培養高階思維能力的化學實驗教學研究
——以“科學認識含氯消毒劑”為例

顏 樂 繆向光 占文芳

（福建省福安市第一中學，福建 福安 355000）

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》主題1“化學科學與實驗研究中”提出：“改變在實驗中注重動手但缺少思考的現狀，強調高級思維過程。”［1］2017 年，美國推出一個新的學生評價改革體系，素養成績單（Mastery Transcript Consortium，MTC）應用于高中生申請美國大學。MTC 主要涉及八種高階思維能力的評價，其中與高中化學學科特點及學習要求最契合的包括以下三種：“問題求解能力”，即能對具挑戰性的化學實驗問題的有關信息進行分析綜合、抽象概括，以理解實驗問題，選擇實驗試劑、實驗裝置與實驗方法，控制實驗變量，形成實驗方案，并能安全順利地完成實驗。“批判性思維”更重視實驗現象的感知與推理，遇到實驗過程中的生成性問題，如出現不符合預期的實驗現象時，敢于質疑和具有挑戰性的想法，勇于并有能力根據事實，改進方案，實踐探求真理。“決策能力”，是基于已有的事實作出判斷，然后做出行動方案的能力。

進入實驗室后，在“教師講方法，學生操作驗證目的，撰寫報告，教師檢查”的傳統模式下，學生較多關注實驗步驟和儀器，對于為什么要這樣做思之甚少［2］。目前的實驗創新大多由教師主導，從儀器創新的角度去改進教材中某些現象不明顯、存在有毒有害物質排放的實驗，而鮮有學生的參與。以上方式在培養學生的思維能力方面大多處于低階層次［3］。

一堂精心設計的實驗課，不僅包含豐富的科學知識，還可以了解和模擬科學家們進行科學發現的探索過程。教師通過改變教學方式和學習方法，通過規劃教學及實驗探究：如學生動手實操、發現問題、質疑和批判、探索改進、歸納總結等步驟，激發學生的思維品質，挖掘化學實驗承載的巨大思維價值。

一、培養高階思維能力的實驗教學設計思路

（一）選擇蘊含豐富思維價值的課例

2019 年魯科版高中化學必修一中微項目“科學使用含氯消毒劑”一節：在知識層面上是深化核心概念“氧化還原反應原理”在實際問題中的應用；在情感層面上是一場穿越百年的含氯消毒劑發展之旅；在能力層面上，通過有梯度的實驗活動，讓學生體會從感性認知向理性探究轉變，通過多次的問題解決助力學生高階思維水平的提升。

（二）挖掘教學內容與思維價值內涵的聯系

對選擇的教學課例進行設計時，應重點分析教學內容與思維能力價值內涵的關聯，并根據思維能力的要點確定教學目標，再結合學情特點確定教學內容，具體見表1。

表1 根據思維能力的要點確定的教學目標和教學內容

（三）開展有思維梯度的實驗探究活動

如何高效地制備“84”消毒液？如何探究影響ClO-氧化性的因素？如何檢驗HOCl 見光分解的產物？該節課設計了如下的實驗探究活動：制備“84”消毒液、NaClO 氧化性的驗證、“84”消毒液與石蕊試液的反應、“84”消毒液和CO2或鹽酸的反應、HOCl 的見光分解實驗，旨在發展學生的高階思維能力。

二、“科學認識含氯消毒劑”的教學過程

（一）“84”消毒液的制備

【案例1】［引入］課前教師通過班級群推送了論文《含氯消毒劑次氯酸鈉的發展史》［4］。學生已了解了從1774 年舍勒合成氯氣，到1916 年英國化學家達金通過將碳酸鈉與漂白粉混合制備“達金溶液”，并在“一戰”期間用于受傷士兵傷口的殺菌消毒，直到1984 年北京的金耀光成功制備了高濃度的次氯酸鈉溶液，即“84”消毒液。請選擇方案制備“84”消毒液。

［學生A］方案一：將濃鹽酸滴入MnO2中，加熱后制得的氯氣，經飽和食鹽水凈化后，通入NaOH 濃溶液中，即制得“84”消毒液。

［學生B］方案二：利用Ca（ClO）2溶液與Na2CO3溶液反應，可制備次氯酸鈉溶液和CaCO3沉淀，過濾可得到含氯酸鈉的溶液。

［教師］提供以下試劑（物品）：MnO2固體、濃鹽酸、NaOH 溶液、Ca（ClO）2固體、飽和碳酸鈉溶液、紅色布條。請分組實驗，用以上兩種方案制備“84”消毒液，并根據實驗過程，對所選方案進行評價。

［學生A］方案一涉及氧化還原反應，化學方程式為：Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O。

所得溶液用紅色布條檢驗，布條10 秒褪色。此法的優點：濃鹽酸與MnO2生成氯氣的速率很快，操作簡單，NaClO 濃度高。缺點：氯氣與NaOH 溶液反應速率較慢，造成大量氯氣逸出，反應難以控制，也造成環境污染。

［學生B］方案二涉及復分解反應，化學方程式為：Ca（ClO）2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaClO。

用紅色布條檢驗產物，布條2 分鐘褪色。此法的優點：無有害氣體產生，綠色環保。缺點：Ca（ClO）2在水中溶解緩慢，反應后的溶液需過濾除去CaCO3，操作煩瑣，所得溶液中NaClO 濃度低。

［教師］方案一具有反應速率快、產品濃度高等顯著優點，如何改進以避免Cl2逸出？

［演示實驗］方案三：采用圖1 所示裝置，電解飽和食鹽水，陽極產生的Cl2與陰極生成的NaOH 溶液反應得到“84”消毒液，此法基本無Cl2逸出，反應后的溶液用紅色布條檢驗，布條6 秒褪色。

圖1 電解飽和食鹽水制備“84”消毒液

【案例分析】學生將理論知識應用到真實情景中：如何制備“84”消毒液，自主設計實驗方案，選擇合適的試劑和儀器達到預期目的，此過程側重于對學生決策能力的培養。基于操作和現象做出分析和評價，得出方案一反應速率快、產品濃度高的優點，以及存在污染的缺點；方案二無污染的優點，反應速率慢、操作煩瑣的缺點。此過程旨在發展學生的批判性思維的同時，激發學生解決問題的興趣，速率快、無污染的方案三應運而生。

小結：相比于傳統的教師演示，探究性的項目式教學突出了學生為主體，教師發揮引導作用，從知識的應用發展到能力的培養。

（二）探究NaClO 溶液的性質

【案例2】［過渡］“84”消毒液的有效成分為NaClO，其消毒原理是什么？如何驗證？

［學生］NaClO 中氯元素為+1 較高價態，預測其具有強氧化性。可用還原性試劑：KI、Na2SO3、FeCl2等溶液驗證。

［分組實驗A］向2mL 淀粉-KI 溶液中滴加少量NaClO 溶液（方案三制備，稀釋5 倍），溶液迅速變深藍，繼續滴加NaClO 溶液，深藍色褪去。

［學生A］I-被氧化成I2，故溶液變藍，證明NaClO具有氧化性，過量的NaClO 具有漂白性，溶液藍色褪去。

［學生B］I-被氧化成I2，故溶液變藍，證明NaClO具有氧化性，過量的NaClO 將I2進一步氧化成IO3-，溶液藍色褪去。

［教師］如何驗證猜測？

［學生］往褪色的溶液中繼續滴加稀鹽酸，觀察藍色是否恢復。

［分組實驗］向B 組所得溶液中滴加稀鹽酸，溶液變藍，但顏色較之前淺。證明過量的NaClO 既有漂白性，又將部分I2氧化成IO3-。

［追問］請嘗試寫出KI 溶液與少量NaClO 溶液反應的離子方程式。

［學生A］離子方程式為：

ClO-+2I-+H2O=I2+Cl-+2OH-

［學生B］離子方程式為：

ClO-+2I-+2H+=I2+Cl-+H2O

［教師］請圍繞兩個離子方程式討論：寫法不同的原因是什么？

［學生］反應液的酸堿性不同，可用酸堿指示劑如石蕊試液檢驗。

［分組實驗］向NaClO（方案三制備，稀釋5 倍）溶液中滴加幾滴石蕊試液，溶液變藍，2 分鐘內未觀察到明顯褪色。說明NaClO 溶液呈堿性。學生A 的方程式正確。

［教師］為何未觀察到溶液褪色？

［學生］稀釋后的NaClO 溶液濃度較稀，與空氣中CO2生成強氧化性HOCl，所需時間長。

［追問］如何加快HOCl 的生成，實現快速漂白？

［學生］利用強酸制弱酸的原理，可以加入酸性強于次氯酸的酸溶液，如碳酸、鹽酸等。

［分組實驗］如圖2 所示：分別向a、b、c 試管中加入3mL 藍色的石蕊-NaClO 溶液，通過吸管向b 中連續吹氣數次，c 中滴加2-3 滴鹽酸。觀察到：a 中溶液無明顯變化、b 中溶液褪色、c 中溶液迅速褪色。

圖2

［教師］請嘗試用離子方程式解釋上述現象。

［學生］上述現象表明：隨溶液酸性增強，ClO-的氧化性增強。往石蕊-NaClO 溶液中通入CO2，或滴加鹽酸，均可生成HOCl，增強氧ClO-的氧化性，使溶液褪色。離子方程式為：

試管b 中：ClO-+H2O+CO2=HOCl+HCO3-

試管c 中：ClO-+H+=HOCl

［學生］某小組不慎將整滴管鹽酸加入了c 試管，觀察到：溶液迅速褪色，而后呈淺黃色，有少量氣泡冒出，試管口聞到刺激性氣味。

［學生］隨鹽酸的加入量增多，溶液的酸性增強，ClO-與Cl-發生氧化還原反應生成Cl2。涉及的反應式為：ClO-+2H++Cl-=Cl2↑+H2O。

［追問］如何避免有毒氣體Cl2逸出造成污染？

［學生］在試管口放置浸有NaOH 溶液的棉花。其原理為：Cl2+2OH-=ClO-+Cl-+H2O。

【案例分析】“84”消毒液的漂白能力受酸堿性環境影響較大：堿性時，ClO-的氧化性較弱；弱酸性時，以酸堿反應為主，生成HOCl，漂白能力較強；隨酸性增強則趨于發生氧化還原反應，其過程可用圖3 表示。可見，物質性質的多樣性及化學反應的復雜性。

圖3 ClO-的性質受溶液酸堿性的影響

【小結】學生從驗證“84”消毒液的強氧化性的實驗過程中，捕捉到異常現象，并層層深入酸堿性環境改變對ClO-性質的影響，從表觀到反應的本質，進而拓展到含氧酸根性質的多樣性，并建構思維模型。整個探究過程環環相扣、一氣呵成，學生在不斷地發現問題、解決問題、構建模型，學生的思維始終處于活躍的高階水平。

（三）探究HOCl 的光分解產物

【案例3】［過渡］“84”消毒液的漂白性主要源于HOCl，為何不直接用HOCl 溶液？

［學生］HOCl 中O 為-2 價，Cl 為+1 價，易發生氧化還原反應而分解失效。

［教師］請根據氧化還原規律，預測HOCl 的分解產物，并設計檢驗方案。

［學生］HOCl 分解的還原產物為Cl2，可通過觀察顏色來驗證；氧化產物為O2，可用帶火星的木條來檢驗。

［分組實驗］如圖4：取方案三制備的“84”消毒液于燒杯，充分吹氣后，取樣裝滿試管；將試管倒扣在裝有水的水槽；用紫外燈照射5 分鐘。觀察到：試管內液面下降至約五分之一處，試管內氣體無明顯顏色；延長光照至15 分鐘，未觀察到明顯變化；取下試管，插入帶火星的木條，無明顯復燃。

圖4

［學生］可能由于HOCl 的分解速度較慢，氯氣含量低，故無明顯黃綠色，生成的氧氣量少，不足以使木條復燃。

［演示實驗］結合手持技術在圖4 基礎上加以改進，實現裝置見圖5：取方案三制備的“84”消毒液于燒杯，充分吹氣。用紫外燈照射，同時打開傳感器采集數據。所得曲線如圖6、圖7。

圖5 手持技術測定紫外光下“84”消毒液的pH 值和溶解氧

圖6 溶解氧隨紫外光照時間的曲線

圖7 pH 值隨紫外光照時間的曲線

［教師］請分析圖6-7 曲線的意義。

［學生］紫外燈開啟后，溶解氧含量從初始1.76 mg/L 迅速增大，約130 秒后達到最大值19.86mg/L，而后基本不變，證明HOCl 分解的氧化產物為O2；溶液初始pH 位1.13，200 秒時減小到0.86，而后基本不變，證明HOCl 分解的還原產物應為HCl，HCl 的生成使溶液pH 下降。綜上分析，HOCl 分解的反應式為：

【案例分析】HOCl 在紫外光下約2 分鐘即分解為HCl 與O2，故將其轉化成鈉鹽而利于保存。但傳統的實驗手段難以驗證其分解產物。如何將實驗結果顯現化？由此將學生的思維方式從定性發展到定量表征。借助數字化實驗的引入，讓學生體會科技創新在科學探究中的應用。

【小結】這樣初步建立了設計實驗方案的基本思路：從物質中元素和價態出發，預測物質的化學性質；設計科學實驗方案；基于實驗證據進行推理，敢于質疑和挑戰，改進方案，進一步實踐；最終得到結論。以上5 組實驗活動的設計不是為了探究過程的程序化和表象化，而是層層遞進、環環相扣的5 組不同水平的實驗，旨在引導學生在實驗過程中運用原理、發現問題和解決問題，以此開拓學生的思維深度和廣度，發展高階思維能力。

三、結語

該節新授課在探究性實驗室進行，學生課堂參與度高，實驗熱情高漲。通過課后學生自主設計的“84”消毒液的使用說明書，反饋出學生對知識的掌握較好。該節課最成功之處在于發揮了化學實驗在培養高階思維能力的功能：三種“84”消毒液制備實驗的設計過程，讓學生在實踐中鍛煉實驗能力，學會對比、分析，并依據證據和目的做出正確的決策；NaClO 的性質探究實驗中，豐富的反常現象和問題的解決培養了學生的智慧，激發了學生的好奇心；HOCl光解實驗的失敗，發展了學生的批判性思維，數字化實驗的引入讓學生對化學知識的浩瀚充滿憧憬和期待。