建立“儀器設(shè)計思維”　發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新意識

王茂力

摘要：化學(xué)實驗創(chuàng)新意識不可能來源于空無，其發(fā)生與發(fā)展需要真實的情境和有效的活動。提出以建立“儀器設(shè)計思維”為途徑發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新意識的四種課堂活動設(shè)計類型：由實驗中儀器的具體功能需求展開儀器逆向設(shè)計;討論所用儀器的設(shè)計意圖;對“多器同用”中的儀器展開對比評價;結(jié)合相關(guān)化學(xué)史，從儀器的發(fā)展變遷中體會前人的創(chuàng)新之路。

關(guān)鍵詞：儀器設(shè)計;創(chuàng)新意識;課堂活動設(shè)計;化學(xué)實驗教學(xué)

文章編號：1005-6629（2021）05-0058-06 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

1問題的提出

2011年上?；瘜W(xué)高考試題中出現(xiàn)了一個不尋常的儀器（見圖1）——一個“塌底”試管。該儀器不乏科學(xué)性，亦展示了儀器創(chuàng)新設(shè)計的魅力。然而與學(xué)生開展學(xué)情交流時，更多學(xué)生卻對此創(chuàng)新表示“抗拒”：見此“異物”，心里很是排斥，首先排除的選項便是它，一直在常規(guī)儀器中篩選;具體分析后又覺可選，但太陌生，心里還是發(fā)虛……學(xué)生的話語引起筆者反思：對熟悉儀器不敢質(zhì)疑，沒見過的便視為“異物”而排斥。難道所有創(chuàng)新發(fā)明皆是異物？學(xué)生對非常規(guī)儀器為何反感？審視自己的教學(xué)，長期以來不重視為學(xué)生提供體驗儀器設(shè)計過程的機會，學(xué)生缺乏“儀器設(shè)計思維”：認(rèn)為實驗所用儀器為理所當(dāng)然之存在，欠缺體味其設(shè)計意圖、經(jīng)歷改良設(shè)計的過程;認(rèn)為書本上的儀器是現(xiàn)成、正規(guī)、正確的，能按照實驗流程使用即可。實驗教學(xué)如果忽視儀器設(shè)計思維的培養(yǎng)，實際上便失去了發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新意識的一個有效抓手。

從學(xué)習(xí)進階角度來看，儀器設(shè)計思維水平可分為從低到高三個層次。水平1（見表1）為“自覺關(guān)注”水平，是發(fā)展至較高水平的基礎(chǔ)，要求學(xué)生能對儀器設(shè)計產(chǎn)生“自覺關(guān)注”，有探求究竟的動機、有洞悉儀器設(shè)計之意的欲望與欣賞意愿;水平2為“批判評價”水平，要求學(xué)生能找準(zhǔn)合理角度對相關(guān)儀器進行評價;水平3為“自主設(shè)計”水平，為三個水平中最高者，是前兩個水平的綜合和升華，不僅要求學(xué)生具有主動和敏銳的批判評價能力，對學(xué)生的創(chuàng)新意識也有較高的要求。

2教學(xué)例析

陳述性知識灌輸方式，如實物或多媒體展示、介紹儀器，然后照方抓藥使用儀器，這樣的教學(xué)設(shè)計不利于達到上述水平。結(jié)合教學(xué)實踐，筆者提煉出四種有利于學(xué)生建立與發(fā)展“儀器設(shè)計思維”的活動類型，并在對應(yīng)案例中標(biāo)注出部分與設(shè)計思維水平相關(guān)的標(biāo)志性教學(xué)行為。

2.1類型1：分析實驗儀器應(yīng)具功能展開儀器逆向設(shè)計

實驗原理決定核心儀器應(yīng)具的功能。引導(dǎo)學(xué)生從已有經(jīng)驗出發(fā)，由熟悉的常規(guī)儀器人手，在課堂討論中發(fā)現(xiàn)對儀器有新的需求，然后通過對原儀器的增、減、拆、合進行創(chuàng)新設(shè)計，最后生成理想的儀器。

案例1 滬教版“硫酸銅水合物中結(jié)晶水含量測定”中關(guān)于“坩堝”的教學(xué)片段

教師：由上述測定原理可知，如何使晶體充分失去結(jié)晶水？

學(xué)生1：長時間加熱。

教師：在哪里加熱？

學(xué)生2：燒杯或蒸發(fā)皿。

學(xué)生3：（質(zhì)疑）它們是對液體加熱，不能直接加熱固體的。[L2]

教師：你認(rèn)為用什么儀器，說說理由？[L1]

學(xué)生3：試管就行，以前學(xué)過氯酸鉀制氧氣就是用試管，而且是口朝下，防止冷凝水倒流。

教師：想得周到，擔(dān)心水倒流都考慮到了，都贊同用試管嗎？

學(xué)生4：（質(zhì)疑）好像水分也不能充分失去吧，試管那么長，水蒸氣在試管中始終會有，這又不是隨便失去一些結(jié)晶水就行，必須要完全失去才能準(zhǔn)確測定。[L2]

教師：眼光犀利！這位同學(xué)抓住了定量實驗的一個核心——求準(zhǔn)！

學(xué)生3：（辯護）那我把試管鋸短一點。[L3]

（班級里學(xué)生哄笑起來，認(rèn)為這是詭辯）

教師：儀器都是人設(shè)計的，按需改良有啥不可？[L3]給他機會把試管鋸短一截。得到這個儀器可以嗎（黑板上畫出圖2）？

學(xué)生4：不方便稱量吧，試管下面是圓的，不能直立放在電子天平里，橫置的話，短試管中試劑容易倒出來。[L2]

教師：思考全面！你來改良設(shè)計一下吧。

學(xué)生4：可以把下面做成平的。[L3]

教師：那么得到的儀器就是這樣（畫出圖3），還有何不妥嗎？

學(xué)生5：如果加熱固體，這么短的試管，會不會晶體蹦出來？

學(xué)生6：加個蓋子！[L3]

……

教師：（畫出圖4）設(shè)計得巧妙！得到的儀器是否能夠滿足我們的需求呢？相關(guān)資料表明，膽礬中的五份結(jié)晶水隨溫度上升逐份失去，在650℃時，硫酸銅開始分解為氧化銅，而玻璃軟化溫度約在600℃。有何想法？[L2]

學(xué)生7：加熱溫度可以接近但不能超過650℃，但是盛裝物質(zhì)的儀器的材料最好不是玻璃，要采取熔點更高的材料。

教師：金剛石？

學(xué)生：（笑）要便宜、容易獲取的材料。

教師：回顧剛才儀器設(shè)計的過程：根據(jù)實驗?zāi)康模紤]諸多因素：結(jié)晶水充分失去，稱量方便，防止晶體飛濺，材料經(jīng)濟、耐高溫等，有創(chuàng)意也貼近實際?，F(xiàn)在我們來欣賞集大家創(chuàng)意于一身的儀器——坩堝。

（下發(fā)數(shù)個坩堝，學(xué)生把玩、討論，發(fā)現(xiàn)手里坩堝的特征和剛才討論的多個設(shè)計點很吻合，頗有成就感）[L1]

案例評析：上述案例體現(xiàn)了由實驗所需而進行儀器逆向設(shè)計的一種模式：分析儀器應(yīng)具功能，展開儀器設(shè)計，評價，再改良，再評價……。一般由學(xué)生熟悉的通用儀器人手，分析其在具體情境中使用時的不足，逐漸改良為“恰到好處”的專用儀器。

在按需設(shè)計、批判評價的過程中，挖掘影響實驗成敗的儀器方面的因素，進而對儀器做增、刪、合、拆等創(chuàng)新之舉，會漸漸形成一種“設(shè)計師”的視域，這類課堂活動可對學(xué)生創(chuàng)新思維的提升提供豐富的機會。

案例2 “配制一定物質(zhì)的量濃度溶液”實驗中關(guān)于儀器“容量瓶”的教學(xué)

教師：為了準(zhǔn)確配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液，從原理（c=n/V）來看，關(guān)鍵是什么？

學(xué)生1：溶質(zhì)的物質(zhì)的量要準(zhǔn)確，對應(yīng)溶液體積也要精確。

教師：假如配制的溶液體積要準(zhǔn)確的250mL，如何操作呢？

學(xué)生2：（每組都分有10mL量筒、滴管、250mL燒杯等儀器）可以把溶質(zhì)放入燒杯中，然后加水到250mL刻度線。

教師：大家如果認(rèn)可，嘗試著把水加到250 mL刻度，然后說說你的體會。[L1]

（片刻后）學(xué)生2：好像用燒杯不大好？加到刻度后，再加兩滴管水，液面還是在刻度線，那個刻度線那么粗，可能不準(zhǔn)確呢。

教師：為何剛才多加了水，液面上升卻不明顯呢？

學(xué)生3：燒杯口徑大，要較多的水才能使得液面上升。

教師：是不是和我們崇明島雖地處江心，卻不會有洪水一個道理?。浚▽W(xué)生紛紛說著“十幾公里的江面”等）所以燒杯一般不作定量儀器，其刻度只作大致參考。那么用什么儀器更好？[L1]

學(xué)生：量筒！量筒細(xì)，可以測得精確。

教師：如何操作？

學(xué)生4：我們的量筒是10mL，要250mL溶液，就要量取水25次，再一起倒入燒杯中混合。

學(xué)生5：不對！溶液要250mL，不是水要250mL。

學(xué)生5：把溶質(zhì)放到250 mL規(guī)格的量筒中，再加水到250mL刻度。

教師：（隨即拿出250mL規(guī)格的量筒）你覺著行不？

（學(xué)生笑了起來，發(fā)現(xiàn)250 mL量筒的口徑也不小，比10mL量筒口徑大多了）[L2]

學(xué)生5：那就把10mL量筒的筒壁延長25倍……喔，好像太長了！

教師：剛才兩個儀器各有優(yōu)劣，燒杯肚子大，精度不高，細(xì)的量筒容量小，精度卻較高，容量和精度如何兩全呢？[L2]

學(xué)生6：可以把它們組合起來，用燒杯做底，量筒做頸，拼在一起。[L3]

案例評析：通過在儀器設(shè)計中不斷地探索、試錯，在相關(guān)經(jīng)驗形成的同時，逐步建立起某些關(guān)于儀器設(shè)計的認(rèn)知模型。在該案例中，學(xué)生通過燒杯和量筒特征的對比，建立了“大肚有容，細(xì)頸求精”的認(rèn)知模型，這種“按需組合”的創(chuàng)新方法對以后的學(xué)習(xí)能起到一定的經(jīng)驗指導(dǎo)作用。比如在滴定管的設(shè)計中，學(xué)生就能真正理解滴定管細(xì)長特征的由來——對容量的要求不高，而更在乎精度。

2.2類型2：討論實驗儀器或工程設(shè)備的設(shè)計意圖

認(rèn)為所見儀器自然如此，無視其設(shè)計特點，恰是失去了創(chuàng)新意識的有效生長點，是一種惰性思維的體現(xiàn)。如果在教學(xué)中能把學(xué)生經(jīng)驗中的熟悉儀器與其形變后產(chǎn)生新功能的形似儀器同時對比展示，學(xué)生必由疑生趣、析其異同、探其所圖;也可將學(xué)生未見過的特征明顯的實驗儀器或某化工設(shè)備作為探究素材，對發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新思維會有積極的促進作用。

案例3

（鹵素單元教學(xué)復(fù)習(xí)課）對球形、梨形分液漏斗及恒壓漏斗等儀器設(shè)計意圖的理解

教師：在制取氣體時，用到的一種能控制反應(yīng)進度的儀器是？

學(xué)生：分液漏斗。

教師：大家對比桌上的分液漏斗（見圖5），注意到什么了嗎？[L1]

學(xué)生1：別人的分液漏斗上面是球狀的，我的分液漏斗是尖長的！

教師：一種稱為球形漏斗，制取氣體時用得較多，另一種稱為梨形漏斗，較細(xì)長，形狀上的差異設(shè)計，意圖為何？[L2]

（教師參與討論時發(fā)現(xiàn)學(xué)生對這兩種漏斗的設(shè)計很難理解）

教師：提示一下大家，球形漏斗一般用在滴加液體上，而梨形漏斗一般用在萃取分液上，從用途的不同上再思考。

學(xué)生2：做成球形是為了能裝體積更多的液體，方便使用，而梨形的原因還是說不出。

教師：那我們請同學(xué)來實踐一下。

（在球形和梨形漏斗中分別加入油水混合物，請一位同學(xué)分別把下層的水放出）[L2]

學(xué)生3：用球形漏斗時，不方便判斷何時關(guān)閉旋塞，而梨形漏斗的液面下降很明顯，以便及時關(guān)閉旋塞，分液更徹底。

教師：為何梨形漏斗中液面下降更明顯呢，你們有相關(guān)的經(jīng)驗喔。

學(xué)生：和向燒杯、量筒中加等量液體引起液面高度變化不同相似。梨形漏斗較細(xì)的結(jié)構(gòu)使得液體減少時液面高度變化明顯。

教師：同樣是漏斗，設(shè)計上的差異能賦予儀器不同的功能。在習(xí)題中我們見到過一種改良過的分液漏斗（見圖6），回憶其功能后，再看看另一個漏斗，能理解其設(shè)計特點的意圖嗎（展示如圖7的漏斗）？[L2]

案例評析：該活動的邏輯發(fā)展路線為發(fā)現(xiàn)儀器差異一分析功能差異一理解儀器特點。這個過程能充分調(diào)動學(xué)生的相關(guān)經(jīng)驗，激發(fā)他們的批判性思維，并形成一種設(shè)計思維模型：實驗需求一儀器功能一設(shè)計調(diào)整。教學(xué)互動中，教師并未明言創(chuàng)新一詞，卻將創(chuàng)新的積極意義和方法潛移默化地展示出來。

在遇到梨形漏斗功能分析困難時，采用學(xué)生實驗的方法，其體會比教師口述要深刻得多。再如中和滴定實驗，承接液體為何用錐形瓶而非燒杯？不用教師多言，讓學(xué)生在燒杯和錐形瓶中分別加入適量液體，要求“充分搖勻”，錐形瓶“收口”設(shè)計的優(yōu)勢展現(xiàn)無遺。

案例4滬教版教材“氯化氫合成塔”設(shè)計分析

教師：知道了氯化氫工業(yè)制取原理后，請同學(xué)們欣賞教材中提供的氯化氫合成塔（見圖8），什么設(shè)計點最吸引你，嘗試解釋其設(shè)計意圖，或者提出你對某設(shè)計的疑惑。[L1]

學(xué)生1：設(shè)備外表有很多鐵片。為的是增大表面積，能夠充分散熱。[L2]

學(xué)生2：通氫氣和氯氣的管子不是并排而是分為內(nèi)外管，我覺得能夠充分燃燒。

教師：內(nèi)外管分別通入何種氣體是隨意的嗎？

學(xué)生2：氫氣應(yīng)該通外管，這樣能夠把氯氣包著燃燒，使有毒的氯氣充分反應(yīng)。[L2]

教師：能夠從“原料充分反應(yīng)”角度分析，很到位！還有別的出彩設(shè)計嗎？

學(xué)生3：配有視孔，便于隨時觀察反應(yīng)情況。

學(xué)生4：我有個疑問，燃燒的熱為啥要散掉呢？

教師：具體說說。

學(xué)生4：我認(rèn)為可以把燃燒放出的熱利用起來。

教師：能從能源充分利用角度分析，很不錯，你有啥具體想法嗎？

學(xué)生4：把整個裝置放在可以流動的水里，這樣就可以很便利地獲取熱水了。[L3]

教師：非常有創(chuàng)意！還真有人按照這種思路設(shè)計出了一種新型的氯化氫合成塔——水套式合成塔。（教師展示一家企業(yè)的產(chǎn)品圖片，其余學(xué)生對學(xué)生4鼓掌贊許?。?/p>

學(xué)生5：我有個疑問，為啥設(shè)備的上面要做成尖的呢？[L1]

學(xué)生6：下雨的時候就順勢流下，不會有積水，不然設(shè)備容易腐蝕。[L2]

……

教師：剛才同學(xué)們的討論非常精彩，老師也受益匪淺。同學(xué)們能夠從“原料”“能源”“環(huán)境”等更高層次角度思考，這就是“綠色化”思維的一種體現(xiàn)。[L3]

案例評析：儀器設(shè)計思維的建立及運用，不僅針對實驗室中的儀器，還可以遷移到實際的化工生產(chǎn)中?；ぴO(shè)備對大多數(shù)學(xué)生來說很陌生，對其設(shè)計意圖的探究，既是對學(xué)生課堂所學(xué)知識的一種遷移和運用，也是中學(xué)階段發(fā)展學(xué)生工程思維的一個途徑。用工程思維中“創(chuàng)新性”“系統(tǒng)性”“權(quán)衡性”“價值性”“雙贏性”思維模型對設(shè)備進行批判性思考，分析得失，嘗試改進，這對學(xué)生社會責(zé)任意識的建立與創(chuàng)新思維的發(fā)展都有積極深遠(yuǎn)的影響。

2.3類型3：對“多器同用”中的儀器展開對比評價

不同的儀器可以有相同的主要功能，它們各自的特色、利弊就是讓學(xué)生開展批判性思考的有效素材。課堂活動中可引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)性、簡約性、綠色化等角度對“多器”展開對比評價、改良和設(shè)計。

案例5對具備“隨開隨用，隨關(guān)隨?！敝茪夤δ艿亩喾N儀器開展對比（見圖9）。

教師：所示制氣儀器具有一個共同的實驗功能，能說出嗎？

學(xué)生：隨開隨用，隨關(guān)隨停。

教師：它們形態(tài)各異，各具特色。我們來點評一下，好在哪里，不足之處又在哪里。[L2]

學(xué)生1：我還是覺得A最厚實、穩(wěn)重。

教師：（學(xué)生偷笑）這是很中肯的評價嘛，美學(xué)追求當(dāng)然能體現(xiàn)在儀器設(shè)計上。這也讓我們思考，評價儀器設(shè)計，除了美學(xué)追求以外，還應(yīng)該考慮什么因素？[L2]

學(xué)生2：要能有效達成實驗?zāi)康摹?/p>

學(xué)生3：操作要方便，儀器不能太復(fù)雜。

學(xué)生4：環(huán)保，有毒物質(zhì)不能散出，用的試劑無需太多。

學(xué)生5：儀器不要那么多限制，比如A不能加熱，這對需要加熱的實驗就不行了。[L2]

教師：很好，評價標(biāo)準(zhǔn)歸納為：科學(xué)性、兼容性、簡約化、綠色化。接下來從這幾個標(biāo)準(zhǔn)來分別評價一下上面的儀器。

學(xué)生6：我認(rèn)為G比F從儀器的科學(xué)性和簡約性來講，都更好一些。F中的隔板要固定到光溜溜的管壁上，不容易，而G中加玻璃珠就方便得多，而且F容易出現(xiàn)固體變細(xì)碎后一掉到底，而G中層層玻璃珠對哪怕是較小固體的固定效果好得多。[L2]

學(xué)生7：我認(rèn)為更簡單的裝置就是在D的基礎(chǔ)上，不用帶孔塑料片，底部破個小洞的試管直接就可以用！不需要氣體時，拎起來就是。[L3]

（同學(xué)們沉默片刻后，開始贊許這種簡易的做法）

學(xué)生8：但是我覺得這只能制取無毒的氣體。[L2]

案例評析：創(chuàng)新是有一定目的和方向的。多器同用評價活動中，教師需要先引導(dǎo)學(xué)生得出評價的標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)的評價討論才可以既發(fā)散又集中。評價的目的不是為了決勝負(fù)，而是去體會各種儀器的特色，去欣賞儀器的多樣化，破除學(xué)生經(jīng)驗中關(guān)于儀器“一器一用”的刻板印象。每種儀器的特色，以及帶來的功能上的優(yōu)劣，都能成為學(xué)生以后開展創(chuàng)新活動的素材。

2.4類型4：結(jié)合化學(xué)史，從儀器的發(fā)展變遷中體會前人創(chuàng)新之路

這種課堂活動設(shè)計能有效改變學(xué)生認(rèn)為化學(xué)儀器生就如此，不愿深究的惰性思維。儀器從雛形生成到修正改良、衍生發(fā)展的變遷史中，蘊含了豐富的設(shè)計創(chuàng)新史。讓學(xué)生沿著前人的創(chuàng)新腳步，去理解一次次設(shè)計上的改良，是發(fā)展學(xué)生的儀器設(shè)計思維以及促發(fā)創(chuàng)新思維的一種有效策略。

案例6 利用“滴定管變遷史”開展教學(xué)活動設(shè)計提供關(guān)于滴定管發(fā)展歷史資料如表2所示。

案例評析：從滴定管歷史變遷的真實情境，體會前人設(shè)計與創(chuàng)新的過程。教師從儀器操控、材料兼容、測量求精等方面人手，設(shè)計一系列的課堂探究活動。學(xué)生在觀摩、“參與”前人的設(shè)計創(chuàng)新的同時，自然就丟棄了之前的惰性思維。他們能真切地感受到手中的滴定管并非生就如此，而是歷史上長期的多次改良設(shè)計的精華積淀，僅為解決“將液體下滴控制到精準(zhǔn)的一滴”便煞費苦心。

3研究反思

上述建立儀器設(shè)計思維、發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新意識的相關(guān)探索，是挖掘化學(xué)實驗教學(xué)獨特價值功能的一次實踐。

為使學(xué)生達到相應(yīng)儀器設(shè)計思維水平，可從兩方面人手。一方面要精心選擇有效的探究素材為儀器設(shè)計思維提供生長點，另一方面要在實踐中充分利用課堂中的對話。對話既能產(chǎn)生有效教學(xué)資源，也是對學(xué)生儀器設(shè)計水平層次進行過程評價的重要依據(jù)。這就要求教師把握好預(yù)設(shè)的主線的同時，為學(xué)生主動學(xué)習(xí)行為的展示，如“質(zhì)疑、設(shè)計、辯論”等，提供充分的機會。教師無需多言，真誠的傾聽和有效的引導(dǎo)與評價能起到更好的作用。

從學(xué)習(xí)動機角度看，基于儀器設(shè)計思維發(fā)展而設(shè)計的課堂活動中，學(xué)生的興趣也由感知興趣、操作興趣、探究興趣逐漸上升至創(chuàng)造興趣，這是化學(xué)學(xué)習(xí)興趣的最高層次，是推動學(xué)生形成較高科學(xué)素養(yǎng)的強勁的動力。

最后需要指出的是，實驗設(shè)計的對象不僅除了單個儀器，還包括基本原理、試劑（種類、物態(tài)、添加方式等）、儀器組合等方面，儀器設(shè)計只是整個實驗設(shè)計系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。隨著學(xué)生學(xué)科知識的不斷充實以及學(xué)習(xí)能力層次的不斷提升，從儀器設(shè)計思維學(xué)習(xí)中的收獲將影響對整個實驗系統(tǒng)的設(shè)計，其創(chuàng)新思維也將得以發(fā)展。