K-W-L教學(xué)策略指導(dǎo)下的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)*
——以物質(zhì)性質(zhì)的五個(gè)實(shí)驗(yàn)為例

禹國俊，翁哲慧，李艷妮，楊艷華**

(1.昆明學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650214；2.溫州大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 溫州 325000)

1986年，美國路易斯大學(xué)Ogle教授基于建構(gòu)主義理論，以問題為中心提出了Step K-What I know(學(xué)生已有認(rèn)知)、Step W-What do I want to learn(學(xué)生想學(xué)的知識(shí))和Step L-What I learned(學(xué)生學(xué)到的知識(shí))為步驟的K-W-L教學(xué)策略[1]，并在1987年奠定了該策略的基礎(chǔ)研究步驟[2]。該策略是在學(xué)生已有認(rèn)知基礎(chǔ)上，充分遵循學(xué)習(xí)者主動(dòng)探究未知領(lǐng)域知識(shí)的學(xué)習(xí)過程(包括思考、閱讀、討論及收集資料等)，并在新的教學(xué)情境中，構(gòu)建舊知與新知間的聯(lián)系，對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力和提升自主學(xué)習(xí)能力有積極意義[3-4]。

大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在規(guī)范學(xué)生操作技能的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生真正參與到實(shí)驗(yàn)過程中，體驗(yàn)探究過程的樂趣，并加深對理論知識(shí)的理解。其中，部分實(shí)驗(yàn)屬于拓展內(nèi)容，在新情境下學(xué)生表現(xiàn)出對知識(shí)掌握不牢，知識(shí)遷移能力不足的問題。在前期探索開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上[5-12]，對拓展性實(shí)驗(yàn)使用K-W-L教學(xué)策略，采用合理的問題設(shè)計(jì)，讓學(xué)生從科學(xué)性和學(xué)科性角度對新的情境素材進(jìn)行分析，通過查閱資料、主動(dòng)探索、積極嘗試，使學(xué)生融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)活躍起來[13-14]。本文以實(shí)驗(yàn)教學(xué)中探究物質(zhì)性質(zhì)的5個(gè)拓展實(shí)驗(yàn)為例[15]，探索K-W-L教學(xué)策略在無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1 KClO3的氧化性

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】分別取半勺KClO3固體和硫粉，混合均勻后用紙包住，放于地上鐵錘擊打，觀察現(xiàn)象并解釋原因。

[K環(huán)節(jié)]KClO3中的Cl顯+5價(jià)，S顯0價(jià)，兩者可發(fā)生氧化還原反應(yīng)：KClO3作氧化劑，生成還原產(chǎn)物O2；S作還原劑，生成氧化產(chǎn)物SO2。而O2可與S反應(yīng)生成SO2而被消耗，因此，KClO3與S反應(yīng)生成KCl和SO2。

K環(huán)節(jié)主要是探尋學(xué)生對此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)及與此內(nèi)容相關(guān)的已有知識(shí)。在新的情境下，根據(jù)已有認(rèn)知作為較為合理的推測。

[W環(huán)節(jié)]以熟悉KClO3的制備為例O2，反應(yīng)需有催化劑且加熱才能進(jìn)行。查閱資料可知，鞭炮的原理為：

據(jù)此推測此反應(yīng)與鞭炮的原理類似。但具體生成物有哪些？鐵錘擊打的作用是什么？KClO3與S在點(diǎn)燃和擊打條件下的生成物是否一致？

W環(huán)節(jié)主要是激發(fā)學(xué)生思考，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行有目的的實(shí)驗(yàn)探索，構(gòu)建舊知與新知間的聯(lián)系。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖1所示。鐵錘擊打后發(fā)出響亮的炮炸聲，聞到有刺激性氣味的氣體。一種現(xiàn)象為：濾紙瞬間燃燒，并產(chǎn)生少量的白煙；另一種現(xiàn)象為：濾紙沒有燃燒，產(chǎn)生大量的白煙。根據(jù)鞭炮原理推測，白色的煙為爆炸產(chǎn)生的固體小顆粒KCl，刺激性氣味氣體為SO2。點(diǎn)燃和擊打條件下的生成物應(yīng)該不一樣。

圖1 KClO3和S混合后擊打的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

[L環(huán)節(jié)]以鞭炮原理為例進(jìn)行分析，雖然鞭炮爆炸是放熱反應(yīng)，但需要提供能量以達(dá)到反應(yīng)所需的活化能，反應(yīng)才可進(jìn)行。鞭炮外圍包裹的紙層比實(shí)驗(yàn)情境中的更加嚴(yán)密，而鐵錘擊打也是外界提供能力的一種形式，因此，此情境下的反應(yīng)可以發(fā)生。中學(xué)采用KClO3制備O2使用MnO2作為催化劑，是通過降低反應(yīng)活化能，起到加快反應(yīng)速率的目的。因此，將加熱換為錘擊以提供反應(yīng)所需能量，在無MnO2下，也能產(chǎn)生O2。

L環(huán)節(jié)主要是教師需對學(xué)生在探究活動(dòng)中所獲取的信息進(jìn)行總結(jié)歸納，引導(dǎo)學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并對實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)論進(jìn)行評(píng)價(jià)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的正向遷移，讓學(xué)生獲得新的知識(shí)且加深對新知的理解。

注意：此反應(yīng)有一定危險(xiǎn)性，取用的KClO3固體和硫粉的量要少，混合均勻時(shí)使用塑料藥匙。鐵錘擊打時(shí)對準(zhǔn)固體混合物多的部分，力度要大。由于取用的KClO3固體和硫粉沒有定量，觀測到兩種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

按K-W-L教學(xué)策略設(shè)計(jì)的KClO3氧化性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體會(huì)到了除光照、點(diǎn)燃和加熱外，通過外界機(jī)械力提供化學(xué)反應(yīng)能量的方式，一方面，強(qiáng)化了安全意識(shí)、增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)趣味性；另一方面，拓展了學(xué)科視野，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)精神。

2 白磷的性質(zhì)

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】取麥粒大小的白磷，并用濾紙吸干表面，放入裝有 1 mL 二硫化碳的坩堝中，輕輕搖動(dòng)使其溶解。用坩堝鉗夾住一條濾紙，浸入白磷溶解的二硫化碳溶液中。在空氣中搖動(dòng)濾紙，觀察現(xiàn)象并解釋原因。

[K環(huán)節(jié)]初中化學(xué)使用紅磷(元素符號(hào)P)燃燒生成P2O5探索空氣的組成。在后續(xù)學(xué)習(xí)中使用白磷和紅磷分別與氧氣的反應(yīng)，探索燃燒的三要素為：可燃物、與空氣(氧氣)充分接觸、溫度達(dá)到著火點(diǎn)。并已知白磷的著火點(diǎn)比紅磷低、且兩者為同素異形體。

[W環(huán)節(jié)]磷的元素用P表示，白磷和紅磷的分子結(jié)構(gòu)是否一樣？白磷燃燒是否也生成P2O5？為什么可以用CS2溶解白磷？查閱資料可知，白磷用符號(hào)P4表示，易溶于CS2等非極性溶劑中。白磷易燃，但初中化學(xué)在“燃燒與滅火”課題中，多以教學(xué)視頻或教師主講等形式開展演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無親身感受。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示。揮動(dòng)浸泡過CS2溶解的白磷溶液紙條，由于CS2揮發(fā)性較好，揮發(fā)完全后，留在紙條上的白磷自燃。

圖2 浸潤過含有白磷的CS2溶液的濾紙?jiān)诳諝庵腥紵?/p>

[L環(huán)節(jié)]白磷用符號(hào)P4表示，空間結(jié)構(gòu)呈正四面體，非極性物質(zhì)，因此，可溶于非極性溶劑。燃燒生成的氧化物主要為P4O10和P4O6，與P4分子的空間結(jié)構(gòu)呈正四面體有關(guān)，如圖3所示。P4中的P—P鍵有張力，氧原子可嵌入P—P鍵間形成P4O6。若氧原子中處于p軌道的電子對進(jìn)入磷原子空的d軌道中形成d-p π配位鍵，即可形成P6O10[16]。

圖3 白磷P4與P4O10和P4O6的空間結(jié)構(gòu)

【實(shí)驗(yàn)原理】白磷與氧氣反應(yīng)生成P4O10或P4O6。

注意：CS2易揮發(fā)且有毒，取用時(shí)不要過多，溶解白磷時(shí)速度要快。白磷易自燃，取用時(shí)速度要快，此實(shí)驗(yàn)可小組合作完成，需在實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)櫥或風(fēng)機(jī)下完成。

按K-W-L教學(xué)策略設(shè)計(jì)的探究白磷自燃實(shí)驗(yàn)，拓展了磷元素知識(shí)體系。通過教師釋疑和學(xué)生操作相結(jié)合，讓學(xué)生深刻體會(huì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。

3 鉛丹(Pb3O4)的組成

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】取少量Pb3O4固體與 6 mol/L HNO3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為68%)混合并不斷攪拌，觀察固體顏色的變化，并與Pb3O4的顏色進(jìn)行比較(見圖4)。過濾，固液分離后，濾液放入試管①中，并加入少量K2CrO4溶液，觀察現(xiàn)象并解釋原因。固體放入試管②中，并加入 2 mL 3 mol/L 的H2SO4溶液和2滴 0.1 mol/L 的MnSO4溶液，微熱，靜置澄清后，觀察溶液顏色變化并解釋原因。

圖4 鉛丹的組成實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

[K環(huán)節(jié)]提及Pb3O4，首先想到的是Fe3O4。中學(xué)化學(xué)提及黑色的Fe3O4中含有Fe2+和Fe3+，橘紅色的Pb3O4之前未接觸過，對其組成和性質(zhì)不了解。

[W環(huán)節(jié)]查閱資料可知，鉛丹是古代常用語煉制丹藥的一種物質(zhì)，且有毒。例如，明代李時(shí)珍《本草綱目》記載了鉛丹的炒制方法及其功效；南宋陸游《梅花》中寫道“霧雨更知仙骨別，鉛丹那悟色塵空”；北宋蘇澈《奉使契丹二十八首 神水館寄子瞻兄四絕(十)》中寫道“莫倚皂貂欺朔雪，更催靈火煮鉛丹”中，都對鉛丹的作用及其蘊(yùn)含的意境進(jìn)行了描述。那么，鉛丹的組成是什么？

此環(huán)節(jié)主要通過含有鉛丹的古詩詞及文獻(xiàn)記錄，感受古人對鉛丹的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，通過探究鉛丹的組成，更加科學(xué)的認(rèn)識(shí)鉛丹的作用。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示，Pb3O4與濃HNO3反應(yīng)后，橘紅色固體變成黑色。固液分離后，盛有濾液的試管①中加入K2CrO4溶液后，有黃色沉淀生成。盛有固體的試管②中加入H2SO4溶液后固體不溶解，再加入MnSO4溶液后，水浴加熱，黑色固體消失，溶液變粉紫色。

[L環(huán)節(jié)]經(jīng)過分析，黑色固體應(yīng)為PbO2，試管①中的黃色沉淀為PbCrO4。試管②溶液變澄清，應(yīng)是酸性條件下，PbO2與MnSO4發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

【實(shí)驗(yàn)原理】Pb3O4+4HNO3(濃)=2Pb(NO3)2+2H2O+PbO2(黑色)

試管①:Pb2++CrO42-=PbCrO4↓(黃色)

試管②: 5PbO2+2Mn2++4H+=5Pb2++2MnO4-+2H2O

因此，根據(jù)Pb3O4與濃HNO3的化學(xué)反應(yīng)方程式推斷，鉛丹(Pb3O4)的組成是2PbO·PbO2。

【課外拓展】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，驗(yàn)證Fe3O4的組成。

【方法導(dǎo)引】[K環(huán)節(jié)]高中化學(xué)學(xué)過使用KSCN溶液鑒別檢驗(yàn)Fe3+的存在：SCN-與Fe3+反應(yīng)，不與Fe2+反應(yīng)。

[W環(huán)節(jié)]KSCN溶液不能用于同時(shí)含有Fe3+和Fe2+的溶液。用什么試劑可以鑒別同一溶液中，含有Fe3+和Fe2+呢？

[L環(huán)節(jié)]取適量Fe3O4固體于試管中，加入鹽酸使其溶解(這時(shí)的試管溶液中含有Fe3+和Fe2+，溶液呈黃色)：Fe3O4+8H+=Fe2++2Fe3++4H2O。

方法②：在試管中加入少量蒸餾水，然后加入NH4F溶液(F-與Fe3+反應(yīng)生成無色的[FeF5(H2O)]2-):Fe3++5F-+H2O=[FeF5(H2O)]2-，黃色溶液逐漸變?yōu)闇\綠色(Fe2+在水溶液中的顏色)。

方法③：試管溶液一份為二，其中一支試管加入KSCN溶液，溶液變紅，說明有Fe3+的存在；另一支試管中加入鐵氰化鉀溶液，溶液變藍(lán)，說明有Fe2+的存在。

按K-W-L教學(xué)策略設(shè)計(jì)的探究鉛丹組成實(shí)驗(yàn)，不僅將人文知識(shí)與化學(xué)知識(shí)進(jìn)行了融合，而且可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的學(xué)科思維，從鉛丹的組成中理性看待古人對煉丹的癡迷、藥理學(xué)功效和賦予的理想意境。此外，通過課外拓展，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。

4 Al與O2的反應(yīng)

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】取一片砂紙打磨過的潔凈鋁片，表面滴加2滴 0.5 mol/L 的HgCl2溶液。當(dāng)HgCl2溶液覆蓋的鋁片區(qū)域顏色由銀白色轉(zhuǎn)變成灰色時(shí)，用棉花將溶液擦干。觀察鋁片表面的變化并解釋原因。

[K環(huán)節(jié)]Al與O2在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)，生成Al2O3。Al在空氣中時(shí)，表面生成致密氧化膜，不能進(jìn)一步反應(yīng)，且可在冷的濃硝酸和濃硫酸中發(fā)生鈍化。

[W環(huán)節(jié)]HgCl2在這里的作用可能是降低反應(yīng)活化能，起到催化劑的作用。

[L環(huán)節(jié)]Hg的金屬活動(dòng)性排在Al的后面，因此，單質(zhì)Al可從Hg的化合物中置換單質(zhì)Hg。在HgCl2溶液與Al片的界面間有單質(zhì)微量的Hg產(chǎn)生，以活潑金屬Al為負(fù)極、惰性金屬Hg為正極、HgCl2為電解液，組成原電池，加快了Al的氧化，此時(shí)，Al片表面的銀白色轉(zhuǎn)變成灰色。擦去HgCl2溶液后，生成的Al2O3與空氣接觸后，受潮，變成蓬松狀。

【實(shí)驗(yàn)原理】Al與O2反應(yīng)生成生成Al2O3。

HgCl2屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，有劇毒，此實(shí)驗(yàn)不宜在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展，此實(shí)驗(yàn)以講解的形式進(jìn)行。一方面，在已熟知的知識(shí)點(diǎn)上進(jìn)行面的拓展；另一方面，開拓學(xué)生學(xué)科思維，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神。

5 鋅鋇白的制備

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】在試管中加入 1 mL 0.2 mol/L 的BaS溶液，然后交替加入 0.2 mol/L 的ZnSO4溶液和 0.2 mol/L 的BaS溶液，并不斷攪拌。維持溶液pH為8 ～ 9，靜置后，傾析法分離固體。

[W環(huán)節(jié)]生成的ZnS和BaSO4都為白色沉淀，不易區(qū)分，鋅鋇白到底是哪種沉淀？

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示(試管中產(chǎn)生白色沉淀)。

圖5 鋅鋇白實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

[L環(huán)節(jié)]生成的兩種白色沉淀ZnS和BaSO4混合在一起，以ZnS·BaSO4的形式出現(xiàn)。此復(fù)鹽俗稱立德粉，可用于油漆、油墨和橡膠等的著色，是一種性能優(yōu)良的白色顏料。

【實(shí)驗(yàn)原理】ZnSO4(aq)+BaS(aq)=ZnS·BaSO4↓

此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對簡單，但在K-W-L策略的教學(xué)環(huán)境下，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的意識(shí)，而且還可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)科認(rèn)同感。

綜上所述，K-W-L教學(xué)策略在5個(gè)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)如表1所示。K-W-L教學(xué)策略應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的拓展實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過合理的問題設(shè)計(jì)與教師引導(dǎo)，在規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了舊知與新知的過渡，符合“最近發(fā)展區(qū)”和“先行組織者”理論。在新的素材情境下，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)與探究學(xué)習(xí)相結(jié)合，有利于增加學(xué)生的認(rèn)知內(nèi)容。K-W-L教學(xué)策略的實(shí)施，不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生問題意識(shí)和探究意識(shí)，而且對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)思維和研究能力有積極的促進(jìn)作用。

表1 K-W-L教學(xué)策略在5個(gè)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用舉例

6 展望

K-W-L教學(xué)策略在發(fā)展學(xué)生元認(rèn)知、構(gòu)建學(xué)科思維、突出學(xué)生的主體地位和教師主導(dǎo)作用方面，有積極的促進(jìn)作用[2]。通過選取合適的教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整K-W-L策略，在探索物質(zhì)基本性質(zhì)和掌握實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上，使學(xué)生更好的參與到教學(xué)過程中，提升無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)質(zhì)量。