指向培養學生高階思維能力的“實驗室制取氧氣”的教學

穆小艷

摘要：以“實驗室制氧氣”為例，從藥品選擇、裝置搭建、總結思路、方案評價等角度，培養學生分析、綜合、評價等高階思維能力。設計高階學習活動，培養學生創新能力、問題解決能力、批判思維能力。

關鍵詞：高階思維能力;化學實驗;氧氣

文章編號：1008-0546（2022）06x-0081-03?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.021

一、問題的提出

做實驗并不等于科學探究，實驗探究的宗旨是發現問題、解決問題。實驗探究作為化學教學的一個重要內容，對于培養學生思維能力的重要性不言而喻。

高階思維是指發生在高層次認知水平上的心智活動，它對應教育目標分類中的“分析、綜合、評價”等高層次認知水平的能力，是創新能力、問題解決能力、批判思維能力的核心[1]。如何在初中化學實驗課教學中培養學生的高階思維能力？本文以“實驗室制取氧氣”為例，嘗試從藥品選擇、裝置搭建、總結思路、方案評價等角度，培養學生的創新能力、問題解決能力及批判思維能力。

二、教學案例

1.用高錳酸鉀制氧氣

（1）篩選實驗原料

問題1：實驗室想要制取氧氣，首先要選擇合適的化學藥品。生活中常見的物質食鹽（NaCl）、高錳酸鉀（KMnO4）消毒片、雙氧水（H2O2溶液）消毒液等是否可用于制氧氣？

問題2：用高錳酸鉀如何制取氧氣？我們需要研究其性質。請同學們觀察高錳酸鉀固體以及高錳酸鉀消毒片的相關使用說明，從中你能獲得什么信息？你如何設計實驗驗證你的猜想？

生：觀察藥品外觀，根據消毒片的使用說明猜測其性質，進行實驗，探究是否溶于水。

物理性質：紫黑色固體，能溶于水。

設計意圖：滲透化學研究物質的方法、思路及分類觀。

（2）探討氣體發生裝置

問題1：請同學們仔細觀察高錳酸鉀分解的化學方程式，分析該反應的生成物有哪些？猜測其他產物在通常情況會是什么狀態？你猜測的依據是什么？

生：觀察高錳酸鉀加熱制氧氣的反應方程式，猜測產物的狀態。

問題2：你能從圖1中選擇哪些儀器來完成該實驗？你為什么選擇這些儀器？你能把這些儀器搭建成裝置嗎？

生：觀察所提供的藥品和儀器，選擇合適的儀器，搭建裝置，進行實驗。

問題3：①為何選擇酒精燈？試管口為什么略向下傾斜？你搭建裝置的順序是什么？②實驗的條件是什么？③如何檢驗是否產生了氧氣？你觀察到其他產物的狀態了嗎？在加熱過程中你還有什么發現？

生：根據反應物的狀態（固態）和反應條件（加熱）選擇儀器。向試管內伸入帶火星的木條，木條復燃證明產生的氣體為氧氣。生成的錳酸鉀和二氧化錳為固體。

問題4：加熱過程中“蹦蹦跳跳”從管底向管口跑的固體成分是什么？如何檢驗？

師：取管口附近的固體于試管中，加水溶解，觀察現象。

生：觀察到溶液顏色為紫紅色。

設計意圖：讓學生初步感知原理、裝置的制約關系。實驗室制取氣體在原料的選擇上，要綜合考慮原料狀態、反應條件、氣體純度等因素，培養學生思維的有序性和完整性，形成解決實際問題的高階思維能力。

（3）比較氣體收集方法

問題1：你會選擇圖2中的哪種方式收集氧氣？你選擇這種收集氣體方法的依據是什么呢？

生：向上排空氣集氣法，因為氧氣密度大于空氣，通常情況下不與空氣中其他成分反應;排水集氣法，因為氧氣不易溶于水，通常情況下不與水反應。

問題2：分別收集兩瓶氧氣，一瓶用于進行蠟燭燃燒實驗，為了便于觀察燃燒產物，你會選擇哪種收集氣體的方法？另一瓶氧氣用于鐵絲燃燒實驗，為了便于在瓶底留水且獲得的氧氣更純凈，你又會選擇哪種收集氣體的方法？

設計意圖：總結氣體收集方法需要考慮的因素：氣體的性質。學生圍繞具有真實情境的化學問題，通過兩種收集氣體的方法比較，逐步養成用化學思維解決問題的習慣。

（4）分組實驗

問題1：如何將氣體發生裝置和收集裝置相連呢？請同學們搭建高錳酸鉀制取氧氣的裝置，并嘗試完成用兩種方法收集氧氣。那么按照什么步驟進行實驗呢？

生：討論。

問題2：同學們，想不想親手制出氧氣來？科學的態度、嚴謹的過程、規范的操作是實驗成功的前提，請同學們認真閱讀實驗步驟，思考實驗細節，正確進行實驗。

師：觀察學生的實驗過程，用手機抓拍實驗細節，實驗結束后投屏討論不規范的操作可能帶來的后果。

設計意圖：通過讓學生動手操作及操作過程中生成新的問題，引導學生一步一步解決問題，在課本原有實驗的基礎上進行適度挖掘、再度創造，培養學生高階思維。

（5）小結實驗思路

問題1：剛才我們一起學習了氧氣的制備，以后我們還會學習其他氣體的制備，不管是哪種氣體的制備，研究的方法和思路是相似的。你能總結出用高錳酸鉀制取氧氣的思路嗎？

設計意圖：師生共同建構氣體制備的一般思路和方法的模型。通過引導學生梳理用高錳酸鉀制取氧氣的內容，抓住問題的主要特征，對問題進行抽象和概括，建構氣體制備的一般思路和方法的認知模型。

2.用過氧化氫溶液制氧氣

（1）初探實驗裝置

問題1：過氧化氫溶液與二氧化錳固體混合會立即產生大量氧氣。根據信息，你會設計怎樣的氣體發生裝置？

學生：從圖3的裝置中進行選擇。

（2）再探實驗步驟

問題1：如何利用上述氣體發生裝置和氣體收集裝置進行氧氣的制取實驗呢？

生：討論、總結。兩位學生演示雙氧水制氧氣實驗，一位同學選擇排水法收集氧氣，一位同學選擇向上排空氣法收集氧氣。

（3）深究實驗原理

問題1：雙氧水和二氧化錳混合究竟如何產生氧氣？請同學們猜測二氧化錳在此反應中的作用？

問題2：你如何證明在該反應中二氧化錳是催化劑？

（4）對比實驗方案

問題：我們已經學習了兩種實驗室制氧氣的方案，你能從實驗原理角度、實驗裝置角度等比較兩種方案的優劣？

（5）遷移實驗能力

問題1：根據氯酸鉀制氧氣的原理，你會選擇哪套制取氧氣（高錳酸鉀制氧氣或雙氧水制氧氣）的發生裝置呢？

生：氯酸鉀制氧氣的發生裝置與高錳酸鉀制氧氣的發生裝置相同。

（6）總結實驗思路

問題：我們已經學習了三種實驗室制氧氣的方法，你能總結出制取氧氣的一般思路和方法嗎？

學生：在教師的引導下，建立實驗室制取氧氣的一般思路（圖4）。

設計意圖：實驗室制氧氣的教學過程中，教師充分發揮“主導”作用，設計高階學習活動，激發學生對比三種實驗室制氧氣的方法，建立氣體制備的一般思路和方法。

三、結語

實驗室制取氧氣緊緊圍繞兩個活動展開，一是探究氣體發生裝置，二是探究氣體收集方法[2]。通過兩個活動的展開，以及課堂生成的問題，一步步引導學生建構氣體制備的一般思路和方法模型，培養學生的化學觀、實驗觀、對比觀、環保觀，提高了思維的深度，拓寬了思維的廣度，培養了學生的高階思維能力。

參考文獻

[1]湯小梅.化學教學中高階思維訓練拓展設計[J].化學教學，2017（8）：21-24.

[2]中華人民共和國教育部.全日制義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.