中學化學實驗中的開放性問題：特征、類型及教學策略

侯帥+王后雄

摘要：化學實驗中開放性問題自然存在，具有問題呈現情境化、問題結論多樣化、問題解決探究性、解決思維發散性等特征。根據化學實驗開放性問題的解決過程可以將化學實驗中的開放性問題劃分為：實驗結論開放型、實驗體系開放型、開放探究型等。以下策略能幫助化學實驗開放性問題在化學教學中有效實施：鼓勵可能方案的設想、促進小組深入探討、實施客觀有效的評價、注重基于評價的優化等。

關鍵詞：化學實驗；開放性問題；特征；類型；教學策略

文章編號：1005–6629（2015）9–0007–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

在化學教學中，化學實驗中的開放性問題為科學探究提供了豐富的素材。開放性問題的解決過程通常含有很大的探究成分，對學生假設能力和發散思維的培養具有獨特的作用。因此，在化學實驗教學中注重利用開放性問題促進學生學習有著重要的意義。《普通高中化學課程標準（實驗）》指出，要注意增加開放題的比例，鼓勵學生綜合運用已學知識，從不同角度、不同層次進行思考，創造性地解決問題[1]。為此，本文擬對化學實驗中開放性問題的特征、類型及教學策略進行研究。

1 化學實驗中開放性問題的特征

目前對于開放性問題的界定尚未達成一致，梳理已有的研究成果，可將化學實驗中開放性問題描述為化學實驗中的那些結構不良、允許學生個性解答的問題。化學實驗中開放性問題有以下特征：

1.1 問題呈現情境化

杜威的實用主義知識觀特別強調問題情境的作用，認為真誠的困惑與真實的問題情境是教學的根本。化學實驗中的開放性問題往往源自學生的化學學習、社會生活實際情境，不僅能激發學生學習興趣，還可以幫助學生更好地體會化學實驗的本質和價值，讓學生在知道和理解化學知識的基礎上，能夠清楚所學的知識能用來做什么和怎么做。

1.2 問題結論多樣化

化學實驗中的傳統問題多是化學性質的判斷、化學事實的驗證、化學結論的應用等形式，往往結構單一，思路單一，結論單一。而化學實驗中開放性問題結構則呈現多樣形式，問題的初始條件、解決途徑、問題結論等都具有不確定性，有的是追溯多種條件，有的需找尋多種操作，有的要探究多種結論等等，需要學生充分發揮其能動性和創造性，尋求問題的多種解答。

1.3 問題解決探究性

化學實驗中開放性問題的解決過程通常呈現非線性狀態，在問題解決過程中會遇到挫折、失敗或停頓等，需要不斷提出猜想，不斷驗證，多層次多角度地尋找解決問題的方法。其中元認知成分和非認知成分在開放性問題解決中發揮重要作用。格拉斯（Class，1984）的問題解決過程模型很好地詮釋了化學實驗中開放性問題解決的探究性[2]。

1.4 解決思維發散性

發散性思維是創造性思維的核心組成，也是開放性問題解決的必要條件和最終目的。發散思維要求學生能從已知條件中篩選有用信息，以個人相關經驗為基點，從不同角度出發，采用多種方法解決問題。化學實驗中的開放性問題解決需要學生多角度探索問題解決的方向，多層次推進問題深入，探究多種結果并選擇最佳途徑。

2 化學實驗中開放性問題的類型

化學實驗中開放性問題的解決過程通常是圍繞研究問題設計解決問題的實驗體系，并在實驗實施過程中選擇正確的操作方法，不斷探究問題的結果。根據化學實驗問題解決過程中各要素開放程度不同，可以將化學實驗問題劃分為開放層次不同的問題類型：驗證型、實驗結論開放型、實驗操作開放型、實驗裝置開放型、實驗方案開放型、開放探究型，其中實驗操作開放型、實驗裝置開放型和實驗體系開放型為同一層次，屬于實驗體系開放型問題，具體情況見表1。

2.1 實驗結論開放型

實驗結論開放型問題屬于開放型問題的第一個層次，開放性程度很低，具有給定的研究問題和實驗體系，探究實驗的不同結論。

例1 有一包固體粉末可能由KCl、K2CO3、Na2SO4、FeCl3、Ba（NO3）2的一種或幾種組成，某同學做了有關實驗檢驗其成分。下表是他的實驗報告的一部分，請你根據自己的分析和判斷將實驗報告填寫完整（假設各步恰好完全反應），并寫出固體粉末的可能組成。

該問題是典型的實驗結論開放型問題，在該情境中學生要思考解決問題的步驟，根據不同的實驗現象，得出不同的結論，問題的最終答案也各不相同。固體粉末可能組成為：Ba（NO3）2、K2CO3；Ba（NO3）2、K2CO3、KCl；Ba（NO3）2、Na2SO4；Ba（NO3）2、Na2SO4、KCl；K2CO3、Na2SO4、Ba（NO3）2；KCl、K2CO3、Na2SO4、Ba（NO3）2。

2.2 實驗體系開放型

宋心琦教授曾對化學實驗體系做了要素分析并指出：一個化學實驗，不論是演示實驗還是教學實驗，都可以歸納為：作為實驗對象的物質體系（若目的在于探究化學變化過程，也可以稱作化學體系）；適當的儀器裝置和必要的安全措施；合理的實驗步驟和規范的技術操作等三個方面[3]。實驗體系開放表現為根據一定實驗目的選擇適當的化學體系、合理的實驗裝置等，設計可行的實驗方案；根據實驗體系中各要素開放性不同，又可對實驗體系開放進一步分類：實驗操作開放、實驗裝置開放和實驗方案開放等類型。

2.2.1 實驗操作開放型

實驗操作是根據實驗要求進行的程序性設計，合理的實驗操作是實驗順利實施并得到正確結論的保證。實驗操作的開放表現為對一個研究問題，可以設計不同的實驗操作來完成實驗要求。

例2 （2003年江蘇）（1）無水乙酸又稱冰醋酸（其熔點為16.6℃）。在室溫較低時，無水乙酸就會凝結成像冰一樣的晶體。

請簡單說明在實驗中若遇到這種情況時，你將如何從試劑瓶中取出無水乙酸。

欲使冰醋酸晶體熔化，其方法可以多種多樣，如：在實驗室中用水浴加熱，水浴溫度容易控制，且可使試劑瓶受熱均勻；也可以先打開試劑瓶蓋，在瓶下墊熱毛巾，待晶體熔化后，再傾倒出其中的乙酸。應注意的是，不論使用什么方法，都要注意安全原則，如不能直接將試劑瓶放在酒精燈上加熱，也不可以用玻璃棒或其他硬物去硬戮等。

2.2.2 實驗裝置開放型

實驗裝置是化學實驗發生的場所，是不同實驗儀器的合理連接，實驗裝置的開放性往往體現在實驗裝置的選取和改進。對于特定目的的化學實驗，往往有多種實驗裝置可以選擇，如何選擇最佳的實驗裝置需要考慮實驗的物質體系、反應條件等對裝置的要求。

例3 Fe（OH）2是一種白色沉淀，在空氣中或在含有氧氣的水溶液中很容易被氧化而變色，難以觀察到它本來的顏色。如何設計實驗裝置才能制備純凈的Fe（OH）2？

在制備Fe（OH）2時需要保證反應在無氧條件下進行，對于同一物質體系，可以設計多種裝置，下圖展示三種不同設計：

裝置（Ⅰ）：不能避免試管溶液中O2對實驗的干擾。

裝置（Ⅱ）：苯（或汽油）的作用是防止空氣中的O2進入亞鐵鹽溶液中。

裝置（Ⅲ）：打開止水夾使產生的H2充滿C管（趕去試管溶液中O2）中，再關閉止水夾，使FeSO4溶液壓入NaOH溶液中，再打開止水夾。

2.2.3 實驗方案開放型

實驗方案設計是根據一定的研究問題，選擇合適的物質體系，設計合理的實驗裝置和可行的實驗步驟的過程。實驗方案開放型是一種開放程度較高的形式，包含多種實驗要素的開放。

例4 （2003年上海）實驗室有CuO和Cu粉的混合物，請你利用給出的實驗儀器及試劑來設計兩種測定該樣品（已稱得其質量為m g）中CuO質量分數的方法，并填寫表格中的有關內容。

實驗中可能用到的主要儀器：①托盤天平②啟普發生器③硬質玻璃管④泥三角⑤燒杯⑥坩堝⑦酒精燈⑧玻棒漏斗⑨干燥管

實驗中可能用到的試劑：a.鋅粒b.稀硫酸c.氯化鈉溶液d.濃硫酸

該題要求學生自行設計實驗方案來測定樣品中CuO的質量分數，需要學生根據不同的化學體系，選擇儀器組成實驗裝置并說明實驗操作，開放性很強。供選擇的設計方案設計如表2所示。

2.3 開放探究型

開放探究型問題是化學實驗中開放程度最高的問題，從研究問題到實驗體系再到實驗結論都是未知的。學生通過對化學現象的觀察從而發現問題，收集實驗證據提出假設和預測，設計實驗方案并進行實驗，運用各種手段來分析和解釋數據，最終提出答案和解釋，而且在實驗過程中要不斷修正實驗方案，需要把研究結果與其他人交流。開放探究型問題最接近學生生活、學習實際，是一種多方面、多層次的活動，不僅在內容上開放，更需要開放的思維，在培養學生科學素養方面有重要作用。

例5 學生在做乙醛的性質分組實驗時，常會因為加入的乙醛的用量不同，得到沉淀的顏色分別為黑、褐、紅三種。為什么會出現這種現象？請設計實驗進行驗證。

利用控制變量法，可設計兩組對比實驗，研究異常現象的原因，如表3、表4所示。

（注：等量的質量分數為2%的新制氫氧化銅溶液6滴）

這是一個典型的開放探究型問題，學生觀察實驗中的異常現象，發現研究問題，提出假設并設計實驗方案進行實驗，從而找到問題的答案。

3 化學實驗開放性問題的教學策略

開放性問題的解決是非線性的，不僅需要學生綜合其先前經驗和外部環境來共同建構開放性問題解決的圖式，還需要個體情感、意志的參與，這就決定了開放性問題教學的復雜性。以下策略可以有效幫助開放性問題在課堂中的實施：

3.1 鼓勵可能方案的設想

羅杰斯說過：“創造活動的一般條件是心理安全和心理自由，只有心理安全才能導致心理自由，也才能導致學習的創造性。”開放性問題的教學需要師生之間不同聲音的碰撞，在課堂上去質疑，去辯論，去發現問題，學生不同的思維有效催生創造性的想法；教師尊重和鼓勵學生的好奇心和想象，鼓勵學生去發現問題，創造性地提出多種問題解決方案。

3.2 促進小組深入的探討

開放性問題解決是一個不斷深入的過程，需要學生在問題解決過程中進行深層次的思考和互相交流。通過小組合作，學生之間相互啟發，整合問題信息，進行思維的碰撞，多層次多角度探究問題解決路徑，不斷深化問題解決；在小組合作中，教師要適當進行學習策略的指導，例如，問題表征策略、小組合作策略、化學建模策略、認知監控策略等等。

3.3 實施客觀有效的評價

教師在開放性問題教學中不能簡單對最終結論進行評價，同時要注重問題解決過程的評價，對學生具有創造性的嘗試應給予鼓勵；另外，通過學生自評、小組互評等方式協同進行評價，全面客觀地評價學生在開放性問題解決中的表現。

3.4 注重基于評價的優化

開放性問題的解決是一個不斷完善的過程，學生不能僅僅停留在得出答案，要通過評價反饋，對自己的方案設計進行完善，反思自己的思維歷程，并逐步掌握監控和調整問題解決過程的元認知方法，強化認知監控，促進學生高品質思維的發展。

開放性問題在整個化學教學中都有著重要意義，教師要加強對開放性問題的理論探索和經驗總結，在化學教學中合理設置開放性問題，使課堂成為思維碰撞的場所。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[2]孫玲玲.結構不良物理問題解決研究[D].大連：遼寧師范大學碩士學位論文，2006：19.

[3]宋心琦.化學實驗教學改革建議之一[J].化學教學，2012，（4）：3～5.