中学化学实验中的开放性问题：特征、类型及教学策略

侯帅+王后雄

摘要：化学实验中开放性问题自然存在，具有问题呈现情境化、问题结论多样化、问题解决探究性、解决思维发散性等特征。根据化学实验开放性问题的解决过程可以将化学实验中的开放性问题划分为：实验结论开放型、实验体系开放型、开放探究型等。以下策略能帮助化学实验开放性问题在化学教学中有效实施：鼓励可能方案的设想、促进小组深入探讨、实施客观有效的评价、注重基于评价的优化等。

关键词：化学实验；开放性问题；特征；类型；教学策略

文章编号：1005–6629（2015）9–0007–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

在化学教学中，化学实验中的开放性问题为科学探究提供了丰富的素材。开放性问题的解决过程通常含有很大的探究成分，对学生假设能力和发散思维的培养具有独特的作用。因此，在化学实验教学中注重利用开放性问题促进学生学习有着重要的意义。《普通高中化学课程标准（实验）》指出，要注意增加开放题的比例，鼓励学生综合运用已学知识，从不同角度、不同层次进行思考，创造性地解决问题[1]。为此，本文拟对化学实验中开放性问题的特征、类型及教学策略进行研究。

1 化学实验中开放性问题的特征

目前对于开放性问题的界定尚未达成一致，梳理已有的研究成果，可将化学实验中开放性问题描述为化学实验中的那些结构不良、允许学生个性解答的问题。化学实验中开放性问题有以下特征：

1.1 问题呈现情境化

杜威的实用主义知识观特别强调问题情境的作用，认为真诚的困惑与真实的问题情境是教学的根本。化学实验中的开放性问题往往源自学生的化学学习、社会生活实际情境，不仅能激发学生学习兴趣，还可以帮助学生更好地体会化学实验的本质和价值，让学生在知道和理解化学知识的基础上，能够清楚所学的知识能用来做什么和怎么做。

1.2 问题结论多样化

化学实验中的传统问题多是化学性质的判断、化学事实的验证、化学结论的应用等形式，往往结构单一，思路单一，结论单一。而化学实验中开放性问题结构则呈现多样形式，问题的初始条件、解决途径、问题结论等都具有不确定性，有的是追溯多种条件，有的需找寻多种操作，有的要探究多种结论等等，需要学生充分发挥其能动性和创造性，寻求问题的多种解答。

1.3 问题解决探究性

化学实验中开放性问题的解决过程通常呈现非线性状态，在问题解决过程中会遇到挫折、失败或停顿等，需要不断提出猜想，不断验证，多层次多角度地寻找解决问题的方法。其中元认知成分和非认知成分在开放性问题解决中发挥重要作用。格拉斯（Class，1984）的问题解决过程模型很好地诠释了化学实验中开放性问题解决的探究性[2]。

1.4 解决思维发散性

发散性思维是创造性思维的核心组成，也是开放性问题解决的必要条件和最终目的。发散思维要求学生能从已知条件中筛选有用信息，以个人相关经验为基点，从不同角度出发，采用多种方法解决问题。化学实验中的开放性问题解决需要学生多角度探索问题解决的方向，多层次推进问题深入，探究多种结果并选择最佳途径。

2 化学实验中开放性问题的类型

化学实验中开放性问题的解决过程通常是围绕研究问题设计解决问题的实验体系，并在实验实施过程中选择正确的操作方法，不断探究问题的结果。根据化学实验问题解决过程中各要素开放程度不同，可以将化学实验问题划分为开放层次不同的问题类型：验证型、实验结论开放型、实验操作开放型、实验装置开放型、实验方案开放型、开放探究型，其中实验操作开放型、实验装置开放型和实验体系开放型为同一层次，属于实验体系开放型问题，具体情况见表1。

2.1 实验结论开放型

实验结论开放型问题属于开放型问题的第一个层次，开放性程度很低，具有给定的研究问题和实验体系，探究实验的不同结论。

例1 有一包固体粉末可能由KCl、K2CO3、Na2SO4、FeCl3、Ba（NO3）2的一种或几种组成，某同学做了有关实验检验其成分。下表是他的实验报告的一部分，请你根据自己的分析和判断将实验报告填写完整（假设各步恰好完全反应），并写出固体粉末的可能组成。

该问题是典型的实验结论开放型问题，在该情境中学生要思考解决问题的步骤，根据不同的实验现象，得出不同的结论，问题的最终答案也各不相同。固体粉末可能组成为：Ba（NO3）2、K2CO3；Ba（NO3）2、K2CO3、KCl；Ba（NO3）2、Na2SO4；Ba（NO3）2、Na2SO4、KCl；K2CO3、Na2SO4、Ba（NO3）2；KCl、K2CO3、Na2SO4、Ba（NO3）2。

2.2 实验体系开放型

宋心琦教授曾对化学实验体系做了要素分析并指出：一个化学实验，不论是演示实验还是教学实验，都可以归纳为：作为实验对象的物质体系（若目的在于探究化学变化过程，也可以称作化学体系）；适当的仪器装置和必要的安全措施；合理的实验步骤和规范的技术操作等三个方面[3]。实验体系开放表现为根据一定实验目的选择适当的化学体系、合理的实验装置等，设计可行的实验方案；根据实验体系中各要素开放性不同，又可对实验体系开放进一步分类：实验操作开放、实验装置开放和实验方案开放等类型。

2.2.1 实验操作开放型

实验操作是根据实验要求进行的程序性设计，合理的实验操作是实验顺利实施并得到正确结论的保证。实验操作的开放表现为对一个研究问题，可以设计不同的实验操作来完成实验要求。

例2 （2003年江苏）（1）无水乙酸又称冰醋酸（其熔点为16.6℃）。在室温较低时，无水乙酸就会凝结成像冰一样的晶体。

请简单说明在实验中若遇到这种情况时，你将如何从试剂瓶中取出无水乙酸。

欲使冰醋酸晶体熔化，其方法可以多种多样，如：在实验室中用水浴加热，水浴温度容易控制，且可使试剂瓶受热均匀；也可以先打开试剂瓶盖，在瓶下垫热毛巾，待晶体熔化后，再倾倒出其中的乙酸。应注意的是，不论使用什么方法，都要注意安全原则，如不能直接将试剂瓶放在酒精灯上加热，也不可以用玻璃棒或其他硬物去硬戮等。

2.2.2 实验装置开放型

实验装置是化学实验发生的场所，是不同实验仪器的合理连接，实验装置的开放性往往体现在实验装置的选取和改进。对于特定目的的化学实验，往往有多种实验装置可以选择，如何选择最佳的实验装置需要考虑实验的物质体系、反应条件等对装置的要求。

例3 Fe（OH）2是一种白色沉淀，在空气中或在含有氧气的水溶液中很容易被氧化而变色，难以观察到它本来的颜色。如何设计实验装置才能制备纯净的Fe（OH）2？

在制备Fe（OH）2时需要保证反应在无氧条件下进行，对于同一物质体系，可以设计多种装置，下图展示三种不同设计：

装置（Ⅰ）：不能避免试管溶液中O2对实验的干扰。

装置（Ⅱ）：苯（或汽油）的作用是防止空气中的O2进入亚铁盐溶液中。

装置（Ⅲ）：打开止水夹使产生的H2充满C管（赶去试管溶液中O2）中，再关闭止水夹，使FeSO4溶液压入NaOH溶液中，再打开止水夹。

2.2.3 实验方案开放型

实验方案设计是根据一定的研究问题，选择合适的物质体系，设计合理的实验装置和可行的实验步骤的过程。实验方案开放型是一种开放程度较高的形式，包含多种实验要素的开放。

例4 （2003年上海）实验室有CuO和Cu粉的混合物，请你利用给出的实验仪器及试剂来设计两种测定该样品（已称得其质量为m g）中CuO质量分数的方法，并填写表格中的有关内容。

实验中可能用到的主要仪器：①托盘天平②启普发生器③硬质玻璃管④泥三角⑤烧杯⑥坩埚⑦酒精灯⑧玻棒漏斗⑨干燥管

实验中可能用到的试剂：a.锌粒b.稀硫酸c.氯化钠溶液d.浓硫酸

该题要求学生自行设计实验方案来测定样品中CuO的质量分数，需要学生根据不同的化学体系，选择仪器组成实验装置并说明实验操作，开放性很强。供选择的设计方案设计如表2所示。

2.3 开放探究型

开放探究型问题是化学实验中开放程度最高的问题，从研究问题到实验体系再到实验结论都是未知的。学生通过对化学现象的观察从而发现问题，收集实验证据提出假设和预测，设计实验方案并进行实验，运用各种手段来分析和解释数据，最终提出答案和解释，而且在实验过程中要不断修正实验方案，需要把研究结果与其他人交流。开放探究型问题最接近学生生活、学习实际，是一种多方面、多层次的活动，不仅在内容上开放，更需要开放的思维，在培养学生科学素养方面有重要作用。

例5 学生在做乙醛的性质分组实验时，常会因为加入的乙醛的用量不同，得到沉淀的颜色分别为黑、褐、红三种。为什么会出现这种现象？请设计实验进行验证。

利用控制变量法，可设计两组对比实验，研究异常现象的原因，如表3、表4所示。

（注：等量的质量分数为2%的新制氢氧化铜溶液6滴）

这是一个典型的开放探究型问题，学生观察实验中的异常现象，发现研究问题，提出假设并设计实验方案进行实验，从而找到问题的答案。

3 化学实验开放性问题的教学策略

开放性问题的解决是非线性的，不仅需要学生综合其先前经验和外部环境来共同建构开放性问题解决的图式，还需要个体情感、意志的参与，这就决定了开放性问题教学的复杂性。以下策略可以有效帮助开放性问题在课堂中的实施：

3.1 鼓励可能方案的设想

罗杰斯说过：“创造活动的一般条件是心理安全和心理自由，只有心理安全才能导致心理自由，也才能导致学习的创造性。”开放性问题的教学需要师生之间不同声音的碰撞，在课堂上去质疑，去辩论，去发现问题，学生不同的思维有效催生创造性的想法；教师尊重和鼓励学生的好奇心和想象，鼓励学生去发现问题，创造性地提出多种问题解决方案。

3.2 促进小组深入的探讨

开放性问题解决是一个不断深入的过程，需要学生在问题解决过程中进行深层次的思考和互相交流。通过小组合作，学生之间相互启发，整合问题信息，进行思维的碰撞，多层次多角度探究问题解决路径，不断深化问题解决；在小组合作中，教师要适当进行学习策略的指导，例如，问题表征策略、小组合作策略、化学建模策略、认知监控策略等等。

3.3 实施客观有效的评价

教师在开放性问题教学中不能简单对最终结论进行评价，同时要注重问题解决过程的评价，对学生具有创造性的尝试应给予鼓励；另外，通过学生自评、小组互评等方式协同进行评价，全面客观地评价学生在开放性问题解决中的表现。

3.4 注重基于评价的优化

开放性问题的解决是一个不断完善的过程，学生不能仅仅停留在得出答案，要通过评价反馈，对自己的方案设计进行完善，反思自己的思维历程，并逐步掌握监控和调整问题解决过程的元认知方法，强化认知监控，促进学生高品质思维的发展。

开放性问题在整个化学教学中都有着重要意义，教师要加强对开放性问题的理论探索和经验总结，在化学教学中合理设置开放性问题，使课堂成为思维碰撞的场所。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[2]孙玲玲.结构不良物理问题解决研究[D].大连：辽宁师范大学硕士学位论文，2006：19.

[3]宋心琦.化学实验教学改革建议之一[J].化学教学，2012，（4）：3～5.