生思维能力，发展学生核心素养。
　　关键词：学生思维轨迹；化学实验；物质的制备和性质；实验教学模型
　　文章编号：1008-0546（2023）03-0089-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
　　doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.03.019
　　《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出：“教学中应突出对学生实验探究能力的培养，引导学生掌握科学探究的一般过程与方法，建立解决某类化学实验问题的特定思路与方法。”“认识提出问题，设计、评价和优化实验方案，开展实验活动，收集实验现象、数据等相关证据，根据证据进行分析推理，以及得出结论等环节中所需要的方法与策略。”[1]实验探究能力及高阶思维能力是化学学科的核心内容之一，也是化学学科核心素养重要方面。
　　一、循着学生思维轨迹在实验教学的意义
　　1.有利于融通教师主导与学生主体作用
　　美国行为主义心理学家约翰・华生（John Broadus Watson）认为：思维也是一种感觉运动的行为。因此，教学时引导学生有目的、有计划地进行“认识思路”优化和“核心观念”建构的结构化设计，将教师的主导和学生的主体作用有效融通，可以逐步提升学生的化学实验知识结构化水平，发展化学学科核心素养。学生结合自己的思维水平，从模仿到自主、木植康秸体，联想与研究对象相似、相近或相反的内容，通过观察、比较、分类、推理、实验等方法，将已有认识从一个对象迁移到另一个对象，按照化学学科知识之间的逻辑关系有效关联。学生充分发挥其主体作用，在参与中积累发现、提出、分析和解决问题的策略，不断形成化学观念和完善思维模型。
　　2.有利于提高实验教学效率
　　学生学习的有效性更重要的是体现在学习中形成的正确认识世界的视角、探索未知世界的科学方法。学生在主动参与学习的过程中获得的不能是零散的、孤立的、固化的“知识”，而应该是系统的、联系的、发展的认识。[2]实验教学时，循着学生思维轨迹可使教学过程更真实、自然，更切合学生的思维实际。教学中引导学生从设计方案、实施实验、获取证据、分析解释或建构模型、形成结论及交流评价等环节走进化学实验教学的“最近发展区”，启迪学生的科学思维，帮助学生形成化学实验的思维模型，可大大提高学习效率。
　　二、循着学生思维轨迹，建构“333化学实验教学模型”
　　化学学科核心素养导向下的教学设计与组织，应注重对知识所隐含的灵动的人的思维程序、思维方法的自觉揭示，注重对文字所代表的“客观事实”的自觉链接。[3]实验教学的主要任务应该是围绕真实的实验项目，与已有的实验经验相联系，并迁移到新的实验情境中，建构实验思维模型。教师应当循着学生思维轨迹优化教学设计，引导学生建构科学的实验问题的策略模型，切实让学生体会到“问题有源头、思考有方向、解决有模型”。
　　1.以“三关注”（实验目的、实验原理、实验装置）为着力点
　　化学实验的基本问题有三个主要方面：解决什么问题――实验目的、用什么方法――实验原理、如何完成――实验装置。其中，实验目的是所有问题解决的思维源头，围绕实验目的展开的实验思维活动有着其基本的思维规律，据此建构的思维模型可有效地帮助学生提升实验探究能力。现以气体性质探究――“设计‘探究SO2和Sr反应的产物’的实验方案”为例，介绍以实验目的、实验原理、实验装置为“着力点”建构实验装置模型的具体做法。
　　（1）追寻学生思维源头
　　教学设计时，教师应当想学生所想，从学生最容易、最直接的思维“最近发展区”出发，循着学生思维轨迹，准确把握实验教学的起点。“设计‘探究SO2和Sr 反应的产物’的实验方案”实验的思维源头是先要预测SO2和Sr反应的产物，然后根据产物的组成（类别）、结构、特征性质设计探究方案。
　　（2）循着学生思维轨迹
　　学生在解决“SO2和 Sr反应的产物是什么？”的实际问题时，首先要解决的是 SO2气体的制备、净化、干燥的方法并建构实验装置模型，然后是在预测 SO2和Sr反应产物基础上，根据反应物 SO2和 Sr 的状态和反应条件，设计SO2和Sr 的反应装置及尾气处理装置，最后是对 SO2和 Sr反应产物分离提纯后，依据预测产物的特征性质设计探究方案，证实或证伪预测的结论。
　　（3）建构实验装置模型
　　宋心琦先生曾说：“一个化学实验可以归纳为作为实验对象的物质体系；适当的仪器装置和必要的安全措施；合理的实验步骤和规范的操作技术等三个方面。”[4]实验的仪器装置是对实验对象物质体系的理解和对实验步骤、规范的操作初步规划的“物化”表现，实验装置的设计就是在实验目的指导下的实验思维。以探究SO2和Sr反应产物为例的实验装置模型建构过程如下：
　　首先需要选择合适的试剂和装置完成SO2气体的制备、净化、干燥，因为SO2是常见的酸性氧化物，也是大气污染物。Sr与Mg 同位于ⅡA而且在金属Ca 的下方，依据元素周期律可知 Sr是一种非常活泼的金属，金属性强于 Mg。根据实验目的、实验原理和 SO2的性质特点，可以设计出“SO2和Sr反应”的实验装置（见图1）。

　　然后根据分类思想和元素周期律可将SO2与Sr 的反应联想到CO2和Mg 的反应，预测SO2与Sr 的反应产物为SrO 和S。因为化学反应的本质是原子的重新组合，应用元素观推测 SO2与 Sr 可能的反应产物有 S、 SrS、SrO、SrSO3和SrSO4。
　　最后设计实验方案证明产物预测的真伪：（1）反应后取装置C 中的固体粉末于烧瓶中，加入足量稀硫酸，观察到有气体生成，将产生的气体分别通入品红溶液和硫酸铜溶液中，品红溶液褪色、溶液中出现黑色沉淀说明产物中含有SrSO3和SrS。（2）探究（1）的烧瓶中的固体粉末中含有硫：首先考虑利用硫的特征性质，中学阶段没有直接检验硫的实验，进而思考转化为SO2，再利用SO2能使品红溶液褪色的特征性质选择图2所示装置。按气流从左到右，依次连接 dcab 装置，调控好条件进行实验。
　　引导学生从问题和假设出发，依据实验目的，分析反应原理，选择合适的实验试剂和仪器装置，自主建构“气体性质探究实验”装置模型（见图3）。
　　2.以“三聚焦”（流程设计、实验调控、结论形成）为关键点
　　“物质制备”实验的基本问题也有三个：一是如何设计流程，包括制备、分离提纯、获得产品；二是依据反应原理调控反应的进行，如速率、减少副反应、提高产品产量和质量等；三是分析实验现象与结果的因果关系，确保证据充分。现以“设计制备 K2FeO4的实验方案”为例介绍具体做法。
　　（1）追寻学生思维源头
　　化学实验流程设计是化学实验得以实施的前提，设计过程中引导学生聚焦实验条件的调控，根据实验现象和数据初步形成结论是完成实验的关键点。“制备 K2FeO4”实验的思维源头是流程设计，从流程中分析每一个步骤实施的原理，寻找每一个条件控制的依据，思考每一个结论形成的关联。
　　（2）循着学生思维轨迹
　　“实验室用 KClO 溶液与 Fe（NO3）3溶液的反应制备高效水处理剂 K2FeO4”曾被选为2015年江苏卷和2018年北京卷的实验题的背景材料。题中提供了 K2FeO4的有关信息：“K2FeO4具有下列性质①紫色固体，可溶于水、微溶于浓KOH溶液，②在0℃～5℃、强碱性溶液中比较稳定，③在 Fe3+和 Fe（OH）3催化作用下发生分解，④具有强氧化性，在酸性或中性溶液中快速产生O2”。
　　以实验流程的设计为思维源头：K2FeO4常用 KClO 溶液与 Fe（NO3）3溶液在强碱性条件下来制备，而KClO又是来源于Cl2与KOH反应，这就需要先制备 Cl2，学生聚焦的问题是如何使Cl2得到充分利用，依据资料信息和已有知识、经验，采取缓慢滴加浓盐酸、 KOH 过量、搅拌溶液等措施调控实验条件制备K2FeO4；并以此为依据设计制备流程。
　　（3）建构流程设计模型
　　实验教学中，让学生聚焦流程设计的思维源头、聚焦实验条件的调控（温度、酸碱度、试剂滴加顺序等）、观察并如实记录实验F象和数据，科学推理和定量分析，聚焦结论形成的证据。简要的教学过程如下：
　　首先需要解决原料气 Cl2的制备、净化和尾气处理，可设计成以下装置完成实验（见图4）。
　　联想生活中漂白液的制备，实验室可用不同的氧化剂（MnO2、KMnO4、KClO3、NaClO 等）氧化浓盐酸来制取氯气。
　　然后调控好实验条件有利于K2FeO4的制备：（1）将反应装置 C 置于冰水中冷却控制体系温度。（2）在搅拌下，将 Fe（NO3）3饱和溶液缓慢滴加到 KClO饱和溶液中。最后可以得出“K2FeO4在0℃～5℃、强碱性溶液中比较稳定”的结论。
　　在明确实验目的和理解实验原理的基础上合理选择实验装置，设计实验流程，调控实验条件，引导学生逐步建构“常见气体的制备和性质探究实验”流程设计模型（见图5）。
　　3.以“三提升”（结果分析、方案评价、观念形成）为核心点
　　“探究物质性质”实验的基本问题也有三个：一是从数据可靠性判断、数据处理等方面的结果分析；二是对实验方案、实验过程和实验结论进行评价，提出进一步探究的设想；三是在探究实验中逐步形成并巩固化学观念。现以“探究高铁酸钾（K2FeO4）的性质”为例介绍教学过程。
　　（1）追寻学生思维源头
　　以结果分析为思维源头，设计实验方案对实验结果的可能性进一步分析，根据假设提出多种探究方案，评价和优化方案，用数据、图表、符号等处理实验信息，对实验中的“异常”现象和已有结论进行反思、提出质疑和新的实验设想，进一步付诸实施。[1]“探究高铁酸钾的性质”实验的思维源头是紫色溶液（含有 K2FeO4、KCl、KClO）中加入稀硫酸产生 Cl2，设计实验方案分析 Cl2产生的原因，然后评价实验方案的合理性，实验探究过程中不断形成化学观念。
　　（2）循着学生思维轨迹
　　（2018・北京28题节选）按图4装置探究K2FeO4的性质：取 C 中紫色溶液，加入稀硫酸，产生黄绿色气体，得溶液a，经检验气体中含有Cl2。
　　首先进行结果分析：Cl2可能是K2FeO4氧化Cl-，也可能是 KClO 氧化 Cl－而产生的。同学们设计出两组实验方案探究 Cl2产生的原因及 K2FeO4的性质：（Ⅰ）取少量 a，滴加 KSCN 溶液至过量，溶液呈红色；（Ⅱ）用 KOH溶液充分洗涤 C 中所得固体，再用 KOH溶液将 K2FeO4溶出，得到紫色溶液 b。取少量 b，滴加盐酸，有Cl2产生。
　　然后评价方案Ⅰ、Ⅱ是否合理？根据反应原理可知：C 的紫色溶液中含有 K2FeO4、KCl，还含有 KClO。方案Ⅰ中溶液变红可知 a 中含有 Fe3+，但不一定是 K2FeO4被Cl-还原生成的，还可能是K2FeO4在酸性溶液中快速产生O2，自身被还原成Fe3+。产生Cl2还可能是 ClO-+Cl-+2H+=Cl2↑+H2O，即KClO 的存在干扰结果分析。方案Ⅱ用 KOH溶液洗涤是为了除去 KClO、排除 ClO-的干扰，同时保持 K2FeO4稳定存在，可以证明 K2FeO4氧化了Cl－而产生Cl2。还可以引导学生进一步思考：K2FeO4的制备实验和方案Ⅱ实验中 Cl2和 FeO4（2）-的氧化性强弱关系为什么不一致？
　　同学间、师生间相互评价实验方案的优缺点、可行性，收集实验证据，基于现象和数据进行分析并得出结论，对实验过程和结果进行反思，不断提升学生的结果分析能力和方案评价能力。在结果分析和方案评价中让学生逐步形成元素观、变化观、实验观、化学价值观等化学观念。
　　（3）建构实验教学思维模型
　　模型是解释化学现象的一种思维方式，用来描述和解释物质的结构、性质和变化，预测物质及其变化的可能结果，而建构模型的学习方法可使复杂概念（或问题）简单化、直观化。化学实验注重培养学生接受、吸收、整合化学信息的能力，分析和解决化学问题的能力，化学实验与探究能力。教学时，以实验目的作为学生的思维源头，依据化学反应本质和规律分析化学反应原理，结合已有知识和经验、按照实验的相关要求设计实验装置，提取、加工相关信息，预测推理化学反应的产物，用实验的方法探究物质性质，通过生生、师生间的讨论质疑和交流矫正，科学规范解决实验问题，建构“物质制备和性质探究实验”的思维模型（见图6），切实让学生“思考有方向”。
　　4.建构“333化学实验教学模型”
　　“物质制备和性质探究实验”教学中，应当循着学生思维轨迹，追寻思维源头，精选典型、真实实验项目，引领学生在关注三个层面（实验目的、实验原理、实验装置）中建构实验装置模型、指导学生在聚焦三类要素（流程设计、实验调控、结论形成）中建构流程设计模型、协同学生在提升三种能力（结果分析、方案评价、观念形成）中建构思维模型，发展学生化学核心素养，形成“333化学实验教学模型”（见图7），切实让学生“解决有模型”。
　　参考文献
　　[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.
　　[2]江敏.追寻人类思维的脉络[J].中学化学教学参考，2014（11）：1，5-10.
　　[3]王军翔.以“思维发展”为抓手实现“核心素养”教育[J].中学化学教学参考，2018（7）：1-3.
　　[4]宋心琦.化学实验教学问题[J].中学化学教学参考，2011（11）：3-6.


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