K-W-L教學策略指導下的無機化學實驗教學*
——以物質性質的五個實驗為例

禹國俊，翁哲慧，李艷妮，楊艷華**

(1.昆明學院 化學化工學院，云南 昆明 650214；2.溫州大學 化學與材料工程學院，浙江 溫州 325000)

1986年，美國路易斯大學Ogle教授基于建構主義理論，以問題為中心提出了Step K-What I know(學生已有認知)、Step W-What do I want to learn(學生想學的知識)和Step L-What I learned(學生學到的知識)為步驟的K-W-L教學策略[1]，并在1987年奠定了該策略的基礎研究步驟[2]。該策略是在學生已有認知基礎上，充分遵循學習者主動探究未知領域知識的學習過程(包括思考、閱讀、討論及收集資料等)，并在新的教學情境中，構建舊知與新知間的聯系，對激發(fā)學生學習動力和提升自主學習能力有積極意義[3-4]。

大學化學實驗教學是在規(guī)范學生操作技能的基礎上，讓學生真正參與到實驗過程中，體驗探究過程的樂趣，并加深對理論知識的理解。其中，部分實驗屬于拓展內容，在新情境下學生表現出對知識掌握不牢，知識遷移能力不足的問題。在前期探索開放式實驗教學的基礎上[5-12]，對拓展性實驗使用K-W-L教學策略，采用合理的問題設計，讓學生從科學性和學科性角度對新的情境素材進行分析，通過查閱資料、主動探索、積極嘗試，使學生融入實驗教學中，讓實驗教學活躍起來[13-14]。本文以實驗教學中探究物質性質的5個拓展實驗為例[15]，探索K-W-L教學策略在無機化學實驗教學中的應用。

1 KClO3的氧化性

【實驗內容】分別取半勺KClO3固體和硫粉，混合均勻后用紙包住，放于地上鐵錘擊打，觀察現象并解釋原因。

[K環(huán)節(jié)]KClO3中的Cl顯+5價，S顯0價，兩者可發(fā)生氧化還原反應：KClO3作氧化劑，生成還原產物O2；S作還原劑，生成氧化產物SO2。而O2可與S反應生成SO2而被消耗，因此，KClO3與S反應生成KCl和SO2。

K環(huán)節(jié)主要是探尋學生對此實驗內容的認識及與此內容相關的已有知識。在新的情境下，根據已有認知作為較為合理的推測。

[W環(huán)節(jié)]以熟悉KClO3的制備為例O2，反應需有催化劑且加熱才能進行。查閱資料可知，鞭炮的原理為：

據此推測此反應與鞭炮的原理類似。但具體生成物有哪些？鐵錘擊打的作用是什么？KClO3與S在點燃和擊打條件下的生成物是否一致？

W環(huán)節(jié)主要是激發(fā)學生思考，進而實現自主學習，讓學生帶著問題進行有目的的實驗探索，構建舊知與新知間的聯系。

【實驗現象】實驗現象如圖1所示。鐵錘擊打后發(fā)出響亮的炮炸聲，聞到有刺激性氣味的氣體。一種現象為：濾紙瞬間燃燒，并產生少量的白煙；另一種現象為：濾紙沒有燃燒，產生大量的白煙。根據鞭炮原理推測，白色的煙為爆炸產生的固體小顆粒KCl，刺激性氣味氣體為SO2。點燃和擊打條件下的生成物應該不一樣。

圖1 KClO3和S混合后擊打的實驗現象

[L環(huán)節(jié)]以鞭炮原理為例進行分析，雖然鞭炮爆炸是放熱反應，但需要提供能量以達到反應所需的活化能，反應才可進行。鞭炮外圍包裹的紙層比實驗情境中的更加嚴密，而鐵錘擊打也是外界提供能力的一種形式，因此，此情境下的反應可以發(fā)生。中學采用KClO3制備O2使用MnO2作為催化劑，是通過降低反應活化能，起到加快反應速率的目的。因此，將加熱換為錘擊以提供反應所需能量，在無MnO2下，也能產生O2。

L環(huán)節(jié)主要是教師需對學生在探究活動中所獲取的信息進行總結歸納，引導學生得出實驗結論，并對實驗操作和結論進行評價。進而實現知識的正向遷移，讓學生獲得新的知識且加深對新知的理解。

注意：此反應有一定危險性，取用的KClO3固體和硫粉的量要少，混合均勻時使用塑料藥匙。鐵錘擊打時對準固體混合物多的部分，力度要大。由于取用的KClO3固體和硫粉沒有定量，觀測到兩種實驗現象。

按K-W-L教學策略設計的KClO3氧化性實驗，讓學生體會到了除光照、點燃和加熱外，通過外界機械力提供化學反應能量的方式，一方面，強化了安全意識、增強了實驗趣味性；另一方面，拓展了學科視野，培養(yǎng)實事求是的科學精神。

2 白磷的性質

【實驗內容】取麥粒大小的白磷，并用濾紙吸干表面，放入裝有 1 mL 二硫化碳的坩堝中，輕輕搖動使其溶解。用坩堝鉗夾住一條濾紙，浸入白磷溶解的二硫化碳溶液中。在空氣中搖動濾紙，觀察現象并解釋原因。

[K環(huán)節(jié)]初中化學使用紅磷(元素符號P)燃燒生成P2O5探索空氣的組成。在后續(xù)學習中使用白磷和紅磷分別與氧氣的反應，探索燃燒的三要素為：可燃物、與空氣(氧氣)充分接觸、溫度達到著火點。并已知白磷的著火點比紅磷低、且兩者為同素異形體。

[W環(huán)節(jié)]磷的元素用P表示，白磷和紅磷的分子結構是否一樣？白磷燃燒是否也生成P2O5？為什么可以用CS2溶解白磷？查閱資料可知，白磷用符號P4表示，易溶于CS2等非極性溶劑中。白磷易燃，但初中化學在“燃燒與滅火”課題中，多以教學視頻或教師主講等形式開展演示實驗，學生無親身感受。

【實驗現象】實驗現象如圖2所示。揮動浸泡過CS2溶解的白磷溶液紙條，由于CS2揮發(fā)性較好，揮發(fā)完全后，留在紙條上的白磷自燃。

圖2 浸潤過含有白磷的CS2溶液的濾紙在空氣中燃燒

[L環(huán)節(jié)]白磷用符號P4表示，空間結構呈正四面體，非極性物質，因此，可溶于非極性溶劑。燃燒生成的氧化物主要為P4O10和P4O6，與P4分子的空間結構呈正四面體有關，如圖3所示。P4中的P—P鍵有張力，氧原子可嵌入P—P鍵間形成P4O6。若氧原子中處于p軌道的電子對進入磷原子空的d軌道中形成d-p π配位鍵，即可形成P6O10[16]。

圖3 白磷P4與P4O10和P4O6的空間結構

【實驗原理】白磷與氧氣反應生成P4O10或P4O6。

注意：CS2易揮發(fā)且有毒，取用時不要過多，溶解白磷時速度要快。白磷易自燃，取用時速度要快，此實驗可小組合作完成，需在實驗室通風櫥或風機下完成。

按K-W-L教學策略設計的探究白磷自燃實驗，拓展了磷元素知識體系。通過教師釋疑和學生操作相結合，讓學生深刻體會物質結構與性質的關系。

3 鉛丹(Pb3O4)的組成

【實驗內容】取少量Pb3O4固體與 6 mol/L HNO3(質量分數約為68%)混合并不斷攪拌，觀察固體顏色的變化，并與Pb3O4的顏色進行比較(見圖4)。過濾，固液分離后，濾液放入試管①中，并加入少量K2CrO4溶液，觀察現象并解釋原因。固體放入試管②中，并加入 2 mL 3 mol/L 的H2SO4溶液和2滴 0.1 mol/L 的MnSO4溶液，微熱，靜置澄清后，觀察溶液顏色變化并解釋原因。

圖4 鉛丹的組成實驗步驟及現象

[K環(huán)節(jié)]提及Pb3O4，首先想到的是Fe3O4。中學化學提及黑色的Fe3O4中含有Fe2+和Fe3+，橘紅色的Pb3O4之前未接觸過，對其組成和性質不了解。

[W環(huán)節(jié)]查閱資料可知，鉛丹是古代常用語煉制丹藥的一種物質，且有毒。例如，明代李時珍《本草綱目》記載了鉛丹的炒制方法及其功效；南宋陸游《梅花》中寫道“霧雨更知仙骨別，鉛丹那悟色塵空”；北宋蘇澈《奉使契丹二十八首 神水館寄子瞻兄四絕(十)》中寫道“莫倚皂貂欺朔雪，更催靈火煮鉛丹”中，都對鉛丹的作用及其蘊含的意境進行了描述。那么，鉛丹的組成是什么？

此環(huán)節(jié)主要通過含有鉛丹的古詩詞及文獻記錄，感受古人對鉛丹的認識，激發(fā)學生學習興趣，通過探究鉛丹的組成，更加科學的認識鉛丹的作用。

【實驗現象】實驗現象如圖4所示，Pb3O4與濃HNO3反應后，橘紅色固體變成黑色。固液分離后，盛有濾液的試管①中加入K2CrO4溶液后，有黃色沉淀生成。盛有固體的試管②中加入H2SO4溶液后固體不溶解，再加入MnSO4溶液后，水浴加熱，黑色固體消失，溶液變粉紫色。

[L環(huán)節(jié)]經過分析，黑色固體應為PbO2，試管①中的黃色沉淀為PbCrO4。試管②溶液變澄清，應是酸性條件下，PbO2與MnSO4發(fā)生氧化還原反應。

【實驗原理】Pb3O4+4HNO3(濃)=2Pb(NO3)2+2H2O+PbO2(黑色)

試管①:Pb2++CrO42-=PbCrO4↓(黃色)

試管②: 5PbO2+2Mn2++4H+=5Pb2++2MnO4-+2H2O

因此，根據Pb3O4與濃HNO3的化學反應方程式推斷，鉛丹(Pb3O4)的組成是2PbO·PbO2。

【課外拓展】設計實驗內容，驗證Fe3O4的組成。

【方法導引】[K環(huán)節(jié)]高中化學學過使用KSCN溶液鑒別檢驗Fe3+的存在：SCN-與Fe3+反應，不與Fe2+反應。

[W環(huán)節(jié)]KSCN溶液不能用于同時含有Fe3+和Fe2+的溶液。用什么試劑可以鑒別同一溶液中，含有Fe3+和Fe2+呢？

[L環(huán)節(jié)]取適量Fe3O4固體于試管中，加入鹽酸使其溶解(這時的試管溶液中含有Fe3+和Fe2+，溶液呈黃色)：Fe3O4+8H+=Fe2++2Fe3++4H2O。

方法②：在試管中加入少量蒸餾水，然后加入NH4F溶液(F-與Fe3+反應生成無色的[FeF5(H2O)]2-):Fe3++5F-+H2O=[FeF5(H2O)]2-，黃色溶液逐漸變?yōu)闇\綠色(Fe2+在水溶液中的顏色)。

方法③：試管溶液一份為二，其中一支試管加入KSCN溶液，溶液變紅，說明有Fe3+的存在；另一支試管中加入鐵氰化鉀溶液，溶液變藍，說明有Fe2+的存在。

按K-W-L教學策略設計的探究鉛丹組成實驗，不僅將人文知識與化學知識進行了融合，而且可以培養(yǎng)學生科學的學科思維，從鉛丹的組成中理性看待古人對煉丹的癡迷、藥理學功效和賦予的理想意境。此外，通過課外拓展，進一步培養(yǎng)學生的探究意識和創(chuàng)新意識。

4 Al與O2的反應

【實驗內容】取一片砂紙打磨過的潔凈鋁片，表面滴加2滴 0.5 mol/L 的HgCl2溶液。當HgCl2溶液覆蓋的鋁片區(qū)域顏色由銀白色轉變成灰色時，用棉花將溶液擦干。觀察鋁片表面的變化并解釋原因。

[K環(huán)節(jié)]Al與O2在高溫條件下發(fā)生反應，生成Al2O3。Al在空氣中時，表面生成致密氧化膜，不能進一步反應，且可在冷的濃硝酸和濃硫酸中發(fā)生鈍化。

[W環(huán)節(jié)]HgCl2在這里的作用可能是降低反應活化能，起到催化劑的作用。

[L環(huán)節(jié)]Hg的金屬活動性排在Al的后面，因此，單質Al可從Hg的化合物中置換單質Hg。在HgCl2溶液與Al片的界面間有單質微量的Hg產生，以活潑金屬Al為負極、惰性金屬Hg為正極、HgCl2為電解液，組成原電池，加快了Al的氧化，此時，Al片表面的銀白色轉變成灰色。擦去HgCl2溶液后，生成的Al2O3與空氣接觸后，受潮，變成蓬松狀。

【實驗原理】Al與O2反應生成生成Al2O3。

HgCl2屬于危險化學品，有劇毒，此實驗不宜在實驗教學中開展，此實驗以講解的形式進行。一方面，在已熟知的知識點上進行面的拓展；另一方面，開拓學生學科思維，培養(yǎng)學生科學精神。

5 鋅鋇白的制備

【實驗內容】在試管中加入 1 mL 0.2 mol/L 的BaS溶液，然后交替加入 0.2 mol/L 的ZnSO4溶液和 0.2 mol/L 的BaS溶液，并不斷攪拌。維持溶液pH為8 ～ 9，靜置后，傾析法分離固體。

[W環(huán)節(jié)]生成的ZnS和BaSO4都為白色沉淀，不易區(qū)分，鋅鋇白到底是哪種沉淀？

【實驗現象】實驗現象如圖5所示(試管中產生白色沉淀)。

圖5 鋅鋇白實驗現象

[L環(huán)節(jié)]生成的兩種白色沉淀ZnS和BaSO4混合在一起，以ZnS·BaSO4的形式出現。此復鹽俗稱立德粉，可用于油漆、油墨和橡膠等的著色，是一種性能優(yōu)良的白色顏料。

【實驗原理】ZnSO4(aq)+BaS(aq)=ZnS·BaSO4↓

此實驗內容相對簡單，但在K-W-L策略的教學環(huán)境下，不僅可以培養(yǎng)學生學以致用的意識，而且還可以增強學生的學科認同感。

綜上所述，K-W-L教學策略在5個實驗中的應用設計如表1所示。K-W-L教學策略應用在實驗教學中的拓展實驗時，通過合理的問題設計與教師引導，在規(guī)范實驗操作的基礎上，實現了舊知與新知的過渡，符合“最近發(fā)展區(qū)”和“先行組織者”理論。在新的素材情境下，實現了學生自主學習與探究學習相結合，有利于增加學生的認知內容。K-W-L教學策略的實施，不僅有利于培養(yǎng)學生問題意識和探究意識，而且對培養(yǎng)學生科學實驗思維和研究能力有積極的促進作用。

表1 K-W-L教學策略在5個實驗中的應用舉例

6 展望

K-W-L教學策略在發(fā)展學生元認知、構建學科思維、突出學生的主體地位和教師主導作用方面，有積極的促進作用[2]。通過選取合適的教學內容，根據實際情況適當調整K-W-L策略，在探索物質基本性質和掌握實驗操作的基礎上，使學生更好的參與到教學過程中，提升無機化學實驗的課堂教學質量。