摘 要：結(jié)構(gòu)化思維能夠使學(xué)生條理清晰地認識并解決問題，是一種重要的科學(xué)思維方法.據(jù)此，本文介紹了結(jié)構(gòu)化思維及其在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，討論了結(jié)構(gòu)化思維在物質(zhì)的制備類實驗綜合題中的應(yīng)用方法，即首先確定物質(zhì)制備類實驗的核心反應(yīng)，然后根據(jù)核心反應(yīng)把實驗分成三段進行處理，即原料組織、核心反應(yīng)、后置處理，并結(jié)合相關(guān)試題進行了應(yīng)用說明.

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化思維；物質(zhì)制備實驗；高中化學(xué)

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2023）31-0133-04

收稿日期：2023-08-05

作者簡介：趙相黔（1975.3-），男，河南省南陽人，研究生，中學(xué)高級教師，從事中學(xué)化學(xué)教學(xué)研究.

人是通過思維把握和認識世界的，思維方式不一樣，認識世界的方式也不一樣，所把握的結(jié)果也就不一樣.化學(xué)是自然學(xué)科的重要組成部分，化學(xué)知識體系蘊涵著豐富的科學(xué)思維方法，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)和思維能力有著重要作用.結(jié)構(gòu)化思維是一種高階思維模式，可以很好地發(fā)展學(xué)生智力，幫助學(xué)生掌握化學(xué)知識和解決問題.

1 結(jié)構(gòu)化思維的內(nèi)涵

結(jié)構(gòu)化思維在國內(nèi)和國際上都有一定程度的研究.國內(nèi)朱良學(xué)教授闡述了結(jié)構(gòu)化思維的內(nèi)涵和原理，認為結(jié)構(gòu)化思維可以有力地發(fā)展學(xué)生的智力、強化學(xué)生的思維，可以提高學(xué)生的創(chuàng)造力和分析問題的能力[1]；劉濯源教授提出將“思維導(dǎo)圖”應(yīng)用到學(xué)科教學(xué)中，可以強調(diào)學(xué)科知識中概念之間的邏輯關(guān)系，即結(jié)構(gòu)化思維[2].

早在20世紀70年代，金字塔原理由麥肯錫國際管理咨詢公司的咨詢顧問巴巴拉·明托所研究和發(fā)明，并在《金字塔原理》一書中首次提出了思維結(jié)構(gòu)的金字塔原理，即實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化思維的標準結(jié)構(gòu).結(jié)構(gòu)化思維（Structured Thinking），又名“金字塔原理”，是指一個人在面對復(fù)雜的工作任務(wù)和難題時，可以從多個角度系統(tǒng)地思考和分析問題出現(xiàn)的根本原因，并找出解決這些問題的途徑和方法，進而高效地制定和實施解決方案[6]；布魯納在他的著作——《教育過程》一書中，強調(diào)了學(xué)科基本結(jié)構(gòu)的重要性，“不論我們教什么學(xué)科，務(wù)必使學(xué)生理解學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)”[7].

通過大量的教育教學(xué)實踐不難發(fā)現(xiàn)，學(xué)生只有真正掌握了學(xué)科的基本框架，才能深刻理解學(xué)科知識.同樣的，學(xué)生如果能夠掌握試題的結(jié)構(gòu)，合理運用結(jié)構(gòu)化思維，才能更容易對自己所學(xué)的知識進行遷移和運用.

2 化學(xué)教學(xué)中的結(jié)構(gòu)化思維

結(jié)構(gòu)化思維在化學(xué)教學(xué)中很常見，每位教師都有這樣的教學(xué)案例.

如制備純凈的氯氣，其結(jié)構(gòu)化思維解析如圖1所示.

3 制備類實驗題中的結(jié)構(gòu)化思維方法化學(xué)實驗試題往往是綜合性的.從類型上主要可分為操作型、分析型、設(shè)計型、探究型實驗試題等等.

根據(jù)結(jié)構(gòu)化思維理論，可以把化學(xué)實驗題看成一個“系統(tǒng)”，即一個具有等級結(jié)構(gòu)的整體，此系統(tǒng)當中可能包含多個組成單元，每個組成單元又有各自的組成單元.各個單元的認識仍然可以使用結(jié)構(gòu)化思維的方式，即考慮一個化學(xué)實驗系統(tǒng)的時候，其思維方式應(yīng)當是多條結(jié)構(gòu)化思維的綜合運用.

下面結(jié)合制備類實驗題討論結(jié)構(gòu)化思維的應(yīng)用方法.

3.1 明確制備實驗的本質(zhì)

無論有機制備實驗或者無機制備實驗，本質(zhì)都是由原料到產(chǎn)物的實驗過程.主要分為兩種情況：一種是“從無到有”，即由原料通過化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物，大部分制備類實驗題為此種類型；另一種是“從有到精”，即從原料中提取產(chǎn)物.鑒于提純類試題較少，主要討論合成類的試題.

3.2 確定核心反應(yīng)

解決問題的重要方法是“處理關(guān)鍵的問題和處理問題的關(guān)鍵”.合成類實驗題的關(guān)鍵是什么呢？

在此將之稱為“核心反應(yīng)”.一個實驗題當中可能涉及多個反應(yīng)，但往往只有一個是核心反應(yīng).尋找“核心反應(yīng)”是使用結(jié)構(gòu)化思維解決實驗題最重要、最關(guān)鍵的一步，也是化學(xué)實驗試題最本質(zhì)的地方，能否正確、快速判斷綜合類實驗題的核心反應(yīng)是學(xué)生解答化學(xué)實驗試題的關(guān)鍵.

確定核心反應(yīng)并不復(fù)雜，無論流程多么復(fù)雜，裝置多么繁瑣，與實驗?zāi)康南辔呛系姆磻?yīng)通常就是核心反應(yīng).

3.3 應(yīng)用三分法解析

經(jīng)過反復(fù)實踐，在確定實驗的核心反應(yīng)后，可將制備實驗分為三個實驗單元進行處理，稱為“三分法”，如圖2所示.

三分法的結(jié)構(gòu)化思維流程如下：

首先應(yīng)該確定制備實驗的核心反應(yīng)，然后根據(jù)核心反應(yīng)把實驗分成三個部分，即圖2所示的“原料組織”“核心反應(yīng)”“后置處理”三個部分.然后再對這三個實驗單元進行處理，即所謂“三分法”處理.

3.3.1 進行原料組織

圍繞核心反應(yīng)分析“原料”問題：

原料是否給出.如果原料直接給出，則應(yīng)分析原料是否純凈;如果不純凈應(yīng)該如何去除雜質(zhì)，除雜質(zhì)的裝置是什么.

如果原料未直接給出，則應(yīng)該在給出的條件中尋找如何得到純凈的原料.

其結(jié)構(gòu)化思考方式如圖3所示.

需要注意的是，在有機制備試題當中，通常原料是直接給出的，原料組織這一環(huán)節(jié)通常比無機制備簡單.

3.3.2 處理核心反應(yīng)

核心反應(yīng)的處理通常包涵三個方面的內(nèi)容：反應(yīng)的裝置、反應(yīng)的條件、反應(yīng)的現(xiàn)象.

3.3.2.1 核心反應(yīng)的裝置

主要方法是通過核心反應(yīng)或者實驗?zāi)康倪M行判斷.可以先從物料入手進行判斷，這是比較直接的方法，判斷也比較準確；其次要根據(jù)題意進行判斷.

3.3.2.2 核心反應(yīng)的實驗步驟和條件

選擇合適的實驗條件，需要從兩個方面考慮：一是能夠有利于核心反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行；二是能夠有效抑制副反應(yīng)的發(fā)生.

3.3.2.3 核心反應(yīng)的實驗現(xiàn)象

實驗現(xiàn)象的描述應(yīng)注意按照固體、液體、氣體的順序進行回答，通常就可以比較全面地對實驗現(xiàn)象進行描述.

如圖4所示是分析核心反應(yīng)的結(jié)構(gòu)化思維方法.

3.3.3 后置處理

核心反應(yīng)之后的實驗部分稱為后置處理.按照結(jié)構(gòu)化思維的方法，后置處理主要考慮的內(nèi)容如下：

無機制備核心反應(yīng)之后主要考慮問題包括：如何收集產(chǎn)物及收集的條件；產(chǎn)物是否需要保護，當產(chǎn)物性質(zhì)活潑，能與氧氣、水、二氧化碳等反應(yīng)時尤其要注意這一問題；反應(yīng)物或生成物當中是否有污染物出現(xiàn)，如果有則要考慮尾氣吸收等問題.

有機制備當中主要考慮如何分離、提純生成物以及由此衍生出來的分離、提純的方法等問題.

4 應(yīng)用舉例及分析

化學(xué)是復(fù)雜而有序的系統(tǒng)，幫助學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)化思維是解決這類系統(tǒng)性問題的好方法.下面舉例說明結(jié)構(gòu)化思維的具體應(yīng)用.

例1 （2022年遼寧卷節(jié)選）氫醌法制備H₂O₂原理及裝置如圖6、7所示，已知：H₂O、HX等雜質(zhì)易使Ni催化劑中毒.完成實驗并回答相關(guān)實驗問題：（略）

用結(jié)構(gòu)化思維方法分析本題：

【實驗?zāi)康氖侵苽銱₂O₂】

根據(jù)圖6所示實驗原理可知，反應(yīng)化學(xué)方程式為：

H₂＋O₂==H₂O₂

在弄清楚實驗?zāi)康呐c實驗原理的基礎(chǔ)上進入原料組織環(huán)節(jié).

【原料組織的思考方法】

此反應(yīng)涉及的原料有氫氣、氧氣、乙基蒽醌/溶劑/Ni.其中E處提供了氧氣；A處為氫氣制備裝置，根據(jù)試題已知H₂O、HX等雜質(zhì)易使Ni催化劑中毒這一條件，可知D裝置為干燥裝置；B裝置應(yīng)該能夠除去氫氣中的H₂O和HCl等雜質(zhì)，故應(yīng)當選擇能夠同時除去水與氯化氫的堿石灰；C處提供了乙基蒽醌/溶劑/Ni.至此，實驗的原料組織已經(jīng)完成.

【核心反應(yīng)的思考方法】

反應(yīng)裝置

裝置C為核心反應(yīng)區(qū)，制備H₂O₂的反應(yīng)在此發(fā)生.從使用了溫控磁力攪拌器可知，反應(yīng)需要控制溫度并不斷攪拌.氫氣與氧氣分別從三項燒瓶左右兩口進入；三頸燒瓶中間口接了T型管，一邊接抽氣口，另一邊接裝置F.

實驗步驟

根據(jù)圖6可知，核心反應(yīng)分為兩個部分，其一是氫氣與乙基蒽醌反應(yīng)生成乙基蒽醇；其二是乙基蒽醇與氧氣反應(yīng)生成過氧化氫.所以其操作過程為開始制備時，打開活塞a、b，使氫氣流入三頸燒瓶中制備乙基蒽醇，反應(yīng)一段時間后，抽出殘留氣體，關(guān)閉活塞b，打開活塞c、d通入氧氣，繼續(xù)反應(yīng)一段時間，得到H₂O₂.

后置處理

本例中后置處理包括使用抽氣設(shè)備將氫氣抽掉，以及通入氧氣是保護裝置F，根據(jù)題目所示已知條件，F(xiàn)中裝有濃硫酸，為保護裝置，防止外界水蒸氣進入C中使催化劑中毒.最后根據(jù)題目所示條件計算H₂O₂的質(zhì)量分數(shù).

結(jié)構(gòu)化思維方法不僅可以幫助學(xué)生解決這類有實驗裝置的實驗試題，還可以幫助學(xué)生解決

文字表述類實驗試題.

例2 （2022年全國乙卷節(jié)選）實驗室制備二草酸合銅（Ⅱ）酸鉀（K₂[Cu（C₂O₄）₂]）可采用如下步驟：

（1）取已知濃度的CuSO₄溶液，攪拌下滴加足量NaOH溶液，產(chǎn)生淺藍色沉淀.加熱，沉淀轉(zhuǎn)變成黑色，過濾.

（2）向草酸（H₂C₂O₄）溶液中加入適量K₂CO₃固體，制得KHC₂O₄和K₂C₂O₄混合溶液.

（3）將（2）的混合溶液加熱至80～85℃，加入（1）中的黑色沉淀.全部溶解后，趁熱過濾.

（4）將（3）的濾液用蒸汽浴加熱濃縮，經(jīng)一系列操作后，干燥，得到二草酸合銅（Ⅱ）酸鉀晶體.

用結(jié)構(gòu)化思維對此題進行分析可知.第（1）（2）步為原料組織階段.

第1階段發(fā)生的主要反應(yīng)為：

CuSO₄＋2NaOH==Cu（OH）₂↓＋Na₂SO₄

Cu（OH）₂==CuO＋H₂O

第2階段，當n（H₂C₂O₄）∶n（K₂CO₃）=1.5∶1時，發(fā)生的主要反應(yīng)為：

3H₂C₂O₄＋2K₂CO₃==2KHC₂O₄＋K₂C₂O₄＋2H₂O＋2CO₂↑

由于反應(yīng)產(chǎn)生氣體，為防止反應(yīng)過于劇烈而引起噴濺，可以采取的措施是少量多次加入.

第3階段為主反應(yīng)階段，由于加熱溫度為80～85 ℃，故可采用水浴加熱.

第4階段為后置處理階段，最后得到的是晶體，所以其操作應(yīng)包括：加熱濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥.

至此，本實驗的主要問題已經(jīng)分析完畢.

參考文獻：［1］

朱良學(xué).結(jié)構(gòu)化思維的科學(xué)依據(jù)和基本原理［J］.科技咨詢導(dǎo)報，2007（30）：59.

［2］ 劉濯源.思維可視化與教育教學(xué)的有效整合［J］.中國信息技術(shù)教育，2015（21）：5-7.

［責(zé)任編輯：季春陽］