运用“形态分析法”培养学生自主探究问题的能力

摘要： 梳理了“形态分析法”的内涵、功能，提出了中学化学素材中也蕴含着运用此方法进行教育的内容和机会;在此基础上，详细介绍了利用“形态分析法”培养学生自主探究问题能力、发展化学核心素养的研究案例，总结了实践策略： 第一，教学目标设计中恰当融入“形态分析法”的内涵;第二，教学过程设计中充分展开“形态分析法”的讨论。最后略谈了研究的体会。

关键词： 形态分析法;化学学科核心素养;教学设计;课堂实践

文章编号： 10056629（2018）3004205 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

课堂是学生获取知识、认识方法和体验情感的主要场所，也是培养学生问题研究能力、发展学科核心素养的重要阵地。本文以“形态分析法”为研究方法（学习方法），以高一化学“工业制硫酸”一课为研究素材，从教学设计、课堂实践的角度介绍在培养学生自主探究问题能力上的几点做法。

1 “形态分析法”的内涵、功能和对中学化学教育的启示

“形态分析法”，由美籍瑞士天文物理学家兹维基（F.Zwicky）在1942年提出。第二次世界大战中，他参加了美国火箭研制小组。令人惊奇的是他在一周之内，交出了576种不同的火箭设计方案。这些方案几乎包括了当时所有可能制出的火箭的设计方案，其中包括连美国情报局挖空心思都没能弄到手的德国巡航导弹F1和F2的设计方案。他的天才表现受到人们的关注，后来他发表了他的构思技巧——形态分析法 [1]。

尽管“形态分析法”和我们平时学校教育中所说的“科学探究”有一定的联系（“科学探究”是一种以问题为核心的主动建构活动，是一种思维过程。其探究过程主要包括观察和提出问题、形成假设、检验求证、得出和解释结论、交流与应用等步骤 [2]），但是它仍有其独特的本质功能和教学意义。“形态分析法”是指利用系统分析把握对象系统在结构和功能上的形态特征，从而探索各种问题可能解决办法的一种预测方法。其依据的原理是： 结构要素和功能要素的不同组合可构成功能不同的系统。其分析过程包括五个步骤： （1）正确地提出和阐明问题;（2）明确地列出要解决问题的形态特征及其参数;（3）建立形态模式，形成解决问题的各种方案;（4）确定可能解决方案的功能价值;（5）选择最满意的方案 [3]。

可以看出，“形态分析法”的特质是从系统的观点看待事物、分析问题，是把“科学探究”中的“相对单一的假设”拓展为“若干功能单元、关键要素的所有组合情况”的假设，并进行功能价值的对比研究和最佳选择。这样的研究方法对于培养学生的自主探究能力、发展学科核心素养具有重要意义： 其一，培养学生系统研究问题的方法，抓住主要矛盾和关键要素;第二，培养学生自主分析问题的能力，抓住思维探究的操作要领;第三，培养学生的创新精神和效益观念，感悟创新不仅是一种科学技术，更是一种核心素养的能量凝聚和实践考验，是一种争分夺秒的效益竞争。“形态分析法”实施于课堂，可以提炼三个抓手： 第一，合理建立解决问题的形态特征及其参数，为学生的自主探究提供载体或视角;第二，有序形成课堂讨论的模式，为学生的自主探究指明方向;第三，指导选择最佳方案的策略，强化学生自主探究的角色和效能。

笔者认为，中学化学教材中也蕴含着不少可以渗透这种研究方法的内容和机会。例如，在化工生产部分，教材中一般只给出反应的原理、生产的条件、装置的要求等工艺条件，而对工艺条件怎样设计出来的、为何要这样设计，一般不作交代或交代得不够清楚。为了节省时间，教师一般淡化这部分内容，只要求学生背诵工艺条件，以应付练习和考试。这样的做法，一方面弱化了化学学习的过程与体验;另一方面错失了一次极佳的培养自主探究问题能力的机会。另外，化学是一门以实验为基础的学科，实验改进、实验教学常常是日常教学的重点、难点，而运用“形态分析法”不仅可以提高实验研究的质量和效果，而且可以促进包括创新精神在内的化学学科核心素养的培养。

2 运用“形态分析法”培养学生自主探究问题能力的案例研究

以高一化学“工业制硫酸”一课为研究素材，介绍利用“形态分析法”培养学生自主探究能力的教学设计和实践效果。

2.1 教学目标的设计——在“過程与方法”目标中融入“形态分析法”的内涵

知识与技能： 巩固“影响化学反应速率的因素”、“勒夏特列原理”等核心知识;掌握硫酸工业的反应原理和工艺条件。

过程与方法★： 运用“形态分析法”参与硫酸工艺的充分讨论，体验自主探究问题的过程，培养化学学科的核心素养。

情感、态度与价值观： 在观看“上海硫酸厂参观录像”以及硫酸工艺的讨论过程中，感悟“化工生产不仅要考虑生产效率、经济效益，而且要考虑社会效益”的生态观念。

笔者认为，教学目标的维度与体现化学学科的核心素养有一定的联系。“知识与技能”目标维度对于体现“变化观念与平衡思想”的核心素养具有优势;“过程与方法”目标维度对于体现“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”、“科学探究”等核心素养比较匹配;而“情感态度与价值观”目标在体现“科学精神与社会责任”、“创新意识”等核心素养上相对应。

本课的教学目标重点维度是“过程与方法”（用★标注），明确了用“形态分析法”设计硫酸工艺的研究方法（学习方法），同时伏笔了培养“证据推理与模型认知”等核心素养的要求。本课的“知识与技能”是实施“形态分析法”的工具，同时可以为培养“变化观念与平衡思想”的核心素养提供载体支撑;另外，在“形态分析法”的实施过程中可激发积极的“情感、态度与价值观”，其过程可以为“科学精神与社会责任”核心素养的培养提供机会。实践证明，以上教学目标均得到了有效的落实，并同步促进了核心素养的培养。

2.2 教学范型的设计——运用“自主—探究”范型，激发学生自主探究的欲望

本课实施的“自主—探究”范型包括图1所示的环节和流程 [4]。关键环节是“提供素材（教师）”和“启发讨论（教师）”。本课中的讨论素材是： 围绕硫酸工业工艺设计要求（快、多、好）的相关知识、材料、装备等。

图1 “自主—探究”教学范式操作模式

2.3 教学过程的设计——充分组织“形态分析法”讨论，培养学生自主探究的能力

2.3.1 造气阶段，初步体验“形态分析法”的实施要领，感受操作流程

[投影]4FeS 2+11O 22Fe 2O 3+8SO 2+3309.2kJ

S+O 2SO 2+296.90kJ

[自主探究]以硫铁矿为原料，根据下表（开始为“空表”），开展形态分析与讨论，然后归纳、投影结果。

[归纳]反应的条件

4FeS 2+11O 2煅烧2Fe 2O 3+8SO 2

S+O 2点燃SO 2

本阶段用时10分钟，教学过程为“提供素材→探究活动→启发归纳”。其中的“探究活动”围绕“形态分析法”中的（3）～（5）步骤展开，即： 建立形态模式，形成各种方案，选择最满意的方案（参见前文）。

这里的（3）（建立形态模式）具体是指根据“表1（空白表）”的内容格局，实施“先纵后横，综合判定”的讨论程序[参见“表1”中的（1）～（18）序列]，其中（16）～（18）为综合判定。

这里的（4）（各种方案的功能价值）是指确定表中“快”、“多”、“好”3种形态特征统领下的3种参数（反应物的形态、反应的装置、反应的条件）之间的自由组合的各种方案及功能价值，其中“反应的条件”又包括“浓度、温度、压强、催化剂、表面积”5个方面的因素。

这里的（5）（选择最满意方案）就是指综合判定的工艺条件，即： 表中（16）～（18）的讨论结果。

讨论从（1）～（18）的序列进行，边讨论、边填表。讨论中准备启发学生的地方有5个： 第一，本反应可视为完全反应，不必考虑化学平衡的移动问题;第二，表格中（9）确定为“常压”，是因为“高压”对反应速率的影响不大，反而会使成本提高;第三，若以“硫”为原料，则反应物形态为“雾状”，反应物条件为“点燃”;第四，反应已经很快的反应不需要催化剂;第五，可以通过过量价廉原料，充分利用主要原料，提高经济效益。

从实践效果看，整个讨论过程比较有序、热烈，在教师的点拨、启发之下，最后的工艺条件基本上水到渠成，由学生自主得出。其间，“证据推理与模型认知”等核心素养得到了初步的培养。

2.3.2 催化階段，自主体验“形态分析法”的操作过程，自主开展问题探究

[投影]2SO 2+O 22SO 3+Q

[自主探究]根据表2（开始为“空表”），开展形态分析与讨论，然后归纳、投影结果。

[自主探究]

压强： 常压下二氧化硫的转化率已经很高。如果继续加压，会对设备的耐压性能提出更高要求，这将增加生产成本。所以，选择“常压”。

温度： 选定400～500℃，催化剂能发挥最佳效能，同时反应速率、二氧化硫的平衡转化率都比较理想。

催化剂： 催化剂对于工业生产的作用是至关重要的，有时是决定性的。目前，工业上以五氧化二矾（V 2O 5）作为二氧化硫氧化的催化剂。

[归纳]反应的条件

2SO 2+O 2V 2O 5400～500℃2SO 3+Q

[动画模拟]flash动画展示热交换器的工作

图2 热交换器

原理（见图2）。

本阶段教学用时8分钟，具体教学过程为“提供素材→探究活动→启发归纳”。其中的“探究活动”继续围绕“形态分析法”的（3）～（5）步骤展开。

讨论从（1）～（18）的序列进行，边讨论边填表。讨论中准备启发学生的地方有3个： 第一，表中（13）要考虑催化剂与原料的接触面积，进一步发挥催化剂的工作效能;第二，此反应为可逆反应，要强调通过过量价廉原料来促进化学平衡正向移动，提高经济效益;第三，解决问题的关键是选择合适的催化剂及控制适宜的反应温度。

从实践效果看，本阶段学生自主探究的积极性更高、主动性更强，而且讨论的方向更加明确，得出结论的可靠性明显提高。教学过程中强化了“证据推理与模型认知”的核心素养，落实了“变化观念与平衡思想”等核心素养。

2.3.3 吸收阶段，熟练运用“形态分析法”开展讨论，自主解决问题的能力基本形成

[投影]SO 3+H 2OH 2SO 4+137.30kJ

[自主探究]根据表4（开始为“空表”），开展形态分析与讨论，然后归纳、投影结果。

[投影]“实地参观硫酸制造厂”的设备装置、环境保护的图片资料（略）。

[录像]上海硫酸厂王工程师的介绍。为了减少环境污染，上海硫酸厂使用“硫磺”作制酸的原料。热量利用的技术装备主要靠进口，我国还没有突破这个技术瓶颈。

[讲述]目前，上海硫酸厂已关闭，因为其污染程度仍然对周围的环境造成了较大影响，体现了国家对环境保护的坚定决心和发展战略。

本阶段教学用时7分钟，教学过程为“提供素材→探究活动→启发归纳”。其中的“探究活动”仍然围绕“形态分析法”的（3）～（5）步骤展开。

本表讨论从（1）～（18）的序列号展开，边探究边填表。讨论中准备启发学生的地方有4个： 第一，表中（3）用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫，可减少因放热而产生的酸雾，提高吸收的效率;第二，表中（6）确定为“常温”，是因为高温时对反应速率的影响不大，反而会浪费能源;第三，表中（9）定为“常压”，是因为高压时对反应速率的影响不大，反而会使成本提高;第四，表中（15）吸收塔塔顶喷下的98.3%的浓硫酸和塔底上升的三氧化硫气体形成逆流吸收的状态，大大提高了三氧化硫的吸收效率。

从讨论过程来看，本阶段学生参与讨论的自动化程度进一步增加，自主解决问题的效果进一步凸显，“自主—探究”教学范式的特征在本课中得到了最大程度的体现。讨论中巩固了“证据推理与模型认知”的核心素养，初步培养了“科学精神与社会责任”、“创新意识”等核心素养。

3 运用“形态分析法”培养学生自主探究能力的体会

“形态分析法”是一种科学研究的方法，将研究方法迁移到化学学科的学习中是一种有价值的探索。一方面，化学学科的学习本身具有研究性学习的特点，我们鼓励学生要用研究的意识、科学的方法去获取化学知识;另一方面，有的研究方法可以迁移、发展成为学生日常的、个性化的思维习惯，成为学生跨学科学习和终身学习的实践智慧。笔者认为，“形态分析法”的建模方式、实施程序有助于培养高中生自主解决问题的能力，并进一步提升针对类似复杂问题开展自主研究的思想意识。

参考文献：

[1]石光明.实用创造学入门讲座（第九讲）常用创造技法（5）[J].中国质量，2005，（4）： 88～92.

[2]陈琴，庞丽娟.科学探究： 本质、特征与过程的思考[J].教育科学，2005，（1）： 1～5.

[3]李庆臻.科学技术方法大辞典[M].北京： 科学出版社，1999： 103.

[4]毛东海.“自主—探究”教学范式“关键行为要素”的细化实施[J].化学教育，2016，（13）： 24～27.