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

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”