依托變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的教學(xué)實(shí)踐探究
——以“物質(zhì)的分離提純”為例

江蘇省前黃高級(jí)中學(xué)國(guó)際分校(213100) 葛蕊干

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》明確指出，化學(xué)教學(xué)應(yīng)該“創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變”“學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展是一個(gè)自我建構(gòu)、不斷提升的過程，教師要緊緊圍繞化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生積極開展建構(gòu)學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和問題解決學(xué)習(xí)”[1]?；谧儤?gòu)學(xué)習(xí)模型的教學(xué)注重創(chuàng)設(shè)真實(shí)的教學(xué)情境，激活學(xué)生的原有認(rèn)知，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行概念體系的“解構(gòu)”和“建構(gòu)”，從而創(chuàng)生新知、不斷提升。

1 變構(gòu)學(xué)習(xí)模型應(yīng)用于高中化學(xué)教學(xué)的可行性

變構(gòu)學(xué)習(xí)模型是20世紀(jì)80年代后期由瑞士科學(xué)教育專家安德烈·焦?fàn)柈?dāng)教授團(tuán)隊(duì)提出的，對(duì)歐洲的科學(xué)教育產(chǎn)生了重要的影響。變構(gòu)學(xué)習(xí)模型繼承和發(fā)揚(yáng)了皮亞杰的建構(gòu)主義學(xué)說，同時(shí)可以彌補(bǔ)建構(gòu)主義在解釋真實(shí)復(fù)雜情境中的學(xué)習(xí)現(xiàn)象的不足[2]。華東師范大學(xué)的裴新寧教授對(duì)變構(gòu)學(xué)習(xí)模型進(jìn)行了深入的研究，裴教授指出，學(xué)生在進(jìn)行研究之前，已經(jīng)有了相關(guān)的概念系統(tǒng)，而學(xué)生的概念系統(tǒng)可能會(huì)成為學(xué)習(xí)的障礙。對(duì)于大多數(shù)學(xué)生而言，必須在指導(dǎo)性學(xué)習(xí)環(huán)境中借由“解構(gòu)-建構(gòu)”的方式，來戰(zhàn)勝障礙[2]。吳濤在其博士學(xué)位論文中指出，“調(diào)用”變構(gòu)學(xué)習(xí)模型，有利于改善我國(guó)科學(xué)學(xué)習(xí)和教學(xué)實(shí)踐[3]；范韋芳在變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的指導(dǎo)下開展了高中化學(xué)“導(dǎo)致悖論”的教學(xué)設(shè)計(jì)[4]；許玉明在變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的指導(dǎo)下開展了“電解原理”的教學(xué)設(shè)計(jì)[5]?？梢姡儤?gòu)學(xué)習(xí)模型可以為一線教學(xué)提供新思路，在解決真實(shí)復(fù)雜情境時(shí)尤為有效。

2 依托變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的教學(xué)基本程序

變構(gòu)學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，有效學(xué)習(xí)應(yīng)該是概念系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的過程，教師應(yīng)當(dāng)提供合適的學(xué)習(xí)環(huán)境，促使學(xué)生不斷探索創(chuàng)新。在化學(xué)教學(xué)中基于變構(gòu)學(xué)習(xí)模型，形成如圖1所示的教學(xué)基本程序。

圖1 基于變構(gòu)學(xué)習(xí)理論的教學(xué)基本程序

3 依托變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的“分離提純”教學(xué)分析

“物質(zhì)的分離提純”是化學(xué)的基本研究方法，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容。課標(biāo)指出：初步學(xué)會(huì)物質(zhì)分離、提純等化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能；學(xué)習(xí)進(jìn)行物質(zhì)分離的化學(xué)實(shí)驗(yàn)及探究活動(dòng)的核心思路與基本方法。在教學(xué)策略中還強(qiáng)調(diào)要選取真實(shí)的、有意義的、引發(fā)學(xué)生興趣的探究問題；改變?cè)趯?shí)驗(yàn)中注重動(dòng)手但缺少思考的現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)高階思維過程。

“物質(zhì)的分離提純”是蘇教版化學(xué)必修第一冊(cè)專題2“研究物質(zhì)的基本方法”的第1單元教學(xué)內(nèi)容的一部分，教材的編排以人類認(rèn)識(shí)與改造自然的實(shí)驗(yàn)方法的產(chǎn)生與發(fā)展為線索，在學(xué)科提煉方面引導(dǎo)學(xué)生思考物質(zhì)分離提純的思想方法，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)和重要內(nèi)容。近年來的高考試卷中就有直接考查分離提純的考題，如2019年全國(guó)卷Ⅱ理綜化學(xué)第10題，該題考查了實(shí)驗(yàn)室從茶葉中提取咖啡因的實(shí)驗(yàn)流程。基于以上分析，教師先通過訪談交流等形式了解學(xué)生原有的概念體(學(xué)生已經(jīng)知道分離可溶于水與難溶于水的兩種固體混合物時(shí)，可以利用溶解性的差異進(jìn)行溶解和過濾；了解可以根據(jù)溶解度的差異進(jìn)行結(jié)晶操作)；再選取真實(shí)情境來促進(jìn)學(xué)生概念體的解構(gòu)與建構(gòu)。本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 “物質(zhì)的分離提純”教學(xué)設(shè)計(jì)思路

4 依托變構(gòu)學(xué)習(xí)模型的“分離提純”教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 環(huán)節(jié)一：預(yù)設(shè)情境，概念解構(gòu)

引入：今天我們的故事要從一株神奇的中國(guó)小草說起。我們來一起猜猜看，看誰能搶先答出來?！笆澜缏劽?；諾貝爾獎(jiǎng)；屠呦呦；瘧疾；藥品純度要求高?！?/p>

生：青蒿。

實(shí)物展示：藥店購(gòu)買的青蒿中草藥。

師：跟著屠呦呦團(tuán)隊(duì)的腳步，我們來查閱東晉葛洪《肘后備急方》，水漬青蒿。

實(shí)物展示：展示用水浸泡青蒿的試劑瓶。

問題1：閱讀資料卡，選擇合適的溶劑萃取青蒿素。

資料卡：青蒿素因提煉自青蒿葉而得名，是一種無色針狀晶體，受熱易分解。青蒿素可溶于乙醇、乙醚，幾乎不溶于水。

生：用水漬的方法處理青蒿，很難溶解出青蒿素，因?yàn)榍噍锼氐乃苄圆缓茫忠驗(yàn)橐掖急纫颐殉Ｒ娨椎?，所以可以先嘗試使用乙醇溶解青蒿素。

實(shí)物展示：展示用乙醇浸泡青蒿的試劑瓶。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：

(1)將萬用滴管中的水和四氯化碳(CCl4)分別擠入試管中，觀察現(xiàn)象。

(2)將萬用滴管中的碘水和四氯化碳(CCl4)分別擠入試管中，觀察現(xiàn)象；充分振蕩滴管，再觀察現(xiàn)象。

(3)將萬用滴管中的碘水和乙醇分別擠入試管中，觀察現(xiàn)象。

思考：萃取適用于分離怎樣的混合物？如何得到碘的CCl4溶液？

師：展示萃取分液操作，并討論操作要點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：從中國(guó)人的驕傲——青蒿素和屠呦呦引入課題，引發(fā)學(xué)生對(duì)中華優(yōu)秀文化的認(rèn)同，增強(qiáng)文化自信。學(xué)習(xí)科學(xué)家從查閱資料開始研究的方法，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。始終讓學(xué)生沉浸在真實(shí)的情境和物品中，吸引學(xué)生主動(dòng)參與研究。

4.2 環(huán)節(jié)二：多重提問，概念建構(gòu)

問題2：可以用萃取、分液的方法從青蒿素的乙醇浸泡液中獲得產(chǎn)品嗎？

小組討論：選擇合適的分離方法。

生：先過濾、再蒸發(fā)。

生：我認(rèn)為蒸發(fā)不好，因?yàn)榫凭珦]發(fā)到空氣中，不安全，浪費(fèi)。如果能先蒸發(fā)、再冷卻就好了。

思考：分離沸點(diǎn)相差大的混合物，如何改進(jìn)裝置？可以從3個(gè)部分考慮：蒸發(fā)、冷凝、收集(給出如圖3所示的裝置圖供學(xué)生選擇)。

圖3 供學(xué)生選擇裝置圖

生：拖動(dòng)圖片，拼出蒸餾裝置圖。

實(shí)驗(yàn)：搭建蒸餾裝置，提問要點(diǎn)(溫度計(jì)位置，冷卻水方向)。

初步建構(gòu)化學(xué)模型(見圖4)。

圖4 化學(xué)模型

設(shè)計(jì)意圖：在教學(xué)過程中將介紹裝置改為了改進(jìn)和設(shè)計(jì)裝置，讓學(xué)生交流、嘗試、質(zhì)疑和總結(jié)，學(xué)生獲得的是高階思維能力。

4.3 環(huán)節(jié)三：質(zhì)疑再探，概念延伸

師：實(shí)驗(yàn)獲得的晶體中青蒿素含量非常少。如何改進(jìn)？

問題3：請(qǐng)同學(xué)們?cè)u(píng)估以上化學(xué)模型，小組討論改進(jìn)青蒿素的分離提純方案。

師：再次回顧資料卡，青蒿素受熱易分解，并補(bǔ)充乙醇沸點(diǎn)78 ℃，乙醚沸點(diǎn)35 ℃。

生：試劑可以換成乙醚。

修正化學(xué)模型(見圖5)。

圖5 修正后的化學(xué)模型

4.4 環(huán)節(jié)四：調(diào)用知識(shí)，概念應(yīng)用

對(duì)比真實(shí)的青蒿素提取工業(yè)流程，優(yōu)化化學(xué)模型(見圖6)。

圖6 優(yōu)化后的化學(xué)模型

生：粉碎可以增大接觸面積，有利于萃取有效物質(zhì)；活性炭吸附可以吸附色素等。

生：討論后選擇用減壓蒸餾裝置的原因是可以降低壓強(qiáng)，從而降低乙醇的沸騰溫度，這樣青蒿素就不容易受熱分解了。得到粗品之后可以再次萃取、減壓蒸餾得到青蒿素精品，有利于達(dá)到藥品的純度要求。

課后探索：查閱資料，小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：從茶葉中提取咖啡因。

設(shè)計(jì)意圖：通過真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生不斷深入研究，學(xué)習(xí)經(jīng)過了建構(gòu)-解構(gòu)-再建構(gòu)的過程，實(shí)現(xiàn)了新舊概念的更替和高階思維能力的發(fā)展。

基于變構(gòu)主義模型的教學(xué)是一種源于智慧、成于思辨的教學(xué)。在教學(xué)活動(dòng)中，教師給學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)“肯定—否定—肯定”的反思性學(xué)習(xí)過程：學(xué)生的學(xué)習(xí)基于原有的概念系統(tǒng)；但是在復(fù)雜情境中，學(xué)生遇到問題，自發(fā)地質(zhì)疑、思考和探索。通過教師的指點(diǎn)迷津和生生互動(dòng)的思維碰撞，學(xué)生最終能夠收獲問題解決的喜悅，并形成相應(yīng)的認(rèn)知模型解決問題。