基于真實情境的高中化學實驗設計類問題解決策略教學研究

張唐海

摘要：以“物質分離除雜的實驗設計策略”為例，研究了“基于真實情境的高中化學實驗設計類問題解決策略”的建構、表征、教學模式、教學難點及其應對，以提升學生的創新精神和實踐能力，進一步提高學生的化學學科核心素養.

關鍵詞：真實情境;實驗設計策略;問題解決;高中化學

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2022）21-0127-03

基于真實情境的科學探究實驗是培育學生“科學探究與創新意識”素養的重要載體.而在真實教學過程中，筆者發現，在科學探究實驗過程中，實驗方案的設計是極為關鍵的一步，同時也是學生倍感困難的地方，尤其是實驗方案的全設計，更是許多學生的痛點.

本文選取其中常見的一類“物質分離除雜的實驗”進行深入地分析、研究，重點關注“物質分離除雜的實驗設計策略”的建構、表征、教學模式、教學難點及其應對.

1物質分離除雜的實驗設計策略的建構及表征

化學實驗設計是一項依據一定原理、規則和標準進行的系統而有明確目的的心智活動，是需要運用多種化學知識、化學思維和化學學科核心素養的綜合性活動.化學實驗設計策略或思路是化學實驗設計的靈魂，從知識論的角度來看，它是一類程序性知識，由一系列具有先后順序的認知操作步驟構成.因此，對“物質分離除雜的實驗設計策略”進行建構，關鍵在于對其進行分析解構，用還原論的思維方式從中分解出具有時間屬性的問題解決步驟.筆者運用認知任務分析的方法，對基于真實情境的物質分離除雜的實驗設計過程進行分析，得到如圖1所示的物質分離除雜的實驗設計策略模型.

如圖1的問題線所示，“物質分離除雜的實驗設計”依次需要解決的主要問題為：除什么？怎么除？除得怎樣？依據對這三個關鍵問題的回答，“物質分離除雜的實驗設計思路”可以分為三個環節.其中“怎么除”的環節最為關鍵，需分析出“需要的物質”以及雜質之間的性質差異，并依據這種差異運用物理或化學的方法使它們處于易于分離的不同狀態（固液、液氣等），進而使用相對應的分離方法將其分離.若要進行多組分依次分離除雜，還需考慮分離除雜的順序問題.“物質分離除雜的實驗設計策略模型”采用“雙線圖”來表征，直觀簡明，易于感知、理解與記憶.其中問題線的引入，使人更明確地理解各認知操作的目的，加深對各認知操作的理解，避免學生陷入機械學習的泥淖，真正實現程序性知識的有意義學習和深度學習.

2物質分離除雜的實驗設計策略的教學模式

建構主義教學理論認為，知識是人主觀建構的，學習是學生通過自主體驗、不斷建構富有個人色彩的認知圖式的過程，唯有“做”中學，方能學得深入與徹底.

“物質分離除雜的實驗設計策略”的教學也應采用建構主義的觀點，讓學生親身經歷物質分離除雜實驗的設計與實施的全過程，并引導學生自主建構并修正“物質分離除雜的實驗設計”的思路模型.基于上述理念，筆者提出了如圖2所示的“物質分離除雜的實驗設計策略的教學模式”.

這一教學模式與傳統的教學方式相比，有較大的改進.在物質分離除雜實驗中，要求從設計到驗證再到最終實驗結果的得出，并進行總結和評價，但傳統課堂教學大都給定了實驗所需要的一切，學生只需按部就班，照章進行即可，這在很大程度上束縛了學生在實驗活動中的創造性.而筆者所提的教學模式，有利于突破傳統實驗的結果驗證性的束縛，在幫助學生掌握一定的化學知識和實驗技能外，還提高了學生自主設計、自主完成實驗并對結論進行分析的能力，提升了學生的宏觀物質與微觀粒子間的關聯等的核心素養的培養，促進了學生模型認知、建構與運用的能力.

3物質分離除雜的實驗設計策略的教學案例

3.1真實的問題情境

水污染是目前生活中常見的環境污染問題，對于高中生來說更應該有意識地去保護水資源，防止廢水隨意排放到水體中.某工業廢水中含有大量Na+、Cu2+、Cl-、SO2-4、NO-3.

該廢水中含有超出排放標準的離子（如Cu2+、SO2-4等）時，需要集中處理后才能排放.運用已學習的知識和經驗來設計實驗方案除去該廢水中的Cu2+和SO2-4，并利用化學反應來分離除雜.

3.2教學過程

（1）明確任務：教師在實驗之前要讓學生明確實驗的任務，即運用已學習的知識和經驗來設計實驗方案除去該廢水中的Cu2+和SO2-4，讓學生以小組為單位進行合作，設計出自己的實驗方案，并在學案上用流程圖表示.

（2）第一輪實驗：學生設計好實驗方案后，利用實驗室模擬的“工業廢水”進行小組實驗.通過實施實驗，對自己設計的實驗方案進行驗證，體會設計藍圖與實踐的區別和差距，實驗過程中努力嘗試用實驗手段消除差距，培養解決實際問題的實驗能力.

（3）實驗后反思：通過展示和完整描述實驗方案，引導學生梳理物質分離除雜的實驗設計的核心思路與基本方法，為形成分離除雜思維模型做鋪墊.教師選取甲組同學和乙組同學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.

設置如“如何檢驗甲組的產品是否合格呢？”“沒有除雜干凈，可能的原因是什么？”等問題，使師生進行討論、評價等，加深對多組分混合體系中所加除雜試劑用量、順序等問題的理解，培養分析多組分混合物體系中分離提純問題的能力.

（4）第二輪實驗：通過上述分析，師生一起改進設計方案后再實施實驗、在保證除雜效果的基礎上節省時間.實驗結束后組間互檢產品合格率.通過再次實驗獲取證據，引導學生理解理論設計與實際操作的不同及差距.

（5）模型建構：各組總結、匯報、互評、補充.大家基于實驗過程，在教師的引導下，構建圖1所示的“物質分離除雜的實驗設計策略模型”.通過把分析“除去該廢水中的Cu2+和SO2-4”這一分離除雜問題，上升為分析一般的分離除雜問題，培養學生構建模型認知的核心素養.

（6）遷移應用：布置另一個基于真實情境的物質分離除雜實驗的方案設計任務，培養所習得策略的遷移應用能力.

4物質分離除雜實驗設計的教學難點解決策略

4.1學生模型建構的經驗不足

物質分離除雜實驗教學大多放在高一入學不久之后進行，雖然在此前初中階段學生對這類實驗有所接觸，但很少有模型建構學習的體驗.而模型建構的學習過程是一個由感性到理性、由個別到一般的認知過程，對學生的歸納推理和抽象思維能力要求較高.此外，以圖形的方式對復雜思維模型進行表征對學生的要求較高，也是此前學生較少接觸的認知活動.因此，學生模型建構的經驗不足以及模型建構本身的認知難度，是實驗設計策略的教學難點.

針對學生模型建構的經驗不足，教師應多示范多引導，多給學生充分的自主探索和交流合作的空間，讓學生在不斷地嘗試中獲得模型建構的能力.教師在教學中應培養學生用流程圖表達多步分離除雜方案的能力.通過“設計方案——實施實驗——產品檢驗”環節，體會“理論設計”與“實際操作”的區別，逐步引導學生形成修正、完善模型的素養.4.2學生的必備知識和基本技能薄弱

物質分離除雜的實驗設計策略的另一類教學難點是學生的必備知識和基本技能薄弱，例如對常見離子的檢驗方法、過濾等一些分離方法掌握不牢，對基本實驗操作技能以及記錄和描述實驗過程及現象的能力還不夠成熟.這些雙基的欠缺會阻礙學生實驗設計與實施的進程，進而削弱學生自主建構策略模型的意愿和能力.

教師教學中，應注意學生必備知識的復習與回顧，必要時給予及時而適當的知識支持，提高學生實驗探究的積極體驗，提升學生親自動手的自我效能感與意愿.進行適當引導，將除雜中的加入“過量”除雜試劑由理論層面變成實際操作層面的能力.

4.3教師的綜合能力面臨挑戰

這樣的教學模式，往往在一定程度上加大了教師的負擔，教師在課前、課后都需要認真思考并查找與實驗相關的資料，在教學中還會時常出現跨學科的問題，對教師教學來說是很大的挑戰.但反過來也對教師的專業發展有很大提高，而對學生而言，他們通過自己親自設計和進行實驗，自己的知識經驗得到了重新建構，各種能力都得到了很大的發展.因此，挑戰雖大，但獲益匪淺，教師應迎難而上，更加努力獲取更多的知識，更好地磨煉和提升的實驗技能，積極進行行動研究，以實現高效優質的專業發展.

參考文獻：

[1]張大均.教育心理學[M].北京：人民教育出版社，1999.

[2]付育紅.建構性實驗設計的探索[J].西北民族大學學報（自然科學版），2004（01）：92-94.

[責任編輯：季春陽]