K-W-L教學策略指導下的無機化學實驗教學*
——以物質性質的五個實驗為例

禹國俊，翁哲慧，李艷妮，楊艷華**

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

1986年，美國路易斯大學Ogle教授基于建構主義理論，以問題為中心提出了Step K-What I know(學生已有認知)、Step W-What do I want to learn(學生想學的知識)和Step L-What I learned(學生學到的知識)為步驟的K-W-L教學策略[1]，并在1987年奠定了該策略的基礎研究步驟[2]。該策略是在學生已有認知基礎上，充分遵循學習者主動探究未知領域知識的學習過程(包括思考、閱讀、討論及收集資料等)，并在新的教學情境中，構建舊知與新知間的聯系，對激發學生學習動力和提升自主學習能力有積極意義[3-4]。

大學化學實驗教學是在規范學生操作技能的基礎上，讓學生真正參與到實驗過程中，體驗探究過程的樂趣，并加深對理論知識的理解。其中，部分實驗屬于拓展內容，在新情境下學生表現出對知識掌握不牢，知識遷移能力不足的問題。在前期探索開放式實驗教學的基礎上[5-12]，對拓展性實驗使用K-W-L教學策略，采用合理的問題設計，讓學生從科學性和學科性角度對新的情境素材進行分析，通過查閱資料、主動探索、積極嘗試，使學生融入實驗教學中，讓實驗教學活躍起來[13-14]。本文以實驗教學中探究物質性質的5個拓展實驗為例[15]，探索K-W-L教學策略在無機化學實驗教學中的應用。

1 KClO3的氧化性

【實驗內容】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，觀察現象并解釋原因。

[K環節]KClO3中的Cl顯+5價，S顯0價，兩者可發生氧化還原反應：KClO3作氧化劑，生成還原產物O2；S作還原劑，生成氧化產物SO2。而O2可與S反應生成SO2而被消耗，因此，KClO3與S反應生成KCl和SO2。

K環節主要是探尋學生對此實驗內容的認識及與此內容相關的已有知識。在新的情境下，根據已有認知作為較為合理的推測。

[W環節]以熟悉KClO3的制備為例O2，反應需有催化劑且加熱才能進行。查閱資料可知，鞭炮的原理為：

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

W環節主要是激發學生思考，進而實現自主學習，讓學生帶著問題進行有目的的實驗探索，構建舊知與新知間的聯系。

【實驗現象】實驗現象如圖1所示。鐵錘擊打后發出響亮的炮炸聲，聞到有刺激性氣味的氣體。一種現象為：濾紙瞬間燃燒，并產生少量的白煙；另一種現象為：濾紙沒有燃燒，產生大量的白煙。根據鞭炮原理推測，白色的煙為爆炸產生的固體小顆粒KCl，刺激性氣味氣體為SO2。點燃和擊打條件下的生成物應該不一樣。

圖1 KClO3和S混合后擊打的實驗現象

[L環節]以鞭炮原理為例進行分析，雖然鞭炮爆炸是放熱反應，但需要提供能量以達到反應所需的活化能，反應才可進行。鞭炮外圍包裹的紙層比實驗情境中的更加嚴密，而鐵錘擊打也是外界提供能力的一種形式，因此，此情境下的反應可以發生。中學采用KClO3制備O2使用MnO2作為催化劑，是通過降低反應活化能，起到加快反應速率的目的。因此，將加熱換為錘擊以提供反應所需能量，在無MnO2下，也能產生O2。

L環節主要是教師需對學生在探究活動中所獲取的信息進行總結歸納，引導學生得出實驗結論，并對實驗操作和結論進行評價。進而實現知識的正向遷移，讓學生獲得新的知識且加深對新知的理解。

注意：此反應有一定危險性，取用的KClO3固體和硫粉的量要少，混合均勻時使用塑料藥匙。鐵錘擊打時對準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，觀測到兩種實驗現象。

按K-W-L教學策略設計的KClO3氧化性實驗，讓學生體會到了除光照、點燃和加熱外，通過外界機械力提供化學反應能量的方式，一方面，強化了安全意識、增強了實驗趣味性；另一方面，拓展了學科視野，培養實事求是的科學精神。

2 白磷的性質

【實驗內容】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。在空氣中搖動濾紙，觀察現象并解釋原因。

[K環節]初中化學使用紅磷(元素符號P)燃燒生成P2O5探索空氣的組成。在后續學習中使用白磷和紅磷分別與氧氣的反應，探索燃燒的三要素為：可燃物、與空氣(氧氣)充分接觸、溫度達到著火點。并已知白磷的著火點比紅磷低、且兩者為同素異形體。

[W環節]磷的元素用P表示，白磷和紅磷的分子結構是否一樣？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P4表示，易溶于CS2等非極性溶劑中。白磷易燃，但初中化學在“燃燒與滅火”課題中，多以教學視頻或教師主講等形式開展演示實驗，學生無親身感受。

【實驗現象】實驗現象如圖2所示。揮動浸泡過CS2溶解的白磷溶液紙條，由于CS2揮發性較好，揮發完全后，留在紙條上的白磷自燃。

圖2 浸潤過含有白磷的CS2溶液的濾紙在空氣中燃燒

[L環節]白磷用符號P4表示，空間結構呈正四面體，非極性物質，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分子的空間結構呈正四面體有關，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的空間結構

【實驗原理】白磷與氧氣反應生成P4O10或P4O6。

注意：CS2易揮發且有毒，取用時不要過多，溶解白磷時速度要快。白磷易自燃，取用時速度要快，此實驗可小組合作完成，需在實驗室通風櫥或風機下完成。

按K-W-L教學策略設計的探究白磷自燃實驗，拓展了磷元素知識體系。通過教師釋疑和學生操作相結合，讓學生深刻體會物質結構與性質的關系。

3 鉛丹(Pb3O4)的組成

【實驗內容】取少量Pb3O4固體與 6 mol/L HNO3(質量分數約為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 鉛丹的組成實驗步驟及現象

[K環節]提及Pb3O4，首先想到的是Fe3O4。中學化學提及黑色的Fe3O4中含有Fe2+和Fe3+，橘紅色的Pb3O4之前未接觸過，對其組成和性質不了解。

[W環節]查閱資料可知，鉛丹是古代常用語煉制丹藥的一種物質，且有毒。例如，明代李時珍《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含的意境進行了描述。那么，鉛丹的組成是什么？

此環節主要通過含有鉛丹的古詩詞及文獻記錄，感受古人對鉛丹的認識，激發學生學習興趣，通過探究鉛丹的組成，更加科學的認識鉛丹的作用。

【實驗現象】實驗現象如圖4所示，Pb3O4與濃HNO3反應后，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環節]經過分析，黑色固體應為PbO2，試管①中的黃色沉淀為PbCrO4。試管②溶液變澄清，應是酸性條件下，PbO2與MnSO4發生氧化還原反應。

【實驗原理】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Pb3O4與濃HNO3的化學反應方程式推斷，鉛丹(Pb3O4)的組成是2PbO·PbO2。

【課外拓展】設計實驗內容，驗證Fe3O4的組成。

【方法導引】[K環節]高中化學學過使用KSCN溶液鑒別檢驗Fe3+的存在：SCN-與Fe3+反應，不與Fe2+反應。

[W環節]KSCN溶液不能用于同時含有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環節]取適量Fe3O4固體于試管中，加入鹽酸使其溶解(這時的試管溶液中含有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+反應生成無色的[FeF5(H2O)]2-):Fe3++5F-+H2O=[FeF5(H2O)]2-，黃色溶液逐漸變為淺綠色(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，說明有Fe2+的存在。

按K-W-L教學策略設計的探究鉛丹組成實驗，不僅將人文知識與化學知識進行了融合，而且可以培養學生科學的學科思維，從鉛丹的組成中理性看待古人對煉丹的癡迷、藥理學功效和賦予的理想意境。此外，通過課外拓展，進一步培養學生的探究意識和創新意識。

4 Al與O2的反應

【實驗內容】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HgCl2溶液覆蓋的鋁片區域顏色由銀白色轉變成灰色時，用棉花將溶液擦干。觀察鋁片表面的變化并解釋原因。

[K環節]Al與O2在高溫條件下發生反應，生成Al2O3。Al在空氣中時，表面生成致密氧化膜，不能進一步反應，且可在冷的濃硝酸和濃硫酸中發生鈍化。

[W環節]HgCl2在這里的作用可能是降低反應活化能，起到催化劑的作用。

[L環節]Hg的金屬活動性排在Al的后面，因此，單質Al可從Hg的化合物中置換單質Hg。在HgCl2溶液與Al片的界面間有單質微量的Hg產生，以活潑金屬Al為負極、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，Al片表面的銀白色轉變成灰色。擦去HgCl2溶液后，生成的Al2O3與空氣接觸后，受潮，變成蓬松狀。

【實驗原理】Al與O2反應生成生成Al2O3。

HgCl2屬于危險化學品，有劇毒，此實驗不宜在實驗教學中開展，此實驗以講解的形式進行。一方面，在已熟知的知識點上進行面的拓展；另一方面，開拓學生學科思維，培養學生科學精神。

5 鋅鋇白的制備

【實驗內容】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環節]生成的ZnS和BaSO4都為白色沉淀，不易區分，鋅鋇白到底是哪種沉淀？

【實驗現象】實驗現象如圖5所示(試管中產生白色沉淀)。

圖5 鋅鋇白實驗現象

[L環節]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。此復鹽俗稱立德粉，可用于油漆、油墨和橡膠等的著色，是一種性能優良的白色顏料。

【實驗原理】ZnSO4(aq)+BaS(aq)=ZnS·BaSO4↓

此實驗內容相對簡單，但在K-W-L策略的教學環境下，不僅可以培養學生學以致用的意識，而且還可以增強學生的學科認同感。

綜上所述，K-W-L教學策略在5個實驗中的應用設計如表1所示。K-W-L教學策略應用在實驗教學中的拓展實驗時，通過合理的問題設計與教師引導，在規范實驗操作的基礎上，實現了舊知與新知的過渡，符合“最近發展區”和“先行組織者”理論。在新的素材情境下，實現了學生自主學習與探究學習相結合，有利于增加學生的認知內容。K-W-L教學策略的實施，不僅有利于培養學生問題意識和探究意識，而且對培養學生科學實驗思維和研究能力有積極的促進作用。

表1 K-W-L教學策略在5個實驗中的應用舉例

6 展望

K-W-L教學策略在發展學生元認知、構建學科思維、突出學生的主體地位和教師主導作用方面，有積極的促進作用[2]。通過選取合適的教學內容，根據實際情況適當調整K-W-L策略，在探索物質基本性質和掌握實驗操作的基礎上，使學生更好的參與到教學過程中，提升無機化學實驗的課堂教學質量。