设计系列探究实验建构学科基本观念

刘永红

摘 要：设计系列探究实验，创设学生主动参与、积极思考的实验情境和设置驱动性问题，在“分散系及其分类”教学中引导学生自主探究，帮助学生建构学科基本观念：分类观、微粒观、变化观和化学价值观，以此培养学生的学科素养。实验结果表明设计系列探究实验的教学，使学生学习兴趣浓厚、思维活跃，自主探究出宏观现象中的微观本质，同时建立了基本观念，教学效果良好。

关键词：基本观念;分散系;探究实验;分类观;微粒观;变化观;化学价值观

一、问题的提出

化学教学的重要任务是让学生理解基本的化学概念、原理和化学变化的基本规律，认识化学现象的本质，形成有关化学科学的基本观念，培养学生的思维能力和核心素养。教师要充分的领悟科学知识所蕴含的科学方法和基本观念，引领学生进行有意义的建构，使学生在学习知识的同时领悟知识中隐含的思想、方法和观念，有助于学生的终生发展。

本市的高中化学人教版必修第一册“分散系及其分类”的教学存在两个问题：一是按教材制备Fe（OH）3胶体却忽视了实验现象中本质的挖掘和忽视实验的功能;二是对本节内容的作用与地位认识不充分，忽略了其中承载着的基本观念培养和学科方法的教学功能。为此，本节课设计了4个探究实验和富有思维深度的问题，解决了教学中存在的两个问题，以达学科育人的目的。

二、设计理念

“分散系及其分类”在必修教学中占有重要的地位，使学生通过学习，认识物质的性质不仅与物质的结构有关，还与物质的存在状态有关，从而拓宽混合物的分类和研究物质的新视角。从微观的角度认识分散系的本质，认识胶体在生产、生活和科技中的应用，理解化学的应用价值。

“分散系及其分类”的学习承载着3个重要的教学功能：一是实验中培养学生量的意识;二是学科观念的培养;三是学科方法的学习。教师讲述基本观念的具体内容，是教授观念性的知识，学生不能真正形成基本观念。本节课改进一个实验和增设两个实验形成系列探究实验，并设计有思考深度的驱动性问题，从宏观现象中挖掘微观本质，在系列探究实验和驱动性问题中学生感悟出学科的四个基本观念：分类观、微粒观、变化观和化学价值观[4]。（见图1）

（一）改进一个实验

改进教材中氢氧化铁胶体的制备实验，给定仪器、药品和用品后让学生制备更多的混合物，故意设置“陷阱”，不强调实验操作要点，目的是让学生进行自主探究。实验结果出来后，有学生没有制备出氢氧化铁胶体，教师适时引导学生总结和反思，寻找实验失败的原因，在实验中使学生形成量的意识和严格控制反应条件的习惯，同时建立分类观。

（二）增设两个实验

一个实验是三种分散系之间的转化实验，使学生意识到物质是不断变化的，物质变化随条件不同而不同，进而形成变化观。另一个实验是豆腐的制作，学生从实验中深切感受到化学知识在生活中的应用，有助于学生形成化学价值观。

三、解决问题的教学实录

（一）改进胶体的制备实验，建立分类观

相同教学内容采用不同的教学呈现方式，学习效果大不相同。照方抓药的实验，没有引起学生深层次的思考，学生也没有真正体验科学探究的过程。因此把“氢氧化铁胶体制备实验”改为“探究性实验”。

环节一：三种分散系的制备和性质

实验1：请您选用以下仪器和药品制备尽可能多的混合物。制备完毕，请仔细观察这些混合物，比较它们外观特征的异同。再用激光笔照射制备出来的混合物，观察现象。

供选择的药品与仪器用品：蒸馏水、沸水、饱和FeCl3溶液、1mol/LNaOH溶液、试管若干支、酒精灯、量筒、胶头滴管、试管夹、火柴。对实验结果进行分类。

学生活动：分组实验并记录实验现象。学生小组代表展示实验成果，其他学生倾聽、提问和评价。完成混合物的分类。

设计意图：

用饱和FeCl3溶液和沸水制备了Fe（OH）3浊液和胶体，也有用饱和FeCl3溶液与1mol/LNaOH溶液制备Fe（OH）3浊液，这些现象引起了学生的思考，引导学生关注试剂用量的控制、关注实验条件。为三种分散系的转化打下伏笔。理解物质性质还与物质的存在状态有关。完善混合物的分类，建立分类观。

学生在实验中产生新的疑问：饱和FeCl3溶液滴入常温的蒸馏水和沸水中为什么形成不同的分散系，在九年级学习的Fe（OH）3是悬浊液而现在却是胶体，有无矛盾，通过丁达尔现象消除学生心中的疑问：氢氧化铁既可以是浊液又可以是胶体。但同时又产生新的矛盾：两种不同的分散系有何关系？巧妙地制造了认知冲突的情境，可激发学生去进一步思考及深层次探究的欲望，开发了学生的潜能。

（二）设置驱动性问题，建立微粒观

教学中设计驱动性问题：用实验方法比较溶液、胶体和悬浊液的分散质大小，引导学生积极探究，将知识的学习和观念的建构有机地结合在一起，可转变学生的学习方式，更利于知识向能力和学科素养转化。

环节二：用实验的方法比较分散系的分散质粒子大小

实验2：设计实验比较溶液、胶体和悬浊液的分散质粒子大小，并用数轴表示三种分散系的分散质粒子大小。

学生活动：学生设计实验方案并实验，用数轴表示实验结果。

设计意图：

设计驱动性问题引发学生深度思考，实验中学生真正感受微观粒子的大小，用微粒观分析宏观的实验现象，至此学生悟出宏观的实验现象背后分散系的微观本质，再通过数形结合进一步深化学生自悟的观念，使学生深刻地理解了三种分散系的本质区别，还解决了实验1中产生的疑问。突显学科思维方式的形成，有助于学生形成微粒观、变化观，培养了学生宏观辨识和微观辨析的化学素养。

（三）设计转化实验，建立变化观

实验3：三种分散系之间的转化

以Fe（OH）3胶体为例，设计实验说明三种分散系之间的转化并用关系图表示。能发生反应的用化学方程式表示。

学生活动：分别取少量的氢氧化铁胶体于两支试管中，加热一支试管，在另一支试管中逐滴加入稀盐酸至过量，观察现象，并结合实验1，用关系图表示氯化铁溶液、Fe（OH）3胶体和Fe（OH）3浊液的转化关系。

设计意图：

创设驱动性问题，引导学生自主探究，使学生自己意识到三种分散系可以转化。至此学生明白了实验1中一些同学用相同的方法加热时间不同，制备了氢氧化铁浊液的原因。条件改变了，物质结构或性质都会发生变化，通过图示深刻理解三种分散系的转化关系。帮助学生形成变化观，同时还培养了学生从特殊抽象出一般规律的能力。化学基本观念是学生基于自己的认知基础，对化学科学的深刻理解，是学生深入思考和内心体验的结果，有利于学生的终身发展。

（四）增设豆腐的制作，建立化学价值观

实验4：自学胶体聚沉的方法，设计实验，用豆浆制豆腐。实验药品和用品：豆浆、食盐、石膏，仪器自选。

学生活动：在烧杯中加入适量的豆浆胶体，加入少量石膏或食盐，充分振荡，观察现象。

设计意图：

从生活走进化学，从化学走向生活，豆腐的制成，让学生非常兴奋，大大地激发了学生的学习兴趣，学生充分感受化学与生活的密切联系，感受化学对人类生活的重要性。深刻地感受到化学的价值与魅力，建立了价值观。

四、教学问题解决的成效分析

课后采用问卷调查法，从“系列探究实验和基本观念的建构”调查学生对本节课的反馈与评价。通过纸笔测试评价学生的学习效果，从而获得定量数据。

选取清远市某普通高中中学113名学生作为被试。调查问卷共10题。采用李克特式5点量表计分，选项包括：非常同意、同意、不确定、不同意和非常不同意，分别记为5、4、3、2、1分，发放113份问卷，回收问卷113份，回收率100%。

（一）调查结果与分析

（二）三种分散系的制备与胶体性质掌握情况分析

由问卷调查1、2、3题反馈（见表1）可知，这三项得分率均在4.9以上，其中题2题3是问卷调查中得分最高的两题，说明学生对三种分散系的制備、胶体与溶液的鉴别和混合物的分类有清晰的认识，尤其是通过给定仪器、用品和药品制备溶液、胶体和悬浊液有深刻的认识，相同的试剂、相同的用量和相同的操作，加热时间不同制备了不同的分散系，这使学生产生了强烈的认知冲突，并在实验中初步形成了量的意识。接着用激光笔照射三种分散系，观察到不同现象，促使学生探求现象背后的本质。这些都是实验中驱动学生自觉思考，说明了利用设计系列探究实验和驱动性问题有利于知识的学习、方法和观念的建构，效果良好。

由问卷调查题4的反馈知，利用设计实验方案探究三种分散系的本质区别，并用数形结合的方法直观形象地表示三种分散系分散质粒子大小的关系，从宏观实验现象到微观本质再到用宏观的数轴表示，自然而然地建立了学科观念：微粒观。

（三）学科观念建立情况分析

由问卷调查3、4、5、6、7题得分率4.7以上，题7得分率达4.961，说明学生喜欢与生活相关的实验，能使学生深刻认识化学与生活、社会的关系。8、9、10题是关于学科观念习得的调查，这三题的得分说明通过系列实验和有思维深度的问题，学生可以自悟出知识背后蕴含的观念。

结束语

化学观念需要在不断地学习、思考和实践中而逐渐丰富、完善和发展。教师必须把握学科知识背后的思想、方法和观念，用心设计真实情境和有意义的驱动性问题，使学生亲身体验化学知识的发现过程和应用价值，通过对具体事实经过思考概括整理出来的观念性认识，真正成为学生的观念，有效地开发了学生的创新潜能，即在必备知识的学习、关键能力的提升过程中，逐步形成科学探究精神和创新意识等学科素养。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]王晶.普通高中教科书化学必修第一册[M].北京：人民教育出版社，2020：8-9.

[3]何彩霞.在把握化学概念本质中促进学科观念建构“分散系及其分类”单元教学的思考[J].北京：北京教育学院学报（自然科学版），2009：62-65

[4]毕华林，卢巍.化学基本观念的内涵及其教学价值[J].中学化学教学参考，2001（6）：3-6

广东省教育科研“十二五”规划2012年度研究项目“化学教学中学生潜能开发的研究”（课题批准号：2012YQJK257）的研究成果。