基于真實(shí)情境的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類問(wèn)題解決策略教學(xué)研究

張?zhí)坪?/p>

摘要：以“物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略”為例，研究了“基于真實(shí)情境的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類問(wèn)題解決策略”的建構(gòu)、表征、教學(xué)模式、教學(xué)難點(diǎn)及其應(yīng)對(duì)，以提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：真實(shí)情境;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略;問(wèn)題解決;高中化學(xué)

中圖分類號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2022）21-0127-03

基于真實(shí)情境的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)是培育學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)的重要載體.而在真實(shí)教學(xué)過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)是極為關(guān)鍵的一步，同時(shí)也是學(xué)生倍感困難的地方，尤其是實(shí)驗(yàn)方案的全設(shè)計(jì)，更是許多學(xué)生的痛點(diǎn).

本文選取其中常見(jiàn)的一類“物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行深入地分析、研究，重點(diǎn)關(guān)注“物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略”的建構(gòu)、表征、教學(xué)模式、教學(xué)難點(diǎn)及其應(yīng)對(duì).

1物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略的建構(gòu)及表征

化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)依據(jù)一定原理、規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的系統(tǒng)而有明確目的的心智活動(dòng)，是需要運(yùn)用多種化學(xué)知識(shí)、化學(xué)思維和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的綜合性活動(dòng).化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略或思路是化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈魂，從知識(shí)論的角度來(lái)看，它是一類程序性知識(shí)，由一系列具有先后順序的認(rèn)知操作步驟構(gòu)成.因此，對(duì)“物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略”進(jìn)行建構(gòu)，關(guān)鍵在于對(duì)其進(jìn)行分析解構(gòu)，用還原論的思維方式從中分解出具有時(shí)間屬性的問(wèn)題解決步驟.筆者運(yùn)用認(rèn)知任務(wù)分析的方法，對(duì)基于真實(shí)情境的物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析，得到如圖1所示的物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略模型.

如圖1的問(wèn)題線所示，“物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”依次需要解決的主要問(wèn)題為：除什么？怎么除？除得怎樣？依據(jù)對(duì)這三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的回答，“物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路”可以分為三個(gè)環(huán)節(jié).其中“怎么除”的環(huán)節(jié)最為關(guān)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(yùn)用物理或化學(xué)的方法使它們處于易于分離的不同狀態(tài)（固液、液氣等），進(jìn)而使用相對(duì)應(yīng)的分離方法將其分離.若要進(jìn)行多組分依次分離除雜，還需考慮分離除雜的順序問(wèn)題.“物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略模型”采用“雙線圖”來(lái)表征，直觀簡(jiǎn)明，易于感知、理解與記憶.其中問(wèn)題線的引入，使人更明確地理解各認(rèn)知操作的目的，加深對(duì)各認(rèn)知操作的理解，避免學(xué)生陷入機(jī)械學(xué)習(xí)的泥淖，真正實(shí)現(xiàn)程序性知識(shí)的有意義學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí).

2物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略的教學(xué)模式

建構(gòu)主義教學(xué)理論認(rèn)為，知識(shí)是人主觀建構(gòu)的，學(xué)習(xí)是學(xué)生通過(guò)自主體驗(yàn)、不斷建構(gòu)富有個(gè)人色彩的認(rèn)知圖式的過(guò)程，唯有“做”中學(xué)，方能學(xué)得深入與徹底.

“物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略”的教學(xué)也應(yīng)采用建構(gòu)主義的觀點(diǎn)，讓學(xué)生親身經(jīng)歷物質(zhì)分離除雜實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施的全過(guò)程，并引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)并修正“物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略的教學(xué)模式”.

這一教學(xué)模式與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，有較大的改進(jìn).在物質(zhì)分離除雜實(shí)驗(yàn)中，要求從設(shè)計(jì)到驗(yàn)證再到最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的得出，并進(jìn)行總結(jié)和評(píng)價(jià)，但傳統(tǒng)課堂教學(xué)大都給定了實(shí)驗(yàn)所需要的一切，學(xué)生只需按部就班，照章進(jìn)行即可，這在很大程度上束縛了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中的創(chuàng)造性.而筆者所提的教學(xué)模式，有利于突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證性的束縛，在幫助學(xué)生掌握一定的化學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能外，還提高了學(xué)生自主設(shè)計(jì)、自主完成實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)論進(jìn)行分析的能力，提升了學(xué)生的宏觀物質(zhì)與微觀粒子間的關(guān)聯(lián)等的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，促進(jìn)了學(xué)生模型認(rèn)知、建構(gòu)與運(yùn)用的能力.

3物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略的教學(xué)案例

3.1真實(shí)的問(wèn)題情境

水污染是目前生活中常見(jiàn)的環(huán)境污染問(wèn)題，對(duì)于高中生來(lái)說(shuō)更應(yīng)該有意識(shí)地去保護(hù)水資源，防止廢水隨意排放到水體中.某工業(yè)廢水中含有大量Na+、Cu2+、Cl-、SO2-4、NO-3.

該廢水中含有超出排放標(biāo)準(zhǔn)的離子（如Cu2+、SO2-4等）時(shí)，需要集中處理后才能排放.運(yùn)用已學(xué)習(xí)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案除去該廢水中的Cu2+和SO2-4，并利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)分離除雜.

3.2教學(xué)過(guò)程

（1）明確任務(wù)：教師在實(shí)驗(yàn)之前要讓學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)的任務(wù)，即運(yùn)用已學(xué)習(xí)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案除去該廢水中的Cu2+和SO2-4，讓學(xué)生以小組為單位進(jìn)行合作，設(shè)計(jì)出自己的實(shí)驗(yàn)方案，并在學(xué)案上用流程圖表示.

（2）第一輪實(shí)驗(yàn)：學(xué)生設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案后，利用實(shí)驗(yàn)室模擬的“工業(yè)廢水”進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn).通過(guò)實(shí)施實(shí)驗(yàn)，對(duì)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，體會(huì)設(shè)計(jì)藍(lán)圖與實(shí)踐的區(qū)別和差距，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中努力嘗試用實(shí)驗(yàn)手段消除差距，培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

（3）實(shí)驗(yàn)后反思：通過(guò)展示和完整描述實(shí)驗(yàn)方案，引導(dǎo)學(xué)生梳理物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(xué)和乙組同學(xué)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.

設(shè)置如“如何檢驗(yàn)甲組的產(chǎn)品是否合格呢？”“沒(méi)有除雜干凈，可能的原因是什么？”等問(wèn)題，使師生進(jìn)行討論、評(píng)價(jià)等，加深對(duì)多組分混合體系中所加除雜試劑用量、順序等問(wèn)題的理解，培養(yǎng)分析多組分混合物體系中分離提純問(wèn)題的能力.

（4）第二輪實(shí)驗(yàn)：通過(guò)上述分析，師生一起改進(jìn)設(shè)計(jì)方案后再實(shí)施實(shí)驗(yàn)、在保證除雜效果的基礎(chǔ)上節(jié)省時(shí)間.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后組間互檢產(chǎn)品合格率.通過(guò)再次實(shí)驗(yàn)獲取證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生理解理論設(shè)計(jì)與實(shí)際操作的不同及差距.

（5）模型建構(gòu)：各組總結(jié)、匯報(bào)、互評(píng)、補(bǔ)充.大家基于實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在教師的引導(dǎo)下，構(gòu)建圖1所示的“物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略模型”.通過(guò)把分析“除去該廢水中的Cu2+和SO2-4”這一分離除雜問(wèn)題，上升為分析一般的分離除雜問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建模型認(rèn)知的核心素養(yǎng).

（6）遷移應(yīng)用：布置另一個(gè)基于真實(shí)情境的物質(zhì)分離除雜實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)所習(xí)得策略的遷移應(yīng)用能力.

4物質(zhì)分離除雜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)難點(diǎn)解決策略

4.1學(xué)生模型建構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)不足

物質(zhì)分離除雜實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多放在高一入學(xué)不久之后進(jìn)行，雖然在此前初中階段學(xué)生對(duì)這類實(shí)驗(yàn)有所接觸，但很少有模型建構(gòu)學(xué)習(xí)的體驗(yàn).而模型建構(gòu)的學(xué)習(xí)過(guò)程是一個(gè)由感性到理性、由個(gè)別到一般的認(rèn)知過(guò)程，對(duì)學(xué)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(duì)復(fù)雜思維模型進(jìn)行表征對(duì)學(xué)生的要求較高，也是此前學(xué)生較少接觸的認(rèn)知活動(dòng).因此，學(xué)生模型建構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)不足以及模型建構(gòu)本身的認(rèn)知難度，是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略的教學(xué)難點(diǎn).

針對(duì)學(xué)生模型建構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)不足，教師應(yīng)多示范多引導(dǎo)，多給學(xué)生充分的自主探索和交流合作的空間，讓學(xué)生在不斷地嘗試中獲得模型建構(gòu)的能力.教師在教學(xué)中應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生用流程圖表達(dá)多步分離除雜方案的能力.通過(guò)“設(shè)計(jì)方案——實(shí)施實(shí)驗(yàn)——產(chǎn)品檢驗(yàn)”環(huán)節(jié)，體會(huì)“理論設(shè)計(jì)”與“實(shí)際操作”的區(qū)別，逐步引導(dǎo)學(xué)生形成修正、完善模型的素養(yǎng).4.2學(xué)生的必備知識(shí)和基本技能薄弱

物質(zhì)分離除雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略的另一類教學(xué)難點(diǎn)是學(xué)生的必備知識(shí)和基本技能薄弱，例如對(duì)常見(jiàn)離子的檢驗(yàn)方法、過(guò)濾等一些分離方法掌握不牢，對(duì)基本實(shí)驗(yàn)操作技能以及記錄和描述實(shí)驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象的能力還不夠成熟.這些雙基的欠缺會(huì)阻礙學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施的進(jìn)程，進(jìn)而削弱學(xué)生自主建構(gòu)策略模型的意愿和能力.

教師教學(xué)中，應(yīng)注意學(xué)生必備知識(shí)的復(fù)習(xí)與回顧，必要時(shí)給予及時(shí)而適當(dāng)?shù)闹R(shí)支持，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的積極體驗(yàn)，提升學(xué)生親自動(dòng)手的自我效能感與意愿.進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)，將除雜中的加入“過(guò)量”除雜試劑由理論層面變成實(shí)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(xué)模式，往往在一定程度上加大了教師的負(fù)擔(dān)，教師在課前、課后都需要認(rèn)真思考并查找與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的資料，在教學(xué)中還會(huì)時(shí)常出現(xiàn)跨學(xué)科的問(wèn)題，對(duì)教師教學(xué)來(lái)說(shuō)是很大的挑戰(zhàn).但反過(guò)來(lái)也對(duì)教師的專業(yè)發(fā)展有很大提高，而對(duì)學(xué)生而言，他們通過(guò)自己親自設(shè)計(jì)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，自己的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)得到了重新建構(gòu)，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(yīng)迎難而上，更加努力獲取更多的知識(shí)，更好地磨煉和提升的實(shí)驗(yàn)技能，積極進(jìn)行行動(dòng)研究，以實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)的專業(yè)發(fā)展.

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[責(zé)任編輯：季春陽(yáng)]