王茂力

摘要：化學實驗創(chuàng)新意識不可能來源于空無，其發(fā)生與發(fā)展需要真實的情境和有效的活動。提出以建立“儀器設計思維”為途徑發(fā)展學生創(chuàng)新意識的四種課堂活動設計類型：由實驗中儀器的具體功能需求展開儀器逆向設計;討論所用儀器的設計意圖;對“多器同用”中的儀器展開對比評價;結合相關化學史，從儀器的發(fā)展變遷中體會前人的創(chuàng)新之路。

關鍵詞：儀器設計;創(chuàng)新意識;課堂活動設計;化學實驗教學

文章編號：1005-6629（2021）05-0058-06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題的提出

2011年上海化學高考試題中出現(xiàn)了一個不尋常的儀器（見圖1）——一個“塌底”試管。該儀器不乏科學性，亦展示了儀器創(chuàng)新設計的魅力。然而與學生開展學情交流時，更多學生卻對此創(chuàng)新表示“抗拒”：見此“異物”，心里很是排斥，首先排除的選項便是它，一直在常規(guī)儀器中篩選;具體分析后又覺可選，但太陌生，心里還是發(fā)虛……學生的話語引起筆者反思：對熟悉儀器不敢質疑，沒見過的便視為“異物”而排斥。難道所有創(chuàng)新發(fā)明皆是異物？學生對非常規(guī)儀器為何反感？審視自己的教學，長期以來不重視為學生提供體驗儀器設計過程的機會，學生缺乏“儀器設計思維”：認為實驗所用儀器為理所當然之存在，欠缺體味其設計意圖、經(jīng)歷改良設計的過程;認為書本上的儀器是現(xiàn)成、正規(guī)、正確的，能按照實驗流程使用即可。實驗教學如果忽視儀器設計思維的培養(yǎng)，實際上便失去了發(fā)展學生創(chuàng)新意識的一個有效抓手。

從學習進階角度來看，儀器設計思維水平可分為從低到高三個層次。水平1（見表1）為“自覺關注”水平，是發(fā)展至較高水平的基礎，要求學生能對儀器設計產(chǎn)生“自覺關注”，有探求究竟的動機、有洞悉儀器設計之意的欲望與欣賞意愿;水平2為“批判評價”水平，要求學生能找準合理角度對相關儀器進行評價;水平3為“自主設計”水平，為三個水平中最高者，是前兩個水平的綜合和升華，不僅要求學生具有主動和敏銳的批判評價能力，對學生的創(chuàng)新意識也有較高的要求。

2教學例析

陳述性知識灌輸方式，如實物或多媒體展示、介紹儀器，然后照方抓藥使用儀器，這樣的教學設計不利于達到上述水平。結合教學實踐，筆者提煉出四種有利于學生建立與發(fā)展“儀器設計思維”的活動類型，并在對應案例中標注出部分與設計思維水平相關的標志性教學行為。

2.1類型1：分析實驗儀器應具功能展開儀器逆向設計

實驗原理決定核心儀器應具的功能。引導學生從已有經(jīng)驗出發(fā)，由熟悉的常規(guī)儀器人手，在課堂討論中發(fā)現(xiàn)對儀器有新的需求，然后通過對原儀器的增、減、拆、合進行創(chuàng)新設計，最后生成理想的儀器。

案例1 滬教版“硫酸銅水合物中結晶水含量測定”中關于“坩堝”的教學片段

教師：由上述測定原理可知，如何使晶體充分失去結晶水？

學生1：長時間加熱。

教師：在哪里加熱？

學生2：燒杯或蒸發(fā)皿。

學生3：（質疑）它們是對液體加熱，不能直接加熱固體的。[L2]

教師：你認為用什么儀器，說說理由？[L1]

學生3：試管就行，以前學過氯酸鉀制氧氣就是用試管，而且是口朝下，防止冷凝水倒流。

教師：想得周到，擔心水倒流都考慮到了，都贊同用試管嗎？

學生4：（質疑）好像水分也不能充分失去吧，試管那么長，水蒸氣在試管中始終會有，這又不是隨便失去一些結晶水就行，必須要完全失去才能準確測定。[L2]

教師：眼光犀利！這位同學抓住了定量實驗的一個核心——求準！

學生3：（辯護）那我把試管鋸短一點。[L3]

（班級里學生哄笑起來，認為這是詭辯）

教師：儀器都是人設計的，按需改良有啥不可？[L3]給他機會把試管鋸短一截。得到這個儀器可以嗎（黑板上畫出圖2）？

學生4：不方便稱量吧，試管下面是圓的，不能直立放在電子天平里，橫置的話，短試管中試劑容易倒出來。[L2]

教師：思考全面！你來改良設計一下吧。

學生4：可以把下面做成平的。[L3]

教師：那么得到的儀器就是這樣（畫出圖3），還有何不妥嗎？

學生5：如果加熱固體，這么短的試管，會不會晶體蹦出來？

學生6：加個蓋子！[L3]

……

教師：（畫出圖4）設計得巧妙！得到的儀器是否能夠滿足我們的需求呢？相關資料表明，膽礬中的五份結晶水隨溫度上升逐份失去，在650℃時，硫酸銅開始分解為氧化銅，而玻璃軟化溫度約在600℃。有何想法？[L2]

學生7：加熱溫度可以接近但不能超過650℃，但是盛裝物質的儀器的材料最好不是玻璃，要采取熔點更高的材料。

教師：金剛石？

學生：（笑）要便宜、容易獲取的材料。

教師：回顧剛才儀器設計的過程：根據(jù)實驗目的，考慮諸多因素：結晶水充分失去，稱量方便，防止晶體飛濺，材料經(jīng)濟、耐高溫等，有創(chuàng)意也貼近實際?，F(xiàn)在我們來欣賞集大家創(chuàng)意于一身的儀器——坩堝。

（下發(fā)數(shù)個坩堝，學生把玩、討論，發(fā)現(xiàn)手里坩堝的特征和剛才討論的多個設計點很吻合，頗有成就感）[L1]

案例評析：上述案例體現(xiàn)了由實驗所需而進行儀器逆向設計的一種模式：分析儀器應具功能，展開儀器設計，評價，再改良，再評價……。一般由學生熟悉的通用儀器人手，分析其在具體情境中使用時的不足，逐漸改良為“恰到好處”的專用儀器。

在按需設計、批判評價的過程中，挖掘影響實驗成敗的儀器方面的因素，進而對儀器做增、刪、合、拆等創(chuàng)新之舉，會漸漸形成一種“設計師”的視域，這類課堂活動可對學生創(chuàng)新思維的提升提供豐富的機會。

案例2 “配制一定物質的量濃度溶液”實驗中關于儀器“容量瓶”的教學

教師：為了準確配制一定物質的量濃度的溶液，從原理（c=n/V）來看，關鍵是什么？

學生1：溶質的物質的量要準確，對應溶液體積也要精確。

教師：假如配制的溶液體積要準確的250mL，如何操作呢？

學生2：（每組都分有10mL量筒、滴管、250mL燒杯等儀器）可以把溶質放入燒杯中，然后加水到250mL刻度線。

教師：大家如果認可，嘗試著把水加到250 mL刻度，然后說說你的體會。[L1]

（片刻后）學生2：好像用燒杯不大好？加到刻度后，再加兩滴管水，液面還是在刻度線，那個刻度線那么粗，可能不準確呢。

教師：為何剛才多加了水，液面上升卻不明顯呢？

學生3：燒杯口徑大，要較多的水才能使得液面上升。

教師：是不是和我們崇明島雖地處江心，卻不會有洪水一個道理??？（學生紛紛說著“十幾公里的江面”等）所以燒杯一般不作定量儀器，其刻度只作大致參考。那么用什么儀器更好？[L1]

學生：量筒！量筒細，可以測得精確。

教師：如何操作？

學生4：我們的量筒是10mL，要250mL溶液，就要量取水25次，再一起倒入燒杯中混合。

學生5：不對！溶液要250mL，不是水要250mL。

學生5：把溶質放到250 mL規(guī)格的量筒中，再加水到250mL刻度。

教師：（隨即拿出250mL規(guī)格的量筒）你覺著行不？

（學生笑了起來，發(fā)現(xiàn)250 mL量筒的口徑也不小，比10mL量筒口徑大多了）[L2]

學生5：那就把10mL量筒的筒壁延長25倍……喔，好像太長了！

教師：剛才兩個儀器各有優(yōu)劣，燒杯肚子大，精度不高，細的量筒容量小，精度卻較高，容量和精度如何兩全呢？[L2]

學生6：可以把它們組合起來，用燒杯做底，量筒做頸，拼在一起。[L3]

案例評析：通過在儀器設計中不斷地探索、試錯，在相關經(jīng)驗形成的同時，逐步建立起某些關于儀器設計的認知模型。在該案例中，學生通過燒杯和量筒特征的對比，建立了“大肚有容，細頸求精”的認知模型，這種“按需組合”的創(chuàng)新方法對以后的學習能起到一定的經(jīng)驗指導作用。比如在滴定管的設計中，學生就能真正理解滴定管細長特征的由來——對容量的要求不高，而更在乎精度。

2.2類型2：討論實驗儀器或工程設備的設計意圖

認為所見儀器自然如此，無視其設計特點，恰是失去了創(chuàng)新意識的有效生長點，是一種惰性思維的體現(xiàn)。如果在教學中能把學生經(jīng)驗中的熟悉儀器與其形變后產(chǎn)生新功能的形似儀器同時對比展示，學生必由疑生趣、析其異同、探其所圖;也可將學生未見過的特征明顯的實驗儀器或某化工設備作為探究素材，對發(fā)展學生創(chuàng)新思維會有積極的促進作用。

案例3

（鹵素單元教學復習課）對球形、梨形分液漏斗及恒壓漏斗等儀器設計意圖的理解

教師：在制取氣體時，用到的一種能控制反應進度的儀器是？

學生：分液漏斗。

教師：大家對比桌上的分液漏斗（見圖5），注意到什么了嗎？[L1]

學生1：別人的分液漏斗上面是球狀的，我的分液漏斗是尖長的！

教師：一種稱為球形漏斗，制取氣體時用得較多，另一種稱為梨形漏斗，較細長，形狀上的差異設計，意圖為何？[L2]

（教師參與討論時發(fā)現(xiàn)學生對這兩種漏斗的設計很難理解）

教師：提示一下大家，球形漏斗一般用在滴加液體上，而梨形漏斗一般用在萃取分液上，從用途的不同上再思考。

學生2：做成球形是為了能裝體積更多的液體，方便使用，而梨形的原因還是說不出。

教師：那我們請同學來實踐一下。

（在球形和梨形漏斗中分別加入油水混合物，請一位同學分別把下層的水放出）[L2]

學生3：用球形漏斗時，不方便判斷何時關閉旋塞，而梨形漏斗的液面下降很明顯，以便及時關閉旋塞，分液更徹底。

教師：為何梨形漏斗中液面下降更明顯呢，你們有相關的經(jīng)驗喔。

學生：和向燒杯、量筒中加等量液體引起液面高度變化不同相似。梨形漏斗較細的結構使得液體減少時液面高度變化明顯。

教師：同樣是漏斗，設計上的差異能賦予儀器不同的功能。在習題中我們見到過一種改良過的分液漏斗（見圖6），回憶其功能后，再看看另一個漏斗，能理解其設計特點的意圖嗎（展示如圖7的漏斗）？[L2]

案例評析：該活動的邏輯發(fā)展路線為發(fā)現(xiàn)儀器差異一分析功能差異一理解儀器特點。這個過程能充分調動學生的相關經(jīng)驗，激發(fā)他們的批判性思維，并形成一種設計思維模型：實驗需求一儀器功能一設計調整。教學互動中，教師并未明言創(chuàng)新一詞，卻將創(chuàng)新的積極意義和方法潛移默化地展示出來。

在遇到梨形漏斗功能分析困難時，采用學生實驗的方法，其體會比教師口述要深刻得多。再如中和滴定實驗，承接液體為何用錐形瓶而非燒杯？不用教師多言，讓學生在燒杯和錐形瓶中分別加入適量液體，要求“充分搖勻”，錐形瓶“收口”設計的優(yōu)勢展現(xiàn)無遺。

案例4滬教版教材“氯化氫合成塔”設計分析

教師：知道了氯化氫工業(yè)制取原理后，請同學們欣賞教材中提供的氯化氫合成塔（見圖8），什么設計點最吸引你，嘗試解釋其設計意圖，或者提出你對某設計的疑惑。[L1]

學生1：設備外表有很多鐵片。為的是增大表面積，能夠充分散熱。[L2]

學生2：通氫氣和氯氣的管子不是并排而是分為內外管，我覺得能夠充分燃燒。

教師：內外管分別通入何種氣體是隨意的嗎？

學生2：氫氣應該通外管，這樣能夠把氯氣包著燃燒，使有毒的氯氣充分反應。[L2]

教師：能夠從“原料充分反應”角度分析，很到位！還有別的出彩設計嗎？

學生3：配有視孔，便于隨時觀察反應情況。

學生4：我有個疑問，燃燒的熱為啥要散掉呢？

教師：具體說說。

學生4：我認為可以把燃燒放出的熱利用起來。

教師：能從能源充分利用角度分析，很不錯，你有啥具體想法嗎？

學生4：把整個裝置放在可以流動的水里，這樣就可以很便利地獲取熱水了。[L3]

教師：非常有創(chuàng)意！還真有人按照這種思路設計出了一種新型的氯化氫合成塔——水套式合成塔。（教師展示一家企業(yè)的產(chǎn)品圖片，其余學生對學生4鼓掌贊許?。?/p>

學生5：我有個疑問，為啥設備的上面要做成尖的呢？[L1]

學生6：下雨的時候就順勢流下，不會有積水，不然設備容易腐蝕。[L2]

……

教師：剛才同學們的討論非常精彩，老師也受益匪淺。同學們能夠從“原料”“能源”“環(huán)境”等更高層次角度思考，這就是“綠色化”思維的一種體現(xiàn)。[L3]

案例評析：儀器設計思維的建立及運用，不僅針對實驗室中的儀器，還可以遷移到實際的化工生產(chǎn)中。化工設備對大多數(shù)學生來說很陌生，對其設計意圖的探究，既是對學生課堂所學知識的一種遷移和運用，也是中學階段發(fā)展學生工程思維的一個途徑。用工程思維中“創(chuàng)新性”“系統(tǒng)性”“權衡性”“價值性”“雙贏性”思維模型對設備進行批判性思考，分析得失，嘗試改進，這對學生社會責任意識的建立與創(chuàng)新思維的發(fā)展都有積極深遠的影響。

2.3類型3：對“多器同用”中的儀器展開對比評價

不同的儀器可以有相同的主要功能，它們各自的特色、利弊就是讓學生開展批判性思考的有效素材。課堂活動中可引導學生從科學性、簡約性、綠色化等角度對“多器”展開對比評價、改良和設計。

案例5對具備“隨開隨用，隨關隨?！敝茪夤δ艿亩喾N儀器開展對比（見圖9）。

教師：所示制氣儀器具有一個共同的實驗功能，能說出嗎？

學生：隨開隨用，隨關隨停。

教師：它們形態(tài)各異，各具特色。我們來點評一下，好在哪里，不足之處又在哪里。[L2]

學生1：我還是覺得A最厚實、穩(wěn)重。

教師：（學生偷笑）這是很中肯的評價嘛，美學追求當然能體現(xiàn)在儀器設計上。這也讓我們思考，評價儀器設計，除了美學追求以外，還應該考慮什么因素？[L2]

學生2：要能有效達成實驗目的。

學生3：操作要方便，儀器不能太復雜。

學生4：環(huán)保，有毒物質不能散出，用的試劑無需太多。

學生5：儀器不要那么多限制，比如A不能加熱，這對需要加熱的實驗就不行了。[L2]

教師：很好，評價標準歸納為：科學性、兼容性、簡約化、綠色化。接下來從這幾個標準來分別評價一下上面的儀器。

學生6：我認為G比F從儀器的科學性和簡約性來講，都更好一些。F中的隔板要固定到光溜溜的管壁上，不容易，而G中加玻璃珠就方便得多，而且F容易出現(xiàn)固體變細碎后一掉到底，而G中層層玻璃珠對哪怕是較小固體的固定效果好得多。[L2]

學生7：我認為更簡單的裝置就是在D的基礎上，不用帶孔塑料片，底部破個小洞的試管直接就可以用！不需要氣體時，拎起來就是。[L3]

（同學們沉默片刻后，開始贊許這種簡易的做法）

學生8：但是我覺得這只能制取無毒的氣體。[L2]

案例評析：創(chuàng)新是有一定目的和方向的。多器同用評價活動中，教師需要先引導學生得出評價的標準，后續(xù)的評價討論才可以既發(fā)散又集中。評價的目的不是為了決勝負，而是去體會各種儀器的特色，去欣賞儀器的多樣化，破除學生經(jīng)驗中關于儀器“一器一用”的刻板印象。每種儀器的特色，以及帶來的功能上的優(yōu)劣，都能成為學生以后開展創(chuàng)新活動的素材。

2.4類型4：結合化學史，從儀器的發(fā)展變遷中體會前人創(chuàng)新之路

這種課堂活動設計能有效改變學生認為化學儀器生就如此，不愿深究的惰性思維。儀器從雛形生成到修正改良、衍生發(fā)展的變遷史中，蘊含了豐富的設計創(chuàng)新史。讓學生沿著前人的創(chuàng)新腳步，去理解一次次設計上的改良，是發(fā)展學生的儀器設計思維以及促發(fā)創(chuàng)新思維的一種有效策略。

案例6 利用“滴定管變遷史”開展教學活動設計提供關于滴定管發(fā)展歷史資料如表2所示。

案例評析：從滴定管歷史變遷的真實情境，體會前人設計與創(chuàng)新的過程。教師從儀器操控、材料兼容、測量求精等方面人手，設計一系列的課堂探究活動。學生在觀摩、“參與”前人的設計創(chuàng)新的同時，自然就丟棄了之前的惰性思維。他們能真切地感受到手中的滴定管并非生就如此，而是歷史上長期的多次改良設計的精華積淀，僅為解決“將液體下滴控制到精準的一滴”便煞費苦心。

3研究反思

上述建立儀器設計思維、發(fā)展學生創(chuàng)新意識的相關探索，是挖掘化學實驗教學獨特價值功能的一次實踐。

為使學生達到相應儀器設計思維水平，可從兩方面人手。一方面要精心選擇有效的探究素材為儀器設計思維提供生長點，另一方面要在實踐中充分利用課堂中的對話。對話既能產(chǎn)生有效教學資源，也是對學生儀器設計水平層次進行過程評價的重要依據(jù)。這就要求教師把握好預設的主線的同時，為學生主動學習行為的展示，如“質疑、設計、辯論”等，提供充分的機會。教師無需多言，真誠的傾聽和有效的引導與評價能起到更好的作用。

從學習動機角度看，基于儀器設計思維發(fā)展而設計的課堂活動中，學生的興趣也由感知興趣、操作興趣、探究興趣逐漸上升至創(chuàng)造興趣，這是化學學習興趣的最高層次，是推動學生形成較高科學素養(yǎng)的強勁的動力。

最后需要指出的是，實驗設計的對象不僅除了單個儀器，還包括基本原理、試劑（種類、物態(tài)、添加方式等）、儀器組合等方面，儀器設計只是整個實驗設計系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。隨著學生學科知識的不斷充實以及學習能力層次的不斷提升，從儀器設計思維學習中的收獲將影響對整個實驗系統(tǒng)的設計，其創(chuàng)新思維也將得以發(fā)展。