基于真實情境的高中化學實驗設計類問題解決策略教學研究
——以物質(zhì)分離除雜的實驗設計策略為例

張?zhí)坪?/p>

(福建省政和第一中學 353600)

基于真實情境的科學探究實驗是培育學生“科學探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的重要載體.而在真實教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，在科學探究實驗過程中，實驗方案的設計是極為關鍵的一步，同時也是學生倍感困難的地方，尤其是實驗方案的全設計，更是許多學生的痛點.本文選取其中常見的一類“物質(zhì)分離除雜的實驗”進行深入地分析、研究，重點關注“物質(zhì)分離除雜的實驗設計策略”的建構、表征、教學模式、教學難點及其應對.

1 物質(zhì)分離除雜的實驗設計策略的建構及表征

化學實驗設計是一項依據(jù)一定原理、規(guī)則和標準進行的系統(tǒng)而有明確目的的心智活動，是需要運用多種化學知識、化學思維和化學學科核心素養(yǎng)的綜合性活動.化學實驗設計策略或思路是化學實驗設計的靈魂，從知識論的角度來看，它是一類程序性知識，由一系列具有先后順序的認知操作步驟構成.因此，對“物質(zhì)分離除雜的實驗設計策略”進行建構，關鍵在于對其進行分析解構，用還原論的思維方式從中分解出具有時間屬性的問題解決步驟.筆者運用認知任務分析的方法，對基于真實情境的物質(zhì)分離除雜的實驗設計過程進行分析，得到如圖1所示的物質(zhì)分離除雜的實驗設計策略模型.

圖1

如圖1的問題線所示，“物質(zhì)分離除雜的實驗設計”依次需要解決的主要問題為：除什么？怎么除？除得怎樣？依據(jù)對這三個關鍵問題的回答，“物質(zhì)分離除雜的實驗設計思路”可以分為三個環(huán)節(jié).其中“怎么除”的環(huán)節(jié)最為關鍵，需分析出“需要的物質(zhì)”以及雜質(zhì)之間的性質(zhì)差異，并依據(jù)這種差異運用物理或化學的方法使它們處于易于分離的不同狀態(tài)(固液、液氣等)，進而使用相對應的分離方法將其分離.若要進行多組分依次分離除雜，還需考慮分離除雜的順序問題.“物質(zhì)分離除雜的實驗設計策略模型”采用“雙線圖”來表征，直觀簡明，易于感知、理解與記憶.其中問題線的引入，使人更明確地理解各認知操作的目的，加深對各認知操作的理解，避免學生陷入機械學習的泥淖，真正實現(xiàn)程序性知識的有意義學習和深度學習.

2 物質(zhì)分離除雜的實驗設計策略的教學模式

建構主義教學理論認為，知識是人主觀建構的，學習是學生通過自主體驗、不斷建構富有個人色彩的認知圖式的過程，唯有“做”中學，方能學得深入與徹底.“物質(zhì)分離除雜的實驗設計策略”的教學也應采用建構主義的觀點，讓學生親身經(jīng)歷物質(zhì)分離除雜實驗的設計與實施的全過程，并引導學生自主建構并修正“物質(zhì)分離除雜的實驗設計”的思路模型.基于上述理念，筆者提出了如圖2所示的“物質(zhì)分離除雜的實驗設計策略的教學模式”.

圖2

這一教學模式與傳統(tǒng)的教學方式相比，有較大的改進.在物質(zhì)分離除雜實驗中，要求從設計到驗證再到最終實驗結果的得出，并進行總結和評價，但傳統(tǒng)課堂教學大都給定了實驗所需要的一切，學生只需按部就班，照章進行即可，這在很大程度上束縛了學生在實驗活動中的創(chuàng)造性.而筆者所提的教學模式，有利于突破傳統(tǒng)實驗的結果驗證性的束縛，在幫助學生掌握一定的化學知識和實驗技能外，還提高了學生自主設計、自主完成實驗并對結論進行分析的能力，提升了學生的宏觀物質(zhì)與微觀粒子間的關聯(lián)等的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，促進了學生模型認知、建構與運用的能力.

3 物質(zhì)分離除雜的實驗設計策略的教學案例

3.1 真實的問題情境

3.2 教學過程

(2)第一輪實驗：學生設計好實驗方案后，利用實驗室模擬的“工業(yè)廢水”進行小組實驗.通過實施實驗，對自己設計的實驗方案進行驗證，體會設計藍圖與實踐的區(qū)別和差距，實驗過程中努力嘗試用實驗手段消除差距，培養(yǎng)解決實際問題的實驗能力.

(3)實驗后反思：通過展示和完整描述實驗方案，引導學生梳理物質(zhì)分離除雜的實驗設計的核心思路與基本方法，為形成分離除雜思維模型做鋪墊.教師選取甲組同學和乙組同學分別展示并解讀他們的方案(如圖3和圖4所示)，描述清楚每步操作選擇試劑的目的及加入該試劑的原因.

圖3

圖4

設置如“如何檢驗甲組的產(chǎn)品是否合格呢?”“沒有除雜干凈，可能的原因是什么?”等問題，使師生進行討論、評價等，加深對多組分混合體系中所加除雜試劑用量、順序等問題的理解，培養(yǎng)分析多組分混合物體系中分離提純問題的能力.

(4)第二輪實驗：通過上述分析，師生一起改進設計方案后再實施實驗、在保證除雜效果的基礎上節(jié)省時間.實驗結束后組間互檢產(chǎn)品合格率.通過再次實驗獲取證據(jù)，引導學生理解理論設計與實際操作的不同及差距.

(6)遷移應用：布置另一個基于真實情境的物質(zhì)分離除雜實驗的方案設計任務，培養(yǎng)所習得策略的遷移應用能力.

4 物質(zhì)分離除雜實驗設計的教學難點解決策略

4.1 學生模型建構的經(jīng)驗不足

物質(zhì)分離除雜實驗教學大多放在高一入學不久之后進行，雖然在此前初中階段學生對這類實驗有所接觸，但很少有模型建構學習的體驗.而模型建構的學習過程是一個由感性到理性、由個別到一般的認知過程，對學生的歸納推理和抽象思維能力要求較高.此外，以圖形的方式對復雜思維模型進行表征對學生的要求較高，也是此前學生較少接觸的認知活動.因此，學生模型建構的經(jīng)驗不足以及模型建構本身的認知難度，是實驗設計策略的教學難點.

針對學生模型建構的經(jīng)驗不足，教師應多示范多引導，多給學生充分的自主探索和交流合作的空間，讓學生在不斷地嘗試中獲得模型建構的能力.教師在教學中應培養(yǎng)學生用流程圖表達多步分離除雜方案的能力.通過“設計方案——實施實驗——產(chǎn)品檢驗”環(huán)節(jié)，體會“理論設計”與“實際操作”的區(qū)別，逐步引導學生形成修正、完善模型的素養(yǎng).

4.2 學生的必備知識和基本技能薄弱

物質(zhì)分離除雜的實驗設計策略的另一類教學難點是學生的必備知識和基本技能薄弱，例如對常見離子的檢驗方法、過濾等一些分離方法掌握不牢，對基本實驗操作技能以及記錄和描述實驗過程及現(xiàn)象的能力還不夠成熟.這些雙基的欠缺會阻礙學生實驗設計與實施的進程，進而削弱學生自主建構策略模型的意愿和能力.

教師教學中，應注意學生必備知識的復習與回顧，必要時給予及時而適當?shù)闹R支持，提高學生實驗探究的積極體驗，提升學生親自動手的自我效能感與意愿.進行適當引導，將除雜中的加入“過量”除雜試劑由理論層面變成實際操作層面的能力.

4.3 教師的綜合能力面臨挑戰(zhàn)

這樣的教學模式，往往在一定程度上加大了教師的負擔，教師在課前、課后都需要認真思考并查找與實驗相關的資料，在教學中還會時常出現(xiàn)跨學科的問題，對教師教學來說是很大的挑戰(zhàn).但反過來也對教師的專業(yè)發(fā)展有很大提高，而對學生而言，他們通過自己親自設計和進行實驗，自己的知識經(jīng)驗得到了重新建構，各種能力都得到了很大的發(fā)展.因此，挑戰(zhàn)雖大，但獲益匪淺，教師應迎難而上，更加努力獲取更多的知識，更好地磨煉和提升的實驗技能，積極進行行動研究，以實現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)的專業(yè)發(fā)展.