演示實驗情境素材基于本原性問題的變式設計*
——以初中“飽和溶液”為例

劉 婷 潘 睿

（四川師范大學化學與材料科學學院 四川 成都 610066）

在化學演示實驗教學中，一線教師通?；诂F象，創設出相應的教學情境，引導學生觀察、分析變化前后的相似性或差異性，以達到認識事物本質的教學目的。例如，在初中“飽和溶液”單元教學中，選用硫酸銅溶液和氯化鈉溶液作為演示實驗情境素材。如果預設的教學目標，是增進學生對不同溶液達到“飽和”狀態時，所具有的共性的理解，則創設的教學情境可以是在硫酸銅溶液和氯化鈉溶液中分別持續加入相應的溶質，最終都出現了溶質不能繼續溶解的現象，以突出其“相似性”；如果預設的教學目標，是促進學生對溶解度差異的理解，則創設的教學情境可以是通過分別持續加入相應的溶質，比較這兩種溶液達到飽和狀態時，各自加入溶質的量的不同，以突出其“差異性”。

然而，還有可能出現的情況是，教師花費了很長時間，讓學生觀察在不同溶液中持續加入溶質的現象，卻因為溶液顏色對學生有著更為直接、敏銳的視覺刺激，導致其關注點集中在溶液顏色的深淺變化，并轉為對溶液濃度的思考，偏離了原有教學目標的預設。究其原因，作為情景素材的硫酸銅溶液和氯化鈉溶液，在“不飽和”轉為“飽和”的過程中，實驗現象既涉及了溶質不能繼續溶解的共性，又涉及了溶液顏色變化的差異。前者是本質的且內隱，后者是現象的且外顯。由此可以看出，在演示實驗教學中，如果缺少對現象背后的本原性問題挖掘，以及對學生認識視角的有效引導，則很有可能導致教學目標和個體學習效果的南轅北轍。

近期，鄭長龍教授在分析《2022 年版義務教育化學課程標準》的基礎上，明確了化學學科本原性問題和認識視角顯性化，在促進學生核心素養發展中的重要性［1］。與此同時，部分學者在不同學科領域中，也就本原性問題進行了相關研究，并對其促使學生獲得學科本質認識的效能，達成了普遍認同，其中，楊玉東用反映學科本質的問題，提高了課堂中教與學活動的有效性［2］；曾德琨提出了以本原性問題，驅動學生高級思維的化學教學方法［3］；郭海娟就本原性問題為解決“學之困”與“教不足”，進行了深入分析［4］；周文榮圍繞化學課堂教學的本原性問題，確立了實驗探究課題設定的標準［5］；徐文彬對課堂教學中的本原性學科問題理論價值，及其實踐意義進行了深入剖析［6-7］。

然而，當一線教師面臨著不同的具體教學場景，比如在演示實驗教學中，如何將促進學科思維的本原性問題，滲透進基于現象的、一系列即時的引導性提問，并予以認識視角的顯性化，成為我們將理論應用于實踐，亟需思考和解決的現實性問題。

本文圍繞初中“飽和溶液”概念的3 個本原性問題，從“條件觀”的認識視角出發，運用變異理論的思維圖式，對基于現象的演示實驗情境素材進行了變式設計，以期為一線教師遵循新課標導向，基于學生個體認知差異，在揭示現象、理解本質、展示化學之美的演示實驗教學中，以本原性問題驅動學生對概念的深度理解，建立學科觀念，提供一定的應用啟示和工具參考。

一、變異理論及其思維圖式的啟示

瑞典著名教學論專家馬飛龍（Ference Marton）認為:“我們之所以能夠認識事物的特征，是因為這些事物有些方面相同，而有些方面不同，在本質上是差異性和共同性一起作用的結果”［8］，并于二十世紀九十年代正式提出了有效認識事物本質的變異理論，即從不同的認知角度，通過創設情境中的變與不變，使事物的差異性和共同性，相互形成對照，依次受到觀察者的關注和審辨。其中，創設情境的變與不變，可通過四種思維圖式呈現:分離、類合、對比和融合［9］。以事物A 和B 為例，如圖1 所示，分離是突出A 的特征，將其從A 的屬性中抽離，有利于對A 的特征進行認識；類合是通過改變背景，強調A和B作為整體所具有的共同屬性；對比是審辯A與B屬性的不同，形成對A和B的差異性認識；融合是審辯A與B的相同，認識A和B的相關性。

圖1 四種思維圖式

不同于簡單的分類和歸類，變異理論強調了對事物的本質認識，需要從不同的認知角度（事物本身和背景）對其差異性和共同性，進行同時、同等的審視。這不僅使該理論得以躋身于“科學的教學論”范疇，同時也與前述研究學者提出的本原性問題和顯性化認識視角，存在著一定的邏輯契合。更為重要的是，該理論中的4種認知思維圖式，及其對“變”與“不變”情境的創設，為本原性問題和顯性化認識視角在教學中的具體實施，提供了認知工具參考和方法啟示。

結合實驗類情境素材通常為現象的呈現，我們認為將變異理論運用于演示實驗教學，著重在于圍繞本原性問題，基于某一特定認識視角，對現象中的差異和共性，進行“變”與“不變”（簡稱:變式設計）的系統化設計與組織，以突破原有的單一化、離散化呈現方式，以及即時、隨意性問題的提出。具體可分為以下4個實施步驟:（1）教師通過分析概念或事物本質，以及學生可能產生的迷思，厘清本原性問題；（2）梳理概念或事物的特征屬性，及其相關認識視角；（3）選取適宜的變異思維圖式，將其中某一特征屬性與其他屬性，分別置于“變”和“不變”情境中，并由此形成對照；（4）在“不變”的情境中，組織正例素材，突出該特征屬性以促進學生認識；在“變”的情境中，運用反例素材，引導學生進行審辯以促進深度理解。

通過厘清問題、辨析迷思、梳理屬性、選取圖式、組織正例和運用反例，將概念或事物所具有的不同特征，依次予以突出，并和其他屬性進行對照。在“變”和“不變”的情境創設中，確保當前強調的概念或事物特征能夠進入學生的核心意識，成為當前認識的對象和主題，而其他屬性則暫時處于外圍意識或背景，以最終達成審辯概念或事物本質的目的。

二、應用

以“飽和溶液”概念為例，“在一定溫度下，向一定量溶劑里加入某種溶質，當溶質不能繼續溶解時，所得到的溶液叫作這種溶質的飽和溶液”。按照上述4個實施步驟，首先，明確概念中所蘊含的3個本原性問題:（1）是什么（溶質、溶劑）；（2）解決什么（溶解限度）；（3）如何解決（溶液達到“飽和”的條件）。學生對于該概念容易出現的迷思有:（a）關于溶質——向已飽和的溶液中加入其他溶質，也不能再溶解；關于溶劑——有水就能繼續溶解溶質。（b）關于溶解限度——溶液達到飽和后，就不能再溶解更多的溶質。（c）達到“飽和”的條件——“不飽和”溶液和“飽和”溶液的轉換，只涉及溶質的多與少［10-12］。

其次，圍繞“本原性”問題和迷思，梳理出概念所具有的三個屬性:“一定溫度”“一定量溶劑”以及“（這種）溶質”，涉及了化學學科中的條件觀——關于溫度、溶劑的量，以及溶質類別的限定。

接下來，依次選定某一特征屬性，選取適宜的變異思維圖式，為當次選定的特征屬性及其他屬性，組織正例素材和運用反例素材，進行“變”與“不變”的情境創設。

1.選取特征屬性——“一定溫度”

【設計意圖】將“一定溫度”作為特征屬性，運用分離變異圖式。如表1所示，在正例中，強調溫度和溶劑的“不變”，通過添加溶質，使學生明確在該溫度下，飽和溶液不能繼續溶解該溶質；在反例中，強調溫度的“變”，通過反例1（升高溫度）和反例2（降低溫度），分別呈現燒杯中溶質繼續溶解和溶質析出的現象，將學生的注意力集中于溫度的“變”與“不變”，確保學生當前的核心意識圍繞“一定溫度”的特征屬性進行，突出飽和溶液對溫度的依賴性。

表1 基于“一定溫度屬性的情境素材變式設計度”特征

【教師導入】同學們，燒杯中放置的是NaCl飽和溶液，如果繼續向燒杯中添加NaCl 固體，大家能預測到會發生什么情況嗎？

【學生回答】加入的NaCl固體不能繼續溶解，因為溶液已經是飽和狀態。

【演示實驗正例1】確實如同學的預測，在繼續加入NaCl 固體后，我們觀察到燒杯底部出現了沉淀，NaCl固體不能繼續溶解。此時，我們將燒杯轉移至酒精燈上，稍稍加熱，大家注意觀察，發生了什么變化？

【演示實驗反例1】將裝有NaCl 飽和溶液的燒杯進行加熱。

【學生觀察】燒杯底部的NaCl固體沉淀消失了，說明升高溫度后，溶質繼續被溶解了。

【教師提點】當我們維持“溫度”不變時，飽和溶液確實不能再繼續溶解其中的溶質。但當我們升高溫度的，該溶液又能夠對溶質繼續進行溶解。這說明飽和溶液，是“一定溫度”條件下的飽和溶液。如果對具體的溫度不加以明確，則不能對飽和溶液進行準確判定。

【引導性思考】剛才我們在不添加溶劑的情況下，采用升高溫度，使原本飽和的溶液轉為不飽和狀態。接下來，如果不再添加溶質，我們還能采用什么方法，使當前的NaCl 不飽和溶液，再次回到原有的飽和狀態呢？請同學們觀察以下實驗，回答并解釋該現象的原因。

【演示實驗反例2】將裝有NaCl不飽和溶液（臨近飽和狀態）的燒杯，冰浴降溫一段時間。

【學生回答】燒杯底部出現了少量沉淀，應該是溶液溫度降低，使得原本溶解的溶質慢慢析出了。

【教師小結】看來溶液的“飽和”和“不飽和”狀態，是可以通過溫度來實現轉換的，而并非一定是要通過改變溶質的量來進行。換句話說，“一定溫度”是界定飽和溶液的一個重要條件。離開明確的溫度條件，闡述溶液的“飽和”與否，是沒有意義的，也是不準確的。

2.關鍵屬性——“一定量溶劑”

【設計意圖】將“一定量溶劑”作為特征屬性，運用“分離”變異圖式。如表2所示，在正例中，強調溶劑和溫度“不變”，通過添加NaCl 溶質，明確飽和溶液不能繼續溶解該溶質；在反例中，強調溶劑的“變”，通過反例1（添加溶劑）和反例2（溶劑揮發），分別呈現燒杯底部溶質溶解與析出的現象，將學生的注意力集中于溶劑及其量的變化，確保學生當前的核心意識圍繞“一定溶劑”的特征屬性進行。以突出飽和溶液對溶劑的量的依賴性。

表2 基于“一定量溶劑”特征屬性的情境素材變式設計

【教師導入】同學們，通過上一環節及演示實驗正例1，我們已經認識到在界定“飽和溶液”概念時，需要明確溫度的條件。另外，我們可以通過升高溫度，使當前溶液的狀態，由“飽和”轉為“不飽和”。如果我們保持溫度不變，基于生活經驗，要使燒杯底部的NaCl固體沉淀得以繼續溶解，最簡單的方法是什么呢？

【學生回答】如果不限定溶劑的話，最簡單的辦法是加入更多的蒸餾水，這樣就可以繼續溶解NaCl固體了。

【演示實驗反例1】通過實驗的演示，我們驗證了生活經驗的正確性，在既定溫度條件下，增加溶劑可以溶解更多的溶質。這說明通過增加溶劑的方法，同樣可以使溶液由“飽和”狀態轉為“不飽和”狀態。

【教師引導】接下來，如果我們實施逆向操作，使此時燒杯中的不飽和NaCl 溶液，溶劑的量逐漸減少，比如長期放置或者通過抽取部分真空的方式，促使蒸餾水不斷揮發，最終我們能看到什么現象呢？

【演示實驗反例2】將放置有不飽和NaCl溶液的燒杯，置于密閉玻璃器皿中并抽取部分真空，使溶劑部分揮發，或展示已經提前放置較長時間的NaCl溶液。

【學生回答】可以看到燒杯底部有少量溶質的析出。

【教師小結】由此看來，在溫度不變的情況下，我們同樣可以通過改變溶劑的量的方式，使溶液狀態發生變化。若增加溶劑，可使溶液由原本“飽和”狀態轉為“不飽和”狀態；反之，則可通過減少溶劑的方式加以實現，而并不一定通過溶質的量的改變。

3.關鍵屬性——“（這種）溶質”

【設計意圖】將“（這種）溶質”作為特征屬性，運用“對比”變異圖式，分別對這種溶質在“量”和“類別”方面進行情境創設。如表3所示，在正例中，強調溶質的類別“不變”，通過改變溶質的量（添加這種溶質），明確該種溶質不能繼續溶解在其飽和溶液里；在反例中，強調溶質的量“不變”，改變溶質的不同類別，在反例1（添加KCl固體）和反例2（添加蔗糖），呈現這兩種物質均能溶解在NaCl飽和溶液中的現象，將學生的注意力集中于不同溶質的類別差異，確保學生當前的核心意識圍繞“（這種）溶質”的特征屬性進行，認識到“飽和溶液”只是針對某一種溶質飽和的特性。

表3 基于“（這種）溶質”特征屬性的情境素材變式設計

【教師銜接】同學們，通過前兩個環節，我們已經明確了在一定溫度和一定溶劑的前提下，飽和NaCl溶液都不能繼續溶解NaCl 固體，但如果我們加入的是KCl固體或蔗糖，它們還能溶解嗎？

【演示實驗正例1、反例1 和2】室溫下，準備三份相同的飽和NaCl溶液，分別標號①、②和③，依次分別添加等量的NaCl固體、KCl固體和蔗糖。

【學生回答】標號①的燒杯中出現沉淀，而標號②和③的燒杯中，沒有沉淀。說明加入的KCl固體和蔗糖，都溶解在了飽和NaCl溶液中。

【教師總結】對比三組不同現象，我們能夠得出，在保持一定溫度和定量溶劑的條件下，飽和溶液的“飽和”只是針對自身含有的這種溶質，但依然可以溶解其他不同類別的物質。

【引導性思考】如果我們在燒杯②和③中，分別繼續添加KCl固體和蔗糖，最終會出現什么現象呢？請同學們思考后，動手嘗試來驗證自己的猜想是否正確，并在學習筆記中進行解釋。

三、結論

新課標的導向，是一線教師在教學實踐中的風向標，但如何設定航線，使教學行為能夠沿著正確的方向前行，并最終達成既定目標，并不是一件容易的事情。這不僅需要適宜的教學理論指導，同時也需要切實可行的認知工具來加以輔助。

變異理論的創設起點，源于學習者的認知規律，強調對事物本質的聚焦，這與認識本原性問題的目的相一致。同時，該理論把對事物的認識，視為一種不孤立看待多重屬性的審辯過程，凸顯出了認識視角的重要性。這不僅拓展了有關學生核心素養有效生成的理論深度與實踐廣度，其蘊含的4種思維圖式在“變”與“不變”情境創設中的運用，也為實踐教學中融入本原性問題的情境創設，提供了認知工具和實施方法的參考。