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      循著學生思維軌跡探尋實驗教學模型*
      ——以“物質(zhì)的制備和性質(zhì)探究實驗”為例

      2023-02-09 08:33:32厲業(yè)余曹坤劉江田
      化學教與學 2023年3期
      關(guān)鍵詞:建構(gòu)實驗教學裝置

      厲業(yè)余曹 坤劉江田

      (1.江蘇省六合高級中學 江蘇 南京 211500;2.南京市燕子磯中學 江蘇 南京 210046;3.南京市教學研究室 江蘇 南京 201001)

      《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(yǎng),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(yōu)化實驗方案,開展實驗活動,收集實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)等相關(guān)證據(jù),根據(jù)證據(jù)進行分析推理,以及得出結(jié)論等環(huán)節(jié)中所需要的方法與策略?!保?]實驗探究能力及高階思維能力是化學學科的核心內(nèi)容之一,也是化學學科核心素養(yǎng)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(yōu)化和“核心觀念”建構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)化水平,發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)。學生結(jié)合自己的思維水平,從模仿到自主、從局部到整體,聯(lián)想與研究對象相似、相近或相反的內(nèi)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(guān)系有效關(guān)聯(lián)。學生充分發(fā)揮其主體作用,在參與中積累發(fā)現(xiàn)、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(xiàn)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(tǒng)的、聯(lián)系的、發(fā)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(jù)、分析解釋或建構(gòu)模型、形成結(jié)論及交流評價等環(huán)節(jié)走進化學實驗教學的“最近發(fā)展區(qū)”,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(gòu)“333化學實驗教學模型”

      化學學科核心素養(yǎng)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(jīng)驗相聯(lián)系,并遷移到新的實驗情境中,建構(gòu)實驗思維模型。教師應當循著學生思維軌跡優(yōu)化教學設計,引導學生建構(gòu)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(guān)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(guī)律,據(jù)此建構(gòu)的思維模型可有效地幫助學生提升實驗探究能力?,F(xiàn)以氣體性質(zhì)探究——“設計‘探究SO2和Sr反應的產(chǎn)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(gòu)實驗裝置模型的具體做法。

      (1)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(fā)展區(qū)”出發(fā),循著學生思維軌跡,準確把握實驗教學的起點?!霸O計‘探究SO2和Sr反應的產(chǎn)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(chǎn)物,然后根據(jù)產(chǎn)物的組成(類別)、結(jié)構(gòu)、特征性質(zhì)設計探究方案。

      (2)循著學生思維軌跡

      學生在解決“SO2和Sr反應的產(chǎn)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(gòu)實驗裝置模型,然后是在預測SO2和Sr反應產(chǎn)物基礎上,根據(jù)反應物SO2和Sr的狀態(tài)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(chǎn)物分離提純后,依據(jù)預測產(chǎn)物的特征性質(zhì)設計探究方案,證實或證偽預測的結(jié)論。

      (3)建構(gòu)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(zhì)體系;適當?shù)膬x器裝置和必要的安全措施;合理的實驗步驟和規(guī)范的操作技術(shù)等三個方面?!保?]實驗的儀器裝置是對實驗對象物質(zhì)體系的理解和對實驗步驟、規(guī)范的操作初步規(guī)劃的“物化”表現(xiàn),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(chǎn)物為例的實驗裝置模型建構(gòu)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(jù)元素周期律可知Sr是一種非常活潑的金屬,金屬性強于Mg。根據(jù)實驗目的、實驗原理和SO2的性質(zhì)特點,可以設計出“SO2和Sr反應”的實驗裝置(見圖1)。

      圖1 “SO2和Sr反應”的實驗裝置

      然后根據(jù)分類思想和元素周期律可將SO2與Sr的反應聯(lián)想到CO2和Mg的反應,預測SO2與Sr的反應產(chǎn)物為SrO和S。因為化學反應的本質(zhì)是原子的重新組合,應用元素觀推測SO2與Sr可能的反應產(chǎn)物有S、SrS、SrO、SrSO3和SrSO4。

      最后設計實驗方案證明產(chǎn)物預測的真?zhèn)危海?)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(chǎn)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(xiàn)黑色沉淀說明產(chǎn)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(zhì),中學階段沒有直接檢驗硫的實驗,進而思考轉(zhuǎn)化為SO2,再利用SO2能使品紅溶液褪色的特征性質(zhì)選擇圖2所示裝置。按氣流從左到右,依次連接dcab裝置,調(diào)控好條件進行實驗。

      圖2 探究固體粉末中含有硫的實驗裝置

      2.以“三聚焦”(流程設計、實驗調(diào)控、結(jié)論形成)為關(guān)鍵點

      “物質(zhì)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(chǎn)品;二是依據(jù)反應原理調(diào)控反應的進行,如速率、減少副反應、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量等;三是分析實驗現(xiàn)象與結(jié)果的因果關(guān)系,確保證據(jù)充分?,F(xiàn)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(diào)控,根據(jù)實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)初步形成結(jié)論是完成實驗的關(guān)鍵點?!爸苽銴2FeO4”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(jù),思考每一個結(jié)論形成的關(guān)聯(lián)。

      (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(guān)信息:“K2FeO4具有下列性質(zhì)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(wěn)定,③在Fe3+和Fe(OH)3催化作用下發(fā)生分解,④具有強氧化性,在酸性或中性溶液中快速產(chǎn)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(jù)資料信息和已有知識、經(jīng)驗,采取緩慢滴加濃鹽酸、KOH過量、攪拌溶液等措施調(diào)控實驗條件制備K2FeO4;并以此為依據(jù)設計制備流程。

      (3)建構(gòu)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(diào)控(溫度、酸堿度、試劑滴加順序等)、觀察并如實記錄實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù),科學推理和定量分析,聚焦結(jié)論形成的證據(jù)。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)。

      圖4 制備高鐵酸鉀的實驗裝置

      聯(lián)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(diào)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(wěn)定”的結(jié)論。

      在明確實驗目的和理解實驗原理的基礎上合理

      引導學生從問題和假設出發(fā),依據(jù)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(gòu)“氣體性質(zhì)探究實驗”裝置模型(見圖3)。選擇實驗裝置,設計實驗流程,調(diào)控實驗條件,引導學生逐步建構(gòu)“常見氣體的制備和性質(zhì)探究實驗”流程設計模型(見圖5)。

      圖3 “氣體性質(zhì)探究實驗”裝置模型

      圖5 “常見氣體的制備和性質(zhì)探究實驗”流程設計模型

      3.以“三提升”(結(jié)果分析、方案評價、觀念形成)為核心點

      “探究物質(zhì)性質(zhì)”實驗的基本問題也有三個:一是從數(shù)據(jù)可靠性判斷、數(shù)據(jù)處理等方面的結(jié)果分析;二是對實驗方案、實驗過程和實驗結(jié)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(xiàn)以“探究高鐵酸鉀(K2FeO4)的性質(zhì)”為例介紹教學過程。

      (1)追尋學生思維源頭

      以結(jié)果分析為思維源頭,設計實驗方案對實驗結(jié)果的可能性進一步分析,根據(jù)假設提出多種探究方案,評價和優(yōu)化方案,用數(shù)據(jù)、圖表、符號等處理實驗信息,對實驗中的“異常”現(xiàn)象和已有結(jié)論進行反思、提出質(zhì)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(zhì)”實驗的思維源頭是紫色溶液(含有K2FeO4、KCl、KClO)中加入稀硫酸產(chǎn)生Cl2,設計實驗方案分析Cl2產(chǎn)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。

      (2)循著學生思維軌跡

      (2018·北京28題節(jié)選)按圖4裝置探究K2FeO4的性質(zhì):取C中紫色溶液,加入稀硫酸,產(chǎn)生黃綠色氣體,得溶液a,經(jīng)檢驗氣體中含有Cl2。

      首先進行結(jié)果分析:Cl2可能是K2FeO4氧化Cl-,也可能是KClO氧化Cl-而產(chǎn)生的。同學們設計出兩組實驗方案探究Cl2產(chǎn)生的原因及K2FeO4的性質(zhì):(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(chǎn)生。

      然后評價方案Ⅰ、Ⅱ是否合理?根據(jù)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(chǎn)生O2,自身被還原成Fe3+。產(chǎn)生Cl2還可能是ClO-+Cl-+2H+=Cl2↑+H2O,即KClO的存在干擾結(jié)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(wěn)定存在,可以證明K2FeO4氧化了Cl-而產(chǎn)生Cl2。還可以引導學生進一步思考:K2FeO4的制備實驗和方案Ⅱ?qū)嶒炛蠧l2和FeO2-4的氧化性強弱關(guān)系為什么不一致?

      同學間、師生間相互評價實驗方案的優(yōu)缺點、可行性,收集實驗證據(jù),基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進行分析并得出結(jié)論,對實驗過程和結(jié)果進行反思,不斷提升學生的結(jié)果分析能力和方案評價能力。在結(jié)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(gòu)實驗教學思維模型

      模型是解釋化學現(xiàn)象的一種思維方式,用來描述和解釋物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化,預測物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果,而建構(gòu)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(yǎng)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(jù)化學反應本質(zhì)和規(guī)律分析化學反應原理,結(jié)合已有知識和經(jīng)驗、按照實驗的相關(guān)要求設計實驗裝置,提取、加工相關(guān)信息,預測推理化學反應的產(chǎn)物,用實驗的方法探究物質(zhì)性質(zhì),通過生生、師生間的討論質(zhì)疑和交流矯正,科學規(guī)范解決實驗問題,建構(gòu)“物質(zhì)制備和性質(zhì)探究實驗”的思維模型(見圖6),切實讓學生“思考有方向”。

      圖6 “物質(zhì)制備和性質(zhì)探究實驗”的思維模型

      4.建構(gòu)“333化學實驗教學模型”

      “物質(zhì)制備和性質(zhì)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(guān)注三個層面(實驗目的、實驗原理、

      圖7 “333化學實驗教學模型”

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