“思維進階”目標下的化學實驗教學策略

摘要： 實驗教學中以激發(fā)學生“思維”為核心，探索采用“循序漸進、問題引導、由點到面、信息剖析”等基于“思維進階”目標下的實驗教學策略，實現(xiàn)從簡單到復雜、從理論思考到實踐應用、從部分到整體、從要素提取到邏輯分析的思維進階，逐步形成遞進性、應用性、系統(tǒng)性、發(fā)散性思維，提升學生的思維能力和科學素養(yǎng)。

關鍵詞： 化學實驗； 思維進階； 教學策略； 核心素養(yǎng)

文章編號： 10056629（2023）10005606 中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題的提出

以實驗為基礎是化學學科的重要特征之一，化學實驗對于全面發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)有非常重要的作用，有助于激發(fā)學生學習化學的興趣，啟迪學生的科學思維，訓練學生的科學方法，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和價值觀［1］。高中化學實驗主要包括物質的分離與提純、物質的檢驗、物質的制備、定量實驗、實驗設計及探究等內容。實驗教學中往往存在諸如實驗教學內容碎片化，缺少具有挑戰(zhàn)性的實驗問題，忽視實驗的思維過程等，使課堂缺乏高階思維發(fā)展的教學目標；有的實驗教學變成教師給“方”、學生抓“藥”的知識驗證和完成教學任務，課堂表面的“熱鬧”掩蓋不了本質的“低效”，嚴重影響學生創(chuàng)新素養(yǎng)與思維能力的培養(yǎng)；特別是學生在面對綜合實驗探究問題時，表現(xiàn)出“缺乏邏輯、缺乏視角、缺乏策略”的共性問題［2，3］。

如何高效進行化學實驗教學，一直是廣大化學教師思考和探索的問題。筆者在前期研究思維階梯式教學的基礎上［4］，在實驗教學中以激發(fā)學生“思維”為核心，探索采用“循序漸進、問題引導、由點到面、信息剖析”等基于“思維進階”目標下的實驗教學策略，實現(xiàn)從簡單到復雜、從理論思考到實踐應用、從部分到整體、從要素提取到邏輯分析等的思維進階，逐步形成遞進性、應用性、系統(tǒng)性、發(fā)散性思維，提升學生的思維能力和科學素養(yǎng)。

2 思維進階促成素養(yǎng)發(fā)展

思維進階是指從低階思維到高階思維的發(fā)展過程，也是實現(xiàn)從知識到素養(yǎng)的一種歷程。布魯姆在教育目標分類法中把認知思維分為“記憶、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造”六個層級（如圖1），其中記憶、理解屬于低階思維，是一種淺層次的學習，而應用、分析、評價、創(chuàng)造屬于高階思維，屬于深度學習。2007年美國國家研究理事會（NRC）將學習進階定義為“對學生在一個時間跨度內學習和探究某一主題時，依次進階、逐級深化的思維方式”。這使得學者們對學習進階的對象達成了一致。即學習進階刻畫的是學生思維的發(fā)展過程［5］。王磊等研究認為，思維過程包括“思維啟發(fā)、思維引導、思維深化、思維整合、

思維拓展”等五個指標，其中思維啟發(fā)和思維引導發(fā)展較好，思維深化、思維整合和思維拓展還有進一步提升的空間［6］。史厚勇研究認為，教師要聚焦學生的問題解決過程，引領學生的思維由表及里、由點成體、由淺入深、由窄到寬、由單到合，促進學生思維的進階、發(fā)展［7］。就化學思維而言，吳俊明教授認為，它是關于物質組成、結構、性質、變化和相互聯(lián)系的思維，是認知化學、掌握化學和發(fā)展化學的智慧，是探究活動的靈魂［8］。李發(fā)順等認為思維是智慧的核心，是影響人的發(fā)展的重要能力，化學思維能力是化學學科關鍵能力的基礎，化學學習的關鍵是學生思維的形成、進階與結構化［9］。因此，思維進階是實現(xiàn)學習進階與素養(yǎng)發(fā)展的內在的、本質的、必然的要求。

3 “思維進階”目標下的實驗教學策略

3.1 循序漸進：從簡單到復雜的進階，形成問題解決的遞進性思維策略

人類思維的發(fā)展是一個從低級到高級、從簡單到復雜的漸進過程，包含信息的積累、接收、關聯(lián)、選擇、識別、分析、判斷與結論等。因此，基于“思維進階”目標下的教學理應遵循“由淺入深、從易到難、逐步深入”的循序漸進原則，并在過程中不斷總結形成問題解決的一般思路。如實驗教學中“物質的檢驗”是生產(chǎn)生活中化學定性分析的重要內容，應用十分廣泛，可以從多角度、遞進性實現(xiàn)思維進階發(fā)展。從物質種類角度，可以從單一物質的鑒定到多物質的鑒別，再到混合物的成分分析，思維干擾因素逐漸增多；從物質類別角度，可以從常規(guī)的無機物的檢驗到有機物中元素或官能團的鑒定，實現(xiàn)從離子反應到有機反應與官能團性質的思維進階；從實驗方法角度，可以從顏色、水溶性、焰色反應等物理方法到化學方法，如氣體法、沉淀法和顯色法等。實驗方法與手段的選擇務求“以準為本、以簡為美”。其中，離子檢驗是物質檢驗的基石。從單一離子的檢驗（主要包括Fe3+、 NH+4、 CO2-3、 Cl-、 SO2-4）開始，到含一種干擾離子存在條件下的排除與檢驗，再到混合液中多離子的分別檢出這樣一個思維進階過程，具體如圖2所示。

教學中以典型代表物FeCl3的鑒定為例，分析物質檢驗的實驗操作、現(xiàn)象及結論，具體如表1所示。

通過以上對單一物質鑒定的分析，形成物質鑒定的一般操作流程，包括取樣、觀察外表、溶解、離子檢驗、觀察現(xiàn)象和得出結論。此后，圍繞含氯化合物的檢驗，進一步設計以下系列問題：

（1） 如何檢驗氯堿工業(yè)生產(chǎn)的NaOH（或純堿工業(yè)Na2CO3）產(chǎn)品中是否混有NaCl雜質？

（2） 如何檢驗KClO3固體中的氯元素？

（3） 如何檢驗氯乙烷中的氯元素？

以上從Cl-的檢驗到含OH-（或CO2-3）干擾下Cl-的離子檢驗，再到無機鹽KClO3中氯元素的檢驗，最后上升到有機物氯乙烷中氯元素的檢驗這樣一個從簡單到復雜、從無機離子到有機元素的檢驗，并形成元素檢驗問題解決的一般思路（如圖3），更好地鞏固常見“離子檢驗”的方法，循序漸進地實現(xiàn)學生對“物質檢驗”教學內容的思維進階。

3.2 問題引導：從理論思考到實踐應用的進階，形成理論為應用服務的學科思維習慣

化學是研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科［10］。化學實驗作為架構理論與實踐的重要橋梁，圍繞物質的純化、檢驗、測定、制備、性質等進行。如“物質的提純與分離”，教學中通過設計以下三個系列問答供學生思考討論，逐步引導學生從“實驗理論”層面的理解到“實踐應用”層面的思維進階。

問題1：為什么要對物質進行分離與提純？

自然界中的物質大多是混合物，理論上沒有絕對的純凈物。因此，要研究物質，首先必須要對物質進行分離純化，進而再研究單一物質的組成、結構、性質等；工業(yè)生產(chǎn)中也要生產(chǎn)某種特定的物質來滿足人類生產(chǎn)、生活需要。這就是我們化學實驗中“物質的分離與提純”的意義與價值所在。

問題2：物質進行分離提純的理論依據(jù)是什么？

利用物質間的性質差異并選擇合適的方法進行分離和提純。如熔沸點、溶解性、熱穩(wěn)定性、酸堿性、氧化性、還原性等。同時，考慮物質的狀態(tài)不同，實驗的操作方法也不同。

問題3：你能列舉出哪些分離提純的實驗操作？它們在工業(yè)生產(chǎn)和實驗室中分別有怎樣的應用？

由學習和生產(chǎn)生活中遇到的問題出發(fā)，通過在真實問題下的混合物分離與提純案例，分析利用物質間某些性質差異選擇相應的分離方法的思路，總結如表2所示。

問題引導是設置思維階梯、實現(xiàn)思維進階的重要策略之一。以上圍繞“物質分離與提純”教學內容設計了“實驗操作為什么、理論依據(jù)是什么、實踐應用有什么”等系列階梯問題，幫助學生理解分離與提純的意義、原理、方法及其應用，引導學生逐步從“理論理解”向“實踐應用”的思維進階，這既符合化學學科特點，也達成學以致用、活學活用的目的。

3.3 由點到面：從部分到整體的思維進階，形成主題引領下的系統(tǒng)性思維方法

面對復雜問題，可以先通過“化整為零、各個擊破”的策略一一解決，最終實現(xiàn)由點到面、從部分到整體的思維進階。如定量實驗設計因綜合程度高、思維容量大，學生往往會一籌莫展，產(chǎn)生畏難情緒。此時，尋找問題的關鍵點對問題解決至關重要。教學中可通過設置主題引領下的系列問題，幫助學生理清思維頭緒，抓住問題關鍵，激發(fā)思維動力，最終形成解決問題的方法。如“測定亞硫酸鈉（含硫酸鈉雜質）樣品的純度”這一定量實驗，筆者在教學中設置了“情境分析、定性檢驗、應用反思、定量測定和類推歸納”等五個不同維度的階梯問題引導學生從不同角度、不同層面進行思維進階，由點到面，最終形成思維系統(tǒng)。學生的思維火花不斷被點燃，師生互動充分，教學生成性好。具體如表3所示。

針對實驗課題中的問題，首先在引導學生分析問題情境的真實性，進而理解Na2SO3的還原性，創(chuàng)設Na2SO3在空氣中易被氧化成Na2SO4的情境，并在此基礎上再讓學生思考Na2SO3被氧化的兩種可能的情況（部分氧化與完全氧化）下分別如何進行檢驗，培養(yǎng)學生的信息提取與思維變通能力，進一步鞏固離子定性檢驗的操作、方法與表達，再類推到這樣一類問題的總結與對比，形成系統(tǒng)方法；同時，在上述“定性”及“應用”兩個環(huán)節(jié)的問題分析與解決過程中，學生對亞硫酸鈉的認識逐步加深，為后續(xù)定量實驗中的重量法、滴定法（氧化還原）和氣體法做好思維鋪墊。圍繞該實驗主題，采用“由點到面”的教學策略，這三種定量實驗方法便水到渠成，思維進階目標順利達成。具體如圖4所示。

3.4 信息剖析：從“要素提取”到“邏輯分析”的思維進階，形成發(fā)散性思維品質

從問題與信息中提取核心要素的能力是一種重要的閱讀理解能力，并在此基礎上進行邏輯分析與推理，形成思路和判斷（預測），也是思維進階的重要路徑之一。實驗探究是化學實驗的重要內容，對培養(yǎng)學生邏輯思維、創(chuàng)新思維等大有裨益。教學中可從熟悉的內容出發(fā)，逐步完成思維進階，并形成問題探究的一般認知思維模型。如“在BaCl2溶液中通入SO2氣體是否有沉淀生成”這一探究問題中，學生根據(jù)復分解反應的條件分析認為兩者不會發(fā)生反應（預測）。隨后，在小組實驗后發(fā)現(xiàn)，開始沒有沉淀，但隨后會慢慢產(chǎn)生沉淀，實驗現(xiàn)象與預測產(chǎn)生沖突。從沒有沉淀到慢慢生成沉淀過程中可能的原因是什么？學生通過“硫酸酸雨放置一段時間后pH會減小”的思維遷移與討論，認為由于亞硫酸被空氣中氧氣氧化成硫酸進而生成BaSO4沉淀的結果。隨后，各小組再在沉淀中加入鹽酸，沉淀不溶解，從而證實了白色沉淀為BaSO4，培養(yǎng)了學生的邏輯思維和證據(jù)意識。為進一步發(fā)展學生的發(fā)散性思維，教師又提出，除了空氣中的氧氣可以使上述溶液生成沉淀外，是否還可以通入一種其他氣體使之生成沉淀？通過師生對問題要素的提取和可能性分析與討論，形成結果如圖5所示。

又如，把新制氯水逐滴滴加到NaOH的酚酞溶液中，發(fā)現(xiàn)溶液紅色退色，請思考引起退色可能的原因，并設計實驗驗證你的猜想。針對此問題，教學中以“信息剖析”為主要手段，通過“問題、要素、分析、驗證、結論”的五步思維策略，引導學生完成思維進階。具體如下：

問題：上述溶液顯紅色的必要條件是什么？（教師引導）

要素：NaOH和酚酞兩個要素，缺一不可。（學生提?。?/p>

分析：因此，溶液退色自然就存在三種可能。假設一：NaOH沒有了（中和退色）；假設二：酚酞沒有了（漂白褪色）；假設三：NaOH和酚酞兩者均沒有了（既有中和又有漂白）。（學生討論）

驗證：因此，可以設計在退色后的溶液中加入對應NaOH或酚酞，觀察實驗現(xiàn)象，得出結論。（小組實驗）

結論：如加入NaOH至過量，若紅色恢復，則說明退色后溶液中缺NaOH、不缺酚酞，僅假設一正確；若紅色不恢復，則說明酚酞沒有，故假設二或三正確，此時，可再另取退色后溶液滴加酚酞看是否變紅色來進一步確認是否存在NaOH。

在以上的分析過程中，逐步引導學生構建“問題、要素、分析、驗證、結論”的“五步法”思維進階策略模型，形成“可能性”問題解決的一般思路。具體如圖6所示。

4 結論與建議

化學實驗是實現(xiàn)學生思維能力提升和學科核心素養(yǎng)發(fā)展的重要載體，對學生的思維能力培養(yǎng)具有不可替代的作用。實驗教學設計中不但要關注實驗內容本身，更要關注學生思維的可持續(xù)進階發(fā)展?；诖搜芯浚诮虒W模式、教學內容和教學方式上提供以下建議。

4.1 圍繞學生思維進階目標，創(chuàng)新實驗教學模式

實驗教學要時刻圍繞“如何激發(fā)學生興趣，如何引導學生思維進階，如何構建學科思維模型”上下功夫。既要避免教師照本宣科式的講解或演示，又要防止學生缺乏自主思考的淺層次探究。一方面，要設計一些思維引導的問題幫助學生實現(xiàn)思維進階，另一方面，通過一些典型實驗案例訓練學生的思維能力和思維習慣，并通過小組討論、實驗探究等發(fā)現(xiàn)新問題，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。如黨雪平等通過設計面向高階思維培養(yǎng)的“預習自測—講授討論—自主實踐—總結反思”的四段式自主型實驗教學模式，培養(yǎng)學生“分析、綜合、評價和創(chuàng)造”等高階思維能力［11］。成華探索通過改變實驗教學策略、方法和內容引導學生開展自主學習，從而促進學生高階思維的形成［12］。

4.2 關注工業(yè)生產(chǎn)和應用，不斷豐富優(yōu)化實驗教學素材

實驗教學要加強實驗內容和主題的研究，緊扣時代發(fā)展脈搏，確保實驗教學的應用性、操作性和發(fā)展性的統(tǒng)一。實驗主題要緊貼生產(chǎn)和應用，教學案例要源于生活，問題設計要符合學生認知邏輯，多查閱近現(xiàn)代文獻資料，積累優(yōu)秀實驗素材，充分利用生活素材激活學生思維潛能。如以“食鹽加碘”課題為例，可以從“認識食鹽與不同價態(tài)的碘元素”（性質實驗）到“探究食鹽樣品中是否加碘”（定性實驗），最后到“測定加碘食鹽中加入碘元素的含量”（定量實驗）三個層次的實驗教學來逐步實現(xiàn)思維進階目標。

4.3 注重發(fā)揮小組合作在實驗教學中的作用，促進不同層次學生思維水平的進階提升

實驗教學中學生的思維進階一方面源于自身對問題的主動思考與探索，另一方面來自教師的引導點撥和同伴的交流、討論和分享。實驗教學先天具有內容的開放性、方法的多維性和實踐的互助性等特點，客觀上適宜選擇“小組合作”為主的教學方式，包括開展教師指導下的小組討論、小組實驗、小組分享、小組評價等，全面增進師生互動和生生交流，促進不同個體間的思維碰撞，助力思維的進階發(fā)展。

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