聚焦高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升學(xué)生創(chuàng)新思維能力*

◎ 孫衛(wèi)中 夏向東

一、創(chuàng)新思維概述

創(chuàng)新思維是一種高階思維，是人類思維的高級形態(tài)。創(chuàng)新思維包含了多種思維方式，如聚合思維、發(fā)散思維、辯證思維、邏輯思維等。在運(yùn)行過程中，各種思維方式相互配合，相互作用，從而形成一個(gè)有機(jī)復(fù)合體。作為一種新的思維形態(tài)，創(chuàng)新思維的主要特點(diǎn)有：思維形式的反常性，思維過程的辯證性，思維空間的開放性，思維成果的獨(dú)創(chuàng)性和思維主體的能動(dòng)性。［1］

從高中生學(xué)習(xí)的角度看，創(chuàng)新思維可以理解為“學(xué)生突破舊有的思維模式，運(yùn)用多種思維方式重新組織已有信息、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)等要素，從而使認(rèn)識(shí)或?qū)嵺`取得突破性進(jìn)展的思維活動(dòng)”。

二、化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新空間

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱《2020 修訂版課標(biāo)》）重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。［2］

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是研究和學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本方法，是提升學(xué)生創(chuàng)新思維能力、進(jìn)行科學(xué)探究的一種重要途徑。化學(xué)實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，有助于開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，有助于提高學(xué)生的獨(dú)立思考能力，并有助于改善化學(xué)教學(xué)方式，促進(jìn)教學(xué)改革。

滬科版高中化學(xué)新教材專門設(shè)置了“實(shí)驗(yàn)探究”欄目，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，或設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探究；鼓勵(lì)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)和提出問題，作出有依據(jù)的假設(shè)，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析、比較、概括、解釋、推理、建構(gòu)模型，在探究過程中經(jīng)歷發(fā)散、想象、創(chuàng)意、批判性思考等創(chuàng)新思維活動(dòng)，為學(xué)生提供了探索和創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，也為化學(xué)教學(xué)開拓了巨大的創(chuàng)新空間。

三、基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)路徑

在如何利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)來提升學(xué)生創(chuàng)新思維方面，不同研究者觀點(diǎn)不一，如李鳳花提出了“四化”觀，即實(shí)驗(yàn)內(nèi)容問題化、生活問題實(shí)驗(yàn)化、實(shí)驗(yàn)方式多樣化、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新化；黃微等則從改善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法兩個(gè)方面進(jìn)行了闡述。

筆者認(rèn)為，基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生的創(chuàng)新思維，首先要構(gòu)建化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教育教學(xué)路徑，既離不開教師的科學(xué)引導(dǎo)和學(xué)生主體作用的發(fā)揮，又應(yīng)貫穿教學(xué)實(shí)施與評價(jià)的全過程，為此設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑如圖1 所示。

圖1 基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)提升創(chuàng)新思維的教學(xué)路徑

在引導(dǎo)方面，教師可以首先運(yùn)用提出問題、演示實(shí)驗(yàn)等方式為學(xué)生創(chuàng)造創(chuàng)新情境，引發(fā)學(xué)生感悟與思考。然后實(shí)施必要的啟發(fā)誘導(dǎo)，通過開展開放式探究活動(dòng)增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)機(jī)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，同時(shí)也有助于挖掘?qū)W生的潛能。接著由教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，在探索設(shè)計(jì)過程中學(xué)生的創(chuàng)新思維和技能也會(huì)得到鍛煉和提升。最后再輔以科學(xué)的評價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生分析和討論創(chuàng)新成果，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新行為。

四、基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)實(shí)踐

《2020 修訂版課標(biāo)》強(qiáng)調(diào)要以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，有機(jī)化學(xué)模塊的學(xué)科大概念為“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”，針對苯酚教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，抽提出次級學(xué)科大概念“基團(tuán)間相互影響，使得鍵的極性發(fā)生改變，引起化合物性質(zhì)的差異”。在這一思想的指導(dǎo)下，筆者將本次化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的推進(jìn)路徑設(shè)計(jì)為“根據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測→通過實(shí)驗(yàn)獲得證據(jù)→基于證據(jù)進(jìn)行推理”。下文將重點(diǎn)闡述實(shí)驗(yàn)探究過程，以及如何提升學(xué)生的創(chuàng)新思維。

（一）情境導(dǎo)入：設(shè)計(jì)魔法實(shí)驗(yàn)，提升聚合思維

教師以“茶水變色”的魔法實(shí)驗(yàn)引入新課，具體操作如下：取兩只茶杯，分別裝棕黃色的“茶水”，再將其同時(shí)倒入一只高腳杯中，很快看到“茶水”變?yōu)樽虾谏Ｔ趯W(xué)生的一片驚呼聲中，教師拋出第一個(gè)問題：這兩杯中都是真正的“茶水”嗎？學(xué)生都會(huì)意地?fù)u頭。接著教師告知一杯中是真的茶水，另一杯是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的鐵鹽溶液，學(xué)生思維很快聚焦于氯化鐵溶液。教師繼續(xù)拋出第二個(gè)問題：茶水遇氯化鐵為什么會(huì)變色呢？借此引出茶水中含茶多酚，茶多酚遇鐵離子發(fā)生顯色反應(yīng)。PPT 呈現(xiàn)生活中的酚類物質(zhì)如芝麻酚、丁香酚、麝香草酚等的結(jié)構(gòu)簡式，在學(xué)生思維發(fā)散于生活中的酚類物質(zhì)之時(shí)，教師提出第三個(gè)問題：酚有什么樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？最簡單的酚是哪種酚？從而借助實(shí)驗(yàn)引入本節(jié)課的學(xué)習(xí)主題——苯酚。

（二）核心環(huán)節(jié)：基于實(shí)驗(yàn)，探究苯酚的性質(zhì)

1. 實(shí)驗(yàn)一：探究苯酚的溶解性

常溫時(shí)，苯酚是一種無色晶體，難溶于水，溫度高于65℃時(shí)，能與水以任意比例互溶。學(xué)生設(shè)計(jì)小組實(shí)驗(yàn)，探究苯酚的溶解性。教師引導(dǎo)學(xué)生將苯酚固體加入水中，振蕩后直觀感受“清水變牛奶”的過程，在用酒精燈加熱后“牛奶變清水”，再將加熱后的試管放入冷水中，又看到“清水變牛奶”的現(xiàn)象。學(xué)生的思維被激發(fā)后，提出問題：苯酚溶于冷水后形成的是懸濁液嗎？在學(xué)生的討論中，引導(dǎo)學(xué)生將試管中的濁液靜置，發(fā)現(xiàn)試管底部出現(xiàn)的是油狀液體（見圖2），而不是固體，對既有經(jīng)驗(yàn)形成了挑戰(zhàn)，對思維形成了沖擊。

圖2 苯酚濁液靜置分層

教師從學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展角度提出問題：從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度分析，為什么苯酚的性質(zhì)與其他固體溶于水的現(xiàn)象不同？以此引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)苯酚和水的分子結(jié)構(gòu)，從分子極性、氫鍵的角度分析，體會(huì)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科大概念，拓展思維空間的開放性。

2.實(shí)驗(yàn)二：探究苯酚的酸性

教師從苯酚的俗名“石炭酸”出發(fā)，推斷出苯酚有酸性，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究苯酚的酸性。從發(fā)散思維的角度，學(xué)生提出了不同的實(shí)驗(yàn)方案：利用pH 試紙測苯酚溶液的pH；滴加石蕊試液，觀察是否變紅；在苯酚濁液中滴加氫氧化鈉溶液，觀察是否變澄清；借助數(shù)字傳感器測苯酚溶液的酸堿度……

教材中明確指出“苯酚不能使紫色石蕊試液變紅”，但學(xué)生在小組實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)了異常現(xiàn)象，苯酚的濃溶液可以使紫色石蕊試液變紅，而在蒸餾水中，紫色無變化。教師敏銳地抓住這個(gè)可以提升學(xué)生創(chuàng)新思維的生長點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從濃度、苯酚的電離常數(shù)等角度展開討論。通過計(jì)算，飽和苯酚溶液電離的氫離子濃度為1.05×10-5mol·L-1，滿足了石蕊變紅對氫離子濃度的要求，因此有學(xué)生建議教材修訂時(shí)能對這一內(nèi)容進(jìn)行淡化處理或描述為“苯酚稀溶液不能使紫色石蕊試液變紅”。這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生的批判性思維得到了發(fā)展，真正做到了不唯書、不唯上，只唯實(shí)，也詮釋了化學(xué)家傅鷹先生的名言“實(shí)驗(yàn)是化學(xué)的最高法庭”。

基于苯酚溶液呈酸性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師提出問題：乙醇和苯酚都含有官能團(tuán)羥基，為什么苯酚有酸性，乙醇沒有酸性？以此引導(dǎo)學(xué)生從基團(tuán)間相互影響的角度分析苯環(huán)對羥基的影響大于乙基對羥基的影響。在苯酚的結(jié)構(gòu)中，苯環(huán)和羥基氧形成p-π 共軛，導(dǎo)致O—H 鍵極性增強(qiáng)，氫原子易電離而呈酸性，從而使學(xué)生對苯酚的認(rèn)識(shí)上升到一個(gè)新的思維層次。

3.實(shí)驗(yàn)三：探究苯酚和碳酸的酸性強(qiáng)弱

如何比較苯酚和碳酸的酸性強(qiáng)弱呢？學(xué)生討論后，教師引導(dǎo)學(xué)生將思維的方向聚焦于強(qiáng)酸制弱酸，利用向苯酚鈉溶液中通入二氧化碳的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。問題的關(guān)鍵在于如何得到二氧化碳?xì)怏w，有吹氣法、維生素C 泡騰片產(chǎn)氣法、實(shí)驗(yàn)室二氧化碳制備法、二氧化碳鋼瓶通氣法等。小組實(shí)驗(yàn)后，吹氣法宣告失敗，另三種方法均能看到溶液變渾濁的現(xiàn)象。教師引導(dǎo)學(xué)生查閱維生素C 泡騰片的成分后，發(fā)現(xiàn)含檸檬酸，因此直接向苯酚鈉溶液中加泡騰片的方案受到了質(zhì)疑，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不能支撐碳酸酸性強(qiáng)于苯酚的結(jié)論。所以通入苯酚鈉溶液中的二氧化碳?xì)怏w需凈化，于是二氧化碳鋼瓶就成了學(xué)生推選的最優(yōu)選項(xiàng)。

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師提出問題：如何從理論角度比較苯酚和碳酸的酸性強(qiáng)弱？從直觀思維升級為邏輯思維，從基團(tuán)間相互影響的角度，學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較得出羧基對O—H 鍵極性的影響強(qiáng)于苯環(huán)，碳酸分子中的氫原子更易電離，因此其酸性較苯酚強(qiáng)。教師再給出苯酚和碳酸的電離平衡常數(shù)，因此學(xué)生從定量的角度得出結(jié)論，完成了思維的閉環(huán)。

4.實(shí)驗(yàn)四：探究苯環(huán)上的取代反應(yīng)

苯酚可以與濃溴水在常溫下反應(yīng)，生成2，4，6-三溴苯酚白色沉淀，教材中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案是往盛有稀的苯酚溶液中加入適量的濃溴水，并觀察現(xiàn)象。但實(shí)驗(yàn)時(shí)濃溴水的揮發(fā)性較強(qiáng)，污染嚴(yán)重，且較難控制用量，不能看到明顯的白色沉淀。教師引導(dǎo)學(xué)生思考，發(fā)展辯證思維，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案為：將濃溴水裝在西林瓶中，用注射器向西林瓶中注入苯酚溶液（見圖3），各小組實(shí)驗(yàn)都獲得了成功，觀察到了明顯的白色沉淀。

圖3 苯酚的溴代反應(yīng)

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系甲苯硝化制TNT 的反應(yīng)，體會(huì)甲基對苯環(huán)性質(zhì)的影響，繼而結(jié)合苯酚的分子結(jié)構(gòu)，分析羥基也會(huì)對苯環(huán)產(chǎn)生影響，尤其會(huì)使處于酚羥基的鄰位和對位上的氫原子非常容易被取代。其根源在于羥基增加了苯環(huán)上電子云的密度，尤其是鄰對位，從而活化了苯環(huán)。憑借對問題的感性認(rèn)識(shí)，通過判斷、推理揭示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后隱含的必然規(guī)律，發(fā)展和提升了學(xué)生的邏輯思維品質(zhì)。

5.實(shí)驗(yàn)五：苯酚的顯色反應(yīng)，提升聚合思維和逆向思維

教師在引入環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)了“茶水變色”的魔法實(shí)驗(yàn)。茶多酚遇三氯化鐵溶液顯紫色，那苯酚和三氯化鐵混合后有沒有明顯的顏色變化呢？學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：向盛有少量苯酚稀溶液的試管中，滴入幾滴FeCl3溶液，振蕩后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

根據(jù)苯酚與FeCl3溶液反應(yīng)會(huì)顯色的性質(zhì)，可以檢驗(yàn)苯酚的存在。教師引導(dǎo)學(xué)生思考，F(xiàn)e3+可以檢驗(yàn)苯酚，反過來，苯酚也可用于檢驗(yàn)溶液中的Fe3+，由此發(fā)展了學(xué)生的逆向思維。

五、基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生創(chuàng)新思維教學(xué)實(shí)踐的啟示

（一）化學(xué)實(shí)驗(yàn)是提升學(xué)生創(chuàng)新思維的有效載體

在“苯酚”一課的教學(xué)實(shí)踐中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)串起課堂的不同環(huán)節(jié)。“茶水變色”的魔法實(shí)驗(yàn)與苯酚顯色反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)首尾呼應(yīng)，從實(shí)驗(yàn)激趣到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，酚類物質(zhì)的定性檢測方法油然而生。苯酚的溶解性實(shí)驗(yàn)顛覆了學(xué)生的固有思維，固體溶于水也能形成乳濁液，這一異常的實(shí)驗(yàn)結(jié)果拓展了思維的寬度，也激發(fā)了學(xué)生從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行探究的欲望。苯酚的酸性與碳酸酸性強(qiáng)弱的探究實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷了思維的發(fā)散、聚合、邏輯推理、辯證思考等過程，最終得出苯環(huán)活化羥基的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)的載體作用得到了淋漓盡致的發(fā)揮。苯酚的溴代反應(yīng)實(shí)驗(yàn)則從逆向思考的角度拓展了思維的寬度，并最終落實(shí)到羥基對苯環(huán)的活化，鞏固和強(qiáng)化了學(xué)生對有機(jī)化合物分子內(nèi)基團(tuán)間相互作用的認(rèn)識(shí)。

（二）充分挖掘化學(xué)新教材實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新方向

化學(xué)新教材設(shè)置了“實(shí)驗(yàn)探究”欄目，一些經(jīng)典的演示實(shí)驗(yàn)以創(chuàng)新的形式呈現(xiàn)，如氨氣和氯化氫的反應(yīng)，改為塑料瓶中的反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯同時(shí)又兼顧了學(xué)生環(huán)保意識(shí)的培養(yǎng)；在乙醇催化氧化的實(shí)驗(yàn)中，選擇希夫試劑來檢驗(yàn)乙醛，相較于老教材，現(xiàn)象更清晰，指向性更明確，充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。

教材還設(shè)計(jì)了一系列項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)，如“如何測定氣體摩爾體積”“如何測定硫酸銅晶體中結(jié)晶水的含量”“如何測定菠菜中鐵元素的含量”“如何利用數(shù)據(jù)庫探究有機(jī)分子的空間結(jié)構(gòu)”等。項(xiàng)目化學(xué)習(xí)如何開展，如何發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)，如何突破思維瓶頸，促進(jìn)創(chuàng)新思維品質(zhì)的發(fā)展，都是大有可為的研究方向。