指向高階思維能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)實驗復(fù)習(xí)課教學(xué)

許乃義 肖紅梅

摘要：以復(fù)習(xí)“實驗室制備CO2”為例，從反應(yīng)原理、氣體成分、廢液處理等角度，培養(yǎng)學(xué)生分析、綜合、評價等高階思維能力。旨在引導(dǎo)教師復(fù)習(xí)基礎(chǔ)實驗時，充分發(fā)揮其教學(xué)過程的“主導(dǎo)”地位，設(shè)計高階學(xué)習(xí)活動，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、問題解決能力、批判思維能力。

關(guān)鍵詞：高階思維能力;化學(xué)實驗;分析;綜合;評價

文章編號：1008-0546（2022）06-0062-03

中圖分類號：G632.41

文獻標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.013

一、問題的提出

思維是人腦對外部客觀世界對象的能動的和具有創(chuàng)造性的觀念反映。化學(xué)思維屬于一種特殊的思維方法，是指在化學(xué)知識的掌握過程中，逐步形成的關(guān)于物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化的概念、定律、原理等來間接、概括地反映化學(xué)事物、獨具特色的一類思維活動。

化學(xué)高階思維是指學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性和劣構(gòu)性的化學(xué)問題，從宏微結(jié)合、變化守恒的視角，借助于化學(xué)實驗、化學(xué)語言和化學(xué)模型，運用證據(jù)推理、分析、歸納、抽象和評價等方法，獲得結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識.原理、養(yǎng)成創(chuàng)新精神和實踐能力的過程中形成的高水平心智活動[1]。

實驗教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)思維能力的重要性不言而喻，2011年版《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出了8個學(xué)生必須完成的基礎(chǔ)實驗，在進行新授課教學(xué)時，大多數(shù)老師均能按照教材上相關(guān)實驗的“實驗過程”，指導(dǎo)學(xué)生獨立完成實驗，但在復(fù)習(xí)這8個基礎(chǔ)實驗時，老師們往往采取視頻回放或講練習(xí)題的方式組織教學(xué)，這樣的復(fù)習(xí)課教學(xué)，學(xué)生的思維能力往往還停留在原有水平基礎(chǔ)之上。一次題為“‘實驗室制備CO：’專題復(fù)習(xí)”的市級公開教學(xué)上，在市教研員的精心指導(dǎo)下，筆者緊緊圍繞反應(yīng)原理、氣體成分、廢液處理等教學(xué)環(huán)節(jié)，精心設(shè)計了指向培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)高階思維的教學(xué)，現(xiàn)將本節(jié)課的教學(xué)主要環(huán)節(jié)進行整理分析，以饗讀者。

二、教學(xué)主要環(huán)節(jié)及設(shè)計意圖

1.反應(yīng)原理再歸納

問題1：我們知道，實驗室常用石灰石與稀鹽酸反應(yīng)來制取CO2。請各組回憶一下，能生成CO2的反應(yīng)還有哪些？

師：將學(xué)生分成五個小組，分別為化合反應(yīng)組、分解反應(yīng)組、置換反應(yīng)組、復(fù)分解反應(yīng)組、非基本反應(yīng)類型組。

分解反應(yīng)組：寫出相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)方程式并進行評價和歸納，如圖1。

其他組記錄略。

設(shè)計意圖：從反應(yīng)的基本類型的角度書寫相關(guān)反應(yīng)化學(xué)方程式，通過小組間互動交流，達成知識共享，再通過過濾、篩選、加工、整理和組合，歸納出實驗室制取氣體在考慮反應(yīng)原理時，要綜合考慮反應(yīng)條件、原料來源、氣體純度、便于收集等因素，培養(yǎng)學(xué)生思維的有序性和完整性，形成“變化守恒”的化學(xué)高階思維能力。

問題2：為什么不用稀硫酸與塊狀石灰石反應(yīng)制取CO2？如果用稀硫酸與粉末狀的石灰石反應(yīng)，結(jié)果如何呢？

師：提供實驗儀器、相同濃度的稀鹽酸，不同濃度的稀硫酸、顆粒大小基本一致的塊狀石灰石、粉狀石灰石等。

生：每小組按如圖2所示（每組裝置乙中所用稀硫酸濃度與其他組不同），分工完成實驗，記錄裝置甲中實驗現(xiàn)象，比較乙、丙裝置長玻璃管內(nèi)紅墨水上升的速度快慢。

師：根據(jù)各組匯報結(jié)果，將相關(guān)實驗現(xiàn)象匯總整理，如表1。

小結(jié)：由于生成的CaSO4微溶于水，使得塊狀石灰石和稀硫酸的反應(yīng)不能持續(xù)反應(yīng)，但如果控制好稀硫酸的濃度，可用稀硫酸與粉末狀的石灰石反應(yīng)制備CO2。

設(shè)計意圖：復(fù)習(xí)實驗室制取CO2的實驗基本操作，通過各組實驗的對比分析，得出影響反應(yīng)速度的因素有酸的濃度、固體形狀等。通過“實證”，說明一定濃度的稀硫酸和粉狀石灰石也可以用來制取CO2，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和批判思維能力。

2.氣體成分再分析

問題1：在用澄清石灰水檢驗CO2氣體時，沒有看到澄清石灰水變渾濁，這是為什么呢？

師：提供實驗儀器及相關(guān)藥品：久置的石灰水、新制的石灰水、不同濃度的鹽酸、塊狀石灰石等。將學(xué)生分為三個大組：A組（正常現(xiàn)象組）、B組（久置的石灰水組）、C組（高濃度鹽酸組），其中A組分兩個小組，編號為A1、A2。

生：各小組按實驗桌上教師提供的儀器和藥品，進行檢驗C02的“第一次實驗”，并記錄實驗現(xiàn)象。在老師的指導(dǎo)下，B組和A1組將所用的“澄清石灰水”對換一下，C組和A2兩組將所用的“澄清石灰水”對換一下，進行檢驗CO2的“第二次實驗”，并記錄實驗現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象記錄見圖3。

小結(jié)：通過A1組和B組的二次實驗對比，說明第一次實驗中B組所用的“澄清石灰水”已變質(zhì);通過A2組和C組的二次實驗對比，說明第一次實驗中C組所用的“稀鹽酸”濃度可能太高，導(dǎo)致生成的中CO2中混有HCl氣體。

設(shè)計意圖：通過解決“劣構(gòu)性”的實際問題，培養(yǎng)學(xué)生批判思維能力?；瘜W(xué)高階思維能力的培養(yǎng)一定要以挑戰(zhàn)性或解決劣構(gòu)性的化學(xué)問題為主旨[2]。教師發(fā)揮主導(dǎo)地位，設(shè)計劣構(gòu)性的化學(xué)實驗，學(xué)生自主實驗，通過“實證”和“推理”，對實驗現(xiàn)象做出合理判斷，培養(yǎng)學(xué)生的批判思維能力和問題求解能力等高階思維能力。

問題2：如何檢驗CO2中可能混有HCl和H2O？

師：指導(dǎo)學(xué)生完成實驗。

生：理論分析：鹽酸具有揮發(fā)性，CO2中可能混有HCl;CO2從溶液中逸出，CO2中可能混有H2O。 設(shè)計方案：用無水硫酸銅檢驗H2O;用硝酸酸化的硝酸銀溶液或pH計等檢驗HCl氣體。

實驗過程：A組：將生成的CO2氣體通過無水硫酸銅。B組：將生成的CO2氣體通過硝酸酸化的硝酸銀溶液。C組：將生成的CO2氣體通過水中一段時間，用pH計測量所得溶液的pH。D組：將氣體依次通過無水硫酸銅、硝酸酸化的硝酸銀溶液。E組：將氣體依次通過硝酸酸化的硝酸銀溶液、無水硫酸銅。實驗記錄見圖4。

小結(jié)：通過回顧雨水為什么呈酸性、什么樣的雨水是酸雨等問題，學(xué)生對C組實驗的原理有了進一步的認(rèn)識。通過D和E的方案對比，總結(jié)出證明氣體成分中有H2O時，H2O應(yīng)優(yōu)先于其他成分先證明。綜合多種因素，認(rèn)為D組方案最優(yōu)。

設(shè)計意圖：分析、綜合、評價是高階思維的三個維度。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過理論分析雜質(zhì)成分，并在對各組方案的評價基礎(chǔ)上，形成解決此類問題的一般思路，培養(yǎng)學(xué)生思維的有序性。通過對C組實驗方案的分析和評價，“認(rèn)識定量研究對于化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重大作用”[3]，逐步形成用定性和定量兩個手段解決實際化學(xué)問題的思維方式。

3.廢液處理再評價

問題1：“澄清的濾液”中含有哪些溶質(zhì)？

師：引導(dǎo)學(xué)生將圖2丙組實驗中塊狀石灰石與鹽酸反應(yīng)后的產(chǎn)生的“廢物”，按如圖5所示進行處理，并提出問題：“澄清的濾液”中含有哪些溶質(zhì)？

生：根據(jù)書寫化學(xué)方程式，得出“澄清的濾液”中一定含有氯化鈣，再依據(jù)質(zhì)量守恒定律，得出“澄清的濾液”可能含有HCl。

師：如何檢驗“澄清的濾液”是否含有HCl？根據(jù)學(xué)生需要的藥品，將學(xué)生分為酸堿指示劑組、活潑金屬組、金屬氧化物組、堿組、碳酸鹽組。

生：每組進行實驗驗證并匯報各組實驗時的實驗現(xiàn)象。

小結(jié)：分析反應(yīng)后溶液中溶質(zhì)的成分時，首先根據(jù)化學(xué)方程式判斷一定含有可溶性的生成物，再根據(jù)參加反應(yīng)的物質(zhì)量之間的定量關(guān)系，判斷可能存在可溶性反應(yīng)物。實驗方案的本質(zhì)是利用HCl溶液呈酸性，而CaCl2溶液呈中性。

設(shè)計意圖：學(xué)生圍繞具有真實情境的化學(xué)問題，從“變化及守恒”的視角分析“澄清的濾液”中溶質(zhì)的成分，逐步養(yǎng)成使用化學(xué)思維解決問題的自覺性。借助設(shè)計實驗方案，驗證“澄清的濾液”是否含有HCl？從而“不自覺”地再一次構(gòu)建了“酸的通性”學(xué)習(xí)模型。學(xué)生在實驗的同時，也完成假設(shè)、推理、判斷、論證等思維過程。

問題2：如何除去“澄清的濾液”中含有的HCl？

師：引導(dǎo)學(xué)生對“澄清的濾液”中含有的HCl對環(huán)境可能造成的影響進行評價。指導(dǎo)學(xué)生通過設(shè)計實驗方案除去“澄清的濾液”中含有的HCl，并使除雜后所得溶液中溶質(zhì)只有氯化鈣，對方案的可行性進行綜合性評價。

生：從對土壤及河流的危害等角度評價HCl對環(huán)境的影響。各組設(shè)計實驗方案，并列出清單，希望老師能提供藥品完成實驗。

師：根據(jù)各組列出的清單，引導(dǎo)學(xué)生對各組設(shè)計的實驗方案進行評價，形成“溶液中的除雜問題”這一特定題型的解題思路。

生：修訂和完善各組的實驗方案。總結(jié)出“溶液中的除雜問題”一般原則：（1）不增，即不增加新的可溶性雜質(zhì);（2）不減，即不減少目標(biāo)物質(zhì)的量;（3）易分，易從除去雜質(zhì)后的混合物中分離出目標(biāo)物質(zhì)。通過討論為什么不用“鈣”來除去HCl，總結(jié)出對“溶液中的除雜問題”方案進行評價時，還要綜合考慮原料來源、經(jīng)濟價值等因素。

師：在學(xué)生修訂和完善各組的實驗方案的基礎(chǔ)上提供相關(guān)藥品。

生：完成實驗。

設(shè)計意圖：在解決實際問題的實踐中形成人的思維結(jié)構(gòu)。學(xué)生修訂和完善實驗方案的過程，就是對主體信息進行過濾、篩選、加工、整理和組合客體信息的過程[3]。總結(jié)“溶液中的除雜問題”一般原則的過程，學(xué)生思維從“無序”變得“有序”。教師發(fā)揮“主導(dǎo)”地位，組織學(xué)生討論“為什么不用‘鈣’來除去HCl”的過程，旨在引導(dǎo)學(xué)生主動尋求與他人的合作，汲取他人的知識和思維模式，從而提高自己的思維能力。

三、結(jié)語

基礎(chǔ)實驗是創(chuàng)新實驗的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生高階思維的源泉，在課本原有實驗的基礎(chǔ)上進行適度挖掘、再度創(chuàng)造，同樣能使復(fù)習(xí)課的實驗教學(xué)精彩紛呈[4]。教師在組織復(fù)習(xí)基礎(chǔ)實驗時，可借助學(xué)生已有實驗基礎(chǔ)，再引導(dǎo)對該實驗派生出來的相關(guān)實際問題進行分析、綜合、評價，培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。高階思維能力的的養(yǎng)成需要高階學(xué)習(xí)活動予以支持，高階學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為中心，開展問題求解的學(xué)習(xí)活動，是一種形成知識共享、互動合作的學(xué)習(xí)方式。每個基礎(chǔ)實驗?zāi)芘缮瞿男└唠A學(xué)習(xí)活動？這需要教師充分