依托變構學習模型的教學實踐探究
——以“物質的分離提純”為例

江蘇省前黃高級中學國際分校(213100) 葛蕊干

《普通高中化學課程標準(2017年版)》明確指出，化學教學應該“創設真實問題情境，促進學習方式轉變”“學生化學學科核心素養的發展是一個自我建構、不斷提升的過程，教師要緊緊圍繞化學學科核心素養發展的關鍵環節，引導學生積極開展建構學習、探究學習和問題解決學習”[1]。基于變構學習模型的教學注重創設真實的教學情境，激活學生的原有認知，并在此基礎上進行概念體系的“解構”和“建構”，從而創生新知、不斷提升。

1 變構學習模型應用于高中化學教學的可行性

變構學習模型是20世紀80年代后期由瑞士科學教育專家安德烈·焦爾當教授團隊提出的，對歐洲的科學教育產生了重要的影響。變構學習模型繼承和發揚了皮亞杰的建構主義學說，同時可以彌補建構主義在解釋真實復雜情境中的學習現象的不足[2]。華東師范大學的裴新寧教授對變構學習模型進行了深入的研究，裴教授指出，學生在進行研究之前，已經有了相關的概念系統，而學生的概念系統可能會成為學習的障礙。對于大多數學生而言，必須在指導性學習環境中借由“解構-建構”的方式，來戰勝障礙[2]。吳濤在其博士學位論文中指出，“調用”變構學習模型，有利于改善我國科學學習和教學實踐[3]；范韋芳在變構學習模型的指導下開展了高中化學“導致悖論”的教學設計[4]；許玉明在變構學習模型的指導下開展了“電解原理”的教學設計[5]。可見，變構學習模型可以為一線教學提供新思路，在解決真實復雜情境時尤為有效。

2 依托變構學習模型的教學基本程序

變構學習理論認為，有效學習應該是概念系統轉換的過程，教師應當提供合適的學習環境，促使學生不斷探索創新。在化學教學中基于變構學習模型，形成如圖1所示的教學基本程序。

圖1 基于變構學習理論的教學基本程序

3 依托變構學習模型的“分離提純”教學分析

“物質的分離提純”是化學的基本研究方法，是化學實驗的重要內容。課標指出：初步學會物質分離、提純等化學實驗基礎知識和基本技能；學習進行物質分離的化學實驗及探究活動的核心思路與基本方法。在教學策略中還強調要選取真實的、有意義的、引發學生興趣的探究問題；改變在實驗中注重動手但缺少思考的現狀，強調高階思維過程。

“物質的分離提純”是蘇教版化學必修第一冊專題2“研究物質的基本方法”的第1單元教學內容的一部分，教材的編排以人類認識與改造自然的實驗方法的產生與發展為線索，在學科提煉方面引導學生思考物質分離提純的思想方法，是化學實驗的基礎和重要內容。近年來的高考試卷中就有直接考查分離提純的考題，如2019年全國卷Ⅱ理綜化學第10題，該題考查了實驗室從茶葉中提取咖啡因的實驗流程。基于以上分析，教師先通過訪談交流等形式了解學生原有的概念體(學生已經知道分離可溶于水與難溶于水的兩種固體混合物時，可以利用溶解性的差異進行溶解和過濾；了解可以根據溶解度的差異進行結晶操作)；再選取真實情境來促進學生概念體的解構與建構。本節課的教學設計思路如圖2所示。

圖2 “物質的分離提純”教學設計思路

4 依托變構學習模型的“分離提純”教學設計

4.1 環節一：預設情境，概念解構

引入：今天我們的故事要從一株神奇的中國小草說起。我們來一起猜猜看，看誰能搶先答出來。“世界聞名；諾貝爾獎；屠呦呦；瘧疾；藥品純度要求高。”

生：青蒿。

實物展示：藥店購買的青蒿中草藥。

師：跟著屠呦呦團隊的腳步，我們來查閱東晉葛洪《肘后備急方》，水漬青蒿。

實物展示：展示用水浸泡青蒿的試劑瓶。

問題1：閱讀資料卡，選擇合適的溶劑萃取青蒿素。

資料卡：青蒿素因提煉自青蒿葉而得名，是一種無色針狀晶體，受熱易分解。青蒿素可溶于乙醇、乙醚，幾乎不溶于水。

生：用水漬的方法處理青蒿，很難溶解出青蒿素，因為青蒿素的水溶性不好，又因為乙醇比乙醚常見易得，所以可以先嘗試使用乙醇溶解青蒿素。

實物展示：展示用乙醇浸泡青蒿的試劑瓶。

學生實驗：

(1)將萬用滴管中的水和四氯化碳(CCl4)分別擠入試管中，觀察現象。

(2)將萬用滴管中的碘水和四氯化碳(CCl4)分別擠入試管中，觀察現象；充分振蕩滴管，再觀察現象。

(3)將萬用滴管中的碘水和乙醇分別擠入試管中，觀察現象。

思考：萃取適用于分離怎樣的混合物？如何得到碘的CCl4溶液？

師：展示萃取分液操作，并討論操作要點。

設計意圖：從中國人的驕傲——青蒿素和屠呦呦引入課題，引發學生對中華優秀文化的認同，增強文化自信。學習科學家從查閱資料開始研究的方法，發展學生證據推理的核心素養。始終讓學生沉浸在真實的情境和物品中，吸引學生主動參與研究。

4.2 環節二：多重提問，概念建構

問題2：可以用萃取、分液的方法從青蒿素的乙醇浸泡液中獲得產品嗎？

小組討論：選擇合適的分離方法。

生：先過濾、再蒸發。

生：我認為蒸發不好，因為酒精揮發到空氣中，不安全，浪費。如果能先蒸發、再冷卻就好了。

思考：分離沸點相差大的混合物，如何改進裝置？可以從3個部分考慮：蒸發、冷凝、收集(給出如圖3所示的裝置圖供學生選擇)。

圖3 供學生選擇裝置圖

生：拖動圖片，拼出蒸餾裝置圖。

實驗：搭建蒸餾裝置，提問要點(溫度計位置，冷卻水方向)。

初步建構化學模型(見圖4)。

圖4 化學模型

設計意圖：在教學過程中將介紹裝置改為了改進和設計裝置，讓學生交流、嘗試、質疑和總結，學生獲得的是高階思維能力。

4.3 環節三：質疑再探，概念延伸

師：實驗獲得的晶體中青蒿素含量非常少。如何改進？

問題3：請同學們評估以上化學模型，小組討論改進青蒿素的分離提純方案。

師：再次回顧資料卡，青蒿素受熱易分解，并補充乙醇沸點78 ℃，乙醚沸點35 ℃。

生：試劑可以換成乙醚。

修正化學模型(見圖5)。

圖5 修正后的化學模型

4.4 環節四：調用知識，概念應用

對比真實的青蒿素提取工業流程，優化化學模型(見圖6)。

圖6 優化后的化學模型

生：粉碎可以增大接觸面積，有利于萃取有效物質；活性炭吸附可以吸附色素等。

生：討論后選擇用減壓蒸餾裝置的原因是可以降低壓強，從而降低乙醇的沸騰溫度，這樣青蒿素就不容易受熱分解了。得到粗品之后可以再次萃取、減壓蒸餾得到青蒿素精品，有利于達到藥品的純度要求。

課后探索：查閱資料，小組合作設計實驗方案：從茶葉中提取咖啡因。

設計意圖：通過真實情境，引導學生不斷深入研究，學習經過了建構-解構-再建構的過程，實現了新舊概念的更替和高階思維能力的發展。

基于變構主義模型的教學是一種源于智慧、成于思辨的教學。在教學活動中，教師給學生創造一個“肯定—否定—肯定”的反思性學習過程：學生的學習基于原有的概念系統；但是在復雜情境中，學生遇到問題，自發地質疑、思考和探索。通過教師的指點迷津和生生互動的思維碰撞，學生最終能夠收獲問題解決的喜悅，并形成相應的認知模型解決問題。