基于POE教學(xué)策略的無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)*
——以物質(zhì)性質(zhì)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)為例

楊舒帆，譚 帥，翁哲慧，李艷妮，楊艷華

(昆明學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 云南省金屬有機(jī)分子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，云南 昆明 650214)

1981年，澳大利亞莫納什大學(xué)的Richard F.Gunstone和Richard T.White以物理系學(xué)生對(duì)8個(gè)生活情境中的重力概念理解為內(nèi)容，通過(guò)預(yù)測(cè)-觀察-解釋(predict-observe-explain，POE)的方法，探察學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解，并于1992年正式提出了POE教學(xué)策略[1-2]。POE教學(xué)策略的實(shí)質(zhì)是以學(xué)生為中心，在學(xué)生已有認(rèn)知基礎(chǔ)上，對(duì)未知實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，并在預(yù)測(cè)中顯露出學(xué)生的前概念(即學(xué)生在新課前掌握的科學(xué)概念)掌握情況。通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，在討論的基礎(chǔ)上，形成對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的科學(xué)解釋，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生的概念轉(zhuǎn)變[3]。這不僅符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，而且對(duì)以實(shí)驗(yàn)為主的探究式教學(xué)具有很好的指導(dǎo)作用[4]。在化學(xué)教學(xué)中，POE教學(xué)策略主要應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)教材中的演示型實(shí)驗(yàn)改革和探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并歸納出抽象性的概念知識(shí)和元素化合物性質(zhì)[5-8]。但是，POE教學(xué)策略在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用和研究幾乎未見(jiàn)報(bào)道。

對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的不斷改革和創(chuàng)新，是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要途徑之一[9-11]。無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在整個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)中處于基礎(chǔ)地位，使學(xué)生加深對(duì)無(wú)機(jī)物性質(zhì)的認(rèn)識(shí)及無(wú)機(jī)化學(xué)基本理論的理解，是課程的主要目的之一；培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)作風(fēng)，全面提高學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程打好基礎(chǔ)，為學(xué)生終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)，是課程的主要任務(wù)之一。雖然課程中的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)與中學(xué)化學(xué)相似，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，但其中一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是課程教學(xué)的延伸，學(xué)生有所了解但理解不深入、不透徹，易產(chǎn)生認(rèn)知沖突，在教學(xué)過(guò)程中適合采用POE教學(xué)策略。因此，本文選取自編實(shí)驗(yàn)教材中，以最能體現(xiàn)POE教學(xué)策略的3個(gè)實(shí)驗(yàn)為示例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)[12]，旨在幫助學(xué)生構(gòu)建完善的化學(xué)知識(shí)體系，加深對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的理解，強(qiáng)化基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作技能。

1 Zn與HNO3的反應(yīng)

此實(shí)驗(yàn)是“氧化還原反應(yīng)”和“氮和磷”的一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，分別出現(xiàn)在教材76頁(yè)和94頁(yè)，安排在大一上學(xué)期和下學(xué)期。

[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]在兩支試管中各加入一粒Zn，在試管①中加入 1 mL 濃HNO3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為68%)、試管②中加入 1 mL 2 mol/L 的HNO3，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

[學(xué)生預(yù)測(cè)P]P1：根據(jù)人教版義務(wù)教育教科書(shū)《化學(xué)》 (九年級(jí)下冊(cè))<第八單元 金屬和金屬材料>“課題2 金屬的化學(xué)性質(zhì)”和“實(shí)驗(yàn)活動(dòng)4 金屬的物理性質(zhì)和某些化學(xué)性質(zhì)”，學(xué)生已經(jīng)掌握了金屬活動(dòng)性順序，知道金屬單質(zhì)與稀HCl和稀H2SO4等稀酸反應(yīng)可以生成氫氣。然而，金屬單質(zhì)與稀HNO3反應(yīng)不會(huì)生成H2。

P2：根據(jù)人教版普通高中教科書(shū)《化學(xué)》(必修第二冊(cè))〈第五章 化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素〉“第二節(jié) 氮及其化合物”中，單質(zhì)Cu與濃HNO3和稀HNO3反應(yīng)，分別生成NO2和NO，但NO易與O2反應(yīng)生成NO2。因此，預(yù)測(cè)單質(zhì)Zn和稀HNO3反應(yīng)，可觀察到生成紅棕色氣體。

P3：常溫下，活潑金屬單質(zhì)Fe、Al等與濃HNO3和濃H2SO4接觸時(shí)，單質(zhì)表面生成一層致密氧化膜，阻止反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行。因此，預(yù)測(cè)單質(zhì)Zn與濃HNO3的反應(yīng)，觀察不到現(xiàn)象。

在面對(duì)新的知識(shí)情境時(shí)，學(xué)生根據(jù)已有認(rèn)知，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了合理解釋，并提出以上3點(diǎn)預(yù)測(cè)信息。在規(guī)范操作的基礎(chǔ)上，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的一致性進(jìn)行驗(yàn)證。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象O]觀察到的現(xiàn)象如圖1所示。1)試管①產(chǎn)生大量紅棕色氣體并放熱，現(xiàn)象與預(yù)測(cè)P3相矛盾。2)試管②生成無(wú)色氣體，現(xiàn)象與預(yù)測(cè)P2相矛盾，且試管②生成的氣體是否為H2不可知，即是否與預(yù)測(cè)P1相矛盾不可知。

圖1 單質(zhì)Zn與濃HNO3和稀HNO3反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

觀察是POE教學(xué)策略，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)通過(guò)觀察物質(zhì)顏色、狀態(tài)、氣味等的物理變化，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)觀察能力。當(dāng)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與預(yù)測(cè)不相符時(shí)，會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知沖突，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的探索欲和學(xué)習(xí)興趣。無(wú)論實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與預(yù)測(cè)一致，都需要學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析、查閱資料和討論，最終提出合理的解釋[13-14]。

[解釋E]E1：硝酸根中有一個(gè)離域π鍵，易斷鍵，使HNO3的氧化性增強(qiáng)。因此，金屬單質(zhì)與稀HNO3反應(yīng)，不會(huì)生成H2，稀HNO3不顯示酸性，而是顯示氧化性。與預(yù)測(cè)P1結(jié)果一致，說(shuō)明試管②生成的無(wú)色氣體不是H2。

E3：金屬單質(zhì)Zn與濃HNO3接觸后，表面生成ZnO，Zn-O鍵的鍵能較低，且不夠致密[15]，易發(fā)生解釋E2的反應(yīng)。

圖2 氣室法檢測(cè)濕潤(rùn)的酚酞試紙變紅

[歸納總結(jié)]試管①

試管②

通過(guò)預(yù)測(cè)階段和觀察現(xiàn)象的對(duì)比，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)欲望。在合作交流、查閱資料、教師總結(jié)及解釋的基礎(chǔ)上，促進(jìn)前概念的轉(zhuǎn)化，建立新的知識(shí)概念，形成更為完善的知識(shí)體系，符合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論。

2 Al與I2的反應(yīng)

此實(shí)驗(yàn)是“硼和鋁”的一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)在教材106頁(yè)，安排在大一下學(xué)期。

[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]將 0.25 g 鋁粉和 0.5 g 預(yù)先研細(xì)的碘的干燥混合物，放在蒸發(fā)皿中混勻，堆成一小堆，加2滴 80 ℃ 左右的熱水，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并解釋(此反應(yīng)在通風(fēng)櫥中或抽風(fēng)機(jī)下進(jìn)行)。

[學(xué)生預(yù)測(cè) P]學(xué)生已經(jīng)掌握鹵素可與單質(zhì)Al反應(yīng)，最為熟悉的是Cl2在加熱條件下與Al反應(yīng)生成AlCl3，且單質(zhì)I2在常溫下就可與活潑金屬單質(zhì)反應(yīng)，但與Al反應(yīng)的大部分實(shí)驗(yàn)都需在加熱下進(jìn)行。根據(jù)前概念推測(cè)此反應(yīng)生成AlI3，但對(duì)反應(yīng)機(jī)理及過(guò)程的理解不清楚。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 O]觀察到的現(xiàn)象如圖3所示。1)先觀察到有紫色的煙并伴隨著刺激性氣味。2)反應(yīng)結(jié)束后蒸發(fā)皿中剩余比反應(yīng)物更高的一堆物質(zhì)，這主要由反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和單質(zhì)碘升華造成生成物膨脹造成。3)反應(yīng)后的堆積物很蓬松，玻璃棒戳一下后成灰色的灰燼。

圖3 鋁粉與單質(zhì)碘反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

E2：在熱水作用下，單質(zhì)I2升華，可觀測(cè)到紫色的煙，有刺激性氣味。

E4：AlI3水解產(chǎn)生的HI氣體，也具有刺激性氣味。

綜上所述，先觀察到有紫色的煙并伴隨著刺激性氣味，反應(yīng)最后生成Al(OH)3。

[歸納總結(jié)]實(shí)驗(yàn)原理：

3 FeCl3與KSCN的反應(yīng)

此實(shí)驗(yàn)是“鐵、鈷、鎳”的一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)在教材123頁(yè)，安排在大一下學(xué)期。

[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]在FeCl3溶液中加入KSCN溶液，觀察現(xiàn)象。然后再加入 0.1 mol/L 的NH4F溶液，觀察有何變化，并解釋原因。

P2：根據(jù)配位化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，F(xiàn)-的電負(fù)性強(qiáng)于SCN-中的配位原子S，因此，F(xiàn)-與Fe3+可形成更加穩(wěn)定的配合物，紅色溶液顏色消失。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 O]觀察到的現(xiàn)象如圖4所示。1)淡黃色的FeCl3溶液中滴加無(wú)色的KSCN試劑后，溶液顏色變成紅色。2)紅色的溶液中滴加無(wú)色的NH4F試劑后，同學(xué)可觀察到四種溶液顏色，依次變?yōu)槌赛S色、橙色、黃色和無(wú)色。

圖4 FeCl3與KSCN反應(yīng)后滴加NH4F溶液反應(yīng)現(xiàn)象

E3：根據(jù)軟硬酸堿結(jié)合原則分析，F(xiàn)e3+的價(jià)層電子排布為3d54s0，d軌道和s軌道分別處于穩(wěn)定的半滿和全空狀態(tài)，且可以接受電子對(duì)，電子云的變形性小，屬于硬酸。F-的價(jià)層電子排布為2p6，p軌道處于穩(wěn)定的全滿狀態(tài)，且可以給出電子對(duì)，電子云的變形性也小，屬于硬堿。而SCN-中存在離域的π鍵，易失去電子、易斷鍵，基團(tuán)電子云易變形，屬于軟堿。因此，硬酸Fe3+與硬堿F-結(jié)合的配合物穩(wěn)定性強(qiáng)于硬酸Fe3+與軟堿SCN-結(jié)合的配合物，F(xiàn)-可與[Fe(SCN)n]3-n反應(yīng)。

解釋E2和E3是在預(yù)測(cè)P2的基礎(chǔ)上進(jìn)一步系統(tǒng)分析的結(jié)果，能夠鼓勵(lì)學(xué)生深入挖掘現(xiàn)象背后的本質(zhì)，進(jìn)而構(gòu)建成體系的化學(xué)原理知識(shí)。

[歸納總結(jié)]實(shí)驗(yàn)原理：

[FeFm]3-m(m=1～6) 的穩(wěn)定性強(qiáng)于 [Fe(SCN)n]3-n(n=1～6)

4 展望

無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容較多，在探索物質(zhì)基本性質(zhì)和熟悉基本的實(shí)驗(yàn)操作基礎(chǔ)上，采用POE教學(xué)策略，可以更好的激發(fā)學(xué)生化學(xué)思維，更加充分的調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)在課程教學(xué)中對(duì)學(xué)生的操作過(guò)程給予全程關(guān)注和指導(dǎo)，能夠更好的將理論與實(shí)踐相結(jié)合，得出科學(xué)的解釋和結(jié)論。應(yīng)用POE教學(xué)策略的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的建構(gòu)主義發(fā)展理論下，重視理論的知識(shí)構(gòu)建過(guò)程，不僅可以進(jìn)一步提升學(xué)生的探究能力，而且還能培養(yǎng)學(xué)生探究問(wèn)題的意識(shí)，提升課堂教學(xué)質(zhì)量和效率。