范曉鳳 解慕宗

摘要： 以化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的高三復(fù)習(xí)為例，基于學(xué)生思維能力的發(fā)展，從儀器設(shè)計(jì)、儀器組裝、儀器創(chuàng)新三個(gè)角度討論復(fù)習(xí)策略。指出教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家的思考方法，力求達(dá)到化學(xué)課堂的兩個(gè)理想境界： 思維課堂和思辨課堂。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器; 高三復(fù)習(xí); 思維能力; 模型建構(gòu)

文章編號(hào)： 10056629（2018）12006506中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1?研究背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》倡導(dǎo)開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)[1]。實(shí)驗(yàn)探究中離不開實(shí)驗(yàn)儀器，《2018年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱的說明（理科）》中指出了實(shí)驗(yàn)儀器部分的考核要求： 了解化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用儀器的主要用途和使用方法;能根據(jù)要求做到識(shí)別典型的實(shí)驗(yàn)儀器裝置圖[2]。實(shí)驗(yàn)儀器的辨識(shí)和使用屬于事實(shí)性知識(shí)或陳述性知識(shí)，許多教師認(rèn)為此類知識(shí)如同雞肋，按照“一個(gè)儀器圖片+若干點(diǎn)注意事項(xiàng)+大量習(xí)題訓(xùn)練”的方式進(jìn)行教學(xué)，并未深挖其教學(xué)功能。部分學(xué)生認(rèn)為“化學(xué)是理科中的文科”，學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容時(shí)不求甚解，在“看儀器圖片、背使用規(guī)則、刷相關(guān)習(xí)題”的過程中坦然接受了通過機(jī)械記憶所“掌握”的知識(shí)。許多學(xué)生在知識(shí)學(xué)習(xí)中，依賴記憶的低階思維活動(dòng)占據(jù)主導(dǎo)地位，而高階思維活動(dòng)鮮有參與認(rèn)知過程。長此以往，導(dǎo)致認(rèn)知方式呆板、角度單一、思路僵化，使得學(xué)生喪失獨(dú)立思考的能力，對(duì)化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展很不利。

筆者針對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的高三復(fù)習(xí)，基于學(xué)生思維能力的發(fā)展，探討復(fù)習(xí)策略并展示部分課堂實(shí)錄。

2?高三化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器復(fù)習(xí)策略

2.1?儀器設(shè)計(jì)，窺探原則

缺少實(shí)驗(yàn)儀器，化學(xué)實(shí)驗(yàn)無疑會(huì)巧婦難為無米之炊。對(duì)于實(shí)驗(yàn)儀器高三復(fù)習(xí)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是“看圖說話”，即要求學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置圖書寫儀器名稱，分析儀器作用。該模式易導(dǎo)致課堂枯燥乏味，學(xué)生思維單點(diǎn)化。欲引領(lǐng)學(xué)生深度思考，提升學(xué)生思維的關(guān)聯(lián)化水平，應(yīng)將學(xué)科知識(shí)與生產(chǎn)生活相融合，以具有一定思維容量的問題，引導(dǎo)學(xué)生觀察、猜想、推理、證明，對(duì)具體知識(shí)做出超越事實(shí)的思考。

情境1?從玻璃公道杯探索實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)原則

[教師]觀察玻璃公道杯（見圖1），討論如下問題：

（1） 為何它是平底的？能是圓底的嗎？

（2） 為何它是大肚的？能是細(xì)高的嗎？

（3） 它的上沿尖嘴的作用是什么？跟實(shí)驗(yàn)室的哪個(gè)儀器相似？

（4） 手柄有什么作用？不安裝手柄還有其他辦法使它隔熱嗎？

[學(xué)生]（討論后得出結(jié)論）平底能使它在桌面上放穩(wěn);大肚可以裝較多茶水，如果細(xì)高則重心比較高，容易被碰倒且容積小;上沿尖嘴有利于傾倒時(shí)集中茶水、引流，不容易灑出，跟實(shí)驗(yàn)室的燒杯、量杯相似;手柄便于拿杯子，也可以防止手被燙到，用中空雙層玻璃杯也可以隔熱。

設(shè)計(jì)意圖： 常見的化學(xué)儀器為什么要設(shè)計(jì)成現(xiàn)在所見的形狀？它們分別適用于哪些化學(xué)實(shí)驗(yàn)？它們之間有何聯(lián)系？很多學(xué)生從未思考過這些問題。因此，通過一種生活中常見的茶具（玻璃公道杯），帶領(lǐng)學(xué)生探本溯源，了解儀器的設(shè)計(jì)原理，激發(fā)學(xué)生的探索欲。

情境2?由固體和氣體的反應(yīng)再探實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)

[教師]固體和氣體的反應(yīng)很常見，通常選用什么儀器？

[學(xué)生]可以將固體置于硬質(zhì)玻璃管中，一端通入氣體，另一端流出氣體。例如過氧化鈉和二氧化碳?xì)怏w的反應(yīng)。

[教師]這樣會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)有哪些不足？

[學(xué)生]固體上方有較多空間，有一部分氣體沒有接觸到固體，反應(yīng)不充分。

[教師]有哪些措施可以讓固體和氣體充分接觸？

[學(xué)生]可將固體填滿玻璃管或?qū)⒉ＡЧ苤虚g部分設(shè)計(jì)得比較大，出口比較小，固體填充滿玻璃管的橫截面，使得固體和氣體充分接觸。

[教師]大家有沒有見過這類儀器呢？

[學(xué)生]球型干燥管！

[教師]若有些氣體和固體需要接觸時(shí)間長一些才能達(dá)到更好的吸收效果，可以怎么改進(jìn)儀器？

[學(xué)生]可以再加一個(gè)球型干燥管，或把硬質(zhì)玻璃管加長，多裝一些固體。

[教師]實(shí)驗(yàn)儀器太長會(huì)使裝置不夠緊湊，怎樣才能縮短儀器的長度？

[學(xué)生]把它弄彎就緊湊了！這就是U型管！

[教師]展示討論過程中由學(xué)生“設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)儀器（圖2）。

[教師]觀察上述固氣反應(yīng)裝置的演變，大家發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)計(jì)的原則是什么？

[學(xué)生]滿足具體實(shí)驗(yàn)的需求。

設(shè)計(jì)意圖： 教師沒有直接告訴實(shí)驗(yàn)儀器名稱，而是引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀器，接著追問儀器設(shè)計(jì)的原則，水到渠成。古語云“導(dǎo)而弗牽”，教學(xué)中無需強(qiáng)行將學(xué)生“牽”到現(xiàn)成的結(jié)論中，恰到好處地引導(dǎo)對(duì)學(xué)生思維能力的發(fā)展大有助益。

情境3?從實(shí)驗(yàn)需要看加熱方式變遷

[教師]實(shí)驗(yàn)儀器的外形千變?nèi)f化，但最根本的是要滿足實(shí)驗(yàn)需求。我們還能進(jìn)行很多類似的探索，例如： 如果需要加熱達(dá)到不同溫度，可以采用哪些加熱方式？應(yīng)選用哪些加熱裝置？

[學(xué)生]討論并舉例說明。

[教師]根據(jù)所需溫度和加熱方式的不同，可以選用的加熱儀器有酒精燈、酒精噴燈、電熱套、電爐等。各種不同的加熱方式在生活中也有廣泛的應(yīng)用（圖3）。

設(shè)計(jì)意圖： 高考試題堅(jiān)持能力立意，突出核心素養(yǎng)。命題時(shí)會(huì)取材大學(xué)基礎(chǔ)無機(jī)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)制備實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)不常見乃至完全陌生的實(shí)驗(yàn)儀器，目的是考查學(xué)生的分析評(píng)價(jià)能力和創(chuàng)新能力。學(xué)生需要結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，整合和加工題設(shè)信息進(jìn)行作答。以2017全國乙卷26題為例，對(duì)于“中空雙層玻璃瓶”的作用，學(xué)生可以從生活中的中空雙層玻璃茶杯或熱水瓶的瓶膽中找到相同的因素“中空雙層”，進(jìn)而推知它的作用是“保溫”。情境3從生活出發(fā)，幫助學(xué)生理解各種不同的加熱方式，與生活情境相類比，培養(yǎng)學(xué)生挖掘生活素材解決問題的能力。

2.2?儀器組裝，思維建模

根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理，可以組裝出多種多樣的實(shí)驗(yàn)裝置。儀器的組裝問題變式繁多、變幻莫測，運(yùn)用建模思想能使之迎刃而解?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求學(xué)生“通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，解釋現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”[3]。根據(jù)課標(biāo)要求，以氣體的制備問題為例，可嘗試按照“原型→模型→運(yùn)用”的流程進(jìn)行思維建模，即拆分實(shí)驗(yàn)裝置，回溯實(shí)驗(yàn)裝置的搭建過程，再結(jié)合裝置原型建立模型，并在實(shí)際情境中運(yùn)用模型。具體教學(xué)過程如下：

任務(wù)1?回歸原型

[教師]前面討論了固體和氣體的反應(yīng)，如果反應(yīng)物中有液體，能選用平面的儀器嗎？

[學(xué)生]不能！液體會(huì)流出，儀器必須要有一定的容積。

[教師]如果用一滴液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以用平面的儀器嗎？

[學(xué)生]量少不用擔(dān)心液體流出來，例如用膠頭滴管滴一滴溶液在玻璃片上測定pH。

[教師]根據(jù)液體量由少到多，可選用哪些儀器來盛放液體？

[學(xué)生]點(diǎn)滴板、試管、燒杯、燒瓶、細(xì)口瓶等。

[教師]總結(jié)討論并進(jìn)行成果展示（圖4）。

[教師]如果把玻璃片的“原型”看做一個(gè)平面，能否畫出點(diǎn)滴板、試管、帶分液漏斗的廣口瓶所對(duì)應(yīng)的“原型”？

[學(xué)生]討論并展示（圖5）。

設(shè)計(jì)意圖： 學(xué)生在“回歸原型”的過程中能體驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)裝置從平面到立體的“成長歷程”。該任務(wù)旨在讓學(xué)生思維從具體到抽象演變，同時(shí)回歸認(rèn)知起點(diǎn)看問題，為模型建構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

任務(wù)2?模型建構(gòu)

[教師]結(jié)合剛剛繪制的“原型儀器”，回答下列問題，并運(yùn)用“原型儀器”作圖。

（1） 如果用這些儀器組裝氣體發(fā)生裝置，還需添加哪些儀器？

（2） 如果要控制液體添加的量，可以采取什么措施？

（3） 如果要凈化和干燥氣體，需要添加什么裝置？

（4） 如果要收集氣體，需要添加什么裝置？

（5） 如果要進(jìn)行尾氣處理呢？

[學(xué)生]作品展示（圖6）。

設(shè)計(jì)意圖： 將孤立的實(shí)驗(yàn)儀器組裝以完成整套實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了陳述性知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)過討論和完善，學(xué)生建構(gòu)出關(guān)于氣體的發(fā)生、除雜、干燥、收集、尾氣處理的裝置模型。

[教師]我們對(duì)氣體的發(fā)生裝置模型進(jìn)行深入研究，請大家按要求畫出簡圖。

（1） 若反應(yīng)需要的液體的量很少，可改用什么儀器加液體？

（2） 若需要定量（如2mL）滴加液體，且需控制反應(yīng)溫度，如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置？

（3） 若在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)分液漏斗中的液體不易滴下，如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置？

[學(xué)生]將分液漏斗改成膠頭滴管或針筒可以控制液體滴加的量，若液體無法滴下，則應(yīng)通過橡膠管平衡壓強(qiáng)（圖7）。

[教師]（4）反應(yīng)需要加熱，如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置？

[學(xué)生]根據(jù)反應(yīng)物的狀態(tài)，應(yīng)選擇不同的加熱裝置（圖8）。

[教師]（圍繞發(fā)生裝置的選擇建構(gòu)思維模型）（圖9）。

設(shè)計(jì)意圖： 圍繞發(fā)生裝置的選擇二度建模。以頭腦風(fēng)暴的形式，通過連續(xù)追問引發(fā)學(xué)生的深度思考，拓寬認(rèn)知思路，豐富認(rèn)知角度。將氣體的制備模型與問題情境相融合，完善思維模型。

任務(wù)3?運(yùn)用模型

[教師]（1）選擇合適的試劑制備CO2，寫出對(duì)應(yīng)反應(yīng)的化學(xué)方程式。

可供選擇的試劑： CaCO3塊狀固體、Na2CO3粉末、飽和NaHCO3溶液、稀鹽酸、稀硫酸、稀醋酸、稀硝酸。

（2） 根據(jù)你選擇的實(shí)驗(yàn)原理，組裝一個(gè)CO2發(fā)生裝置。

可供選擇的儀器： 小試管、大試管、具支試管、燒瓶、錐形瓶、蒸餾燒瓶、長頸漏斗、分液漏斗、啟普發(fā)生器簡易裝置、石棉網(wǎng)、球型干燥管、U型管、酒精燈、止水夾、集氣瓶、膠頭滴管、雙孔塞、單孔塞、導(dǎo)氣管、橡皮管。

[學(xué)生]組裝實(shí)驗(yàn)裝置并完成實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)意圖： 設(shè)計(jì)具有開放性的問題，學(xué)生運(yùn)用思維模型解決問題。在運(yùn)用模型的過程中將枯燥的陳述性知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)的思維模式，培養(yǎng)思維的靈活性。

2.3?儀器創(chuàng)新，展示成果

定勢思維易導(dǎo)致思維僵化，打破常規(guī)思維的桎梏，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑。很多學(xué)生認(rèn)為燒瓶只有一個(gè)口，所以解決實(shí)驗(yàn)題時(shí)，三口燒瓶被當(dāng)作陌生儀器。教學(xué)過程中，要善于從平常的事物中制造矛盾，激發(fā)學(xué)生思考，進(jìn)行思想的碰撞，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行高階思維活動(dòng)——?jiǎng)?chuàng)新。部分教學(xué)實(shí)錄如下：

[教師]我們需要一個(gè)氣體發(fā)生裝置，該裝置既需滴加液體又需測量反應(yīng)液的溫度，同時(shí)還要導(dǎo)出反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。一共要在橡皮塞上打幾個(gè)孔？

[學(xué)生]三個(gè)孔，分別插入分液漏斗、溫度計(jì)、導(dǎo)氣管。

[教師]打的孔多容易導(dǎo)致什么問題？

[學(xué)生]容易漏氣。

[教師]有方法解決橡皮塞上不能打孔太多的問題嗎？

[學(xué)生]在燒瓶側(cè)面開孔，帶支管。例如蒸餾燒瓶。

[教師]其他儀器也能設(shè)計(jì)成帶支管的形式嗎？

[學(xué)生]（查找資料）具支試管、抽濾瓶等也具有支管！

[教師]分液漏斗球型部分也會(huì)擋住溫度計(jì)，所以將它們插在同一個(gè)橡皮塞上很不方便。如果需要將溫度計(jì)和分液漏斗都安裝好，還有其他方法嗎？

[學(xué)生]擠在一起不方便操作，在燒瓶上再開一口就不會(huì)擁擠了！

[教師]沒錯(cuò)，科學(xué)家們也是這樣思考和設(shè)計(jì)的！實(shí)驗(yàn)室有單口燒瓶和蒸餾燒瓶，也有兩口、三口（展示各種燒瓶，見圖10）。

[教師]拆分是儀器創(chuàng)新的常見思路，正如燒瓶可以由一個(gè)口被拆分為若干個(gè)口，與拆分相反的思路是什么？

[學(xué)生]組合！

[教師]很好，很多儀器的創(chuàng)新，都是組合思維。我們知道分液漏斗上加導(dǎo)管與燒瓶相連的作用是平衡分液漏斗內(nèi)液體上方的壓強(qiáng)和蒸餾燒瓶中的壓強(qiáng)，確保液體順利滴下。能否設(shè)計(jì)一個(gè)自帶恒壓作用的漏斗？

[學(xué)生]加導(dǎo)管直接連在分液漏斗上并且和燒瓶內(nèi)相通。

[教師]這就是恒壓漏斗，如： 恒壓滴液漏斗（見圖11）。

[教師]圖中的恒壓滴液漏斗上為什么有刻度？

[學(xué)生]組合了量筒的作用，可以知道滴加液體的體積。

[教師]為什么它不是球型的？

[學(xué)生]刻度比較均勻，就像針筒一樣，同時(shí)它變得細(xì)長，在三口燒瓶上也不影響其他口的操作。

[教師]那膠頭滴管是什么儀器的組合呢？

[學(xué)生]尖嘴玻璃導(dǎo)管和洗耳球！

[教師]通過討論，大家發(fā)現(xiàn)儀器創(chuàng)新的原則是什么？

[學(xué)生]便于操作！

[教師]請大家根據(jù)操作需要，自主設(shè)計(jì)儀器，并模仿啟普發(fā)生器的命名，給儀器命名。

[學(xué)生]興致頗高，積極展示創(chuàng)新成果（圖12）。

作品1： 組合了硬質(zhì)玻璃管和點(diǎn)滴板的微型實(shí)驗(yàn)儀器，名稱： 3C微型實(shí)驗(yàn)管（設(shè)計(jì)該儀器的同學(xué)姓名縮寫為3C）。

作品2： 讓圓底燒瓶不需夾持裝置就可以豎直放在桌面的墊子，名稱： 王氏燒瓶墊（命名的同學(xué)姓王）。

設(shè)計(jì)意圖： 自主設(shè)計(jì)和命名實(shí)驗(yàn)儀器的過程，充分點(diǎn)燃了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也能充分外顯學(xué)生思維過程。該環(huán)節(jié)抓住了學(xué)生由不知到知之的矛盾運(yùn)動(dòng)[4]，讓學(xué)生更接近學(xué)習(xí)的本真。

3?總結(jié)與反思

3.1?像科學(xué)家一樣思考——思維課堂

高三復(fù)習(xí)階段許多學(xué)生常常遭遇這樣的窘境： 面對(duì)新情境下的問題，考試時(shí)束手無策，聽講時(shí)恍然大悟，再考試依然無從下手，知識(shí)的更新總是跟不上考題的變化。究其本源，教師在高考復(fù)習(xí)中聚焦于知識(shí)和習(xí)題的應(yīng)然解析，卻疏于對(duì)學(xué)科內(nèi)涵的實(shí)然探索，導(dǎo)致學(xué)生在“知識(shí)碎片”的積累過程中習(xí)慣了“說明書”式的思考方式，思維能力并未得到提升。美國著名教育學(xué)家杜威認(rèn)為：“僅靠學(xué)科知識(shí)來填補(bǔ)大腦，無疑是向垃圾場中堆滿垃圾”。化學(xué)課堂閃爍著思維的光芒，哪怕是枯燥的陳述性知識(shí)也能培養(yǎng)學(xué)生智力活動(dòng)的習(xí)慣，發(fā)展學(xué)生充滿想象力的思維方式。以化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器高三復(fù)習(xí)為例，學(xué)生不僅應(yīng)知道常見儀器名稱，更應(yīng)探索這些儀器的設(shè)計(jì)規(guī)則。當(dāng)學(xué)生從氣體和固體的接觸時(shí)間、接觸面積的角度，自主設(shè)計(jì)出球型干燥管、雙球干燥管、U型干燥管，他們收獲的不只是儀器的辨識(shí)方法，還有像科學(xué)家一樣從問題源頭理性思考的思維品質(zhì)，這正是化學(xué)核心素養(yǎng)所倡導(dǎo)的“科學(xué)精神”。課堂的物理空間是有限的，而課堂的思維空間是無限的?；瘜W(xué)課堂傳道授業(yè)解惑，應(yīng)傳探索之道，授思維之業(yè)，解認(rèn)知之惑。

3.2?像科學(xué)家一樣思考——思辨課堂

何為思辨？思者，批判性思考;辨者，審慎而質(zhì)疑。思辨課堂能讓學(xué)生在思維體操中觸及知識(shí)的內(nèi)涵與外延，在思維火花的碰撞中將認(rèn)識(shí)引向深層。思辨課堂是課堂教學(xué)的最高境界，以實(shí)驗(yàn)儀器的復(fù)習(xí)為例，思辨課堂能促使學(xué)生的思維方式從收斂向發(fā)散轉(zhuǎn)變（聯(lián)系生活多角度看待加熱方式）、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)過渡（動(dòng)態(tài)理解氣體制備裝置模型的建構(gòu)過程），由平面至立體變化（從儀器拆分和組合的視角對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行立體式解剖）、由孤立向系統(tǒng)升華（系統(tǒng)看待復(fù)雜實(shí)驗(yàn)裝置的作用）。思辨課堂能讓教學(xué)由膚而體，由體而神，由神而韻，使得學(xué)生遠(yuǎn)離機(jī)械的記憶、膚淺的思考，走向透徹的理解、深度的學(xué)習(xí)。思辨課堂能給化學(xué)教學(xué)賦予生命，具有“思辨味”的實(shí)驗(yàn)儀器復(fù)習(xí)課不會(huì)被異化為“實(shí)驗(yàn)裝置的命名”，師生共同討論儀器的設(shè)計(jì)、組裝和創(chuàng)新，學(xué)生的“認(rèn)知地圖”逐漸形成，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器能從對(duì)單個(gè)裝置最初的感性認(rèn)識(shí)逐漸發(fā)展為對(duì)組合裝置的理性而辯證的認(rèn)識(shí)。像科學(xué)家一樣思考，無需進(jìn)行復(fù)雜的科研工作，只需回歸源頭進(jìn)行辯證式思考，例如： 三口燒瓶為什么要打出三個(gè)口？膠頭滴管可看作是哪些儀器的組合？

思維課堂與思辨課堂的相輔相成，能激發(fā)學(xué)生的元認(rèn)知能力，讓學(xué)生體驗(yàn)“科學(xué)家式思考”，在潛移默化中實(shí)現(xiàn)知識(shí)的生成、能力的生長和情感的升華。

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