培养高阶思维能力的化学实验教学研究——以“科学认识含氯消毒剂”为例

颜 乐 缪向光 占文芳

（福建省福安市第一中学，福建 福安 355000）

《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》主题1“化学科学与实验研究中”提出：“改变在实验中注重动手但缺少思考的现状，强调高级思维过程。”［1］2017 年，美国推出一个新的学生评价改革体系，素养成绩单（Mastery Transcript Consortium，MTC）应用于高中生申请美国大学。MTC 主要涉及八种高阶思维能力的评价，其中与高中化学学科特点及学习要求最契合的包括以下三种：“问题求解能力”，即能对具挑战性的化学实验问题的有关信息进行分析综合、抽象概括，以理解实验问题，选择实验试剂、实验装置与实验方法，控制实验变量，形成实验方案，并能安全顺利地完成实验。“批判性思维”更重视实验现象的感知与推理，遇到实验过程中的生成性问题，如出现不符合预期的实验现象时，敢于质疑和具有挑战性的想法，勇于并有能力根据事实，改进方案，实践探求真理。“决策能力”，是基于已有的事实作出判断，然后做出行动方案的能力。

进入实验室后，在“教师讲方法，学生操作验证目的，撰写报告，教师检查”的传统模式下，学生较多关注实验步骤和仪器，对于为什么要这样做思之甚少［2］。目前的实验创新大多由教师主导，从仪器创新的角度去改进教材中某些现象不明显、存在有毒有害物质排放的实验，而鲜有学生的参与。以上方式在培养学生的思维能力方面大多处于低阶层次［3］。

一堂精心设计的实验课，不仅包含丰富的科学知识，还可以了解和模拟科学家们进行科学发现的探索过程。教师通过改变教学方式和学习方法，通过规划教学及实验探究：如学生动手实操、发现问题、质疑和批判、探索改进、归纳总结等步骤，激发学生的思维品质，挖掘化学实验承载的巨大思维价值。

一、培养高阶思维能力的实验教学设计思路

（一）选择蕴含丰富思维价值的课例

2019 年鲁科版高中化学必修一中微项目“科学使用含氯消毒剂”一节：在知识层面上是深化核心概念“氧化还原反应原理”在实际问题中的应用；在情感层面上是一场穿越百年的含氯消毒剂发展之旅；在能力层面上，通过有梯度的实验活动，让学生体会从感性认知向理性探究转变，通过多次的问题解决助力学生高阶思维水平的提升。

（二）挖掘教学内容与思维价值内涵的联系

对选择的教学课例进行设计时，应重点分析教学内容与思维能力价值内涵的关联，并根据思维能力的要点确定教学目标，再结合学情特点确定教学内容，具体见表1。

表1 根据思维能力的要点确定的教学目标和教学内容

（三）开展有思维梯度的实验探究活动

如何高效地制备“84”消毒液？如何探究影响ClO-氧化性的因素？如何检验HOCl 见光分解的产物？该节课设计了如下的实验探究活动：制备“84”消毒液、NaClO 氧化性的验证、“84”消毒液与石蕊试液的反应、“84”消毒液和CO2或盐酸的反应、HOCl 的见光分解实验，旨在发展学生的高阶思维能力。

二、“科学认识含氯消毒剂”的教学过程

（一）“84”消毒液的制备

【案例1】［引入］课前教师通过班级群推送了论文《含氯消毒剂次氯酸钠的发展史》［4］。学生已了解了从1774 年舍勒合成氯气，到1916 年英国化学家达金通过将碳酸钠与漂白粉混合制备“达金溶液”，并在“一战”期间用于受伤士兵伤口的杀菌消毒，直到1984 年北京的金耀光成功制备了高浓度的次氯酸钠溶液，即“84”消毒液。请选择方案制备“84”消毒液。

［学生A］方案一：将浓盐酸滴入MnO2中，加热后制得的氯气，经饱和食盐水净化后，通入NaOH 浓溶液中，即制得“84”消毒液。

［学生B］方案二：利用Ca（ClO）2溶液与Na2CO3溶液反应，可制备次氯酸钠溶液和CaCO3沉淀，过滤可得到含氯酸钠的溶液。

［教师］提供以下试剂（物品）：MnO2固体、浓盐酸、NaOH 溶液、Ca（ClO）2固体、饱和碳酸钠溶液、红色布条。请分组实验，用以上两种方案制备“84”消毒液，并根据实验过程，对所选方案进行评价。

［学生A］方案一涉及氧化还原反应，化学方程式为：Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O。

所得溶液用红色布条检验，布条10 秒褪色。此法的优点：浓盐酸与MnO2生成氯气的速率很快，操作简单，NaClO 浓度高。缺点：氯气与NaOH 溶液反应速率较慢，造成大量氯气逸出，反应难以控制，也造成环境污染。

［学生B］方案二涉及复分解反应，化学方程式为：Ca（ClO）2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaClO。

用红色布条检验产物，布条2 分钟褪色。此法的优点：无有害气体产生，绿色环保。缺点：Ca（ClO）2在水中溶解缓慢，反应后的溶液需过滤除去CaCO3，操作烦琐，所得溶液中NaClO 浓度低。

［教师］方案一具有反应速率快、产品浓度高等显著优点，如何改进以避免Cl2逸出？

［演示实验］方案三：采用图1 所示装置，电解饱和食盐水，阳极产生的Cl2与阴极生成的NaOH 溶液反应得到“84”消毒液，此法基本无Cl2逸出，反应后的溶液用红色布条检验，布条6 秒褪色。

图1 电解饱和食盐水制备“84”消毒液

【案例分析】学生将理论知识应用到真实情景中：如何制备“84”消毒液，自主设计实验方案，选择合适的试剂和仪器达到预期目的，此过程侧重于对学生决策能力的培养。基于操作和现象做出分析和评价，得出方案一反应速率快、产品浓度高的优点，以及存在污染的缺点；方案二无污染的优点，反应速率慢、操作烦琐的缺点。此过程旨在发展学生的批判性思维的同时，激发学生解决问题的兴趣，速率快、无污染的方案三应运而生。

小结：相比于传统的教师演示，探究性的项目式教学突出了学生为主体，教师发挥引导作用，从知识的应用发展到能力的培养。

（二）探究NaClO 溶液的性质

【案例2】［过渡］“84”消毒液的有效成分为NaClO，其消毒原理是什么？如何验证？

［学生］NaClO 中氯元素为+1 较高价态，预测其具有强氧化性。可用还原性试剂：KI、Na2SO3、FeCl2等溶液验证。

［分组实验A］向2mL 淀粉-KI 溶液中滴加少量NaClO 溶液（方案三制备，稀释5 倍），溶液迅速变深蓝，继续滴加NaClO 溶液，深蓝色褪去。

［学生A］I-被氧化成I2，故溶液变蓝，证明NaClO具有氧化性，过量的NaClO 具有漂白性，溶液蓝色褪去。

［学生B］I-被氧化成I2，故溶液变蓝，证明NaClO具有氧化性，过量的NaClO 将I2进一步氧化成IO3-，溶液蓝色褪去。

［教师］如何验证猜测？

［学生］往褪色的溶液中继续滴加稀盐酸，观察蓝色是否恢复。

［分组实验］向B 组所得溶液中滴加稀盐酸，溶液变蓝，但颜色较之前浅。证明过量的NaClO 既有漂白性，又将部分I2氧化成IO3-。

［追问］请尝试写出KI 溶液与少量NaClO 溶液反应的离子方程式。

［学生A］离子方程式为：

ClO-+2I-+H2O=I2+Cl-+2OH-

［学生B］离子方程式为：

ClO-+2I-+2H+=I2+Cl-+H2O

［教师］请围绕两个离子方程式讨论：写法不同的原因是什么？

［学生］反应液的酸碱性不同，可用酸碱指示剂如石蕊试液检验。

［分组实验］向NaClO（方案三制备，稀释5 倍）溶液中滴加几滴石蕊试液，溶液变蓝，2 分钟内未观察到明显褪色。说明NaClO 溶液呈碱性。学生A 的方程式正确。

［教师］为何未观察到溶液褪色？

［学生］稀释后的NaClO 溶液浓度较稀，与空气中CO2生成强氧化性HOCl，所需时间长。

［追问］如何加快HOCl 的生成，实现快速漂白？

［学生］利用强酸制弱酸的原理，可以加入酸性强于次氯酸的酸溶液，如碳酸、盐酸等。

［分组实验］如图2 所示：分别向a、b、c 试管中加入3mL 蓝色的石蕊-NaClO 溶液，通过吸管向b 中连续吹气数次，c 中滴加2-3 滴盐酸。观察到：a 中溶液无明显变化、b 中溶液褪色、c 中溶液迅速褪色。

图2

［教师］请尝试用离子方程式解释上述现象。

［学生］上述现象表明：随溶液酸性增强，ClO-的氧化性增强。往石蕊-NaClO 溶液中通入CO2，或滴加盐酸，均可生成HOCl，增强氧ClO-的氧化性，使溶液褪色。离子方程式为：

试管b 中：ClO-+H2O+CO2=HOCl+HCO3-

试管c 中：ClO-+H+=HOCl

［学生］某小组不慎将整滴管盐酸加入了c 试管，观察到：溶液迅速褪色，而后呈浅黄色，有少量气泡冒出，试管口闻到刺激性气味。

［学生］随盐酸的加入量增多，溶液的酸性增强，ClO-与Cl-发生氧化还原反应生成Cl2。涉及的反应式为：ClO-+2H++Cl-=Cl2↑+H2O。

［追问］如何避免有毒气体Cl2逸出造成污染？

［学生］在试管口放置浸有NaOH 溶液的棉花。其原理为：Cl2+2OH-=ClO-+Cl-+H2O。

【案例分析】“84”消毒液的漂白能力受酸碱性环境影响较大：碱性时，ClO-的氧化性较弱；弱酸性时，以酸碱反应为主，生成HOCl，漂白能力较强；随酸性增强则趋于发生氧化还原反应，其过程可用图3 表示。可见，物质性质的多样性及化学反应的复杂性。

图3 ClO-的性质受溶液酸碱性的影响

【小结】学生从验证“84”消毒液的强氧化性的实验过程中，捕捉到异常现象，并层层深入酸碱性环境改变对ClO-性质的影响，从表观到反应的本质，进而拓展到含氧酸根性质的多样性，并建构思维模型。整个探究过程环环相扣、一气呵成，学生在不断地发现问题、解决问题、构建模型，学生的思维始终处于活跃的高阶水平。

（三）探究HOCl 的光分解产物

【案例3】［过渡］“84”消毒液的漂白性主要源于HOCl，为何不直接用HOCl 溶液？

［学生］HOCl 中O 为-2 价，Cl 为+1 价，易发生氧化还原反应而分解失效。

［教师］请根据氧化还原规律，预测HOCl 的分解产物，并设计检验方案。

［学生］HOCl 分解的还原产物为Cl2，可通过观察颜色来验证；氧化产物为O2，可用带火星的木条来检验。

［分组实验］如图4：取方案三制备的“84”消毒液于烧杯，充分吹气后，取样装满试管；将试管倒扣在装有水的水槽；用紫外灯照射5 分钟。观察到：试管内液面下降至约五分之一处，试管内气体无明显颜色；延长光照至15 分钟，未观察到明显变化；取下试管，插入带火星的木条，无明显复燃。

图4

［学生］可能由于HOCl 的分解速度较慢，氯气含量低，故无明显黄绿色，生成的氧气量少，不足以使木条复燃。

［演示实验］结合手持技术在图4 基础上加以改进，实现装置见图5：取方案三制备的“84”消毒液于烧杯，充分吹气。用紫外灯照射，同时打开传感器采集数据。所得曲线如图6、图7。

图5 手持技术测定紫外光下“84”消毒液的pH 值和溶解氧

图6 溶解氧随紫外光照时间的曲线

图7 pH 值随紫外光照时间的曲线

［教师］请分析图6-7 曲线的意义。

［学生］紫外灯开启后，溶解氧含量从初始1.76 mg/L 迅速增大，约130 秒后达到最大值19.86mg/L，而后基本不变，证明HOCl 分解的氧化产物为O2；溶液初始pH 位1.13，200 秒时减小到0.86，而后基本不变，证明HOCl 分解的还原产物应为HCl，HCl 的生成使溶液pH 下降。综上分析，HOCl 分解的反应式为：

【案例分析】HOCl 在紫外光下约2 分钟即分解为HCl 与O2，故将其转化成钠盐而利于保存。但传统的实验手段难以验证其分解产物。如何将实验结果显现化？由此将学生的思维方式从定性发展到定量表征。借助数字化实验的引入，让学生体会科技创新在科学探究中的应用。

【小结】这样初步建立了设计实验方案的基本思路：从物质中元素和价态出发，预测物质的化学性质；设计科学实验方案；基于实验证据进行推理，敢于质疑和挑战，改进方案，进一步实践；最终得到结论。以上5 组实验活动的设计不是为了探究过程的程序化和表象化，而是层层递进、环环相扣的5 组不同水平的实验，旨在引导学生在实验过程中运用原理、发现问题和解决问题，以此开拓学生的思维深度和广度，发展高阶思维能力。

三、结语

该节新授课在探究性实验室进行，学生课堂参与度高，实验热情高涨。通过课后学生自主设计的“84”消毒液的使用说明书，反馈出学生对知识的掌握较好。该节课最成功之处在于发挥了化学实验在培养高阶思维能力的功能：三种“84”消毒液制备实验的设计过程，让学生在实践中锻炼实验能力，学会对比、分析，并依据证据和目的做出正确的决策；NaClO 的性质探究实验中，丰富的反常现象和问题的解决培养了学生的智慧，激发了学生的好奇心；HOCl光解实验的失败，发展了学生的批判性思维，数字化实验的引入让学生对化学知识的浩瀚充满憧憬和期待。