基于发展学生思维能力的实验仪器复习策略研究

范晓凤 解慕宗

摘要： 以化学实验仪器的高三复习为例，基于学生思维能力的发展，从仪器设计、仪器组装、仪器创新三个角度讨论复习策略。指出教学中应引导学生学习科学家的思考方法，力求达到化学课堂的两个理想境界： 思维课堂和思辨课堂。

关键词： 化学实验仪器; 高三复习; 思维能力; 模型建构

文章编号： 10056629（2018）12006506中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 研究背景

《普通高中化学课程标准（2017年版）》倡导开展以化学实验为主的多种探究活动[1]。实验探究中离不开实验仪器，《2018年普通高等学校招生全国统一考试大纲的说明（理科）》中指出了实验仪器部分的考核要求： 了解化学实验室常用仪器的主要用途和使用方法;能根据要求做到识别典型的实验仪器装置图[2]。实验仪器的辨识和使用属于事实性知识或陈述性知识，许多教师认为此类知识如同鸡肋，按照“一个仪器图片+若干点注意事项+大量习题训练”的方式进行教学，并未深挖其教学功能。部分学生认为“化学是理科中的文科”，学习该部分内容时不求甚解，在“看仪器图片、背使用规则、刷相关习题”的过程中坦然接受了通过机械记忆所“掌握”的知识。许多学生在知识学习中，依赖记忆的低阶思维活动占据主导地位，而高阶思维活动鲜有参与认知过程。长此以往，导致认知方式呆板、角度单一、思路僵化，使得学生丧失独立思考的能力，对化学核心素养的发展很不利。

笔者针对化学实验仪器的高三复习，基于学生思维能力的发展，探讨复习策略并展示部分课堂实录。

2 高三化学实验仪器复习策略

2.1 仪器设计，窥探原则

缺少实验仪器，化学实验无疑会巧妇难为无米之炊。对于实验仪器高三复习，传统的教学模式是“看图说话”，即要求学生结合实验装置图书写仪器名称，分析仪器作用。该模式易导致课堂枯燥乏味，学生思维单点化。欲引领学生深度思考，提升学生思维的关联化水平，应将学科知识与生产生活相融合，以具有一定思维容量的问题，引导学生观察、猜想、推理、证明，对具体知识做出超越事实的思考。

情境1 从玻璃公道杯探索实验仪器设计原则

[教师]观察玻璃公道杯（见图1），讨论如下问题：

（1） 为何它是平底的？能是圆底的吗？

（2） 为何它是大肚的？能是细高的吗？

（3） 它的上沿尖嘴的作用是什么？跟实验室的哪个仪器相似？

（4） 手柄有什么作用？不安裝手柄还有其他办法使它隔热吗？

[学生]（讨论后得出结论）平底能使它在桌面上放稳;大肚可以装较多茶水，如果细高则重心比较高，容易被碰倒且容积小;上沿尖嘴有利于倾倒时集中茶水、引流，不容易洒出，跟实验室的烧杯、量杯相似;手柄便于拿杯子，也可以防止手被烫到，用中空双层玻璃杯也可以隔热。

设计意图： 常见的化学仪器为什么要设计成现在所见的形状？它们分别适用于哪些化学实验？它们之间有何联系？很多学生从未思考过这些问题。因此，通过一种生活中常见的茶具（玻璃公道杯），带领学生探本溯源，了解仪器的设计原理，激发学生的探索欲。

情境2 由固体和气体的反应再探实验仪器设计

[教师]固体和气体的反应很常见，通常选用什么仪器？

[学生]可以将固体置于硬质玻璃管中，一端通入气体，另一端流出气体。例如过氧化钠和二氧化碳气体的反应。

[教师]这样会导致实验有哪些不足？

[学生]固体上方有较多空间，有一部分气体没有接触到固体，反应不充分。

[教师]有哪些措施可以让固体和气体充分接触？

[学生]可将固体填满玻璃管或将玻璃管中间部分设计得比较大，出口比较小，固体填充满玻璃管的横截面，使得固体和气体充分接触。

[教师]大家有没有见过这类仪器呢？

[学生]球型干燥管！

[教师]若有些气体和固体需要接触时间长一些才能达到更好的吸收效果，可以怎么改进仪器？

[学生]可以再加一个球型干燥管，或把硬质玻璃管加长，多装一些固体。

[教师]实验仪器太长会使装置不够紧凑，怎样才能缩短仪器的长度？

[学生]把它弄弯就紧凑了！这就是U型管！

[教师]展示讨论过程中由学生“设计”的实验仪器（图2）。

[教师]观察上述固气反应装置的演变，大家发现仪器设计的原则是什么？

[学生]满足具体实验的需求。

设计意图： 教师没有直接告诉实验仪器名称，而是引导学生根据需求设计实验仪器，接着追问仪器设计的原则，水到渠成。古语云“导而弗牵”，教学中无需强行将学生“牵”到现成的结论中，恰到好处地引导对学生思维能力的发展大有助益。

情境3 从实验需要看加热方式变迁

[教师]实验仪器的外形千变万化，但最根本的是要满足实验需求。我们还能进行很多类似的探索，例如： 如果需要加热达到不同温度，可以采用哪些加热方式？应选用哪些加热装置？

[学生]讨论并举例说明。

[教师]根据所需温度和加热方式的不同，可以选用的加热仪器有酒精灯、酒精喷灯、电热套、电炉等。各种不同的加热方式在生活中也有广泛的应用（图3）。

设计意图： 高考试题坚持能力立意，突出核心素养。命题时会取材大学基础无机实验、有机制备实验，出现不常见乃至完全陌生的实验仪器，目的是考查学生的分析评价能力和创新能力。学生需要结合生活经验，整合和加工题设信息进行作答。以2017全国乙卷26题为例，对于“中空双层玻璃瓶”的作用，学生可以从生活中的中空双层玻璃茶杯或热水瓶的瓶胆中找到相同的因素“中空双层”，进而推知它的作用是“保温”。情境3从生活出发，帮助学生理解各种不同的加热方式，与生活情境相类比，培养学生挖掘生活素材解决问题的能力。

2.2 仪器组装，思维建模

根据不同的实验目的和实验原理，可以组装出多种多样的实验装置。仪器的组装问题变式繁多、变幻莫测，运用建模思想能使之迎刃而解。《普通高中化学课程标准（2017年版）》要求学生“通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，解释现象的本质和规律”[3]。根据课标要求，以气体的制备问题为例，可尝试按照“原型→模型→运用”的流程进行思维建模，即拆分实验装置，回溯实验装置的搭建过程，再结合装置原型建立模型，并在实际情境中运用模型。具体教学过程如下：

任务1 回归原型

[教师]前面讨论了固体和气体的反应，如果反应物中有液体，能选用平面的仪器吗？

[学生]不能！液体会流出，仪器必须要有一定的容积。

[教师]如果用一滴液体进行实验可以用平面的仪器吗？

[学生]量少不用担心液体流出来，例如用胶头滴管滴一滴溶液在玻璃片上测定pH。

[教师]根据液体量由少到多，可选用哪些仪器来盛放液体？

[学生]点滴板、试管、烧杯、烧瓶、细口瓶等。

[教师]总结讨论并进行成果展示（图4）。

[教师]如果把玻璃片的“原型”看做一个平面，能否画出点滴板、试管、带分液漏斗的广口瓶所对应的“原型”？

[学生]讨论并展示（图5）。

设计意图： 学生在“回归原型”的过程中能体验到实验装置从平面到立体的“成长历程”。该任务旨在让学生思维从具体到抽象演变，同时回归认知起点看问题，为模型建构奠定基础。

任务2 模型建构

[教师]结合刚刚绘制的“原型仪器”，回答下列问题，并运用“原型仪器”作图。

（1） 如果用这些仪器组装气体发生装置，还需添加哪些仪器？

（2） 如果要控制液体添加的量，可以采取什么措施？

（3） 如果要净化和干燥气体，需要添加什么装置？

（4） 如果要收集气体，需要添加什么装置？

（5） 如果要进行尾气处理呢？

[学生]作品展示（图6）。

设计意图： 将孤立的实验仪器组装以完成整套实验，体现了陈述性知识的应用价值。经过讨论和完善，学生建构出关于气体的发生、除杂、干燥、收集、尾气处理的装置模型。

[教师]我们对气体的发生装置模型进行深入研究，请大家按要求画出简图。

（1） 若反应需要的液体的量很少，可改用什么仪器加液体？

（2） 若需要定量（如2mL）滴加液体，且需控制反应温度，如何改进实验装置？

（3） 若在实验过程中发现分液漏斗中的液体不易滴下，如何改进实验装置？

[学生]将分液漏斗改成胶头滴管或针筒可以控制液体滴加的量，若液体无法滴下，则应通过橡胶管平衡压强（图7）。

[教师]（4）反应需要加热，如何改进实验装置？

[学生]根据反应物的状态，应选择不同的加热装置（图8）。

[教师]（围绕发生装置的选择建构思维模型）（图9）。

设计意图： 围绕发生装置的选择二度建模。以头脑风暴的形式，通过连续追问引发学生的深度思考，拓宽认知思路，丰富认知角度。将气体的制备模型与问题情境相融合，完善思維模型。

任务3 运用模型

[教师]（1）选择合适的试剂制备CO2，写出对应反应的化学方程式。

可供选择的试剂： CaCO3块状固体、Na2CO3粉末、饱和NaHCO3溶液、稀盐酸、稀硫酸、稀醋酸、稀硝酸。

（2） 根据你选择的实验原理，组装一个CO2发生装置。

可供选择的仪器： 小试管、大试管、具支试管、烧瓶、锥形瓶、蒸馏烧瓶、长颈漏斗、分液漏斗、启普发生器简易装置、石棉网、球型干燥管、U型管、酒精灯、止水夹、集气瓶、胶头滴管、双孔塞、单孔塞、导气管、橡皮管。

[学生]组装实验装置并完成实验。

设计意图： 设计具有开放性的问题，学生运用思维模型解决问题。在运用模型的过程中将枯燥的陈述性知识转变为动态的思维模式，培养思维的灵活性。

2.3 仪器创新，展示成果

定势思维易导致思维僵化，打破常规思维的桎梏，是培养学生创新能力的重要途径。很多学生认为烧瓶只有一个口，所以解决实验题时，三口烧瓶被当作陌生仪器。教学过程中，要善于从平常的事物中制造矛盾，激发学生思考，进行思想的碰撞，引导学生进行高阶思维活动——创新。部分教学实录如下：

[教师]我们需要一个气体发生装置，该装置既需滴加液体又需测量反应液的温度，同时还要导出反应产生的气体。一共要在橡皮塞上打几个孔？

[学生]三个孔，分别插入分液漏斗、温度计、导气管。

[教师]打的孔多容易导致什么问题？

[学生]容易漏气。

[教师]有方法解决橡皮塞上不能打孔太多的问题吗？

[学生]在烧瓶侧面开孔，带支管。例如蒸馏烧瓶。

[教师]其他仪器也能设计成带支管的形式吗？

[学生]（查找资料）具支试管、抽滤瓶等也具有支管！

[教师]分液漏斗球型部分也会挡住温度计，所以将它们插在同一个橡皮塞上很不方便。如果需要将温度计和分液漏斗都安装好，还有其他方法吗？

[学生]挤在一起不方便操作，在烧瓶上再开一口就不会拥挤了！

[教师]没错，科学家们也是这样思考和设计的！实验室有单口烧瓶和蒸馏烧瓶，也有两口、三口（展示各种烧瓶，见图10）。

[教师]拆分是仪器创新的常见思路，正如烧瓶可以由一个口被拆分为若干个口，与拆分相反的思路是什么？

[学生]组合！

[教师]很好，很多仪器的创新，都是组合思维。我们知道分液漏斗上加导管与烧瓶相连的作用是平衡分液漏斗内液体上方的压强和蒸馏烧瓶中的压强，确保液体顺利滴下。能否设计一个自带恒压作用的漏斗？

[学生]加导管直接连在分液漏斗上并且和烧瓶内相通。

[教师]这就是恒压漏斗，如： 恒压滴液漏斗（见图11）。

[教师]图中的恒压滴液漏斗上为什么有刻度？

[学生]组合了量筒的作用，可以知道滴加液体的体积。

[教师]为什么它不是球型的？

[学生]刻度比较均匀，就像针筒一样，同时它变得细长，在三口烧瓶上也不影响其他口的操作。

[教师]那胶头滴管是什么仪器的组合呢？

[学生]尖嘴玻璃导管和洗耳球！

[教师]通过讨论，大家发现仪器创新的原则是什么？

[学生]便于操作！

[教师]请大家根据操作需要，自主设计仪器，并模仿启普发生器的命名，给仪器命名。

[学生]兴致颇高，积极展示创新成果（图12）。

作品1： 组合了硬质玻璃管和点滴板的微型实验仪器，名称： 3C微型实验管（设计该仪器的同学姓名缩写为3C）。

作品2： 让圆底烧瓶不需夹持装置就可以竖直放在桌面的垫子，名称： 王氏烧瓶垫（命名的同学姓王）。

设计意图： 自主设计和命名实验仪器的过程，充分点燃了学生的学习热情，也能充分外显学生思维过程。该环节抓住了学生由不知到知之的矛盾运动[4]，让学生更接近学习的本真。

3 总结与反思

3.1 像科学家一样思考——思维课堂

高三复习阶段许多学生常常遭遇这样的窘境： 面对新情境下的问题，考试时束手无策，听讲时恍然大悟，再考试依然无从下手，知识的更新总是跟不上考题的变化。究其本源，教师在高考复习中聚焦于知识和习题的应然解析，却疏于对学科内涵的实然探索，导致学生在“知识碎片”的积累过程中习惯了“说明书”式的思考方式，思维能力并未得到提升。美国著名教育学家杜威认为：“仅靠学科知识来填补大脑，无疑是向垃圾场中堆满垃圾”。化学课堂闪烁着思维的光芒，哪怕是枯燥的陈述性知识也能培养学生智力活动的习惯，发展学生充满想象力的思维方式。以化学实验仪器高三复习为例，学生不仅应知道常见仪器名称，更应探索这些仪器的设计规则。当学生从气体和固体的接触时间、接触面积的角度，自主设计出球型干燥管、双球干燥管、U型干燥管，他们收获的不只是仪器的辨识方法，还有像科学家一样从问题源头理性思考的思维品质，这正是化学核心素养所倡导的“科学精神”。課堂的物理空间是有限的，而课堂的思维空间是无限的。化学课堂传道授业解惑，应传探索之道，授思维之业，解认知之惑。

3.2 像科学家一样思考——思辨课堂

何为思辨？思者，批判性思考;辨者，审慎而质疑。思辨课堂能让学生在思维体操中触及知识的内涵与外延，在思维火花的碰撞中将认识引向深层。思辨课堂是课堂教学的最高境界，以实验仪器的复习为例，思辨课堂能促使学生的思维方式从收敛向发散转变（联系生活多角度看待加热方式）、从静态到动态过渡（动态理解气体制备装置模型的建构过程），由平面至立体变化（从仪器拆分和组合的视角对实验仪器进行立体式解剖）、由孤立向系统升华（系统看待复杂实验装置的作用）。思辨课堂能让教学由肤而体，由体而神，由神而韵，使得学生远离机械的记忆、肤浅的思考，走向透彻的理解、深度的学习。思辨课堂能给化学教学赋予生命，具有“思辨味”的实验仪器复习课不会被异化为“实验装置的命名”，师生共同讨论仪器的设计、组装和创新，学生的“认知地图”逐渐形成，对实验仪器能从对单个装置最初的感性认识逐渐发展为对组合装置的理性而辩证的认识。像科学家一样思考，无需进行复杂的科研工作，只需回归源头进行辩证式思考，例如： 三口烧瓶为什么要打出三个口？胶头滴管可看作是哪些仪器的组合？

思维课堂与思辨课堂的相辅相成，能激发学生的元认知能力，让学生体验“科学家式思考”，在潜移默化中实现知识的生成、能力的生长和情感的升华。

参考文献：

[1][3]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]教育部考试中心.2018年普通高等学校招生全国统一考试大纲的说明（理科）[S].北京： 高等教育出版社， 2017.

[4]王国峥.刍议化学课堂教学的“四重境界”[J].中学化学教学参考， 2018，（3）： 4～7.