運用“形態分析法”培養學生自主探究問題的能力

摘要： 梳理了“形態分析法”的內涵、功能，提出了中學化學素材中也蘊含著運用此方法進行教育的內容和機會;在此基礎上，詳細介紹了利用“形態分析法”培養學生自主探究問題能力、發展化學核心素養的研究案例，總結了實踐策略： 第一，教學目標設計中恰當融入“形態分析法”的內涵;第二，教學過程設計中充分展開“形態分析法”的討論。最后略談了研究的體會。

關鍵詞： 形態分析法;化學學科核心素養;教學設計;課堂實踐

文章編號： 10056629（2018）3004205 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

課堂是學生獲取知識、認識方法和體驗情感的主要場所，也是培養學生問題研究能力、發展學科核心素養的重要陣地。本文以“形態分析法”為研究方法（學習方法），以高一化學“工業制硫酸”一課為研究素材，從教學設計、課堂實踐的角度介紹在培養學生自主探究問題能力上的幾點做法。

1 “形態分析法”的內涵、功能和對中學化學教育的啟示

“形態分析法”，由美籍瑞士天文物理學家茲維基（F.Zwicky）在1942年提出。第二次世界大戰中，他參加了美國火箭研制小組。令人驚奇的是他在一周之內，交出了576種不同的火箭設計方案。這些方案幾乎包括了當時所有可能制出的火箭的設計方案，其中包括連美國情報局挖空心思都沒能弄到手的德國巡航導彈F1和F2的設計方案。他的天才表現受到人們的關注，后來他發表了他的構思技巧——形態分析法 [1]。

盡管“形態分析法”和我們平時學校教育中所說的“科學探究”有一定的聯系（“科學探究”是一種以問題為核心的主動建構活動，是一種思維過程。其探究過程主要包括觀察和提出問題、形成假設、檢驗求證、得出和解釋結論、交流與應用等步驟 [2]），但是它仍有其獨特的本質功能和教學意義。“形態分析法”是指利用系統分析把握對象系統在結構和功能上的形態特征，從而探索各種問題可能解決辦法的一種預測方法。其依據的原理是： 結構要素和功能要素的不同組合可構成功能不同的系統。其分析過程包括五個步驟： （1）正確地提出和闡明問題;（2）明確地列出要解決問題的形態特征及其參數;（3）建立形態模式，形成解決問題的各種方案;（4）確定可能解決方案的功能價值;（5）選擇最滿意的方案 [3]。

可以看出，“形態分析法”的特質是從系統的觀點看待事物、分析問題，是把“科學探究”中的“相對單一的假設”拓展為“若干功能單元、關鍵要素的所有組合情況”的假設，并進行功能價值的對比研究和最佳選擇。這樣的研究方法對于培養學生的自主探究能力、發展學科核心素養具有重要意義： 其一，培養學生系統研究問題的方法，抓住主要矛盾和關鍵要素;第二，培養學生自主分析問題的能力，抓住思維探究的操作要領;第三，培養學生的創新精神和效益觀念，感悟創新不僅是一種科學技術，更是一種核心素養的能量凝聚和實踐考驗，是一種爭分奪秒的效益競爭。“形態分析法”實施于課堂，可以提煉三個抓手： 第一，合理建立解決問題的形態特征及其參數，為學生的自主探究提供載體或視角;第二，有序形成課堂討論的模式，為學生的自主探究指明方向;第三，指導選擇最佳方案的策略，強化學生自主探究的角色和效能。

筆者認為，中學化學教材中也蘊含著不少可以滲透這種研究方法的內容和機會。例如，在化工生產部分，教材中一般只給出反應的原理、生產的條件、裝置的要求等工藝條件，而對工藝條件怎樣設計出來的、為何要這樣設計，一般不作交代或交代得不夠清楚。為了節省時間，教師一般淡化這部分內容，只要求學生背誦工藝條件，以應付練習和考試。這樣的做法，一方面弱化了化學學習的過程與體驗;另一方面錯失了一次極佳的培養自主探究問題能力的機會。另外，化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗改進、實驗教學常常是日常教學的重點、難點，而運用“形態分析法”不僅可以提高實驗研究的質量和效果，而且可以促進包括創新精神在內的化學學科核心素養的培養。

2 運用“形態分析法”培養學生自主探究問題能力的案例研究

以高一化學“工業制硫酸”一課為研究素材，介紹利用“形態分析法”培養學生自主探究能力的教學設計和實踐效果。

2.1 教學目標的設計——在“過程與方法”目標中融入“形態分析法”的內涵

知識與技能： 鞏固“影響化學反應速率的因素”、“勒夏特列原理”等核心知識;掌握硫酸工業的反應原理和工藝條件。

過程與方法★： 運用“形態分析法”參與硫酸工藝的充分討論，體驗自主探究問題的過程，培養化學學科的核心素養。

情感、態度與價值觀： 在觀看“上海硫酸廠參觀錄像”以及硫酸工藝的討論過程中，感悟“化工生產不僅要考慮生產效率、經濟效益，而且要考慮社會效益”的生態觀念。

筆者認為，教學目標的維度與體現化學學科的核心素養有一定的聯系。“知識與技能”目標維度對于體現“變化觀念與平衡思想”的核心素養具有優勢;“過程與方法”目標維度對于體現“宏觀辨識與微觀探析”、“證據推理與模型認知”、“科學探究”等核心素養比較匹配;而“情感態度與價值觀”目標在體現“科學精神與社會責任”、“創新意識”等核心素養上相對應。

本課的教學目標重點維度是“過程與方法”（用★標注），明確了用“形態分析法”設計硫酸工藝的研究方法（學習方法），同時伏筆了培養“證據推理與模型認知”等核心素養的要求。本課的“知識與技能”是實施“形態分析法”的工具，同時可以為培養“變化觀念與平衡思想”的核心素養提供載體支撐;另外，在“形態分析法”的實施過程中可激發積極的“情感、態度與價值觀”，其過程可以為“科學精神與社會責任”核心素養的培養提供機會。實踐證明，以上教學目標均得到了有效的落實，并同步促進了核心素養的培養。

2.2 教學范型的設計——運用“自主—探究”范型，激發學生自主探究的欲望

本課實施的“自主—探究”范型包括圖1所示的環節和流程 [4]。關鍵環節是“提供素材（教師）”和“啟發討論（教師）”。本課中的討論素材是： 圍繞硫酸工業工藝設計要求（快、多、好）的相關知識、材料、裝備等。

圖1 “自主—探究”教學范式操作模式

2.3 教學過程的設計——充分組織“形態分析法”討論，培養學生自主探究的能力

2.3.1 造氣階段，初步體驗“形態分析法”的實施要領，感受操作流程

[投影]4FeS 2+11O 22Fe 2O 3+8SO 2+3309.2kJ

S+O 2SO 2+296.90kJ

[自主探究]以硫鐵礦為原料，根據下表（開始為“空表”），開展形態分析與討論，然后歸納、投影結果。

[歸納]反應的條件

4FeS 2+11O 2煅燒2Fe 2O 3+8SO 2

S+O 2點燃SO 2

本階段用時10分鐘，教學過程為“提供素材→探究活動→啟發歸納”。其中的“探究活動”圍繞“形態分析法”中的（3）～（5）步驟展開，即： 建立形態模式，形成各種方案，選擇最滿意的方案（參見前文）。

這里的（3）（建立形態模式）具體是指根據“表1（空白表）”的內容格局，實施“先縱后橫，綜合判定”的討論程序[參見“表1”中的（1）～（18）序列]，其中（16）～（18）為綜合判定。

這里的（4）（各種方案的功能價值）是指確定表中“快”、“多”、“好”3種形態特征統領下的3種參數（反應物的形態、反應的裝置、反應的條件）之間的自由組合的各種方案及功能價值，其中“反應的條件”又包括“濃度、溫度、壓強、催化劑、表面積”5個方面的因素。

這里的（5）（選擇最滿意方案）就是指綜合判定的工藝條件，即： 表中（16）～（18）的討論結果。

討論從（1）～（18）的序列進行，邊討論、邊填表。討論中準備啟發學生的地方有5個： 第一，本反應可視為完全反應，不必考慮化學平衡的移動問題;第二，表格中（9）確定為“常壓”，是因為“高壓”對反應速率的影響不大，反而會使成本提高;第三，若以“硫”為原料，則反應物形態為“霧狀”，反應物條件為“點燃”;第四，反應已經很快的反應不需要催化劑;第五，可以通過過量價廉原料，充分利用主要原料，提高經濟效益。

從實踐效果看，整個討論過程比較有序、熱烈，在教師的點撥、啟發之下，最后的工藝條件基本上水到渠成，由學生自主得出。其間，“證據推理與模型認知”等核心素養得到了初步的培養。

2.3.2 催化階段，自主體驗“形態分析法”的操作過程，自主開展問題探究

[投影]2SO 2+O 22SO 3+Q

[自主探究]根據表2（開始為“空表”），開展形態分析與討論，然后歸納、投影結果。

[自主探究]

壓強： 常壓下二氧化硫的轉化率已經很高。如果繼續加壓，會對設備的耐壓性能提出更高要求，這將增加生產成本。所以，選擇“常壓”。

溫度： 選定400～500℃，催化劑能發揮最佳效能，同時反應速率、二氧化硫的平衡轉化率都比較理想。

催化劑： 催化劑對于工業生產的作用是至關重要的，有時是決定性的。目前，工業上以五氧化二礬（V 2O 5）作為二氧化硫氧化的催化劑。

[歸納]反應的條件

2SO 2+O 2V 2O 5400～500℃2SO 3+Q

[動畫模擬]flash動畫展示熱交換器的工作

圖2 熱交換器

原理（見圖2）。

本階段教學用時8分鐘，具體教學過程為“提供素材→探究活動→啟發歸納”。其中的“探究活動”繼續圍繞“形態分析法”的（3）～（5）步驟展開。

討論從（1）～（18）的序列進行，邊討論邊填表。討論中準備啟發學生的地方有3個： 第一，表中（13）要考慮催化劑與原料的接觸面積，進一步發揮催化劑的工作效能;第二，此反應為可逆反應，要強調通過過量價廉原料來促進化學平衡正向移動，提高經濟效益;第三，解決問題的關鍵是選擇合適的催化劑及控制適宜的反應溫度。

從實踐效果看，本階段學生自主探究的積極性更高、主動性更強，而且討論的方向更加明確，得出結論的可靠性明顯提高。教學過程中強化了“證據推理與模型認知”的核心素養，落實了“變化觀念與平衡思想”等核心素養。

2.3.3 吸收階段，熟練運用“形態分析法”開展討論，自主解決問題的能力基本形成

[投影]SO 3+H 2OH 2SO 4+137.30kJ

[自主探究]根據表4（開始為“空表”），開展形態分析與討論，然后歸納、投影結果。

[投影]“實地參觀硫酸制造廠”的設備裝置、環境保護的圖片資料（略）。

[錄像]上海硫酸廠王工程師的介紹。為了減少環境污染，上海硫酸廠使用“硫磺”作制酸的原料。熱量利用的技術裝備主要靠進口，我國還沒有突破這個技術瓶頸。

[講述]目前，上海硫酸廠已關閉，因為其污染程度仍然對周圍的環境造成了較大影響，體現了國家對環境保護的堅定決心和發展戰略。

本階段教學用時7分鐘，教學過程為“提供素材→探究活動→啟發歸納”。其中的“探究活動”仍然圍繞“形態分析法”的（3）～（5）步驟展開。

本表討論從（1）～（18）的序列號展開，邊探究邊填表。討論中準備啟發學生的地方有4個： 第一，表中（3）用98.3%的濃硫酸吸收三氧化硫，可減少因放熱而產生的酸霧，提高吸收的效率;第二，表中（6）確定為“常溫”，是因為高溫時對反應速率的影響不大，反而會浪費能源;第三，表中（9）定為“常壓”，是因為高壓時對反應速率的影響不大，反而會使成本提高;第四，表中（15）吸收塔塔頂噴下的98.3%的濃硫酸和塔底上升的三氧化硫氣體形成逆流吸收的狀態，大大提高了三氧化硫的吸收效率。

從討論過程來看，本階段學生參與討論的自動化程度進一步增加，自主解決問題的效果進一步凸顯，“自主—探究”教學范式的特征在本課中得到了最大程度的體現。討論中鞏固了“證據推理與模型認知”的核心素養，初步培養了“科學精神與社會責任”、“創新意識”等核心素養。

3 運用“形態分析法”培養學生自主探究能力的體會

“形態分析法”是一種科學研究的方法，將研究方法遷移到化學學科的學習中是一種有價值的探索。一方面，化學學科的學習本身具有研究性學習的特點，我們鼓勵學生要用研究的意識、科學的方法去獲取化學知識;另一方面，有的研究方法可以遷移、發展成為學生日常的、個性化的思維習慣，成為學生跨學科學習和終身學習的實踐智慧。筆者認為，“形態分析法”的建模方式、實施程序有助于培養高中生自主解決問題的能力，并進一步提升針對類似復雜問題開展自主研究的思想意識。

參考文獻：

[1]石光明.實用創造學入門講座（第九講）常用創造技法（5）[J].中國質量，2005，（4）： 88～92.

[2]陳琴，龐麗娟.科學探究： 本質、特征與過程的思考[J].教育科學，2005，（1）： 1～5.

[3]李慶臻.科學技術方法大辭典[M].北京： 科學出版社，1999： 103.

[4]毛東海.“自主—探究”教學范式“關鍵行為要素”的細化實施[J].化學教育，2016，（13）： 24～27.