基于POE教學策略的無機化學實驗教學*
——以物質性質的三個實驗為例

楊舒帆，譚 帥，翁哲慧，李艷妮，楊艷華

(昆明學院 化學化工學院 云南省金屬有機分子材料與器件重點實驗室(籌)，云南 昆明 650214)

1981年，澳大利亞莫納什大學的Richard F.Gunstone和Richard T.White以物理系學生對8個生活情境中的重力概念理解為內容，通過預測-觀察-解釋(predict-observe-explain，POE)的方法，探察學生對科學概念的理解，并于1992年正式提出了POE教學策略[1-2]。POE教學策略的實質是以學生為中心，在學生已有認知基礎上，對未知實驗的現象進行合理預測，并在預測中顯露出學生的前概念(即學生在新課前掌握的科學概念)掌握情況。通過具體的實驗操作及現象，產生認知沖突，在討論的基礎上，形成對實驗現象的科學解釋，最終實現學生的概念轉變[3]。這不僅符合學生的認知發展規律，而且對以實驗為主的探究式教學具有很好的指導作用[4]。在化學教學中，POE教學策略主要應用于中學化學教材中的演示型實驗改革和探究型實驗教學中，并歸納出抽象性的概念知識和元素化合物性質[5-8]。但是，POE教學策略在大學化學實驗教學中的應用和研究幾乎未見報道。

對傳統教學模式的不斷改革和創新，是提升實驗教學質量的重要途徑之一[9-11]。無機化學實驗課程在整個化學實驗科學中處于基礎地位，使學生加深對無機物性質的認識及無機化學基本理論的理解，是課程的主要目的之一；培養學生辯證唯物主義世界觀、實事求是的科學態度和嚴謹的實驗作風，全面提高學生的知識、能力和素質，為后續實驗課程打好基礎，為學生終身發展奠定基礎，是課程的主要任務之一。雖然課程中的大多數實驗與中學化學相似，屬于驗證性實驗，但其中一部分實驗內容是課程教學的延伸，學生有所了解但理解不深入、不透徹，易產生認知沖突，在教學過程中適合采用POE教學策略。因此，本文選取自編實驗教材中，以最能體現POE教學策略的3個實驗為示例進行教學設計[12]，旨在幫助學生構建完善的化學知識體系，加深對物質性質的理解，強化基礎實驗操作技能。

1 Zn與HNO3的反應

此實驗是“氧化還原反應”和“氮和磷”的一個教學實驗，分別出現在教材76頁和94頁，安排在大一上學期和下學期。

[實驗內容]在兩支試管中各加入一粒Zn，在試管①中加入 1 mL 濃HNO3(質量分數約為68%)、試管②中加入 1 mL 2 mol/L 的HNO3，觀察實驗現象。

[學生預測P]P1：根據人教版義務教育教科書《化學》 (九年級下冊)<第八單元 金屬和金屬材料>“課題2 金屬的化學性質”和“實驗活動4 金屬的物理性質和某些化學性質”，學生已經掌握了金屬活動性順序，知道金屬單質與稀HCl和稀H2SO4等稀酸反應可以生成氫氣。然而，金屬單質與稀HNO3反應不會生成H2。

P2：根據人教版普通高中教科書《化學》(必修第二冊)〈第五章 化工生產中的重要非金屬元素〉“第二節 氮及其化合物”中，單質Cu與濃HNO3和稀HNO3反應，分別生成NO2和NO，但NO易與O2反應生成NO2。因此，預測單質Zn和稀HNO3反應，可觀察到生成紅棕色氣體。

P3：常溫下，活潑金屬單質Fe、Al等與濃HNO3和濃H2SO4接觸時，單質表面生成一層致密氧化膜，阻止反應進一步進行。因此，預測單質Zn與濃HNO3的反應，觀察不到現象。

在面對新的知識情境時，學生根據已有認知，對實驗現象進行了合理解釋，并提出以上3點預測信息。在規范操作的基礎上，對預測結果與實驗現象的一致性進行驗證。

[實驗現象O]觀察到的現象如圖1所示。1)試管①產生大量紅棕色氣體并放熱，現象與預測P3相矛盾。2)試管②生成無色氣體，現象與預測P2相矛盾，且試管②生成的氣體是否為H2不可知，即是否與預測P1相矛盾不可知。

圖1 單質Zn與濃HNO3和稀HNO3反應的實驗現象

觀察是POE教學策略，重點強調通過觀察物質顏色、狀態、氣味等的物理變化，強化學生的實驗觀察能力。當觀察到的實驗現象與預測不相符時，會產生認知沖突，進而激發學生的探索欲和學習興趣。無論實驗結果是否與預測一致，都需要學生對實驗現象進行分析、查閱資料和討論，最終提出合理的解釋[13-14]。

[解釋E]E1：硝酸根中有一個離域π鍵，易斷鍵，使HNO3的氧化性增強。因此，金屬單質與稀HNO3反應，不會生成H2，稀HNO3不顯示酸性，而是顯示氧化性。與預測P1結果一致，說明試管②生成的無色氣體不是H2。

E3：金屬單質Zn與濃HNO3接觸后，表面生成ZnO，Zn-O鍵的鍵能較低，且不夠致密[15]，易發生解釋E2的反應。

圖2 氣室法檢測濕潤的酚酞試紙變紅

[歸納總結]試管①

試管②

通過預測階段和觀察現象的對比，產生認知沖突，激發學生主動學習欲望。在合作交流、查閱資料、教師總結及解釋的基礎上，促進前概念的轉化，建立新的知識概念，形成更為完善的知識體系，符合建構主義學習理論和皮亞杰認知發展理論。

2 Al與I2的反應

此實驗是“硼和鋁”的一個教學實驗，出現在教材106頁，安排在大一下學期。

[實驗內容]將 0.25 g 鋁粉和 0.5 g 預先研細的碘的干燥混合物，放在蒸發皿中混勻，堆成一小堆，加2滴 80 ℃ 左右的熱水，觀察實驗現象并解釋(此反應在通風櫥中或抽風機下進行)。

[學生預測 P]學生已經掌握鹵素可與單質Al反應，最為熟悉的是Cl2在加熱條件下與Al反應生成AlCl3，且單質I2在常溫下就可與活潑金屬單質反應，但與Al反應的大部分實驗都需在加熱下進行。根據前概念推測此反應生成AlI3，但對反應機理及過程的理解不清楚。

[實驗現象 O]觀察到的現象如圖3所示。1)先觀察到有紫色的煙并伴隨著刺激性氣味。2)反應結束后蒸發皿中剩余比反應物更高的一堆物質，這主要由反應產生的氣體和單質碘升華造成生成物膨脹造成。3)反應后的堆積物很蓬松，玻璃棒戳一下后成灰色的灰燼。

圖3 鋁粉與單質碘反應實驗現象

E2：在熱水作用下，單質I2升華，可觀測到紫色的煙，有刺激性氣味。

E4：AlI3水解產生的HI氣體，也具有刺激性氣味。

綜上所述，先觀察到有紫色的煙并伴隨著刺激性氣味，反應最后生成Al(OH)3。

[歸納總結]實驗原理：

3 FeCl3與KSCN的反應

此實驗是“鐵、鈷、鎳”的一個教學實驗，出現在教材123頁，安排在大一下學期。

[實驗內容]在FeCl3溶液中加入KSCN溶液，觀察現象。然后再加入 0.1 mol/L 的NH4F溶液，觀察有何變化，并解釋原因。

P2：根據配位化學基礎知識，F-的電負性強于SCN-中的配位原子S，因此，F-與Fe3+可形成更加穩定的配合物，紅色溶液顏色消失。

[實驗現象 O]觀察到的現象如圖4所示。1)淡黃色的FeCl3溶液中滴加無色的KSCN試劑后，溶液顏色變成紅色。2)紅色的溶液中滴加無色的NH4F試劑后，同學可觀察到四種溶液顏色，依次變為橙黃色、橙色、黃色和無色。

圖4 FeCl3與KSCN反應后滴加NH4F溶液反應現象

E3：根據軟硬酸堿結合原則分析，Fe3+的價層電子排布為3d54s0，d軌道和s軌道分別處于穩定的半滿和全空狀態，且可以接受電子對，電子云的變形性小，屬于硬酸。F-的價層電子排布為2p6，p軌道處于穩定的全滿狀態，且可以給出電子對，電子云的變形性也小，屬于硬堿。而SCN-中存在離域的π鍵，易失去電子、易斷鍵，基團電子云易變形，屬于軟堿。因此，硬酸Fe3+與硬堿F-結合的配合物穩定性強于硬酸Fe3+與軟堿SCN-結合的配合物，F-可與[Fe(SCN)n]3-n反應。

解釋E2和E3是在預測P2的基礎上進一步系統分析的結果，能夠鼓勵學生深入挖掘現象背后的本質，進而構建成體系的化學原理知識。

[歸納總結]實驗原理：

[FeFm]3-m(m=1～6) 的穩定性強于 [Fe(SCN)n]3-n(n=1～6)

4 展望

無機化學實驗教學內容較多，在探索物質基本性質和熟悉基本的實驗操作基礎上，采用POE教學策略，可以更好的激發學生化學思維，更加充分的調動學生學習積極性。在此基礎上，通過在課程教學中對學生的操作過程給予全程關注和指導，能夠更好的將理論與實踐相結合，得出科學的解釋和結論。應用POE教學策略的教學實驗設計，在符合學生認知規律的建構主義發展理論下，重視理論的知識構建過程，不僅可以進一步提升學生的探究能力，而且還能培養學生探究問題的意識，提升課堂教學質量和效率。