基于發展學生思維能力的實驗儀器復習策略研究

范曉鳳 解慕宗

摘要： 以化學實驗儀器的高三復習為例，基于學生思維能力的發展，從儀器設計、儀器組裝、儀器創新三個角度討論復習策略。指出教學中應引導學生學習科學家的思考方法，力求達到化學課堂的兩個理想境界： 思維課堂和思辨課堂。

關鍵詞： 化學實驗儀器; 高三復習; 思維能力; 模型建構

文章編號： 10056629（2018）12006506中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1?研究背景

《普通高中化學課程標準（2017年版）》倡導開展以化學實驗為主的多種探究活動[1]。實驗探究中離不開實驗儀器，《2018年普通高等學校招生全國統一考試大綱的說明（理科）》中指出了實驗儀器部分的考核要求： 了解化學實驗室常用儀器的主要用途和使用方法;能根據要求做到識別典型的實驗儀器裝置圖[2]。實驗儀器的辨識和使用屬于事實性知識或陳述性知識，許多教師認為此類知識如同雞肋，按照“一個儀器圖片+若干點注意事項+大量習題訓練”的方式進行教學，并未深挖其教學功能。部分學生認為“化學是理科中的文科”，學習該部分內容時不求甚解，在“看儀器圖片、背使用規則、刷相關習題”的過程中坦然接受了通過機械記憶所“掌握”的知識。許多學生在知識學習中，依賴記憶的低階思維活動占據主導地位，而高階思維活動鮮有參與認知過程。長此以往，導致認知方式呆板、角度單一、思路僵化，使得學生喪失獨立思考的能力，對化學核心素養的發展很不利。

筆者針對化學實驗儀器的高三復習，基于學生思維能力的發展，探討復習策略并展示部分課堂實錄。

2?高三化學實驗儀器復習策略

2.1?儀器設計，窺探原則

缺少實驗儀器，化學實驗無疑會巧婦難為無米之炊。對于實驗儀器高三復習，傳統的教學模式是“看圖說話”，即要求學生結合實驗裝置圖書寫儀器名稱，分析儀器作用。該模式易導致課堂枯燥乏味，學生思維單點化。欲引領學生深度思考，提升學生思維的關聯化水平，應將學科知識與生產生活相融合，以具有一定思維容量的問題，引導學生觀察、猜想、推理、證明，對具體知識做出超越事實的思考。

情境1?從玻璃公道杯探索實驗儀器設計原則

[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？能是細高的嗎？

（3） 它的上沿尖嘴的作用是什么？跟實驗室的哪個儀器相似？

（4） 手柄有什么作用？不安裝手柄還有其他辦法使它隔熱嗎？

[學生]（討論后得出結論）平底能使它在桌面上放穩;大肚可以裝較多茶水，如果細高則重心比較高，容易被碰倒且容積小;上沿尖嘴有利于傾倒時集中茶水、引流，不容易灑出，跟實驗室的燒杯、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。

設計意圖： 常見的化學儀器為什么要設計成現在所見的形狀？它們分別適用于哪些化學實驗？它們之間有何聯系？很多學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），帶領學生探本溯源，了解儀器的設計原理，激發學生的探索欲。

情境2?由固體和氣體的反應再探實驗儀器設計

[教師]固體和氣體的反應很常見，通常選用什么儀器？

[學生]可以將固體置于硬質玻璃管中，一端通入氣體，另一端流出氣體。例如過氧化鈉和二氧化碳氣體的反應。

[教師]這樣會導致實驗有哪些不足？

[學生]固體上方有較多空間，有一部分氣體沒有接觸到固體，反應不充分。

[教師]有哪些措施可以讓固體和氣體充分接觸？

[學生]可將固體填滿玻璃管或將玻璃管中間部分設計得比較大，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？

[學生]球型干燥管！

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

[學生]可以再加一個球型干燥管，或把硬質玻璃管加長，多裝一些固體。

[教師]實驗儀器太長會使裝置不夠緊湊，怎樣才能縮短儀器的長度？

[學生]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生“設計”的實驗儀器（圖2）。

[教師]觀察上述固氣反應裝置的演變，大家發現儀器設計的原則是什么？

[學生]滿足具體實驗的需求。

設計意圖： 教師沒有直接告訴實驗儀器名稱，而是引導學生根據需求設計實驗儀器，接著追問儀器設計的原則，水到渠成。古語云“導而弗牽”，教學中無需強行將學生“牽”到現成的結論中，恰到好處地引導對學生思維能力的發展大有助益。

情境3?從實驗需要看加熱方式變遷

[教師]實驗儀器的外形千變萬化，但最根本的是要滿足實驗需求。我們還能進行很多類似的探索，例如： 如果需要加熱達到不同溫度，可以采用哪些加熱方式？應選用哪些加熱裝置？

[學生]討論并舉例說明。

[教師]根據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用（圖3）。

設計意圖： 高考試題堅持能力立意，突出核心素養。命題時會取材大學基礎無機實驗、有機制備實驗，出現不常見乃至完全陌生的實驗儀器，目的是考查學生的分析評價能力和創新能力。學生需要結合生活經驗，整合和加工題設信息進行作答。以2017全國乙卷26題為例，對于“中空雙層玻璃瓶”的作用，學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”，進而推知它的作用是“保溫”。情境3從生活出發，幫助學生理解各種不同的加熱方式，與生活情境相類比，培養學生挖掘生活素材解決問題的能力。

2.2?儀器組裝，思維建模

根據不同的實驗目的和實驗原理，可以組裝出多種多樣的實驗裝置。儀器的組裝問題變式繁多、變幻莫測，運用建模思想能使之迎刃而解。《普通高中化學課程標準（2017年版）》要求學生“通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，解釋現象的本質和規律”[3]。根據課標要求，以氣體的制備問題為例，可嘗試按照“原型→模型→運用”的流程進行思維建模，即拆分實驗裝置，回溯實驗裝置的搭建過程，再結合裝置原型建立模型，并在實際情境中運用模型。具體教學過程如下：

任務1?回歸原型

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

[學生]不能！液體會流出，儀器必須要有一定的容積。

[教師]如果用一滴液體進行實驗可以用平面的儀器嗎？

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

[教師]根據液體量由少到多，可選用哪些儀器來盛放液體？

[學生]點滴板、試管、燒杯、燒瓶、細口瓶等。

[教師]總結討論并進行成果展示（圖4）。

[教師]如果把玻璃片的“原型”看做一個平面，能否畫出點滴板、試管、帶分液漏斗的廣口瓶所對應的“原型”？

[學生]討論并展示（圖5）。

設計意圖： 學生在“回歸原型”的過程中能體驗到實驗裝置從平面到立體的“成長歷程”。該任務旨在讓學生思維從具體到抽象演變，同時回歸認知起點看問題，為模型建構奠定基礎。

任務2?模型建構

[教師]結合剛剛繪制的“原型儀器”，回答下列問題，并運用“原型儀器”作圖。

（1） 如果用這些儀器組裝氣體發生裝置，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） 如果要進行尾氣處理呢？

[學生]作品展示（圖6）。

設計意圖： 將孤立的實驗儀器組裝以完成整套實驗，體現了陳述性知識的應用價值。經過討論和完善，學生建構出關于氣體的發生、除雜、干燥、收集、尾氣處理的裝置模型。

[教師]我們對氣體的發生裝置模型進行深入研究，請大家按要求畫出簡圖。

（1） 若反應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，且需控制反應溫度，如何改進實驗裝置？

（3） 若在實驗過程中發現分液漏斗中的液體不易滴下，如何改進實驗裝置？

[學生]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，則應通過橡膠管平衡壓強（圖7）。

[教師]（4）反應需要加熱，如何改進實驗裝置？

[學生]根據反應物的狀態，應選擇不同的加熱裝置（圖8）。

[教師]（圍繞發生裝置的選擇建構思維模型）（圖9）。

設計意圖： 圍繞發生裝置的選擇二度建模。以頭腦風暴的形式，通過連續追問引發學生的深度思考，拓寬認知思路，豐富認知角度。將氣體的制備模型與問題情境相融合，完善思維模型。

任務3?運用模型

[教師]（1）選擇合適的試劑制備CO2，寫出對應反應的化學方程式。

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） 根據你選擇的實驗原理，組裝一個CO2發生裝置。

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、啟普發生器簡易裝置、石棉網、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、導氣管、橡皮管。

[學生]組裝實驗裝置并完成實驗。

設計意圖： 設計具有開放性的問題，學生運用思維模型解決問題。在運用模型的過程中將枯燥的陳述性知識轉變為動態的思維模式，培養思維的靈活性。

2.3?儀器創新，展示成果

定勢思維易導致思維僵化，打破常規思維的桎梏，是培養學生創新能力的重要途徑。很多學生認為燒瓶只有一個口，所以解決實驗題時，三口燒瓶被當作陌生儀器。教學過程中，要善于從平常的事物中制造矛盾，激發學生思考，進行思想的碰撞，引導學生進行高階思維活動——創新。部分教學實錄如下：

[教師]我們需要一個氣體發生裝置，該裝置既需滴加液體又需測量反應液的溫度，同時還要導出反應產生的氣體。一共要在橡皮塞上打幾個孔？

[學生]三個孔，分別插入分液漏斗、溫度計、導氣管。

[教師]打的孔多容易導致什么問題？

[學生]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？

[學生]在燒瓶側面開孔，帶支管。例如蒸餾燒瓶。

[教師]其他儀器也能設計成帶支管的形式嗎？

[學生]（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擋住溫度計，所以將它們插在同一個橡皮塞上很不方便。如果需要將溫度計和分液漏斗都安裝好，還有其他方法嗎？

[學生]擠在一起不方便操作，在燒瓶上再開一口就不會擁擠了！

[教師]沒錯，科學家們也是這樣思考和設計的！實驗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]拆分是儀器創新的常見思路，正如燒瓶可以由一個口被拆分為若干個口，與拆分相反的思路是什么？

[學生]組合！

[教師]很好，很多儀器的創新，都是組合思維。我們知道分液漏斗上加導管與燒瓶相連的作用是平衡分液漏斗內液體上方的壓強和蒸餾燒瓶中的壓強，確保液體順利滴下。能否設計一個自帶恒壓作用的漏斗？

[學生]加導管直接連在分液漏斗上并且和燒瓶內相通。

[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？

[學生]刻度比較均勻，就像針筒一樣，同時它變得細長，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？

[學生]尖嘴玻璃導管和洗耳球！

[教師]通過討論，大家發現儀器創新的原則是什么？

[學生]便于操作！

[教師]請大家根據操作需要，自主設計儀器，并模仿啟普發生器的命名，給儀器命名。

[學生]興致頗高，積極展示創新成果（圖12）。

作品1： 組合了硬質玻璃管和點滴板的微型實驗儀器，名稱： 3C微型實驗管（設計該儀器的同學姓名縮寫為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（命名的同學姓王）。

設計意圖： 自主設計和命名實驗儀器的過程，充分點燃了學生的學習熱情，也能充分外顯學生思維過程。該環節抓住了學生由不知到知之的矛盾運動[4]，讓學生更接近學習的本真。

3?總結與反思

3.1?像科學家一樣思考——思維課堂

高三復習階段許多學生常常遭遇這樣的窘境： 面對新情境下的問題，考試時束手無策，聽講時恍然大悟，再考試依然無從下手，知識的更新總是跟不上考題的變化。究其本源，教師在高考復習中聚焦于知識和習題的應然解析，卻疏于對學科內涵的實然探索，導致學生在“知識碎片”的積累過程中習慣了“說明書”式的思考方式，思維能力并未得到提升。美國著名教育學家杜威認為：“僅靠學科知識來填補大腦，無疑是向垃圾場中堆滿垃圾”。化學課堂閃爍著思維的光芒，哪怕是枯燥的陳述性知識也能培養學生智力活動的習慣，發展學生充滿想象力的思維方式。以化學實驗儀器高三復習為例，學生不僅應知道常見儀器名稱，更應探索這些儀器的設計規則。當學生從氣體和固體的接觸時間、接觸面積的角度，自主設計出球型干燥管、雙球干燥管、U型干燥管，他們收獲的不只是儀器的辨識方法，還有像科學家一樣從問題源頭理性思考的思維品質，這正是化學核心素養所倡導的“科學精神”。課堂的物理空間是有限的，而課堂的思維空間是無限的。化學課堂傳道授業解惑，應傳探索之道，授思維之業，解認知之惑。

3.2?像科學家一樣思考——思辨課堂

何為思辨？思者，批判性思考;辨者，審慎而質疑。思辨課堂能讓學生在思維體操中觸及知識的內涵與外延，在思維火花的碰撞中將認識引向深層。思辨課堂是課堂教學的最高境界，以實驗儀器的復習為例，思辨課堂能促使學生的思維方式從收斂向發散轉變（聯系生活多角度看待加熱方式）、從靜態到動態過渡（動態理解氣體制備裝置模型的建構過程），由平面至立體變化（從儀器拆分和組合的視角對實驗儀器進行立體式解剖）、由孤立向系統升華（系統看待復雜實驗裝置的作用）。思辨課堂能讓教學由膚而體，由體而神，由神而韻，使得學生遠離機械的記憶、膚淺的思考，走向透徹的理解、深度的學習。思辨課堂能給化學教學賦予生命，具有“思辨味”的實驗儀器復習課不會被異化為“實驗裝置的命名”，師生共同討論儀器的設計、組裝和創新，學生的“認知地圖”逐漸形成，對實驗儀器能從對單個裝置最初的感性認識逐漸發展為對組合裝置的理性而辯證的認識。像科學家一樣思考，無需進行復雜的科研工作，只需回歸源頭進行辯證式思考，例如： 三口燒瓶為什么要打出三個口？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，能激發學生的元認知能力，讓學生體驗“科學家式思考”，在潛移默化中實現知識的生成、能力的生長和情感的升華。

參考文獻：

[1][3]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]教育部考試中心.2018年普通高等學校招生全國統一考試大綱的說明（理科）[S].北京： 高等教育出版社， 2017.

[4]王國崢.芻議化學課堂教學的“四重境界”[J].中學化學教學參考， 2018，（3）： 4～7.