科學(xué)思維：化學(xué)探究實驗的靈魂

白建娥　吳瓊英

摘要： 科學(xué)思維是化學(xué)探究實驗的靈魂。對鐵釘與CuSO4溶液反應(yīng)pH降低的“異?！爆F(xiàn)象進行深入探究，設(shè)計成時長80分鐘的高三復(fù)習(xí)課。沿著“發(fā)現(xiàn)異?！O(shè)計方案→分析解釋→又見異?！到y(tǒng)梳理→模型內(nèi)化”六個教學(xué)環(huán)節(jié)層層遞進，促進核心知識、認識思路和學(xué)科觀念結(jié)構(gòu)化，全面提升學(xué)生的思維品質(zhì)。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)思維； 探究實驗； 鐵與硫酸銅反應(yīng)； 高三復(fù)習(xí)

文章編號： 10056629（2023）10005006 中圖分類號： G633.8文獻標(biāo)識碼： B

科學(xué)思維是在化學(xué)學(xué)習(xí)中基于事實與邏輯進行獨立思考和判斷，對不同信息、觀點和結(jié)論進行質(zhì)疑與批判，提出創(chuàng)造性見解的能力；是從化學(xué)視角研究物質(zhì)及其變化規(guī)律的思路方法；是從宏觀、微觀、符號相結(jié)合的視角探究物質(zhì)及其變化規(guī)律的認識方式［1］?？茖W(xué)思維是化學(xué)探究實驗的靈魂。

由鐵釘與CuSO4溶液反應(yīng)后pH降低，推測發(fā)生了反應(yīng)：4Fe2++O2+10H2O4Fe（OH）3↓+8H+，該“異?！爆F(xiàn)象此前并未引起太多關(guān)注，相關(guān)文獻只搜索到一篇［2］，文獻作者在九年級“質(zhì)量守恒定律”一節(jié)的演示實驗中發(fā)現(xiàn)鐵釘與CuSO4溶液反應(yīng)后pH下降的現(xiàn)象，通過對比實驗得出異?，F(xiàn)象產(chǎn)生的原因是Fe2+被O2氧化，建議演示實驗時鐵釘與CuSO4溶液的反應(yīng)裝置應(yīng)該密閉。筆者改進了該實驗，發(fā)現(xiàn)了更多的探究點，于是設(shè)計成一堂高三實驗探究課，以進一步發(fā)展學(xué)生的高階思維。

1 情境素材的教學(xué)價值

基于課標(biāo)、學(xué)情及探究實驗過程，筆者梳理了Fe與CuSO4溶液反應(yīng)蘊含的教學(xué)價值，如圖1所示。

Fe與CuSO4溶液的反應(yīng)涵蓋了一系列科學(xué)探究要素：提出問題（鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)后為什么pH下降）→作出假設(shè)［Fe3+水解生成Fe（OH）3］→設(shè)計實驗［檢驗Fe（OH）3］→依據(jù)一系列現(xiàn)象論證觀點、評估和改進觀點等。經(jīng)歷80分鐘的探究過程，可使這個真實的情境素材最大限度地發(fā)揮其功能價值，促使學(xué)生的核心知識、認識思路和核心觀念進一步系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化，促進科學(xué)思維的發(fā)展。

2 資料卡片的呈現(xiàn)方式

在Fe與CuSO4溶液反應(yīng)實驗現(xiàn)象的分析過程中，要用到相應(yīng)的支撐數(shù)據(jù)或事實性知識。高三復(fù)習(xí)階段，若還像新授課或一輪復(fù)習(xí)課那樣在需要的環(huán)節(jié)呈現(xiàn)所用信息，則腳手架太過明顯，反而會限制學(xué)生的思維。本節(jié)課模擬高考探究實驗題中“資料”的呈現(xiàn)方式，將可能用到的信息集中給出，讓學(xué)生根據(jù)解決問題的需要，適時選取合適的數(shù)據(jù)或事實。相當(dāng)于給學(xué)生提供一個“工具箱”，至于要用到什么工具，什么時候使用，均由學(xué)生自行決定。這樣，既給了學(xué)生自由度，同時也帶來挑戰(zhàn)，有利于分析、綜合、評價、創(chuàng)新等高階思維的發(fā)展。表1、2是本節(jié)課的“資料卡片”。

K4［Fe（CN）6］與Fe3+產(chǎn)生藍色沉淀、與Cu2+產(chǎn)生紅棕色沉淀。

3 教學(xué)目標(biāo)及流程

教學(xué)目標(biāo)：

（1） 通過實驗探究鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)后pH降低的原因，建立從熱力學(xué)和動力學(xué)兩個角度研究化學(xué)反應(yīng)的視角，糾正對鹽類水解程度的偏差認識，發(fā)展系統(tǒng)思維、批判思維，提升宏微結(jié)合、變化平衡等學(xué)科核心素養(yǎng)。

（2） 在Fe3+水解產(chǎn)物Fe（OH）3的檢驗過程中，發(fā)展對“分散系”概念的科學(xué)認識，強化識別和排除干擾因素的能力，反復(fù)將證據(jù)與結(jié)論進行邏輯關(guān)聯(lián)，提升證據(jù)推理學(xué)科核心素養(yǎng)。

（3） 結(jié)合具體實驗和試題對探究過程建立分析解釋“異?！爆F(xiàn)象的思維模型，促使核心知識、認識思路與核心觀念進一步結(jié)構(gòu)化，全面提升思維品質(zhì)。

探究實驗教學(xué)流程如圖2所示。

4 課堂實錄

4.1 發(fā)現(xiàn)異常

［驅(qū)動性任務(wù)］預(yù)測鐵釘與CuSO4溶液反應(yīng)過程中的實驗現(xiàn)象、溶液pH的變化，并說明依據(jù)。

課堂上教學(xué)活動過程沿著圖3所示的順序展開。

在之前的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)建構(gòu)了“物質(zhì)性質(zhì)類”和“反應(yīng)規(guī)律類”探究試題的問題解決思維模型，因此在教師提供證據(jù)（溶液的pH從4.19降到2.83）之前，有個別學(xué)生想到Fe2+可能被O2氧化，但隨即被同伴否定，認為Fe、 Cu存在的情況下，F(xiàn)e3+會被還原為Fe2+。教師提供證據(jù)后，新的質(zhì)疑再次產(chǎn)生：鹽類水解程度很弱，F(xiàn)e3+水解產(chǎn)生的H+能夠彌補Fe、 O2反應(yīng)消耗的H+且還能“綽綽有余”嗎？

經(jīng)過多輪次思維碰撞與簡單計算，學(xué)生形成了科學(xué)的觀點：Fe、 Cu與Fe3+的反應(yīng)是自發(fā)反應(yīng)，但是由于反應(yīng)速率較慢，故可以在相當(dāng)長的時間內(nèi)大量共存；水解程度不是一成不變的，溶液越稀，水解程度越大，pH為2.83時，F(xiàn)e3+基本水解完全。

注：Fe3+在水中以［Fe（H2O）6］3+形式存在，水解可生成［Fe（H2O）5OH］2+、 ［Fe（H2O）4（OH）2］+等，水解后還可能發(fā)生締合作用產(chǎn)生雙聚體［3］。為適應(yīng)高中生的認知水平，水解產(chǎn)物一律用Fe（OH）3表示，后文也將水解產(chǎn)物統(tǒng)稱為Fe（OH）3。

4.2 設(shè)計方案

［驅(qū)動性任務(wù)］設(shè)計實驗證實反應(yīng)體系中存在Fe（OH）3，用流程圖呈現(xiàn)實驗方案，方框內(nèi)為實驗對象，箭頭上標(biāo)明試劑和操作。

此環(huán)節(jié)讓學(xué)生獨立設(shè)計并將方法、思路以流程圖的形式進行顯性化表達，促使其對實驗過程產(chǎn)生身臨其境的“畫面感”，盡可能全面地考慮細節(jié)問題，避免思維碎片化。教師巡視過程中對學(xué)生的方案做出評價，并指定一位中等程度的學(xué)生上講臺板書其方案，隨后同伴點評，板書的學(xué)生認可后作改進，最終形成如圖4的方案（兩次過濾后的濾液和濾渣用數(shù)字1和2區(qū)分）。

學(xué)生首先想到Fe（OH）3為沉淀，應(yīng)該與反應(yīng)生成的Cu一起存在于紅色固體1中，加入H2SO4將其溶解，過濾掉Cu（紅色固體2）后，向濾液2中加入KSCN｛依據(jù)資料卡片還可以加入K4［Fe（CN）6］、 Na2S｝檢驗Fe3+；但是開始并未想到沉淀會吸附Fe3+干擾后續(xù)檢驗，經(jīng)過互動、補充，確定紅色固體1要進行“洗滌”。有幾位思維靈活的學(xué)生立即想到Fe（OH）3具有膠體性質(zhì)，于是推測濾液1中可能也有Fe（OH）3，便設(shè)計了用激光筆照射濾液1以檢驗是否產(chǎn)生“光亮的通路”。

4.3 分析解釋

科學(xué)思維是化學(xué)探究實驗的靈魂和聚焦點。二輪復(fù)習(xí)的課時有限，圖4實驗方案并未讓學(xué)生動手實施，由教師提前在實驗室完成并拍成視頻和照片，課堂上作為證據(jù)呈現(xiàn)，讓學(xué)生將證據(jù)與結(jié)論進行邏輯關(guān)聯(lián)。

當(dāng)然，規(guī)范操作是實驗成功的保證，基礎(chǔ)實驗操作亦不可忽視。例如，學(xué)生對如何過濾比較熟悉，但對如何洗滌沉淀卻頗感陌生。于是，教師播放洗滌紅色固體1的實驗視頻，強調(diào)“淋洗、浸沒”等關(guān)鍵點，幫助學(xué)生內(nèi)化基本技能，學(xué)生表現(xiàn)興致盎然。

此環(huán)節(jié)的重點是發(fā)展學(xué)生的批判性思維。實驗現(xiàn)象與結(jié)論進行關(guān)聯(lián)的過程中，學(xué)生需作深入思考：現(xiàn)有證據(jù)是否足夠充分支持這個觀點？現(xiàn)有證據(jù)還有哪些其他解釋？課堂上的獨立思考、敏銳發(fā)現(xiàn)、大膽猜想和周密論證等此起彼伏、精彩不斷。

教學(xué)片斷一：

［師］怎樣證明紅色固體1已洗滌干凈？

［生A］取最后一次洗滌液檢驗是否含F(xiàn)e3+。

［生B］我認為不能馬上檢驗Fe3+，因為紅色固體中含有Fe（OH）3，洗滌過程中可“溶解”出Fe3+。

［師追問］如何排除干擾？

［生C］可以另取純凈的Fe（OH）3固體于試管中，加水溶解，滴加KSCN溶液看是否變紅。

［生D］也可以依據(jù)Fe（OH）3的Ksp計算一下溶解出的Fe3+是否可以使KSCN溶液變紅。

［師］兩位同學(xué)從定性、定量兩個角度給出了很好的建議。那么，檢驗其他離子能證明沉淀中吸附的Fe3+已洗凈嗎？

［生E］加BaCl2檢驗SO2-4，若沒有SO2-4，則原體系中其他離子也都已洗凈。

［師追問］為什么？

［生E］因為這是CuSO4溶液，部分變成了FeSO4，溶液中SO2-4濃度應(yīng)該最大。濃度最大的離子都沒了，濃度小的就更甭提了。

學(xué)生紛紛點頭，教師也為生E的創(chuàng)新思維點贊！

教師繼續(xù)呈現(xiàn)證據(jù)：取三份濾液2，分別加入KSCN、 K4［Fe（CN）6］、 Na2S溶液，依次出現(xiàn)溶液變紅、生成藍色沉淀、有氣泡且出現(xiàn)黃色渾濁的現(xiàn)象，均證實了固體中存在Fe（OH）3。學(xué)生逐一寫出相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)（離子）方程式。

［生C質(zhì)疑］加入Na2S產(chǎn)生黃色沉淀不能證明溶液中存在Fe3+，空氣中的O2也可能將S2-氧化。

［師追問］那如何排除干擾？

［生F］可以做一個對比實驗，向等體積蒸餾水中滴加同樣多的Na2S溶液，看是否產(chǎn)生相同的現(xiàn)象。

［師］思維縝密，系統(tǒng)考慮了反應(yīng)體系中可能存在的微粒，特別棒！

教學(xué)片斷二：

［師］反應(yīng)后濾液1產(chǎn)生丁達爾效應(yīng)（見圖5），由此你可以得出什么結(jié)論？

［生F］濾液1中有Fe（OH）3膠體。

［師講解］Fe3+水解生成Fe（OH）3分子，多個Fe（OH）3分子聚集“長大”，當(dāng)聚集體直徑達到1～100nm范圍內(nèi)，形成Fe（OH）3膠體；沉淀則是聚集體進一步“長大”導(dǎo)致的結(jié)果。可見，同一種物質(zhì)在不同的條件下可以分散成溶液、膠體和濁液。

［生G］我認為Cu（OH）2也可能形成膠體，所以有丁達爾效應(yīng)不一定能證明濾液中有Fe（OH）3。

［生H］那就排除Cu2+的干擾，向濾液1中加入Na2S溶液，Cu2+會生成CuS黑色沉淀。

［生I］CuS沉淀過程中會不會也有長不到沉淀尺度范圍的膠體粒子呢？

［生J］而且Fe3+也可與S2-發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

全班陷入沉默、思考中……

見無人發(fā)言，教師提供加入鐵釘前用激光筆照射CuSO4溶液的照片（見圖6），沒有丁達爾效應(yīng)。

［生G］真是大道至簡呀，我怎么就沒有想到呢！

［師］加入鐵釘前后對比，可以說明問題了嗎？

［生J］可以。加入鐵釘之前，Cu2+濃度大，水解產(chǎn)生的Cu（OH）2濃度也大，此時尚且沒有丁達爾效應(yīng)。反應(yīng)后Cu2+濃度降低，水解產(chǎn)生的Cu（OH）2濃度也降低，更不可能產(chǎn)生丁達爾效應(yīng)。所以，反應(yīng)后丁達爾效應(yīng)一定是Fe（OH）3膠體所致。

［生K］反應(yīng)后溶液pH=2.83，根據(jù)Ksp數(shù)據(jù)計算，此時Cu2+、 Fe2+還未開始沉淀，F(xiàn)e3+則已幾乎沉淀完全，所以丁達爾效應(yīng)確實能證明含有Fe（OH）3膠體。

4.4 又見異常

Fe（OH）3由Fe3+水解產(chǎn)生，該反應(yīng)可逆，故學(xué)生推測濾液1中有“游離”的Fe3+存在，加入KSCN溶液理應(yīng)變紅。教師播放濾液1中加入KSCN溶液的視頻，溶液立即變紅，但紅色很快褪去，產(chǎn)生了白色沉淀。請學(xué)生利用化學(xué)用語解釋該“異?！爆F(xiàn)象。

結(jié)合已有知識與資料卡片，生L上臺板書寫出兩個反應(yīng)的方程式：

（1） Fe3++3SCN-Fe（SCN）3

（2） 2Cu2++4SCN-2CuSCN↓+（SCN）2

兩個反應(yīng)解釋了溶液變紅和生成白色沉淀。

［生M舉手］我發(fā)現(xiàn)剛滴入KSCN溶液立即變紅，說明反應(yīng)（1）速率快；隨著白色沉淀生成，紅色褪去，說明反應(yīng)（2）限度大。

［師］思維敏捷，考慮全面！不僅解釋了實驗結(jié)果，還解釋了實驗過程。一般來說，氧化還原反應(yīng)的活化能較大，反應(yīng)速率較慢；而復(fù)分解反應(yīng)活化能較小，反應(yīng)速率較快。

本環(huán)節(jié)用實驗視頻代替照片，目的就是讓學(xué)生不能只關(guān)注結(jié)果，還要關(guān)注反應(yīng)過程，穩(wěn)固從熱力學(xué)和動力學(xué)研究反應(yīng)的兩個角度，再次呼應(yīng)環(huán)節(jié)1中Fe、 Cu與Fe3+既能相互反應(yīng)（熱力學(xué)角度），又可以共存的事實（動力學(xué)角度）。

4.5 系統(tǒng)梳理

教師呈現(xiàn)對比實驗：將等質(zhì)量鐵粉加入等濃度、等體積的CuSO4溶液，反復(fù)振蕩使其充分反應(yīng)，一段時間后溶液pH升高。取等量的三份上層清液于試管中，分別加入K3［Fe（CN）6］、 K4［Fe（CN）6］和KSCN溶液，現(xiàn)象如圖7所示。

［師］依據(jù)實驗現(xiàn)象，可得出什么結(jié)論？

［生D］鐵釘換為鐵粉后，產(chǎn)物中鐵元素主要為Fe2+｛加入K3［Fe（CN）6］產(chǎn)生深藍色沉淀，圖7左｝，由于鐵粉過量且在振蕩之下充分反應(yīng)，F(xiàn)e3+濃度已經(jīng)很小，加入KSCN溶液，溶液只能變黃（圖7右）；K4［Fe（CN）6］檢驗Fe3+相對靈敏，出現(xiàn)藍色沉淀（圖7中）。

［師］為什么其他條件相同時，鐵釘與鐵粉產(chǎn)生不同的現(xiàn)象？

［生N］（眉飛色舞地）鐵粉與Cu2+在不斷振蕩下充分接觸，反應(yīng)速率快。生成的Fe2+一旦被O2氧化為Fe3+， Fe3+在鐵粉的橫沖直撞下又被還原，故Fe3+濃度很小。消耗H+的反應(yīng)為主要矛盾，F(xiàn)e3+水解為次要矛盾，反應(yīng)后pH升高；而鐵釘在燒杯底部紋絲不動，任由Fe2+被O2氧化，生成的Fe3+絕大多數(shù)接觸不到鐵釘，不會被還原，體系中Fe3+濃度較大，水解成為主要矛盾，導(dǎo)致溶液pH下降。

全班學(xué)生情不自禁、熱烈鼓掌！

有了生動的感性體驗，接下來讓學(xué)生對Fe與CuSO4溶液的探究過程進行復(fù)盤。此環(huán)節(jié)是對環(huán)節(jié)2的呼應(yīng)。如果說環(huán)節(jié)2是實驗前的“紙上談兵”，那么環(huán)節(jié)5則是實驗后的總結(jié)提煉。復(fù)盤的目的是促使學(xué)生反思問題解決過程中如何運用知識、如何提取信息分析問題以及如何探索問題的解決方案。教師點請學(xué)生當(dāng)眾發(fā)言或表達，鼓勵學(xué)生不受干擾地說出完整的話，使其準(zhǔn)確、流暢地把內(nèi)隱的方法、思維均逐步外顯出來。這既是對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的診斷，也是對同伴的一種尊重和示范。

4.6 模型內(nèi)化

［驅(qū)動性任務(wù)］圖8是小艾同學(xué)對反應(yīng)中出現(xiàn)的“異?，F(xiàn)象”的分析解釋和思路方法的總結(jié)，請你結(jié)合本節(jié)課Fe與CuSO4溶液的反應(yīng)以及近期完成過的典型探究實驗題談?wù)剬υ撍悸贩椒ǖ睦斫狻?/p>

往常的教學(xué)是教師帶領(lǐng)學(xué)生完成探究之后建立模型，此環(huán)節(jié)筆者以班級“小艾”同學(xué)之名將模型給出，讓學(xué)生結(jié)合本節(jié)課的探究進一步理解模型的內(nèi)涵。因此，設(shè)計這個活動是希望學(xué)生能將零散知識和解決問題的方法、觀念進行系統(tǒng)整理，將其統(tǒng)攝在模型框架之下。語言表達過程中，同伴之間的觀點交鋒、教師適時的點撥鼓勵均能夠促進深度思維，從而獲得具有概括性和高度遷移性的知識和觀念，穩(wěn)固分析解釋“異?！爆F(xiàn)象的認識角度與思維路徑。

5 教學(xué)反思

5.1 “整”任務(wù)比“碎”任務(wù)有利于學(xué)生深度思考

Fe與CuSO4溶液反應(yīng)的再探究中，筆者設(shè)計的所有驅(qū)動性任務(wù)均為“整”任務(wù)，需學(xué)生獨立地進行系統(tǒng)思考、長程推理，并且以流程圖、化學(xué)方程式或大段的語言表述充分外顯其思維過程，而不是“一問一答”、你一言我一語的“碎”任務(wù)。“碎”任務(wù)容易造成知識和思維的割裂，相當(dāng)于總是拄著拐杖走路?！罢比蝿?wù)完成后，在學(xué)生回答或展示過程中，教師耐心聆聽，不僅不“越位”提示，而且還延時評價，給同伴相互補充、多輪次思維碰撞創(chuàng)造機會。學(xué)生每提出一個猜想或判斷，教師都要進行追問，促使其深度思考，然后將認識角度和思維路徑顯性化，供同伴評價或借鑒，達到生生之間相互學(xué)習(xí)的目的。

5.2 探究“課”比探究“題”更能夠提升思維品質(zhì)

探究實驗課將紙面探究轉(zhuǎn)化為真實探究［4］，為學(xué)生外露思維提供了契機。與探究題相比，探究課主題更聚焦、證據(jù)更直觀（實驗視頻和照片）。在教師的精心設(shè)計下，課堂節(jié)奏更適合充分思考、研討交流與觀點表達。Fe與CuSO4溶液反應(yīng)產(chǎn)生的諸多現(xiàn)象既在“意料之外”，也在“情理之中”，看似尋常卻最奇崛。既促進了核心知識、認識思路和學(xué)科觀念的結(jié)構(gòu)化，又有助于思維敏捷性、深刻性、批判性、創(chuàng)新性的全面提升。課后筆者對部分學(xué)生做了訪談，學(xué)生普遍反映通過這堂課“刷新了對鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)的認知”，感覺“知識更系統(tǒng)、理解更透徹”。

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