厲業(yè)余曹 坤劉江田

（1.江蘇省六合高級(jí)中學(xué) 江蘇 南京 211500；2.南京市燕子磯中學(xué) 江蘇 南京 210046；3.南京市教學(xué)研究室 江蘇 南京 201001）

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出：“教學(xué)中應(yīng)突出對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)探究的一般過(guò)程與方法，建立解決某類化學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的特定思路與方法?！薄罢J(rèn)識(shí)提出問(wèn)題，設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，收集實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)等相關(guān)證據(jù)，根據(jù)證據(jù)進(jìn)行分析推理，以及得出結(jié)論等環(huán)節(jié)中所需要的方法與策略?！保?］實(shí)驗(yàn)探究能力及高階思維能力是化學(xué)學(xué)科的核心內(nèi)容之一，也是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)重要方面。

一、循著學(xué)生思維軌跡在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義

1.有利于融通教師主導(dǎo)與學(xué)生主體作用

美國(guó)行為主義心理學(xué)家約翰·華生（John Broadus Watson）認(rèn)為：思維也是一種感覺(jué)運(yùn)動(dòng)的行為。因此，教學(xué)時(shí)引導(dǎo)學(xué)生有目的、有計(jì)劃地進(jìn)行“認(rèn)識(shí)思路”優(yōu)化和“核心觀念”建構(gòu)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，將教師的主導(dǎo)和學(xué)生的主體作用有效融通，可以逐步提升學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化水平，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生結(jié)合自己的思維水平，從模仿到自主、從局部到整體，聯(lián)想與研究對(duì)象相似、相近或相反的內(nèi)容，通過(guò)觀察、比較、分類、推理、實(shí)驗(yàn)等方法，將已有認(rèn)識(shí)從一個(gè)對(duì)象遷移到另一個(gè)對(duì)象，按照化學(xué)學(xué)科知識(shí)之間的邏輯關(guān)系有效關(guān)聯(lián)。學(xué)生充分發(fā)揮其主體作用，在參與中積累發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決問(wèn)題的策略，不斷形成化學(xué)觀念和完善思維模型。

2.有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率

學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性更重要的是體現(xiàn)在學(xué)習(xí)中形成的正確認(rèn)識(shí)世界的視角、探索未知世界的科學(xué)方法。學(xué)生在主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的過(guò)程中獲得的不能是零散的、孤立的、固化的“知識(shí)”，而應(yīng)該是系統(tǒng)的、聯(lián)系的、發(fā)展的認(rèn)識(shí)。［2］實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，循著學(xué)生思維軌跡可使教學(xué)過(guò)程更真實(shí)、自然，更切合學(xué)生的思維實(shí)際。教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生從設(shè)計(jì)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、獲取證據(jù)、分析解釋或建構(gòu)模型、形成結(jié)論及交流評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)走進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“最近發(fā)展區(qū)”，啟迪學(xué)生的科學(xué)思維，幫助學(xué)生形成化學(xué)實(shí)驗(yàn)的思維模型，可大大提高學(xué)習(xí)效率。

二、循著學(xué)生思維軌跡，建構(gòu)“333化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型”

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的教學(xué)設(shè)計(jì)與組織，應(yīng)注重對(duì)知識(shí)所隱含的靈動(dòng)的人的思維程序、思維方法的自覺(jué)揭示，注重對(duì)文字所代表的“客觀事實(shí)”的自覺(jué)鏈接。［3］實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要任務(wù)應(yīng)該是圍繞真實(shí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，與已有的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，并遷移到新的實(shí)驗(yàn)情境中，建構(gòu)實(shí)驗(yàn)思維模型。教師應(yīng)當(dāng)循著學(xué)生思維軌跡優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的策略模型，切實(shí)讓學(xué)生體會(huì)到“問(wèn)題有源頭、思考有方向、解決有模型”。

1.以“三關(guān)注”（實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置）為著力點(diǎn)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本問(wèn)題有三個(gè)主要方面：解決什么問(wèn)題——實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、用什么方法——?shí)驗(yàn)原理、如何完成——實(shí)驗(yàn)裝置。其中，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖撬袉?wèn)題解決的思維源頭，圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼归_(kāi)的實(shí)驗(yàn)思維活動(dòng)有著其基本的思維規(guī)律，據(jù)此建構(gòu)的思維模型可有效地幫助學(xué)生提升實(shí)驗(yàn)探究能力?，F(xiàn)以氣體性質(zhì)探究——“設(shè)計(jì)‘探究SO2和Sr反應(yīng)的產(chǎn)物’的實(shí)驗(yàn)方案”為例，介紹以實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置為“著力點(diǎn)”建構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置模型的具體做法。

（1）追尋學(xué)生思維源頭

教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，教師應(yīng)當(dāng)想學(xué)生所想，從學(xué)生最容易、最直接的思維“最近發(fā)展區(qū)”出發(fā)，循著學(xué)生思維軌跡，準(zhǔn)確把握實(shí)驗(yàn)教學(xué)的起點(diǎn)?！霸O(shè)計(jì)‘探究SO2和Sr反應(yīng)的產(chǎn)物’的實(shí)驗(yàn)方案”實(shí)驗(yàn)的思維源頭是先要預(yù)測(cè)SO2和Sr反應(yīng)的產(chǎn)物，然后根據(jù)產(chǎn)物的組成（類別）、結(jié)構(gòu)、特征性質(zhì)設(shè)計(jì)探究方案。

（2）循著學(xué)生思維軌跡

學(xué)生在解決“SO2和Sr反應(yīng)的產(chǎn)物是什么？”的實(shí)際問(wèn)題時(shí)，首先要解決的是SO2氣體的制備、凈化、干燥的方法并建構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置模型，然后是在預(yù)測(cè)SO2和Sr反應(yīng)產(chǎn)物基礎(chǔ)上，根據(jù)反應(yīng)物SO2和Sr的狀態(tài)和反應(yīng)條件，設(shè)計(jì)SO2和Sr的反應(yīng)裝置及尾氣處理裝置，最后是對(duì)SO2和Sr反應(yīng)產(chǎn)物分離提純后，依據(jù)預(yù)測(cè)產(chǎn)物的特征性質(zhì)設(shè)計(jì)探究方案，證實(shí)或證偽預(yù)測(cè)的結(jié)論。

（3）建構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置模型

宋心琦先生曾說(shuō)：“一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以歸納為作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的物質(zhì)體系；適當(dāng)?shù)膬x器裝置和必要的安全措施；合理的實(shí)驗(yàn)步驟和規(guī)范的操作技術(shù)等三個(gè)方面?！保?］實(shí)驗(yàn)的儀器裝置是對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象物質(zhì)體系的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟、規(guī)范的操作初步規(guī)劃的“物化”表現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)就是在實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹笇?dǎo)下的實(shí)驗(yàn)思維。以探究SO2和Sr反應(yīng)產(chǎn)物為例的實(shí)驗(yàn)裝置模型建構(gòu)過(guò)程如下：

首先需要選擇合適的試劑和裝置完成SO2氣體的制備、凈化、干燥，因?yàn)镾O2是常見(jiàn)的酸性氧化物，也是大氣污染物。Sr與Mg同位于ⅡA而且在金屬Ca的下方，依據(jù)元素周期律可知Sr是一種非?；顫姷慕饘?，金屬性強(qiáng)于Mg。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理和SO2的性質(zhì)特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出“SO2和Sr反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1）。

圖1 “SO2和Sr反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)裝置

然后根據(jù)分類思想和元素周期律可將SO2與Sr的反應(yīng)聯(lián)想到CO2和Mg的反應(yīng)，預(yù)測(cè)SO2與Sr的反應(yīng)產(chǎn)物為SrO和S。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是原子的重新組合，應(yīng)用元素觀推測(cè)SO2與Sr可能的反應(yīng)產(chǎn)物有S、SrS、SrO、SrSO3和SrSO4。

最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案證明產(chǎn)物預(yù)測(cè)的真?zhèn)危海?）反應(yīng)后取裝置C中的固體粉末于燒瓶中，加入足量稀硫酸，觀察到有氣體生成，將產(chǎn)生的氣體分別通入品紅溶液和硫酸銅溶液中，品紅溶液褪色、溶液中出現(xiàn)黑色沉淀說(shuō)明產(chǎn)物中含有SrSO3和SrS。（2）探究（1）的燒瓶中的固體粉末中含有硫：首先考慮利用硫的特征性質(zhì)，中學(xué)階段沒(méi)有直接檢驗(yàn)硫的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而思考轉(zhuǎn)化為SO2，再利用SO2能使品紅溶液褪色的特征性質(zhì)選擇圖2所示裝置。按氣流從左到右，依次連接dcab裝置，調(diào)控好條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2 探究固體粉末中含有硫的實(shí)驗(yàn)裝置

2.以“三聚焦”（流程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)調(diào)控、結(jié)論形成）為關(guān)鍵點(diǎn)

“物質(zhì)制備”實(shí)驗(yàn)的基本問(wèn)題也有三個(gè)：一是如何設(shè)計(jì)流程，包括制備、分離提純、獲得產(chǎn)品；二是依據(jù)反應(yīng)原理調(diào)控反應(yīng)的進(jìn)行，如速率、減少副反應(yīng)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量等；三是分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果的因果關(guān)系，確保證據(jù)充分?，F(xiàn)以“設(shè)計(jì)制備K2FeO4的實(shí)驗(yàn)方案”為例介紹具體做法。

（1）追尋學(xué)生思維源頭

化學(xué)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)得以實(shí)施的前提，設(shè)計(jì)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生聚焦實(shí)驗(yàn)條件的調(diào)控，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)初步形成結(jié)論是完成實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)。“制備K2FeO4”實(shí)驗(yàn)的思維源頭是流程設(shè)計(jì)，從流程中分析每一個(gè)步驟實(shí)施的原理，尋找每一個(gè)條件控制的依據(jù)，思考每一個(gè)結(jié)論形成的關(guān)聯(lián)。

（2）循著學(xué)生思維軌跡

“實(shí)驗(yàn)室用KClO溶液與Fe（NO3）3溶液的反應(yīng)制備高效水處理劑K2FeO4”曾被選為2015年江蘇卷和2018年北京卷的實(shí)驗(yàn)題的背景材料。題中提供了K2FeO4的有關(guān)信息：“K2FeO4具有下列性質(zhì)①紫色固體，可溶于水、微溶于濃KOH溶液，②在0℃～5℃、強(qiáng)堿性溶液中比較穩(wěn)定，③在Fe3+和Fe（OH）3催化作用下發(fā)生分解，④具有強(qiáng)氧化性，在酸性或中性溶液中快速產(chǎn)生O2”。

以實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)為思維源頭：K2FeO4常用KClO溶液與Fe（NO3）3溶液在強(qiáng)堿性條件下來(lái)制備，而KClO又是來(lái)源于Cl2與KOH反應(yīng)，這就需要先制備Cl2，學(xué)生聚焦的問(wèn)題是如何使Cl2得到充分利用，依據(jù)資料信息和已有知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)，采取緩慢滴加濃鹽酸、KOH過(guò)量、攪拌溶液等措施調(diào)控實(shí)驗(yàn)條件制備K2FeO4；并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)制備流程。

（3）建構(gòu)流程設(shè)計(jì)模型

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生聚焦流程設(shè)計(jì)的思維源頭、聚焦實(shí)驗(yàn)條件的調(diào)控（溫度、酸堿度、試劑滴加順序等）、觀察并如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，科學(xué)推理和定量分析，聚焦結(jié)論形成的證據(jù)。簡(jiǎn)要的教學(xué)過(guò)程如下：

首先需要解決原料氣Cl2的制備、凈化和尾氣處理，可設(shè)計(jì)成以下裝置完成實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖4）。

圖4 制備高鐵酸鉀的實(shí)驗(yàn)裝置

聯(lián)想生活中漂白液的制備，實(shí)驗(yàn)室可用不同的氧化劑（MnO2、KMnO4、KClO3、NaClO等）氧化濃鹽酸來(lái)制取氯氣。

然后調(diào)控好實(shí)驗(yàn)條件有利于K2FeO4的制備：（1）將反應(yīng)裝置C置于冰水中冷卻控制體系溫度。（2）在攪拌下，將Fe（NO3）3飽和溶液緩慢滴加到KClO飽和溶液中。最后可以得出“K2FeO4在0℃～5℃、強(qiáng)堿性溶液中比較穩(wěn)定”的結(jié)論。

在明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮屠斫鈱?shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上合理

引導(dǎo)學(xué)生從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，分析反?yīng)原理，選擇合適的實(shí)驗(yàn)試劑和儀器裝置，自主建構(gòu)“氣體性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)”裝置模型（見(jiàn)圖3）。選擇實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，調(diào)控實(shí)驗(yàn)條件，引導(dǎo)學(xué)生逐步建構(gòu)“常見(jiàn)氣體的制備和性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)”流程設(shè)計(jì)模型（見(jiàn)圖5）。

圖3 “氣體性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)”裝置模型

圖5 “常見(jiàn)氣體的制備和性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)”流程設(shè)計(jì)模型

3.以“三提升”（結(jié)果分析、方案評(píng)價(jià)、觀念形成）為核心點(diǎn)

“探究物質(zhì)性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)的基本問(wèn)題也有三個(gè)：一是從數(shù)據(jù)可靠性判斷、數(shù)據(jù)處理等方面的結(jié)果分析；二是對(duì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出進(jìn)一步探究的設(shè)想；三是在探究實(shí)驗(yàn)中逐步形成并鞏固化學(xué)觀念?，F(xiàn)以“探究高鐵酸鉀（K2FeO4）的性質(zhì)”為例介紹教學(xué)過(guò)程。

（1）追尋學(xué)生思維源頭

以結(jié)果分析為思維源頭，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能性進(jìn)一步分析，根據(jù)假設(shè)提出多種探究方案，評(píng)價(jià)和優(yōu)化方案，用數(shù)據(jù)、圖表、符號(hào)等處理實(shí)驗(yàn)信息，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的“異常”現(xiàn)象和已有結(jié)論進(jìn)行反思、提出質(zhì)疑和新的實(shí)驗(yàn)設(shè)想，進(jìn)一步付諸實(shí)施。［1］“探究高鐵酸鉀的性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)的思維源頭是紫色溶液（含有K2FeO4、KCl、KClO）中加入稀硫酸產(chǎn)生Cl2，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案分析Cl2產(chǎn)生的原因，然后評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案的合理性，實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中不斷形成化學(xué)觀念。

（2）循著學(xué)生思維軌跡

（2018·北京28題節(jié)選）按圖4裝置探究K2FeO4的性質(zhì)：取C中紫色溶液，加入稀硫酸，產(chǎn)生黃綠色氣體，得溶液a，經(jīng)檢驗(yàn)氣體中含有Cl2。

首先進(jìn)行結(jié)果分析：Cl2可能是K2FeO4氧化Cl-，也可能是KClO氧化Cl－而產(chǎn)生的。同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)出兩組實(shí)驗(yàn)方案探究Cl2產(chǎn)生的原因及K2FeO4的性質(zhì)：（Ⅰ）取少量a，滴加KSCN溶液至過(guò)量，溶液呈紅色；（Ⅱ）用KOH溶液充分洗滌C中所得固體，再用KOH溶液將K2FeO4溶出，得到紫色溶液b。取少量b，滴加鹽酸，有Cl2產(chǎn)生。

然后評(píng)價(jià)方案Ⅰ、Ⅱ是否合理？根據(jù)反應(yīng)原理可知：C的紫色溶液中含有K2FeO4、KCl，還含有KClO。方案Ⅰ中溶液變紅可知a中含有Fe3+，但不一定是K2FeO4被Cl-還原生成的，還可能是K2FeO4在酸性溶液中快速產(chǎn)生O2，自身被還原成Fe3+。產(chǎn)生Cl2還可能是ClO-+Cl-+2H+=Cl2↑+H2O，即KClO的存在干擾結(jié)果分析。方案Ⅱ用KOH溶液洗滌是為了除去KClO、排除ClO-的干擾，同時(shí)保持K2FeO4穩(wěn)定存在，可以證明K2FeO4氧化了Cl－而產(chǎn)生Cl2。還可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：K2FeO4的制備實(shí)驗(yàn)和方案Ⅱ?qū)嶒?yàn)中Cl2和FeO2-4的氧化性強(qiáng)弱關(guān)系為什么不一致？

同學(xué)間、師生間相互評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)、可行性，收集實(shí)驗(yàn)證據(jù)，基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并得出結(jié)論，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行反思，不斷提升學(xué)生的結(jié)果分析能力和方案評(píng)價(jià)能力。在結(jié)果分析和方案評(píng)價(jià)中讓學(xué)生逐步形成元素觀、變化觀、實(shí)驗(yàn)觀、化學(xué)價(jià)值觀等化學(xué)觀念。

（3）建構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思維模型

模型是解釋化學(xué)現(xiàn)象的一種思維方式，用來(lái)描述和解釋物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，預(yù)測(cè)物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果，而建構(gòu)模型的學(xué)習(xí)方法可使復(fù)雜概念（或問(wèn)題）簡(jiǎn)單化、直觀化。化學(xué)實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生接受、吸收、整合化學(xué)信息的能力，分析和解決化學(xué)問(wèn)題的能力，化學(xué)實(shí)驗(yàn)與探究能力。教學(xué)時(shí)，以實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖鳛閷W(xué)生的思維源頭，依據(jù)化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)和規(guī)律分析化學(xué)反應(yīng)原理，結(jié)合已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)、按照實(shí)驗(yàn)的相關(guān)要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，提取、加工相關(guān)信息，預(yù)測(cè)推理化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，用實(shí)驗(yàn)的方法探究物質(zhì)性質(zhì)，通過(guò)生生、師生間的討論質(zhì)疑和交流矯正，科學(xué)規(guī)范解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，建構(gòu)“物質(zhì)制備和性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)”的思維模型（見(jiàn)圖6），切實(shí)讓學(xué)生“思考有方向”。

圖6 “物質(zhì)制備和性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)”的思維模型

4.建構(gòu)“333化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型”

“物質(zhì)制備和性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)循著學(xué)生思維軌跡，追尋思維源頭，精選典型、真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引領(lǐng)學(xué)生在關(guān)注三個(gè)層面（實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、

圖7 “333化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型”