基于真实情境的高中化学实验设计类问题解决策略教学研究——以物质分离除杂的实验设计策略为例

张唐海

(福建省政和第一中学 353600)

基于真实情境的科学探究实验是培育学生“科学探究与创新意识”素养的重要载体.而在真实教学过程中，笔者发现，在科学探究实验过程中，实验方案的设计是极为关键的一步，同时也是学生倍感困难的地方，尤其是实验方案的全设计，更是许多学生的痛点.本文选取其中常见的一类“物质分离除杂的实验”进行深入地分析、研究，重点关注“物质分离除杂的实验设计策略”的建构、表征、教学模式、教学难点及其应对.

1 物质分离除杂的实验设计策略的建构及表征

化学实验设计是一项依据一定原理、规则和标准进行的系统而有明确目的的心智活动，是需要运用多种化学知识、化学思维和化学学科核心素养的综合性活动.化学实验设计策略或思路是化学实验设计的灵魂，从知识论的角度来看，它是一类程序性知识，由一系列具有先后顺序的认知操作步骤构成.因此，对“物质分离除杂的实验设计策略”进行建构，关键在于对其进行分析解构，用还原论的思维方式从中分解出具有时间属性的问题解决步骤.笔者运用认知任务分析的方法，对基于真实情境的物质分离除杂的实验设计过程进行分析，得到如图1所示的物质分离除杂的实验设计策略模型.

图1

如图1的问题线所示，“物质分离除杂的实验设计”依次需要解决的主要问题为：除什么？怎么除？除得怎样？依据对这三个关键问题的回答，“物质分离除杂的实验设计思路”可以分为三个环节.其中“怎么除”的环节最为关键，需分析出“需要的物质”以及杂质之间的性质差异，并依据这种差异运用物理或化学的方法使它们处于易于分离的不同状态(固液、液气等)，进而使用相对应的分离方法将其分离.若要进行多组分依次分离除杂，还需考虑分离除杂的顺序问题.“物质分离除杂的实验设计策略模型”采用“双线图”来表征，直观简明，易于感知、理解与记忆.其中问题线的引入，使人更明确地理解各认知操作的目的，加深对各认知操作的理解，避免学生陷入机械学习的泥淖，真正实现程序性知识的有意义学习和深度学习.

2 物质分离除杂的实验设计策略的教学模式

建构主义教学理论认为，知识是人主观建构的，学习是学生通过自主体验、不断建构富有个人色彩的认知图式的过程，唯有“做”中学，方能学得深入与彻底.“物质分离除杂的实验设计策略”的教学也应采用建构主义的观点，让学生亲身经历物质分离除杂实验的设计与实施的全过程，并引导学生自主建构并修正“物质分离除杂的实验设计”的思路模型.基于上述理念，笔者提出了如图2所示的“物质分离除杂的实验设计策略的教学模式”.

图2

这一教学模式与传统的教学方式相比，有较大的改进.在物质分离除杂实验中，要求从设计到验证再到最终实验结果的得出，并进行总结和评价，但传统课堂教学大都给定了实验所需要的一切，学生只需按部就班，照章进行即可，这在很大程度上束缚了学生在实验活动中的创造性.而笔者所提的教学模式，有利于突破传统实验的结果验证性的束缚，在帮助学生掌握一定的化学知识和实验技能外，还提高了学生自主设计、自主完成实验并对结论进行分析的能力，提升了学生的宏观物质与微观粒子间的关联等的核心素养的培养，促进了学生模型认知、建构与运用的能力.

3 物质分离除杂的实验设计策略的教学案例

3.1 真实的问题情境

3.2 教学过程

(2)第一轮实验：学生设计好实验方案后，利用实验室模拟的“工业废水”进行小组实验.通过实施实验，对自己设计的实验方案进行验证，体会设计蓝图与实践的区别和差距，实验过程中努力尝试用实验手段消除差距，培养解决实际问题的实验能力.

(3)实验后反思：通过展示和完整描述实验方案，引导学生梳理物质分离除杂的实验设计的核心思路与基本方法，为形成分离除杂思维模型做铺垫.教师选取甲组同学和乙组同学分别展示并解读他们的方案(如图3和图4所示)，描述清楚每步操作选择试剂的目的及加入该试剂的原因.

图3

图4

设置如“如何检验甲组的产品是否合格呢?”“没有除杂干净，可能的原因是什么?”等问题，使师生进行讨论、评价等，加深对多组分混合体系中所加除杂试剂用量、顺序等问题的理解，培养分析多组分混合物体系中分离提纯问题的能力.

(4)第二轮实验：通过上述分析，师生一起改进设计方案后再实施实验、在保证除杂效果的基础上节省时间.实验结束后组间互检产品合格率.通过再次实验获取证据，引导学生理解理论设计与实际操作的不同及差距.

(6)迁移应用：布置另一个基于真实情境的物质分离除杂实验的方案设计任务，培养所习得策略的迁移应用能力.

4 物质分离除杂实验设计的教学难点解决策略

4.1 学生模型建构的经验不足

物质分离除杂实验教学大多放在高一入学不久之后进行，虽然在此前初中阶段学生对这类实验有所接触，但很少有模型建构学习的体验.而模型建构的学习过程是一个由感性到理性、由个别到一般的认知过程，对学生的归纳推理和抽象思维能力要求较高.此外，以图形的方式对复杂思维模型进行表征对学生的要求较高，也是此前学生较少接触的认知活动.因此，学生模型建构的经验不足以及模型建构本身的认知难度，是实验设计策略的教学难点.

针对学生模型建构的经验不足，教师应多示范多引导，多给学生充分的自主探索和交流合作的空间，让学生在不断地尝试中获得模型建构的能力.教师在教学中应培养学生用流程图表达多步分离除杂方案的能力.通过“设计方案——实施实验——产品检验”环节，体会“理论设计”与“实际操作”的区别，逐步引导学生形成修正、完善模型的素养.

4.2 学生的必备知识和基本技能薄弱

物质分离除杂的实验设计策略的另一类教学难点是学生的必备知识和基本技能薄弱，例如对常见离子的检验方法、过滤等一些分离方法掌握不牢，对基本实验操作技能以及记录和描述实验过程及现象的能力还不够成熟.这些双基的欠缺会阻碍学生实验设计与实施的进程，进而削弱学生自主建构策略模型的意愿和能力.

教师教学中，应注意学生必备知识的复习与回顾，必要时给予及时而适当的知识支持，提高学生实验探究的积极体验，提升学生亲自动手的自我效能感与意愿.进行适当引导，将除杂中的加入“过量”除杂试剂由理论层面变成实际操作层面的能力.

4.3 教师的综合能力面临挑战

这样的教学模式，往往在一定程度上加大了教师的负担，教师在课前、课后都需要认真思考并查找与实验相关的资料，在教学中还会时常出现跨学科的问题，对教师教学来说是很大的挑战.但反过来也对教师的专业发展有很大提高，而对学生而言，他们通过自己亲自设计和进行实验，自己的知识经验得到了重新建构，各种能力都得到了很大的发展.因此，挑战虽大，但获益匪浅，教师应迎难而上，更加努力获取更多的知识，更好地磨炼和提升的实验技能，积极进行行动研究，以实现高效优质的专业发展.