问题解决模式下化学实验素养的形成与落实——以“物质的分离和提纯”教学为例

韩书影 潘则南 曹育红

（1,2.福建师范大学附属中学，福建 福州 350007；3.闽江学院附属中学，福建 福州 350005）

我国化学家戴安邦曾指出：在化学教育中强调化学实验无论如何都不过分。学生在分析和解决实验问题的过程中，本身具有的（及将要发展的）实验能力、养成的实验习惯、体现出来的实验品质构成了（化学）实验素养。作为化学学科素养的重要组成部分，化学实验素养使学生在学习研究和生活实践过程中不断受益，是形成化学学科核心素养的基本过程。［1］有学者提出“双基指向”“问题解决指向”和“科学（广义）思维指向”三层次的学科核心素养内涵。其中底层基础知识和基本技能是核心，中间层是以解决问题过程中所获得基本方法为核心，上层是指思考、解决问题过程中所形成的思维方法和价值观。［2］因此，“问题解决”成了这些素养形成与落实的关键。在教学中，笔者发现学生做实验时往往走马观花，普遍缺乏深入思考，当进行实验设计与评价时就会茫然。因此，笔者以“物质的分离和提纯”为例，展示学生在学习中出现的问题，反思教学中出现的问题，总结解决问题的方案，旨在促进实验素养的形成与落实。

一、教材分析

苏教版教科书在《物质的分离和提纯》中［3］，集中介绍了几种重要且通用的分离和提纯的方法，弱化复杂操作，旨在为学生建立起一种科学探究的思维方式。分离KCl和MnO2混合物和除去KNO3中少量KCl，需要在过滤操作及溶解度的基础上深化和拓展；提取碘水中的碘，建立萃取和分液的概念；含Fe3+溶液获取蒸馏水，认识蒸馏烧瓶和蒸馏操作的条件。“寻根溯源”“万丈高楼平地起”，这些基本操作是复杂分离和提纯操作的“原始问题”。教学中构建出对典型案例的全方位认识，学生再遇见相似的问题，通过具体情境的分析，易于从知识体系中提取出所需的解决方案。

二、基于学生问题的教学实践策略

问题1：分离和提纯概念相混淆，“答非所问”；不清楚分液是萃取的后续操作；分析问题往往割裂物质的物理性质如状态等，回答也“生搬硬套”。如提取含有少量氯化钾杂质的硝酸钾固体，答蒸发浓缩、冷却结晶，忽略此时两者都是固体；再如提纯液体混合物答重结晶，而不是蒸馏。

教学策略1：实物展示+任务驱动——基于“化学家”的研究思路

实际教学中，首先展示几组分离和提纯物质的图片（如表1），辨析“分离和提纯”；增加油水混合物的分离，认识分液操作，知道萃取后续还有分液操作；最后总结物质分离和提纯的一般流程。

表1 分离与提纯的一般流程

设计意图：提供分离和提纯的图片，借助心理学上的“首因效应”，利用“初次印象”带来的正面强化影响，根据物质的状态和物理性质的差异，总结物质分离和提纯的一般思路和方法，能“知其然”，还能“知其所以然”；为学生建立解决分离和提纯这类问题的程序方法，通过独立思考、合作探究，选择合适的分离提纯方法。

问题2：在固固分离的实验中，学生对“在较高温度下将混合物溶于水形成浓溶液”，存在认识误区，用多少水溶解？加热到什么程度？用什么仪器溶解？如何洗涤沉淀？用热水还是冷水？如何检验沉淀是否洗净？还有仪器的选择常会出现“张冠李戴”，如“蒸发浓缩”选择蒸发皿，而不是烧杯；特别是当实验操作抽象为流程图时，无法正确解读流程图的含义。

教学策略2：定量分析+实验流程图——基于“模型建构”的化工思维

教学过程中，采用定性和定量相结合突破认识障碍（如表2）。教学中将杂质含量定量化，如10gKNO3和0.1gNaCl，预设加热到达的温度，如配成80℃时硝酸钾的浓溶液，估算所需水的体积，通过数据计算冷却前后KCl均是不饱和状态，抓住时机剖析过滤操作中的难点，突破和提升对过滤操作流程的认识，展示所需装置，认识蒸发浓缩是加热溶解的后续操作，并初步认识实验流程图（如图1）。

图1 提纯含少量氯化钾的硝酸钾流程

表2 溶解度数据

设计意图：过滤操作虽然简单，但教学中发现学生不能“活学活用”。此时我们把将定性的讨论改成定量的分析，设定温度，计算出加水量，避免出现加水太多，提纯率过低的问题，使实验操作更加科学化。以“三步走”的形式展现教学过程，进行实验难点问题的剖析、实验装置操作要点的解析，最终抽象出实验流程图，实现了化学知识由“静态展示”到“动态掌握”的转化，将“呆板知识”变成了“灵活应用”。

问题3：萃取操作缺失某些基本常识，如知道四氯化碳不溶于水，两者均是无色液体，但却不清楚两者混合在一起会存在明显的差别，可以通过加水来辨别四氯化碳和水；知道四氯化碳和苯都不溶于水，却不知向溴的四氯化碳溶液中加入苯有什么现象？

教学策略3：引入辅助实验，突破认知障碍——基于“先行组织”的引导思维

利用“先行组织者”策略将适当的引导性材料对当前所学新内容进行预先铺垫，建立好新旧知识之间的联系，促进新知识内容的消化与吸收。教学过程中以资料卡的形式呈现碘单质在水、四氯化碳、苯、乙醇中的溶解性（如表3），学生实验体会萃取和分液，讨论酒精是否能做萃取剂？并增加演示实验，碘（s）+酒精；碘（s）+CCl4；碘（s）+H2O；H2O+CCl4；CCl4+苯；学生实验：碘水+CCl4；碘水+酒精；边实验、边观察，边思考，记录实验现象。

表3 碘在不同溶剂中的溶解度

设计意图：学生缺乏对彼此间溶解性的感性认识，存在“只见树木不见森林”的现象，就像攀岩者在攀登过程中的关键是在悬崖峭壁中找到合适支撑点，实验中也要抓住认识障碍点，引入辅助实验，搭建脚手架，创设与培养匹配实验情境，突破溶剂间溶解性的关系，获得丰富的感性认识，有助于培养理性思维，以帮助学生突破认识障碍，实现围绕“知识”转变为围绕“认识转变”。

问题4：学生缺乏特殊现象处理经验，如过滤后滤液明显浑浊，如何处理？蒸发结晶中，当出现大量固体时，如何操作？如何正确分液？蒸馏操作如果忘记加沸石，如何补救？

教学策略4：装置拓展+危机处理——基于“应急处理”实验思维

教学过程中应该有应急处理措施。如过滤装置应“一贴、二低、三靠”，操作中若发现过滤后滤液明显浑浊，应更换滤纸重新过滤；蒸发结晶中，当出现大量固体时，应该停止加热，利用余热将水蒸干；分液漏斗使用过程中应先检漏，震荡后放气，下层液体应从下口放出，上层液体从上口倒出，避免交叉污染；蒸馏操作时，温度计水银球应靠近蒸馏烧瓶支管口附近，冷却水的流向为下进上出，如果忘记加沸石，处理方法应该是先停止加热，冷却后补加沸石等。

设计意图：教学中存在“考教脱节”与“时代脱节”的现象，学生会困惑于蒸馏装置中牛角管什么时候出现支管？牛角管和接受器间要不要加橡胶塞？减压过滤的目的和操作步骤是什么？教学中需要在基础装置的介绍上，拓展实验室常用的减压蒸馏和抽滤装置，开阔视野，并着重渗透化学实验应急处理方法，使学生具备初步解决实验危机的能力。

问题5：中国科学家获得诺贝尔奖背后的化学故事？

教学策略5：引入化学史——基于“态度责任”的情感思维

笔者在教学中也尝试着引入化学史教育，中国科学家屠呦呦，为了研究抗疟疾药物，分析了200多种中药，尝试了近400多种分离提纯方式，最终选择乙醚低温萃取法，从中药青蒿草中提取出了青蒿素，为人类的抗疟疾事业做出了突出贡献，挽救了全球数百万人的生命。

设计意图：化学史实中蕴含着丰富的科学思想和科学方法，是化学教学中培养和发展学生素养不可替代的一座富矿。以史为镜，成为培养和发展学生科学精神与社会责任的催生点。情感的升华，使学生坚信化学能带给社会正面的影响，增强学生的民族自豪感，坚信科学改变世界。

三、教学反思

1.关注学生原有知识经验、围绕认知障碍进行教学突破

建构主义者认为学生不是空着脑袋进入教室的，教学中应关注学生原有的知识经验，这些已有经验可能是对新知识学习有利的，也可能是某些错误的观念，阻碍新知识的学习，以此为前提，并根据教学经验预测学生在教学后中可能出现的问题，抓住学生的认识障碍点，基于“最近发展区”，搭建脚手架、创设相匹配的情境，才能有效地突破认识障碍，实现新知识的学习。

2.构建解决问题的程序，提高学生的实验能力

布鲁纳曾说过：“孩子们在教室里的所为和科学家在实验室的所为只有程度不同，没有本质区别。”教学中需要有意识地培养化学家的思考方式，逐渐养成科学的思维习惯，最终形成科学思维方式。“授之以鱼不如授之以渔”，教学中应着重渗透解决问题的方法和手段，从高视角建构对知识的理解，并形成解决问题的程序性知识。学生能够学会学习，学会思维，乐于主动获取新知识，并能对新信息进行加工处理，形成终身学习的能力。

3.抽象实验流程图，提高实验认识层次

对实验过程进行抽象概括，并以图示的方式展示。这种实验流程图能辅助学生进行实验方案设计，有助于其形成清晰的实验思路。相关研究表明，在实验教学中设置实验流程图，学生在实验方案及步骤填写的得分率明显高于对照组，且能比较准确地填写出实验步骤。这类图示具有清楚解释元认知策略的作用，有助于学生的实验方法培养及程序性知识获取。［1］

4.关注学生实验习惯和实验品质的提升

化学实验是化学工作者获取知识的重要途径，也是提高学生科学素养的重要途径，习惯决定成败，良好的实验习惯包括：提前预习，规范操作，认真观察并做好记录，收集实验事实，并对实验数据进行处理和分析，实验中注重实验变量的控制，除此之外，更要注重实验应急措施的渗透，注重化学实验安全教育，培养学生敢于质疑、严谨求实的科学精神和一丝不苟的科学态度。

四、结语

基于学生问题解决模式下研究实验素养能够更加有针对性，关注学生原有知识经验、围绕认识障碍进行教学突破，研究效果显著。化学实验素养的三要素相辅相成，实验能力是化学实验素养的核心，决定着实验素养的发展水平，实验能力的提升有赖于思维体系的完善、实验方法的培养和解决问题的程序方法的构建，实验品质的提升和实验习惯的形成则需要长时间的经验性积淀和教师潜移默化的渗透。总之，化学实验素养的提升，需要在教师的引导下，主动获取知识，形成科学的实验观，体验科学探究的过程，运用化学学科思维解决实际问题，践行化学学科价值。